<<
>>

Галактика

Открылась бездна звезд полна;

Звездам числа нет, бездне — дна.

М.В. Ломоносов

Наша галактика, которую еще со времен древних греков называют «Млечный путь», представляет собой очень неоднородное скопление звезд и туманностей, где Солнце представляет собой заурядную звезду небольшой величины из числа примерно 1011 своих собратьев.

На рис. 3.1 показано, как выглядит наша галактика «Млечный путь». Стрелками показано положение и направление движения Солнца относительно центра галактики со скоростью около 300 км/с в направлении звезды Денеб созвездия Лебедь.

Рис. 3.1. Наша галактика «Млечный путь»

Увидеть структуру ядра нашей галактики с помощью оптических приборов мы не можем, так как оно скрыто

очень толстыми слоями межзвездной пыли и газа, сильно поглощающими электромагнитное излучение в оптическом диапазоне длин волн.

На рис. 3.1 представлена форма нашего звездного скопления в его экваториальной плоскости (вверху) и в перпендикулярной плоскости (внизу). Это, конечно, компьютерная реконструкция, сделанная на основе большого числа астрономических измерений положения звезд на небе различными астрономами в разных обсерваториях и в разное время.

Млечный путь вращается вокруг оси, проходящий через его ядро, однако разные части вращаются с несколько разными скоростями. Орбитальная галактическая скорость Солнца составляет около 250 км/с, а вся галактика Млечный путь движется по направлению к другой галактике, которую астрономы называют «Туманность Андромеды», со скоростью 280 км/с.

Если дело пойдет так и дальше, то через 400 млрд лет мы до нее долетим, а через 100 тыс. лет по дороге подлетим к звезде Проксима в созвездии Центавра.

Туманность Андромеды отстоит от нашей галактики на расстояние всего 1,8 млн световых лет.

Максимальные расстояния до самых удаленных от нас галактик, которые определяются при помощи современных астрофизических приборов, составляют несколько миллиардов световых лет, а что дальше, мы пока не знаем. Если считать, что после Большого взрыва материя разлеталась с почти световыми скоростями, то часть ее улетела на 15-20 млрд световых лет.

Большая (по космическим масштабам) концентрация пыли и газа вблизи центра нашей галактики не позволяет нам увидеть, что происходит в ее центре, с помощью оптических телескопов.

Однако достижения радиоастрономии за последние 30-40 лет, особенно после создания малошумящих квантовых усилителей радиоволн и огромных радиотелескопов, позволили нам заглянуть в центр нашей галактики, который находится в направлении зодиакального созвездия Стрельца.

На рис. 3.2 приведено изображение ядра нашей галактики, полученное с помощью радиотелескопа. Размеры изображения: примерно 1 градус дуги. Цифрами указаны линии равной интенсивности радиоизлучения в относительных единицах.

В последние годы появились гипотезы, что ядро нашей галактики представляет собой огромную черную дыру. О том, что такое черная дыра, мы поговорим чуть позже.

Цифрами указана относительная интенсивность радиоизлучения

Рис. 3.2. Изображение ядра нашей галактики

Звезды в нашей галактике движутся по круговым галактическим орбитам, но с разными скоростями. Галактика не вращается, как целая система. В соответствии с законами Кеплера гравитационное поле галактики является центрально симметричным (хотя этот факт не вполне очевиден в силу неоднородного распределения массы вещества в пространстве). Почти все звезды галактики имеют небольшие (по сравнению с орбитальными), нерегулярные (пекулярные) перемещения относительно центра. Период обращения Солнца по своей галактической орбите — примерно 200 млн лет.

По своим массам звезды отличаются не очень сильно, не более чем в 10 раз, но по своим размерам, а следовательно — по плотности и спектрам свечения различия очень существенны.

Из результатов изучения спектров поглощения межзвездного газа следует, что в галактике и ближайших окрестностях Солнца вещество распределено примерно

поровну между массами звезд, межзвездным газом и мелкими частицами пыли.

Блеск (интеграл по спектру излучения), т. е. яркость звезд, измеряется в звездных величинах. По определению две звезды отличаются друг от друга на пять звездных величин, если по видимому блеску они отличаются в 100 раз. Нетрудно убедиться, что если яркость звезд отличается на одну звездную величину, то их яркость отличается в 2,512 раза.

Под абсолютной светимостью, или абсолютной звездной величиной, астрономы понимают полную мощность, излучаемую звездой. Светимость звезды обычно выражается в единицах, равных светимости Солнца: L — 3, 86 х х 1026 Вт.

Солнце расположено гораздо ближе к Земле, чем любая звезда, поэтому оно кажется гораздо более ярким, чем все другие звезды. Для того чтобы исключить фактор расстояния, астрономы используют понятие абсолютной звездной величины. Абсолютная звездная величина определяется как видимая звездная величина, которую звезда имела бы, если бы находилась на расстоянии 10 пс от Солнечной системы. х)

В 1911 г. немецкий астроном датского происхождения Эйнар Герцшпрунг нанес на график светимости звезд в зависимости от их показателя цвета свечения (спектра). Построенные таким образом графики показали, что для подавляющего большинства звезд их абсолютные светимости (т. е. полная мощность излучения в оптическом диапазоне) и их спектры, т. е. температуры поверхности, имеют вполне определенную связь. Несколько позже к аналогичным результатам пришел американский астрофизик Рассел.

г) Параллакс — это изменение угловых координат звезды при измерении их через промежуток времени, равный 0,5 года. При этом Земля, двигаясь по своей орбите вокруг Солнца, перемещается по диаметру на одну астрономическую единицу. Чем дальше звезда, тем меньше ее параллакс. Расстояние до звезды, при котором параллакс равен 1 угловой секунде, называется «парсек».

Эта зависимость приведена на рис. 3.3 и называется диаграммой Герцшпрунга-Рассела.

Я не знаю, почему астрономы именно так назвали различные спектральные классы звезд, но известно, что для того чтобы их легче запоминали студенты, профессор Рассел придумал фразу: «Oh, Be A Fine Girl Kiss Me!»

Рис. 3.3. Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Эта диаграмма играет очень большую роль в понимании эволюции звезд. По современным представлениям, звезды образуются при гравитационной конденсации огромных облаков межзвездной пыли и газа, которые распределены в пространстве очень неравномерно.

Этот процесс происходит и сейчас, преимущественно в спиральных рукавах галактики вблизи ее экваториальной плоскости, где концентрация межзвездной пыли существенно выше, чем на периферии.

Образовавшиеся флуктуации плотности межзвездного газа и пыли начинают медленно уплотняться под действием гравитационных сил и постепенно нагреваются в соответствии с газовыми законами. Поле гравитации потенциально и, следовательно, при движении масс в нем выделяется потенциальная энергия. Таким образом, поле совершает работу.

Эти пока еще холодные сгустки материи, называемые протозвездами, излучают радиоволны. Это радиоизлучение, имеющее природу космических мазеров, возникает при возбуждении холодного газа инфракрасным излучением более разогретой центральной области рождающейся звезды.

Постепенно газ внешней области протозвезды разогревается и она оказывается в верхнем правом углу диаграммы «цвет-светимость». Светимость таких образований может в сотни тысяч раз превышать светимость Солнца, так как их размеры могут быть сравнимыми с размерами Солнечной системы, а в соответствии с законами излучения черного тела, полная излучаемая энергия пропорциональна поверхности. Это область красных гигантов. Время существования протозвезды в таком состоянии зависит от ее полной массы и (по космическим масштабам) сравнительно небольшое.

Массивные протозвезды, массы которых в десятки раз превышают массу Солнца, под действием сильного гравитационного поля быстро конденсируются. Их центральные области сильно разогреваются и в их недрах начинают протекать термоядерные реакции, которые поддерживают температуру звезды в течение длительного времени. Звезда «садится» на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела.

Положение звезды на главной последовательности определяется первоначальной массой газопылевой туманности, из которой она родилась.

Для звезд типа Солнца время существования в таком состоянии, пока не выгорит весь водород, может достигать 5-15 млрд лет. Все зависит от элементного состава первичного протооблака и доли в нем водорода. Сейчас Солнцу примерно 4,5-5 млрд лет, тогда как Вселенной и нашей галактике — около 15-20 млрд лет. Это означает, что Солнце и ее планетная система являются, скорее всего, объектами второго или третьего поколения галактической материи. Что это означает, мы рассмотрим чуть позже.

В первом столбце табл. 3.1 указаны спектральные классы звезд от ВО до К5. Цифра в обозначениях спектральных классов обозначает один из 10 спектральных подклассов, на которые разбит данный класс.

Таблица 3.1

Спек

тральный

класс

Масса

Радиус

Свети

мость

Время, млн лет

Г равита- ционного сжатия

Пребывания на главной последовательности

ВО

17

9

30 000

0,12

8

В5

6,3

4,2

1000

80

АО

3,2

2,8

100

4,6

400

А5

1,9

1,5

12

22

2000

F0

1,5

1,25

4,8

43

4000

F5

1,3

1,24

2,7

56

6000

G0

1,02

1,02

1,2

94

11000

G2

(Солнце)

1,0

1,0

1,0

110

13 000

G5

0,91

0,92

0,72

110

17000

КО

0,74

0,74

0,32

230

28 000

К5

0,54

0,54

0,1

600

70 000

Звезды существенно массивнее Солнца образуют класс голубых гигантов (звезды спектрального класса О и В).

Они могут находиться на главной последовательности всего несколько миллионов лет, так как температура и давление в их недрах существенно выше, чем на Солнце, поверхность существенно больше и, согласно закону Стефана-Больцмана, они теряют очень много энергии на излучение.

По мере выгорания водорода в центральных областях звезды температура ее поверхности постепенно понижается и звезда перемещается по главной последовательности вправо.

Этот процесс представлен в табл. 3.1, где масса, радиус и светимость выражены в солнечных единицах.

Как видно из таблицы, время довольно спокойной эволюции звезд сильно зависит от их масс. После того как в центральной области весь водород превратится в гелий, температура и давление внутри звезды падают, так как прекращаются термоядерные реакции, и ядро звезды начинает сжиматься и разогреваться под действием гравитационных сил. На периферии горение водорода продолжается, так как там меньше гравитационное сжатие, давление, температура и, следовательно, скорость термоядерных реакций.

Оболочка звезды раздувается. Звезда сбрасывает свою оболочку. Поверхность, а следовательно, и абсолютная светимость звезды возрастают и звезда сходит с главной последовательности, опять превращаясь в красного гиганта. Процесс этот происходит очень быстро. Буквально за несколько дней светимость звезды увеличивается на 13 звездных величин, то есть в 157 000 раз, а потом довольно медленно уменьшается.

Такие звезды называются новыми и вспыхивают в галактике довольно часто, примерно 100 раз в год. Но на этом эволюция звезд не заканчивается. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее первоначальной массы. Если масса звезды не превышает примерно 1,2 массы Солнца, то оболочка довольно быстро остывает, постепенно рассеивается в пространстве, люминесцируя под воздействием ультрафиолетового излучения еще горячего ядра. Само ядро будет постепенно остывать, сжиматься под действием гравитационных сил и превратится сначала в белого, а потом в черного карлика. Процесс остывания белых карликов длится сотни миллионов лет.

Гравитационные силы сжимают их все больше и больше и в конце своей эволюции они превращаются в плотные образования, представляющие собой вырожденный газ. Их радиусы сравнимы с радиусом Земли R = 6,3 х х 108 см, а массы — с массой Солнца М = 2 • 1033 г. Плотность вещества таких карликов достигает значений р = 3М/(4л:/?3) = 2 • 106 г/см3.

Именно такая судьба ожидает Солнце. Произойдет это не очень скоро. Хотя оценки этого времени сильно разнятся в разных моделях внутреннего строения нашего светила. Особенно это зависит от внутреннего строения и элементного состава солнечного ядра и от его температуры и запаса ядерного горючего.

При дальнейшем остывании вырожденный газ конденсируется в Бозе-жидкость.

Если считать, что Солнце примерно ровесник своей планетной системе (почему это так, мы обсудим несколько позже), то вот уже 5 млрд лет оно более или менее спокойно «сидит» на главной последовательности. Сейчас — в классе G2. Возможно, что 2 или 3 млрд лет назад оно было немного холоднее и находилось в спектральном классе G5 или G8.

Через несколько миллиардов лет весь водород в его недрах выгорит и превратится в гелий. Хотя есть теории, которые предсказывают, что такой конец наступит раз в 10 скорее.

Так, например, один из российских геофизиков, профессор В. В. Орленок, считает, что астрофизики неправильно оценивают запасы водорода на Солнце, считая, что оно почти целиком состоит из водорода. Аргументы В. В. Орленка мне кажутся достаточно интересными и, в общем-то, довольно убедительными. Давайте их рассмотрим поподробнее.

Предположим, что Солнце, как это написано в большинстве учебников, состоит в основном из водорода х).

Масса Солнца М известна и составляет 1,989 • 1033 г.

В результате термоядерных процессов 4 атома водорода в недрах Солнца превращаются в 1 атом гелия и при этом выделяется 28,6 МэВ энергии в виде у-квантов, нейтрино, быстрых тяжелых частиц и электронов. Подсчитаем, какое количество таких элементарных реакций N синтеза гелия может произойти на Солнце, пока не выгорит весь водород?

Очевидно, что N = М/4га, где т = 1,66 • 10-24 г — масса протона. Откуда N = 3 • 1056, при этом выделится энергия Е = N- 28,6 • 106 эВ = 8,6 • 1063 эВ = 3,7 • 1052 эрг.

Поскольку Солнце излучает в 1 секунду L = 4-1033 эрг, то запаса энергии на Солнце хватит на E/L = 9,25 х х 1018 с = 3 • 1011 лет. Что на порядок превышает возраст всей вселенной и не может быть реальностью.

Если даже учесть, что 20 % энергии уносят нейтрино, то все равно это слишком много.

Кроме того, оценки скорости Р-Р реакций приводят к примерно на порядок большему значению мощности излучения ~ 3 • 1027 Вт, тогда как измеренная светимость Солнца L — 4 • 1026 Вт.

Если считать, что Солнце сформировалось из одного и того же газопылевого облака, что и планетная система, то в его составе должно быть достаточно большое количество тяжелых элементов и прежде всего — железа, никеля и силикатов, которые не могли никуда исчезнуть и образуют массивное металлическое ядро, не участвующее в процессе термоядерного синтеза и никак не проявляющее себя в спектрах солнечной поверхности.

Каков реальный состав внутренних областей Солнца, пока неясно. По различным оценкам, количество водорода на Солнце может меняться от 2 до 50%. Поэтому оценки времени спокойной жизни Солнца как центральной звезды нашей планетной системы так же сильно различаются.

г) Struve Otto Elementary Astronomy. — N. Y., 1961.

Если принять минимальную оценку, то это 5-6 млрд лет, из которых 4,8 уже прошли.

Тем не менее основной источник энергии Солнца ни у кого не вызывает сомнения.

Когда выгорит весь или почти весь водород, температура в недрах Солнца упадет, следовательно, упадет и давление, оно раздуется, станет красным гигантом диаметром больше орбиты Земли и будет остывать еще несколько миллионов лет. Наконец, силы гравитации пересилят остаточное давление, остывающее Солнце начнет быстро сжиматься и взорвется, увеличив свой блеск в несколько сот тысяч раз из-за разогрева в результате гравитационного сжатия, и превратится в так называемую новую звезду. Такие взрывы могут происходить несколько раз, пока не иссякнет запас водорода в оболочке, а затем оно станет остывающим белым карликом и найдет свою космическую могилу в виде черного карлика.

Рис. 3.4. Планетарная туманность

И никакая цивилизация с такой судьбой нашего светила ничего поделать уже не сможет. Одно утешает — это произойдет очень нескоро. На рис. 3.4 изображена ситуация, которая произойдет через несколько миллионов или миллиардов лет. Солнце превратится вот в такую систему. Астрономы называют ее планетарной туманностью. Она представляет собой разлетающееся во все стороны облако газов, нагретых до температуры 1000-1500 К, и центральное ядро с поверхностной температурой 70-100 тыс. градусов. Довольно быстро облако газов разлетится в разные стороны, а центральное ядро начнет быстро остывать, так как энергии на поддержание температуры уже не будет.

Таких звезд, как Солнце, находящихся на разных стадиях эволюции, в Галактике миллиарды. Их изучение позволяет астрономам набирать большую статистику и довольно точно предсказывать их дальнейшую судьбу.

Для нас сейчас важно понять одно: могут ли в Галактике быть условия, необходимые для возникновения жизни, подобной или близкой к нашей. Для этого надо выяснить по крайней мере несколько главных условий: Есть ли у звезд планетные системы, или наша планетная система уникальна. Есть ли в этих звездных системах тяжелые элементы, без которых жизнь невозможна, и откуда они берутся. Ведь в атмосферах звезд присутствуют в основном легкие элементы, такие, как водород и гелий. Звездная система должна быть одинарной. В противном случае температурные условия на планетах будут в очень сильной степени зависеть от взаимного расположения составляющих систему светил относительно общего центра масс.

Современная астрофизика довольно четко объясняет все три пункта.

Планетная система в окрестностях звезды не является уникальным явлением, хотя пока астрономы не могут сказать, насколько это явление является типичным. На межзвездных расстояниях такие темные объекты, как планеты, пока недоступны для обнаружения имеющимися у нас прямыми астрофизическими методами. Однако при точных измерениях параллакса некоторых звезд были обнаружены заметные периодические отклонения от среднего значения, которые астрономы связывают с наличием у центра масс звездной системы смещения относительно центра звезды, обусловленного движением планет типа Юпитера. Если есть юпитеры, почему бы не быть и землям, марсам или венерам?

Что касается третьего пункта, хотя большинство звездных систем кратные (двойные или даже тройные), около 35-40 % всех звезд — одинарные и общее их число исчисляется десятками миллиардов только в нашей галактике. Так что выбор очень широкий.

Рассмотрим теперь вопрос о том, что происходит со звездами при выгорании в них запасов водорода.

Оказывается, что все зависит от их первоначальной массы. Если полная масса газопылевого облака, из которого конденсируется протозвезда, будет в 1,2-2,5 раза больше массы Солнца, то в конце своей эволюции, после выгорания водорода, силы гравитационного сжатия преодолевают кулоновское отталкивание оболочек атомов. Электронные оболочки вдавливаются внутрь атомов и протоны превращаются в нейтроны. Звезда сжимается до размеров в несколько километров диаметром и превращается в нейтронную звезду с плотностью вещества порядка ядерной — 1014-1015 г/см3.

При таком коллапсе звезды с массой, равной двум солнечным, выделяется гигантская гравитационная энергия порядка 1049 эрг, иногда всего за несколько десятков минут. Это означает, что мощность излучения такого объекта, получившего название взрыва сверхновой звезды, или его светимость, составляет 1047 эрг/с, т. е. больше светимости всех звезд в галактике вместе взятых, равной примерно 1045эрг/с. Поэтому астрономы могут наблюдать такие процессы и в других галактиках.

Выделившаяся при взрыве энергия приводит к сбросу оболочки звезды, которая разлетается в разные стороны со скоростями в несколько тысяч километров в секунду, а оставшееся ядро нагревается до температуры 109 К и даже больше. А так как, в соответствии с законом Стефана- Больцмана, мощность излучения пропорциональна четвертой степени температуры, такие звезды сильно излучают в рентгеновском диапазоне.

В нашей галактике такие события происходят очень редко, примерно 1 раз в 300-400 лет. Ядро взорвавшейся сверхновой звезды очень быстро остывает, так как в нем уже иссякли внутренние источники энергии, и превращается в нейтронную звезду или пульсар.

Пульсары получили свое название потому, что на их поверхностях за счет обжатия магнитных силовых линий при гравитационном коллапсе возникают огромные магнитные поля, достигающие значений 1012 Э. При таких полях плотность магнитной материи определяется по формулам электродинамики: Е = тс2 = //2/87t, и достигает величины 50 г/см3. Здесь с — скорость света, а Н — напряженность магнитного поля.

Такая звезда вращается с огромной скоростью (так как при сжатии должен сохраняться первоначальный момент количества движения) и излучает радиоволны с довольно узкой диаграммой направленности, сканирующей в пространстве с частотой вращения звезды.

Впервые такое импульсное излучение в радиодиапазоне обнаружила летом 1967 г. аспирантка английского радиоастронома Хьюиша мисс Бэлл. В 1974 г. за работы по радиоастрономии Энтони Хьюишу и Мартину Райлу была присуждена Нобелевская премия по физике, а про мисс Бэлл забыли.

За свои 50 лет работы в науке я понял одну простую истину: «Науку двигают вперед аспиранты и младшие научные сотрудники, а старшие только не дают им двигаться вбок и назад. Но тут-то и возникает самый главный вопрос: где зад, а где — перед?»

Вращающееся магнитное поле нейтронной звезды возбуждает сильные вихревые электрические поля, которые ускоряют заряженные частицы до огромных энергий, генерируя космические лучи.

И, наконец, третий вариант финала эволюции звезды.

Еще в 30-х гг. американец Мартин Шварцшильд, сын известного немецкого астронома Карла Шварцшильда, показал, что если радиус звезды становится по каким- либо причинам меньше некоторой критической величины _/?Shv — 2 ш(?/с2, где т — масса звезды, G — постоянная тяготения, с — скорость света, то никакое излучение или частицы уже не смогут преодолеть поле тяготения и выйти из внутреннего пространства сферы Шварцшильда.

Вообще говоря, эта формула прямо следует из выражения для второй космической скорости. Для такого объекта вторая космическая скорость становится больше скорости света.

Эти объекты получили название черных дыр.

Казалось бы, такие объекты должны полностью ускользать из поля зрения наблюдательной астрономии, так как ничего не излучают. Однако это далеко не так.

Ионизованные частицы межзвездной пыли и газа, попадая в гравитационное поле такого объекта, получают громадные ускорения еще до вхождения в сферу Шварцшильда и начинают излучать электромагнитные волны.

Эти электромагнитные волны, претерпевшие сильное красное гравитационное смещение, радиоастрономы наблюдают в СВЧ-диапазоне.

Похожее радиоизлучение наблюдается и в области, находящейся в центре ядра нашей галактики, где концентрация звезд значительно превосходит ту, что наблюдается в окрестности Солнца.

Вполне возможно, что ядро нашей галактики представляет собой огромную черную дыру, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца. В таком случае плотность вещества там может значительно превосходить плотность ядерной материи. И пока теоретики не очень представляют, как там течет время и каковы свойства материи при таких сверхвысоких ее плотностях. 

<< | >>
Источник: Богданкевич О. В. Лекции по экологии. 2002

Еще по теме Галактика:

  1. Материалистическая диалектика
  2. Вселенная
  3. Галактика
  4. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЫТИЯ
  5. Системность эволюции, или процесс как система
  6. § 5. Картина мира в глобальном эволюционизме
  7. ГАЛАКТИКИ
  8. РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
  9. КВАЗАРЫ
  10. В ПРЕДЕЛАХ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ
  11. НА ОРБИТАХ ВОКРУГ ЦЕНТРА ГАЛАКТИКИ
  12. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ГАЛАКТИКЕ
  13. СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ
  14. СВЕРХНОВЫЕ В НАШЕЙ ГАЛАКТИКЕ
  15. Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов
  16. Миллион обитаемых планет в нашей Галактике?
  17. Роль планетарных туманностей в эволюции галактик