Иосиф Шкловский - Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Мы видим, что WT при постоянной плотности облака и температуре T растет с ростом R как R3, в то время как WgR5, т.е. с ростом R растет гораздо быстрее. Следовательно, при данных и T существует такое R1, что при R > R1 облако под действием собственной гравитации неизбежно будет сжиматься. Когда задана масса M облака, R1 определится формулой

В этом случае (т. е., если заданы масса и температура облака), если размер облака R < R1, оно будет сжиматься.

Легко убедиться, что «обычные» облака межзвездного газа с M M и R 1 пс не будут сжиматься собственной гравитацией, а газово-пылевые комплексы M 103—104 M, T 50° и радиусом порядка десятков парсек будут. При условиях, которые реализуются для подавляющего большинства звезд, такое сжатие автоматически вызовет повышение температуры, и следовательно, давления. Увеличившееся давлением уравновесит силу гравитации, и облако перестанет сжиматься. Об этом подробно будет идти речь в § 6. Но в условиях сжимающихся облаков межзвездного газа температура в процессе сжатия не будет повышаться, по крайней мере на начальной, самой важной стадии сжатия. Это объясняется наличием у таких облаков весьма эффективно работающего «холодильника». Ниже мы увидим, что у этих плотных облаков водород, так же как и большинство других элементов, находится в молекулярном состоянии. Возбуждение столкновениями вращательных уровней молекул водорода с последующим излучением инфракрасной линии с длиной волны 28 мкм будет поддерживать температуру газа на почти постоянном уровне. Дело в том, что сжимающееся облако (до поры, до времени) прозрачно для этого инфракрасного излучения, которое тем самым покинет облако. Поэтому гравитационная энергия, освобождающаяся при сжатии облака, не будет тратиться на нагрев его вещества, а трансформировавшись в инфракрасное излучение, уйдет в мировое пространство. Будет даже некоторое понижение температуры облака, так как по мере его уплотнения греющие облако рентгеновские кванты (заполняющие галактику) будут поглощены в его наружных слоях. Кроме того, увеличивается число молекул, охлаждающих газ.

Вернемся теперь к условию гравитационного сжатия облака, списываемому формулой (3.4). Рассмотрим случай, когда масса облака равна массе Солнца, а его температура 10 К. Тогда из формулы (3.4) следует, что такое облако будет сжиматься, если его радиус меньше 0,02 парсек. Следовательно, плотность такого облака будет 2 10-18 г/см3, а концентрация газа в нем 106 см-3 — величина довольно значительная. Если же масса облака будет 10 солнечных масс, то, как можно убедиться, средняя концентрация частиц газа, при которой облако начинает сжиматься, будет значительно меньше, 104 см-3. Как мы увидим ниже, облака с такой концентрацией газа действительно наблюдаются, Таким образом., для гравитационного сжатия облаков большой массы критерий, описываемый формулой (3.4), оказывается значительно «мягче». Поэтому естественно предположить, что конденсация облаков межзвездного газа в звезды происходит в несколько этапов. Сначала сжимается протяженный газово-пылевой комплекс с большой массой, например, в тысячи раз превышающей массу Солнца. Когда этот комплекс достаточно сожмется и его средняя плотность значительно увеличится, отдельные его части начнут сжиматься независимо, и комплекс распадается на ряд более мелких и менее массивных конденсаций. Этот естественный процесс качественно объясняет, почему звезды рождаются скоплениями (ассоциациями), а не «индивидуально», хотя при некоторых условиях возможно появление и одиночных звезд.

При таком механизме образования звезд из плотных облаков межзвездной среды сразу же возникает одна серьезная трудность. Дело в том, что отдельные «куски» облаков межзвездного газа движутся друг по отношению к другу со скоростью около 1 км/с. Это непосредственно следует из анализа профилей радиолинии 21 см. По этой причине облака должны обладать некоторым моментом количества движения. Если учесть огромные размеры облаков, то этот вращательный момент оказывается очень большим. Согласно законам механики, если бы облако было изолированным, то при его сжатии под влиянием собственной гравитации вращательный момент должен был сохраниться. Но это означает, что по мере сжатия облака оно должно было бы вращаться вокруг своей оси все быстрее и быстрее. Скорость осевого вращения достигла бы скорости света еще до того, как облако превратилось бы в звезду! Все эти выводы, однако, были получены в предположении, что сжимающееся облако изолировано. На самом деле это, конечно, не так. Оно окружено другими облаками и связано с ними магнитными силовыми линиями. Вот по этим-то силовым линиям и проходит «утечка» по крайней мере 90% вращательного момента облака. Пока вещество облака обладает достаточно высокой электропроводностью (для чего оно должно быть хотя бы немного ионизовано), магнитные силовые линии как бы «приклеены» к нему. Из-за этого вращательный момент, как по гибким струнам, «перекачивается» от сжимающегося облака к окружающей его межзвездной среде. Этот процесс «перекачки» вращательного момента прекратится только тогда, когда из-за возросшей плотности ионизация вещества облака сильно упадет и его электропроводность значительно уменьшится. Тогда магнитная связь облака с окружающей средой прекратится. Образовавшиеся таким образом звезды сохраняют довольно большой вращательный момент, который и наблюдается у сравнительно массивных звезд, начиная от спектрального класса О. Что же касается менее массивных звезд (вроде нашего Солнца), то они, в принципе, могут «освободиться» от избыточного вращательного момента довольно своеобразным путем, образуя вокруг себя планетные системы[ 12 ]. Однако более вероятным механизмом потери такими звездами вращательного момента является истечение вещества из их атмосфер («звездный ветер») при наличии магнитных полей!

Характерное время сжатия облака до размеров протозвезды можно оценить по простой формуле механики, описывающей свободное падение тела под влиянием некоторого ускорения. Заметим, что по мере сжатия облака величина ускорения, действующего на его частицы, будет увеличиваться. Мы, однако, будем для простоты рассуждения считать его постоянным, что не отразится на нашей оценке. При таком упрощающем предположении путь R, пройденный поверхностными слоями звезды за время t, будет равен

где ускорение g = . Отсюда следует, что

где мы ввели среднюю плотность облака = .

Из формулы (3.6) следует, что время существенного сжатия облака зависит только от его средней первоначальной плотности. Формулу (3.6) можно написать иначе, подставив в нее значение M из условия гравитационной неустойчивости (3.4):

Полагая молекулярный вес = 2, а T 20°, найдем, что облако с массой, равной солнечной, сожмется за миллион лет.

В процессе только что описанной первой стадии конденсации газово-пылевого облака в звезду, которая называется «стадией свободного падения», освобождается определенное количество гравитационной энергии GM2/R1 (R1 — радиус в конце этой стадии, когда облако становится уже непрозрачным для собственного инфракрасного излучения). Половина освободившейся при этом энергии должна покинуть облако в виде инфракрасного излучения, а половина пойти на нагрев вещества (см. § 7). Для того, чтобы оценить величину этой энергии, нужно хотя бы приблизительно знать, чему равняется R1. Эту оценку можно сделать следующим образом. Когда стадия свободного падения окончится, существенная часть освободившейся гравитационной энергии пойдет на нагревание газа в облаке и, как следствие этого,— на диссоциацию молекул водорода (из которых преимущественно и состоит облако). Чтобы диссоциировать одну молекулу водорода, необходимо затратить 4,3 эВ энергии или 7 10-12 эрга. Следовательно, для диссоциации одного грамма водорода, содержащего 3 1023 молекул, надо затратить E = 2,1 1012 эрг, а для диссоциации всех молекул водорода в облаке — в M раз больше, где M — масса облака, выраженная в граммах.