Космонавтика

ЗВЕЗДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СТРУКТУРА ГАЛАКТИК

Теперь мы знаем: наш мир некогда был заполнен почти однородным веществом, но позднее оно разделилось на части и сгустилось в гигантские светящиеся массы - звезды и галактики. Только они не разбросаны хаотично, как в 1692 г. предполагал великий английский физик И. Ньютон, а организованы в удивительные структуры. Чтобы в этом убедиться, достаточно хотя бы раз увидеть изображения спиральных галактик с симметрично изогнутыми рукавами, состоящими из цепочек "звездных облаков". Последние образованы из ассоциаций молодых звезд, в которых есть плотные скопления, где, в свою очередь, немало двойных и кратных звездных систем и т. д. - по принципу "матрешки".

Можно бесконечно спускаться (или подниматься) по этой иерархической лестнице, и каждый ее уровень поведает нам о физических механизмах формирования структуры Вселенной. Мы хотим рассказать об одном из уровней - крупных группировках молодых звезд и протозвездного вещества размерами около тысячи световых лет. Эти гигантские агрегаты и комплексы, служащие, как выяснилось, базовой ячейкой звездообразования в галактиках, удалось выделить в ходе многолетних исследований в нашем институте.

Звезды рождаются в недрах массивных облаков межзвездного газа. В их плотных ядрах, состоящих в основном из молекулярного водорода, гравитация дробит среду на фрагменты, из которых и формируются светила. Процесс этот долго был скрыт от астрономов, поскольку для видимого света облака непроницаемы. Лишь инфракрасные и радиотелескопы позволили заглянуть в "родильные дома" звезд и изучить процесс их образования. Но как возникают сами "родильные дома"? Чтобы понять это, изучают распределение молодых звезд в различных пространственных масштабах.

В нашей Галактике молодые звезды сконцентрированы вблизи ее экваториальной плоскости (именно там находится слой межзвездного газа); на небосводе они сами и нагретые ими газовые облака пролегли полосой Млечного Пути. Еще в начале нашего столетия стало ясно: видимая структура Млечного Пути определяется размещением вокруг Солнечной системы непрозрачных для света сгустков межзвездной пыли и газа. Близкие к нам выглядят как темные провалы на фоне светящейся полосы. В тех направлениях, где пылевых сгустков меньше, мы видим полные звезд "галактические дали" и воспринимаем их как "звездные облака". Такова структура Млечного Пути в большинстве случаев, но, как выясняется, не всегда.

Существуют реальные звездные облака, в которых молодые светила имеют явную родственную связь друг с другом. Например, на расстоянии 1500 пс от Солнца в направлении Стрельца есть компактное облако размером около 50 пс, а внутри него значительно меньшее и более плотное скопление звезд Маркарян 38. И в том, и в другом звезды имеют одинаковый возраст - 12 млн. лет, а значит, все они рождались в едином эпизоде формирования.

Имеются и другие обширные группировки молодых звезд, иногда гораздо большего размера - до 1 кпс. Но изучать их непросто - уж очень они разрежены и велики, почти не выделяются на фоне Галактики. Не случайно первыми были обнаружены и исследованы более компактные группы - рассеянные скопления, подобные Плеядам (Стожарам). Сравнительно плотные - из нескольких сотен или тысяч звезд, они успешно противостоят разрушающему влиянию галактического гравитационного поля и живут довольно долго - в среднем около 500 млн. лет.

Такие скопления часто окружены разреженными коронами тоже молодых звезд. Короны встречаются и сами по себе, без центрального скопления - это звездные ассоциации. На фоне Млечного Пути обычно удается выделить лишь самые массивные и яркие их составляющие. У некоторых ассоциаций замечены признаки расширения: вероятно, массивные горячие звезды сразу же после рождения разогревают окружающий газ и изгоняют его из области своего формирования, а вслед за газом оттуда "уходят" и быстро движущиеся светила.

Ассоциации недолговечны: через 10-20 млн. лет они расширяются до размера более 100 пс, и их уже невозможно выделить среди звезд фона. Вот почему создается иллюзия, будто ассоциации - редкие группировки. В действительности, они рождаются не реже скоплений, но быстрее разрушаются.

У ассоциаций и скоплений есть одна общая черта: это унитарные (с одним центром) группировки звезд, образовавшиеся в едином акте из переставшего существовать молекулярного облака. Но, оказывается, встречаются и полицентрические группировки, состоящие из целой группы облаков, - звездные агрегаты и комплексы. По существу они представляют собой те же самые "звездные облака". Ведущие работы в выделении молодых полицентрических звездных группировок выполнил один из авторов статьи со своими учениками.

Название "агрегат" он предложил закрепить за большими подобными группировками, такими, скажем, как ассоциация в Орионе диаметром около 150 пс. Она включает сверхплотное крайне молодое скопление вокруг Трапеции Ориона, окруженное обширной короной из молодых вспыхивающих и переменных звезд. По соседству с ним, в недрах плотного молекулярного облака, скрываются еще два скопления, а далее к северу расположена группа молодых горячих звезд в Поясе Ориона, более разреженная - в голове Ориона и несколько очагов текущего звездообразования.

Если агрегат - это группа молодых скоплений, погруженная в обширную ассоциацию, то комплекс - система значительно крупнее и сложнее. Известное двойное скопление в созвездии Персея окружено протяженным светлым диском из сверхгигантов, а по соседству с ним - еще три более бедных скопления и несколько цефеид. Последние чуть ли не в десять раз старше самого двойного скопления, но астрономические измерения показывают: все эти объекты входят в единую группировку диаметром около 300 пс. К северу от нее расположена ассоциация в созвездии Кассиопеи, включающая гигантское молекулярное облако и несколько очагов текущего звездообразования. Возможно, с этими двумя группировками связаны лежащая несколько поодаль компактная система из восьми скоплений и находящаяся тут же ассоциация. Поэтому диаметр всего комплекса составляет уже 600 пс.

К типичным звездным комплексам можно отнести и Местную группу В нее входят большинство массивных звезд в радиусе до 400 пс от Солнца, агрегат Ориона и еще один агрегат в созвездиях Скорпиона и Кентавра, а также несколько бедных сравнительно молодых скоплений (в том числе Плеяды) и десяток сверхгигантов. Масса звезд в Местной группе оценивается в 500 тыс. солнечных масс, межзвездного газа - более чем в миллион масс Солнца, а возраст Местной группы - около 50 млн. лет.

В комплексах собраны и многочисленные молекулярные облака, погруженные в общую оболочку из нейтрального газа. Массы таких комплексов, как показал один из авторов этой статьи, а также американский астроном Б. Элмефин, равны миллионам солнечных. Эти гигантские системы, обнаруженные не только в нашей Галактике, но и в соседних, служат фундаментальными ячейками звездообразования. Насколько важна их роль в жизни галактик?

Как мы уже говорили, звезды рождаются из межзвездного газа вблизи галактической плоскости. А поскольку газовые облака движутся по круговым орбитам, то и молодые светила некоторое время сохраняют то же движение. Однако постепенно их орбиты деформируются: звезды то приближаются к центру Галактики, то удаляются от него, все выше и выше "подпрыгивая" над галактической плоскостью. Какой же физический механизм приводит к "перемешиванию" их орбит?

Движение звезд подчинено общему гравитационному полю Галактики и потому происходит вокруг ее центра. Хотя звезды почти никогда не сталкиваются, а лишь более или менее сближаются, своим притяжением они довольно активно возмущают движение ближайших соседей, изменяя скорости последних, и в конечном итоге выравнивая кинетические энергии или температуры.

Температура группы молодых, только что родившихся звезд в Галактике очень низкая - звезды почти неподвижны относительно друг друга. Но рядом с ними буквально снуют старые звезды, которые своим притяжением подталкивают новорожденные, заставляя их двигаться быстрее и хаотичнее. Постепенно молодые приобретают скорости старых, и их кинетические температуры выравниваются.

Описанный процесс иногда играет важную роль. Например, в скоплениях светила взаимодействуют столь интенсивно, что часть выталкивают своих соседей за их пределы. Теряя звезды одну задругой, скопления постепенно "худеют" и за сотни миллионов лет могут совсем истощиться.

Не происходит ли подобное и в диске Галактики (в ее экваториальной плоскости)? Положительный ответ нашли только в середине 70-х годов, когда американские радиоастрономы обнаружили неизвестные ранее чрезвычайно холодные межзвездные облака из молекулярного водорода. Как показали наблюдения, самые крупные из них достигают миллиона солнечных масс, к тому же их в Галактике около 5 тысяч; они-то и "перемешивают" звездные орбиты в диске Галактики.

Открытие гигантских молекулярных облаков (ГМО) в корне изменило отношение астрономов к газу как динамическому фактору эволюции Галактики. Раньше считали: его мало и он равномерно рассеян между звездами, а потому в игре сил тяготения ему отводили лишь подчиненную роль. Теперь же оказалось, что межзвездный газ составляет 5 % полной массы Галактики, а там, где он сконцентрирован (вблизи галактической плоскости), его доля в средней плотности вещества - 35 %. И самое важное: газ собран в массивные облака, способные очень сильно изменять орбиты звезд.

В последние годы опубликовано множество работ, посвященных исследованию взаимодействия ГМО и звезд. Выяснилось, скажем, что лишь одного сближения Солнечной системы с ГМО достаточно, чтобы все кометы на ее периферии изменили движение, а некоторые устремились в область, занятую большими планетами. Существует даже гипотеза, будто периодические биосферные катастрофы на Земле, в частности вымирание динозавров 65 млн. лет назад, вызваны обильным падением комет на нашу планету после прохождения Солнечной системы вблизи одного из гигантских молекулярных облаков.

Но только ли влияние ГМО вызывает нарастание хаотичности в движении звезд? Нет, его все же недостаточно для наблюдаемого "перемешивания" орбит молодых светил. Выход из затруднения нашли японские теоретики. Моделируя на ЭВМ процессы их взаимодействия с ГМО, они объединили последние в группы из 10 - 12 облаков. В результате гравитационное поле галактического диска предстало еще более неоднородным, способным сильнее искажать движение звезд, - в полном соответствии с наблюдениями.

Идея о том, что ГМО объединены в долгоживущие группы, подтверждается исследованиями звездно-газовых комплексов, выполненными учеными нашего института. Эти комплексы и играют роль тех гигантских ложек, которые перемешивают вещество галактического диска.

Конечно, нельзя сказать, что происхождение звездных комплексов окончательно выяснено. Нет пока стройной теории. Согласно расчетам, межзвездный газ в диске Галактики может самопроизвольно распадаться на фрагменты размером около 1 кпс. И подобные сверхоблака действительно обнаружены в дисках и нашей, и соседних галактик. В их недрах создаются условия для формирования облаков молекулярного водорода, которые и служат "родильными домами" звезд. Однако массивное сверхоблако не сразу выпускает из своих гравитационных "объятий" молекулярные облака и возникшие в них светила - десятки миллионов лет оно удерживает их в виде звездных комплексов.

Описанный сценарий предполагает, что комплексы рождаются спонтанно. Но возможно и стимулированное образование звезд, когда одно их поколение вызывает появление следующего. Ведь в каждой большой группе новорожденных светил есть несколько массивных членов, обладающих исключительно сильным излучением и способных нагревать и разрушать родительское облако, а следовательно, прекращать процесс образования звезд в данном месте. Остатки же разрушенного облака, расширяясь в пространстве, подобно ковшу бульдозера, сгребают и уплотняют перед собой разреженный газ, создают из него новые плотные облака. Таким образом, процесс замыкается: в облаках формируются звезды, в свою очередь стимулирующие рождение новых облаков. Европейские астрономы и один из авторов данной статьи сделали количественные расчеты процесса последовательного формирования звездных комплексов и газовых облаков, которые вполне согласуются с наблюдаемыми параметрами этих агрегатов и в нашей, и в соседних галактиках.

Пока трудно сказать, какой из предлагаемых сценариев окажется достоверным. Природа изобретательна, а мир галактик столь разнообразен, что для каждого разумного эволюционного сценария всегда найдутся условия, когда он может реализоваться.

 

Световой год - путь, который свет проходит за год, т. е. 9,46 x 10^12 км.

Парсек - единица длины, применяемая в астрономии, равная 3,086 x 10^16 м (3,263 световых лет).


Доктор физико-математических наук Ю. Н. ЕФРЕМОВ,
Кандидат физико-математических наук В.Г. СУРДИН,
Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга МГУ

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD