Общая астрономия. Далекая Вселенная. Протогалактическое облако

Протогалактическое облако распадалось не непосредственно на сгустки, имеющие звездные массы; скорее всего, сначала формировались гораздо более массивные уплотнения, которые в свою очередь распадались затем на все более мелкие фрагменты, пока, наконец, не возникли сгустки звездных масс. Такая последовательная фрагментация возможна, очевидно, при условии, что джинсова длина постепенно уменьшается в ходе общего сжатия и облака в целом, и каждого из фрагментов, на которые оно распадается. Джинсова длина действительно уменьшается в ходе сжатия. И очень важно, что она уменьшается быстрее, чем общий размер всего облака при его сжатии. По этой причине и могут как раз возникать все более мелкие и по размеру и по массе фрагменты. Такое поведение джинсовой длины определяется особым характером изменения давления и плотности в сжимающемся облаке. Фрагменты, на которые распадается протогалактическое облако, излучают фотоны в окружающее их пространство и тем самым теряют часть своей энергии. При этом, однако, они не охлаждаются, так как тепловая энергия каждого фрагмента постоянно возобновляется и пополняется при сжатии за счет гравитационной энергии.

В результате сжатие происходит при почти постоянной температуре, близкой к десяти тысячам градусов. Это значение температуры соответствует границе между ионизованным и неионизованным состояниями водорода — основного элемента протогалактического газа. При более высокой температуре электроны и ядра отделены друг от друга хаотическими тепловыми движениями, при более низкой температуре каждый электрон и ион объединяются, образуя атом, который участвует как целое в тепловом движении. Ионизованный газ довольно энергично высвечивает фотоны благодаря электрическому взаимодействию движущихся электронов с ионами. Кроме того, при температуре, близкой к десяти тысячам градусов, когда в среде появляются уже и нейтральные атомы, тепловая энергия частиц достаточно велика, чтобы при их столкновениях друг с другом эффективно возбуждать атомы, передавать связанным в них электронам заметную долю энергии тепловых движений. Эта энергия удерживается в атомах недолго, и атомы сбрасывают избыточную энергию своих электронов в виде квантов излучения, фотонов, которые быстро покидают сгущение. При более низких температурах невозможно сколько-нибудь существенное излучение, обязанное свободным электронам, так как они уже в большинстве своем входят в атомы; излучение атомов тоже при этом не эффективно, ибо энергия тепловых движений становится слишком малой, чтобы столкновения частиц могли переводить атомы в возбужденное состояние. Если к тому же в среде не успевают образоваться молекулы водорода (для возбуждения молекул было бы достаточно и меньших энергий теплового движения), то при температурах ниже 104 К излучение энергии из системы вообще, можно сказать, не происходит.

В сжимающемся газе действует как бы саморегулировка температуры. Газ довольно легко охлаждается до граничного значения температуры в десять тысяч градусов, но дальнейшее охлаждение уже невозможно. Всякое же повышение температуры сверх этого значения за счет разогрева газа при сжатии немедленно устраняется излучением. Поэтому в течение всего процесса сжатия облака температура сама собой поддерживается вблизи указанного выделенного значения. Расчеты показывают, что при температуре 104 К и плотности от 10^-27 г/см³ до 10^-24 г/см³ (последняя величина соответствует типичной плотности галактики, т. е. фактически плотности протогалактического облака в состоянии, когда его общее сжатие прекращается), джинсова длина составляет приблизительно 10^-23•10^-21 см. В объеме с такими размерами содержатся массы от миллиарда до тридцати миллионов масс Солнца. Именно такие сгущения возникали и претерпевали, вероятно, дальнейшее сжатие и фрагментацию при почти неизменной температуре. От характерной величины 10^-23•10^-21 см джинсова длина убывает со временем до все меньших значений по мере сжатия и возрастания плотности большого облака, и вместе с ней уменьшаются, как мы уже говорили, и массы фрагментов внутри этого облака. Продолжается ли этот процесс неограниченно до сколь угодно малых масс? Нет, рано или поздно фрагментация остановится и дальнейшее дробление малых сгустков станет уже невозможным. Дело в том, что при возрастании плотности вещества фотонам, уносящим из сгущения часть его энергии, становится все труднее выходить из сгущения наружу. Если при начальных, сравнительно малых плотностях они покидали каждый из фрагментов беспрепятственно, не встречая никаких затруднений, то при большей плотности на дальнейших стадиях сжатия фотоны, так сказать, застревают в среде и продвигаются к границе фрагмента много медленнее, чем при свободном пролете, испытывая все время по дороге взаимодействия с атомами или электронами, отклоняющими их от прямолинейного пути.

Из прозрачного фрагмента фотон уходит по прямой, а из непрозрачного — по ломаной линии, которая не скоро приводит его к свободной поверхности. Прозрачный фрагмент теряет, поэтому энергию сразу из всего своего объема, а непрозрачный только с поверхности по мере того, как ее достигают рожденные внутри объема фотоны. Как только фрагмент становится непрозрачным, соотношение между его размером и джинсовой критической длиной, определяемой давлением и плотностью, изменяется. В прозрачных фрагментах уменьшение джинсовой длины происходит, как мы говорили, быстрее, чем уменьшение размеров при сжатии; теперь же — из-за замедления отвода энергии — джинсова длина начинает уменьшаться значительно медленнее, так что размер фрагмента успевает сразу ее догнать. Ясно, что дальнейшая фрагментация невозможна, раз джинсова длина уже не мала по сравнению с размером сгустка. По мере дальнейшего излучения энергии вовне джинсова длина все же уменьшается, но размер сгустка быстро «подстраивается» под ее текущие новые значения. Сжатие фрагмента, таким образом, продолжается, но идет уже сравнительно медленно и не сопровождается дальнейшим его дроблением. «Последний» сгусток в каскаде фрагментации, имеющий размер, сравнимый с джинсовой длиной,— это и есть пример конечного объема, не способного к фрагментации, о котором мы говорили выше в связи с ньютоновой картиной гравитационной конденсации. Идея каскадной фрагментации, останавливаемой непрозрачностью, выдвинута Ф. Хойлом в 1953 г.

Недавно его ученик М. Рис показал, что «последний» фрагмент имеет массу, равную приблизительно одной сотой массы Солнца. Замечательно, что эта величина практически не зависит ни от конкретных механизмов излучения фотонов из среды, ни от процессов, определяющих ее непрозрачность. Принимается лишь, что сжатие на стадии прозрачности протекает при постоянной температуре около десяти тысяч градусов — разумное предположение — и тогда масса «последнего» сгустка выражается через одни лишь универсальные физические постоянные, такие, как гравитационная постоянная, квантовая постоянная Планка, скорость света и масса атома водорода. Масса «последнего» фрагмента близка к известным по астрономическим наблюдениям наименьшим звездным массам. Картина каскадной фрагментации, ведущей к формированию первых звезд в нашей Галактике и в других галактиках, красива и проста, но она не охватывает, конечно, всего многообразия физических процессов в сжимающемся протогалактическом облаке. Поэтому не нужно думать, что все звезды первого поколения должны обязательно иметь очень малые массы. Учет таких неизбежных и естественных факторов, как турбулизация протогалактической среды, столкновения облаков, возникновение в среде ударных волн и т. п., значительно усложняет и обогащает картину. И хотя многое еще остается не очень подробно изученным, тем не менее, выясняется, что в первом поколении могут быть не только звезды малых масс, но и довольно крупные звезды с массами, в десятки раз превышающими массу Солнца.

И малые и крупные звезды начинают свое существование как сжимающиеся и уже не дробящиеся сгущения, протозвезды, температура которых постепенно возрастает из-за того, что вынос энергии из них наружу идет медленно после достижения непрозрачности. В их внутренней структуре происходят при этом существенные изменения: плотность не остается однородной во всем объеме, она быстрее нарастает в центре, чем на периферии. Центральная область становится со временем все более плотной, а потому и более горячей, и, наконец, в ней загораются ядерные реакции. Ядерное энерговыделение повышает центральное давление настолько, что оно уже становится способным уравновесить гравитацию. Общее сжатие протозвезды прекращается, а вынос энергии с поверхности наружу компенсируется ядерными источниками в центре. Так сгущение-протозвезда превращается в звезду. Это последняя стадия гравитационной конденсации занимает, в зависимости or массы звезды, от нескольких миллионов лет для массивных звезд до сотен миллионов лет для звезд, менее массивных, чем Солнце.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 16.12.2006

Главная страница раздела