Неустойчивости и облака

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Неустойчивости и облака

Итак, звезды новых поколений образуются в облаках молекулярного водорода, богатых другими молекулами и космической пылью. Но как возникают сами эти облака? Физическое состояние межзвездной среды определяется в первую очередь процессами нагрева и охлаждения. Нагрев осуществляется космическими лучами (точнее, теми их частицами, которые имеют сравнительно низкую энергию) и фоновым рентгеновским излучением Вселенной, которое складывается, по-видимому, из излучения таких источников рентгеновских лучей, как скопления галактик. Вблизи горячих ярких звезд источником нагрева межзвездного газа может служить и излучение звезд (как это происходит, например, в зонах Н II). Охлаждение обязано главным образом столкновением атомов и, молекул друг с другом; при столкновениях происходит возбуждение атомов и молекул за счет энергии их хаотического движения; возвращаясь потом в исходное невозбужденное состояние, атомы и молекулы высвечивают полученную ими энергию в виде фотонов, которые уходят из среды. Так тепловая энергия частиц превращается в излучение и теряется средой. Энергия, которую каждый элемент среды получает в единицу времени извне при нагреве, пропорциональна числу частиц в этом элементе. Но потеря энергии пропорциональна квадрату числа частиц.

Различие это связано с тем, что нагрев производится «чужими» частицами — космическими лучами или рентгеновскими фотонами, а охлаждение требует парного столкновения самих частиц газа друг с другом. Поэтому в единичном акте нагрева участвует одна частица газа, а в единичном акте охлаждения — две; отсюда и следует пропорциональность скорости нагрева первой степени числа частиц, а скорости охлаждения — второй степени, квадрату числа частиц. Такой характер нагрева и охлаждения делает среду неустойчивой: она не может оставаться однородной, а стремится распасться на сгущения, погруженные в более разреженный газ. Эта неустойчивость похожа по своему конечному результату на гравитационную неустойчивость, о которой мы уже многое знаем, но ее физический механизм совсем иной, он никак не связан с гравитацией и целиком определяется тепловыми процессами. Поэтому такую неустойчивость называют тепловой. Чтобы объяснить природу тепловой неустойчивости, представим себе, что межзвездный газ находится в таком состоянии, что его плотность однородна, а нагрев в каждом элементе среды точно компенсируется охлаждением.

Пусть теперь какой-то элемент газа оказался немного более плотным, чем окружающая его среда, т. е. число частиц в нем немного больше, чем в равном ему объеме однородной среды. В этом элементе, очевидно, сразу нарушается баланс нагрева и охлаждения: и то и другое будет происходить в нем быстрее, чем в окружающей среде, но охлаждение опережает нагрев, так как охлаждение чувствительнее, чем нагрев, к числу частиц. Значит, температура газа в этом элементе упадет по сравнению с окружающей средой, а, следовательно, упадет и давление в нем. Но тогда внешнее, более высокое давление среды будет сжимать элемент, стремясь восстановить в нем прежнее давление. Из-за этого плотность, а с ней и преобладание охлаждения над нагревом возрастут еще больше, температура и давление упадут до еще более низких значений, и внешнее давление сожмет элемент еще сильнее. Поэтому, раз начавшись, сжатие данного элемента будет все нарастать и нарастать. Явление действительно имеет, как мы видим, характер неустойчивости: любое слабое уплотнение в межзвездной среде не рассасывается, а самопроизвольно усиливается со временем. Развитие тепловой неустойчивости останавливается, когда газ в сжимающемся элементе охладится настолько, что тепловая энергия его частиц окажется уже недостаточной для возбуждения атомов и молекул.

Тогда охлаждение элемента прекращается и устанавливается его равновесие с окружающей средой. Хотя температура в таком уплотнении ниже, чем в окружающей среде, но зато плотность больше, и потому давление (а оно пропорционально произведению температуры на плотность) становится, в конце концов, равным давлению окружающей среды. Внешнее давление восстановило в элементе исходное давление, но уже при меньшей температуре и большей плотности. Так в межзвездном газе возникают плотные и холодные облака, окруженные разреженной и более нагретой средой, По теоретическим оценкам Дж. Филда, С. Б. Пикельнера и С. А. Каплапа, облака должны иметь как раз такие массы и размеры, которые следуют из наблюдений. Равновесне по давлению со средой, в которую они погружены, не дает облакам рассосаться. Их разрушает лишь звездообразование, инициируемое внешними воздействиями. Помимо тепловой неустойчивости в межзвездной среде действуют и другие процессы, способные вызвать ее неоднородность и клочковатость. Один из них связан с магнитными полями, которые пронизывают весь газ в диске Галактики. Их силовые линии проходят в основном параллельно плоскости Галактики; напряженность полей составляет несколько микроэрстед. Слой газа с горизонтальными силовыми линиями обладает дополнительной упругостью: магнитное поле мешает газу двигаться поперек силовых линий. Эта «магнитная упругость» действует только поперек поля, вдоль же силовых линий газ может перемещаться свободно. Если случайно в каком-либо участке среды силовые линии поля прогнутся, то газ станет «соскальзывать» во впадину под действием силы тяготения, направленной к центральной плоскости Галактики. Под тяжестью этих новых порций газа силовые линии еще более прогнутся, впадина углубится, и скорость втекания в нее газа возрастет. В результате в среде возникает значительное уплотнение — облако.

Как показал Э. Паркер, такой процесс может весьма эффективно действовать в газе спиральных рукавов Галактики, где и сосредоточены в основном силовые линии галактического магнитного поля. Наконец, в межзвездной среде может развиваться и гравитационная неустойчивость, еще более уплотняющая облака. Для этого, как всегда, размер облака должен быть больше критической джинсовой длины. Для не слишком крупных облаков в зонах неионизованного атомарного водорода, о которых судят по радиоизлучению на волне 21 см, это условие, по-видимому, не выполняется. Однако крупные облака в кольце молекулярного водорода в диске Галактики имеют размеры, сравнимые с критической длиной, соответствующей их плотности и температуре. Это, вероятно, означает, что гравитационная неустойчивость либо действует сейчас, либо действовала ранее, придавая облакам их наблюдаемые размеры.

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