Общая астрономия. Эволюция звёздных систем


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Общая астрономия. Далекая Вселенная. Эволюция звёздных систем

В истории каждой галактики была короткая, но полная событиями эпоха, когда ее вещество в виде облака газа, только что выделившегося из протоскопления, сжималось под действием собственной гравитации. В этом процессе рождались первые звезды, формировались подсистемы галактик, такие как гало и диск пашей Галактики. Облако газа превращалось в звездную систему, а звездная система достигала своего установившегося, стационарного состояния. После этого изменения в ней протекали гораздо медленнее и имели совсем другой характер. Лишь в центральных областях галактик, их ядрах происходили и происходят быстрые активные процессы. Кроме того, в спиральных галактиках продолжалось и продолжается формирование молодых звезд из газа и пыли их плоских подсистем, где существует очерчиваемый этими звездами спиральный узор. Обособление протогалактических сгущений происходило, по-видимому, благодаря гидродинамическим процессам в газовом протоскоплении; дальнейшая эволюция протогалактик определялась, прежде всего, их собственным тяготением, которое сжимало эти разреженные облака до наблюдаемых размеров галактик.

Гравитационному сжатию не мешают силы давления, так как газ протогалактики быстро и легко охлаждается до температуры около десяти тысяч градусов. Давление, соответствующее этой температуре, не способно противостоять общему тяготению всей протогалактики. Поэтому возрастание плотности протогалактики от значения 10-27 г/см3, характерно для протоскоплении (и современных скоплений) до типичной плотности галактик 10-24 г/см3 происходит так, что все частицы облака как бы свободно падают в их общем поле тяготения. Увеличение плотности облака в тысячу раз соответствует уменьшению его размера в десять раз. Как долго длится это свободное падение? Оказывается, что оно требует приблизительно того же времени, которое прошло от начала космологического расширения до обособления протоскоплении, т. е. около трех миллиардов лет. Это совпадение не случайно. Дело в том, что динамика космологического расширения, сдерживаемого, а затем и остановленного в результате развития гравитационной неустойчивости в объеме протоскопления, определяется силами собственного тяготения вещества, и только ими. Точно так же и процесс сжатия протогалактического облака, части протоскопления, управляется только силами его собственного тяготения. Поэтому в динамике гравитирующей среды имеется симметрия относительно момента остановки, когда происходит смена расширения данного объема сжатием: расширение с увеличением размера, например, в десять раз требует того же времени, что и сжатие от этого размера с уменьшением его в десять раз. Это очень похоже на движение камня, брошенного вертикально вверх: сколько времени он летит до высшей точки, столько же и падает затем вниз. В высшей точке камень на миг останавливается,— в нашем случае это тоже соответствует остановке, смене расширения сжатием.

Вблизи момента остановки, непосредственно перед ним и сразу после него, скорости расширения, а затем и сжатия, малы, и больше всего времени уходит как раз на то, чтобы «перевалить» через остановку. Дальнейшее же сжатие происходит с ускорением (как и всякое свободное падение) и требует уже меньшего времени. Точно так же, по симметрии, предшествующее сжатию расширение происходит сначала быстро, а затем замедляется. Если принять за 100% время расширения до момента остановки, то для увеличения размера, скажем, от одной десятой максимального до максимального потребуется не меньше 95% этого времени. С точностью до нескольких процентов и время сжатия от остановки до уменьшения размера в десять раз должно поэтому совпадать с временем, протекшим от начала расширения. Итак, сжатие протогалактики длится около трех миллиардов лет. За это время происходит превращение газового облака в звездную систему, которая затем уже не сжимается и находится в устойчивом, почти неизменном состоянии. Переход от сжатия к установившемуся стационарному состоянию связан с дроблением протогалактики на фрагменты, в которых начинается звездообразование. Под действием гравитационной неустойчивости, развивающейся в протогалактическом облаке, возникают сгущения с массами 3•10-7 — 10-9 масс Солнца. Как мы говорили ранее, массы крупных фрагментов, на которые распадается протогалактика, определяются условием гравитационной неустойчивости, критерием Джинса. Их величина оценивается из того расчета, что температура протогалактического газа близка к десяти тысячам градусов, а его плотность изменяется в пределах от 10-27 до 10-24 г/см3. Вероятно, через несколько сотен миллионов лет после начала сжатия протогалактика превращается из сплошного облака газа в совокупность отдельных фрагментов — тоже облаков, но более плотных.

В протогалактике с массой в сто миллиардов масс Солнца, сравнимой с массой нашей Галактики, может иметься несколько десятков крупных облаков с массами до миллиарда масс Солнца и сотни и тысячи более мелких облаков с массами в несколько сотен и десятков миллионов масс Солнца. Вся совокупность облаков свободно падает к центру протогалактики; вместе с тем имеются еще и собственные движения облаков, дополнительные к их свободному падению, порожденные и усиленные, как и сами облака, гравитационной неустойчивостью, действующей внутри протогалактики. Из-за собственных движений, имеющих нерегулярный хаотический характер, облака сталкиваются друг с другом. При таких столкновениях материал облаков разогревается и сжимается; на это расходуется часть кинетической энергии случайного движения облаков. Затем происходит охлаждение, излучение уносит эту энергию из протогалактики наружу. Благодаря такому отводу энергии и возможно продолжение общего сжатия всей совокупности облаков. Очень важно, что уплотнение облаков из-за их столкновений друг с другом создавало условия для быстрого развития в них каскадной фрагментации, ведущей к формированию первых звезд галактики.

Наиболее массивные звезды, возникающие в этом процессе, успевали не только полностью сформироваться, но и пройти весь цикл эволюции от состояния протозвезды к состоянию, подобному Солнцу, и далее, по исчерпании запасов своей ядерной энергии, они могли взорваться как сверхновые. Звезде с массой в несколько десятков масс Солнца требуется на это не более нескольких десятков миллионов лет, что заметно меньше времени общего сжатия протогалактики. При взрывах сверхновых происходило обогащение протогалактики продуктами термоядерного синтеза в массивных звездах, т. е. элементами, более тяжелыми, чем водород и гелий. В результате новые группы звезд рождались из вещества, все более и более богатого углеродом, кислородом, азотом, металлами. Чем позже возникала данная группа звезд, тем в большей степени первичная водородно-гелиевая среда оказывалась обогащенной тяжелыми элементами и тем более богатыми этими элементами должны быть образующиеся из этой среды звезды.

Так как этот процесс протекает при продолжающемся сжатии газовой протогалактики, то формирование звезд происходит все ближе и ближе к центру всей этой совокупности звезд и газовых облаков. На основании таких соображений можно ожидать, что звезды внутренних областей, сформировавшихся в таком процессе галактик, должны отличаться по своему составу от звезд внешних областей: чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов. Этот вывод находится в хорошем согласии с астрономическими данными о содержании тяжелых элементов в звездах гало, сферической подсистеме пашей Галактики, а также и в эллиптических галактиках, подобных по своей структуре и звездному составу гало Галактики. Тем самым находит подтверждение общее представление о газовых протогалактиках, о формировании звезд в ходе их гравитационного сжатия. До сих пор мы никак не учитывали того обстоятельства, что протогалактика может обладать значительным вращением. Вращение действительно не очень существенно на начальных стадиях сжатия, пока центробежные силы много слабее сил тяготения. Но по мере сжатия вращение должно убыстряться — так всегда происходит и с протогалактикой, и вообще с любым телом, размеры которого уменьшаются. Вместе с тем возрастают и центробежные силы. Эти силы не мешают сжатию вдоль оси вращения, но способны противодействовать силе тяготения в направлениях, поперечных к оси. По этой причине сжимающееся облако становится из почти сферического все более уплощенным, стремясь принять форму диска, в котором сжатие по поперечным к оси вращения направлениям замедляется, а затем и вовсе прекращается, когда центробежная сила уравновешивает в этих направлениях силу тяготения.

Эта общая тенденция проявлялась и в сжимавшейся протогалактике. Нужно только иметь в виду, что часть ее вещества успела превратиться в звезды на первоначальной стадии, когда вращение еще не повлияло на общую форму протогалактики. Эти звезды создают гало, сферическую подсистему Галактики. Оставшийся после этого газ должен был продолжать падение, причем по мере его уплотнения вращение убыстрялось, пока центробежная сила не остановила сжатие поперек оси вращения; сжатие же вдоль оси продолжалось и привело, в конце концов, к образованию вращающегося диска — плоской подсистемы Галактики. Так формировались и другие спиральные галактики, обнаруживающие быстрое вращение своих плоских подсистем. Если вращение протогалактики с самого начала очень слабо или вовсе отсутствует, то, очевидно, нет причин, которые могли бы привести к формированию в них дисков. Общее сжатие протогалактики и образование в ней звезд ведут в этом случае к формированию более или менее сферической системы; так возникали эллиптические галактики, лишенные быстрого вращения.



Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 20.12.2006



Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004