Аналогичная картина наблюдается и для втекающих в рукав облаков газа. Он также уплотняется. Заметим, что в рукавах имеются как сравнительно плотные облака, так и довольно разреженный межоблачный газ, причем давление в обоих «фазах» одинаково на кривой, изображенной на рис. 2.7, где состояние газа в облаках и межоблачной среде изображается точками B и C. После того как межзвездный газ выйдет из рукавов, его плотность значительно уменьшится, но две фазы — облака и межоблачная среда — сохранятся. Соответствующие состояния изображаются на рис. 2.7 точками A и B. Таким образом, между рукавами также имеются как облака, так и межоблачная среда. Но в то время, как средняя концентрация газа в облаках, находящихся в рукаве, 3—5 см-3, между рукавами она 0,2—0,3 см-3; между облаками соответствующие величины раз в десять меньше, поэтому их можно наблюдать только методами внеатмосферной «ультрафиолетовой» астрономии (см. выше).
Новый газ, входящий в рукав, довольно резко тормозится уже присутствующим там газом. При такой ситуации могут возникнуть ударные волны. При этом плотность газа скачкообразно увеличивается. На внутренней кромке ударной волны газ нагревается, но немного подальше его температура уже будет «нормальной», соответствующей рис. 2.7. Сжатие газа в ударной волне является, конечно, дополнительным фактором, увеличивающим его плотность. А это, как мы увидим в следующем параграфе, способствует ускорению процесса звездообразования.
Наглядной иллюстрацией правильности нового взгляда на природу спиральных рукавов галактик дает фотография галактики М51, приведенная на рис. 2.9. На этой фотографии хорошо видны темные узкие полосы, идущие вдоль внутренних краев рукавов. Эти полосы обусловлены космической пылью, которая из-за ударной волны уплотняется вместе с газом, входящим в эту часть рукава.
Методом радионаблюдений на волне 21 см во всех деталях исследовалось вращение Галактики, на основании чего была построена ее динамическая модель. Неоценимым преимуществом радиоастрономических наблюдений является то, что они свободны от влияния поглощения космической пылью. Это дает возможность наблюдать облака межзвездного газа в самых отдаленных областях Галактики. Особый интерес представляют исследования ядра нашей звездной системы и окружающей его области, совершенно недоступные для оптической астрономии из-за практически полного поглощения света в этом направлении. Мы упомянули только малую часть фундаментальной важности результатов, полученных за последнюю четверть века благодаря исследованиям на волне 21 см. Без преувеличения можно сказать, что современная астрономия просто немыслима без разнообразных применении этого исключительно эффективного метода.
Большой удачей явилось и то обстоятельство, что радиолинию 21 см излучает самый распространенный элемент во Вселенной.
Рис. 2.9: Фотография галактики М 51.
Сверхтонкая структура у самого глубокого уровня — явление не такое уж распространенное у атомов. Например, этого нет у гелия, кислорода, углерода. Но еще в 1948 г. автор этой книги обратил внимание на то, что в радиоспектре Галактики следует ожидать аналогичной природы линию тяжелого изотопа водорода — дейтерия с длиной волны около 92 см. Только спустя 24 года эта слабая линия была обнаружена. Содержание дейтерия в межзвездной среде в десятки тысяч раз меньше, чем «нормального» водорода. Имеются некоторые основания полагать, что межзвездный дейтерий является «реликтом»: не исключено, что он образовался в первые 15 минут существования Вселенной, когда она представляла собой весьма горячую и плотную смесь протонов, электронов, нейтронов, нейтрино и квантов света[ 9 ]. Если это так, то современная средняя плотность Вселенной должна быть около 10-31 г/см3 и Вселенная не может быть замкнутой. Вот какие важные выводы можно сделать из обнаруженной очень слабой радиолинии межзвездного дейтерия!
Как и всякая плазма, зоны H II являются источниками теплового радиоизлучения с непрерывным спектром. На низких частотах ионы Н II непрозрачны для своего теплового излучения, а их радиоспектр описывается законом Рэлея—Джинса, согласно которому интенсивность пропорциональна квадрату частоты и первой степени температуры. На высоких частотах эти зоны прозрачны и их интенсивность, так же как и в оптических лучах, пропорциональна мере эмиссии. Однако в то время как наблюдаемая интенсивность в оптическом диапазоне сильно искажена межзвездным поглощением света, на частотах радиодиапазона влияние этого поглощения совершенно ничтожно. Только хорошие радиоизображения зон H II позволяют восстановить их истинную структуру.
Кроме непрерывного спектра, зоны Н II излучают еще радиолинии. Природа этих линий весьма своеобразна. Они возникают при переходах между соседними весьма высоко возбужденными уровнями атомов, водорода, а также других элементов. Речь идет об уровнях, для которых главное квантовое число n 100—200 и даже больше. Такие уровни «заселяются» после рекомбинаций электронов с протонами[ 10 ]. Заметим, что в лабораторных плазмах, а также в звездных атмосферах столь высокое возбуждение атомов никогда не достигается — этому мешает взаимодействие возбужденного атома с окружающими заряженными частицами. Рекомбинационные радиолинии лучше всего наблюдать на сантиметровом и миллиметровом диапазоне.
Представляется очевидным, что линии несут в себе значительно больше информации, чем непрерывный спектр, так как исследование профилей открывает возможность изучить движение излучающих облаков. В настоящее время метод изучения зон Н II по рекомбинационным радиолиниям, причем не только водорода, но и гелия, углерода, а также других элементов, является едва ли не самым эффективным.
Глава 3 Газово-пылевые комплексы межзвездной среды — колыбель звезд
Характернейшей особенностью межзвездной среды является большое разнообразие имеющихся в ней физических условий. Там имеются, во-первых, зоны Н I и зоны Н II, кинетическая температура которых различается на два порядка. Имеются сравнительно плотные облака с концентрацией частиц газа, превышающей несколько тысяч на кубический сантиметр, и весьма разреженная среда между облаками, где концентрация не превышает 0,1 частицы на 1 см3. Имеются, наконец, огромные области, где распространяются сильные ударные волны от взрывов звезд (см. § 16), нагревающие газ до температуры 106 К. В этом параграфе мы сосредоточим наше внимание на сравнительно плотных, холодных газово-пылевых комплексах, физические процессы в которых отличаются большим своеобразием.
Наряду с отдельными облаками как ионизованного, так и неионизованного газа в Галактике наблюдаются, значительно большие по своим размерам, массе и плотности агрегаты холодного межзвездного вещества, получившие название «газово-пылевых комплексов»[ 11 ]. На небе астрономам уже давно известно довольно много таких комплексов. Один из ближайших к нам и, пожалуй, лучше всего исследованный комплекс находится в созвездии Ориона (см. рис. 2.3). Он включает в себя знаменитую туманность Ориона, плотные, поглощающие свет газово-пылевые облака и ряд других примечательных объектов. Для нас самым существенным является тс, что в таких газово-пылевых комплексах происходит важнейший процесс конденсации звезд из диффузной межзвездной среды. Об этом будет идти речь ниже, здесь же мы остановимся на интересном вопросе о происхождении таких комплексов. Конечно, этим вопросом можно было бы и не интересоваться, принимая газово-пылевые комплексы как реальный наблюдательный факт. Но такой чисто эмпирический путь исследования при всей его несомненной полезности не помогает глубоко понять суть явления и заложенную в самой его природе неизбежность. Во введении мы уже подчеркивали, что современная астрофизика насквозь исторична. Нельзя считать до конца понятым происхождение звезд из диффузной межзвездной среды, если неизвестно происхождение массивных, плотных газово-пылевых комплексов. Их происхождение нельзя понять как следствие тепловой неустойчивости межзвездной среды, о которой речь шла выше. Такая неустойчивость может привести лишь к образованию отдельных облаков, вкрапленных в значительно более разреженную среду. Ключом к пониманию происхождения массивных газово-пылевых комплексов являются некоторые свойства межзвездного магнитного поля.
Речь идет прежде всего об «упругости» магнитных силовых линий этого поля. Направление этих линий в основном параллельно плоскости галактического экватора. Так как облака межзвездной среды, образовавшиеся в результате ее тепловой неустойчивости, более или менее сильно ионизованы и поэтому представляют собой проводящую среду, они не могут двигаться поперек силовых линий — это сразу же искривило бы силовые линии и вызвало силу, направленную против движения. Следовательно, облака сравнительно быстро были бы остановлены. Поэтому они могут двигаться только по силовым линиям магнитного поля, как бы «скользя» вдоль них. Теперь представим себе, что по какой-то причине, может быть даже случайно, в системе (горизонтально» простирающихся силовых линий образовалась небольшая «впадина», «ложбина». Тогда под действием силы тяжести облака будут «соскальзывать» в такую ложбину. От этого масса газа во впадине увеличится и под влиянием его тяжести «ложбина» будет прогибаться еще сильнее. Ее «склоны» станут круче, и скорость втекания облаков межзвездного газа увеличится. В результате такого своеобразного характера неустойчивости межзвездной намагниченной плазмы (так называемая «неустойчивость Рэлея — Тэйлора») в системе межзвездных силовых линий образуются глубокие «ямы», наполненные довольно плотным газом (рис. 3.1). Это и есть газово-пылевой комплекс.
