"Вселенная, жизнь, разум" - читать интересную книгу автора (Шкловский Иосиф Самуилович)

10. Вращение звезд и планетная космогония

Прежде чем перейти к изложению современных гипотез, являющихся развитием идей Канта и Лапласа, необходимо остановиться на важной характеристике звезд — их вращении вокруг своих осей. Еще в 1877 г. почти забытый сейчас английский астроном Эбни предложил совершенно правильную идею определения скорости вращения звезд путем спектрографических наблюдений. В самом деле, представим себе звезду, достаточно быстро вращающуюся вокруг оси, составляющей некоторый угол с лучом зрения. Тогда, очевидно, часть поверхности звезды будет двигаться от наблюдателя, часть — к наблюдателю. Вследствие эффекта Доплера все линии в спектре этой звезды будут расширены, так как этот спектр обусловлен излучением всей звезды в целом.

В те времена астроспектроскопия была еще в зачаточном состоянии, и блестящая идея Эбни не могла быть реализована. Положение осложнялось еще тем, что, как показали дальнейшие наблюдения, в спектре одной и той же звезды могут быть как узкие, так и широкие линии. Потребовалось несколько десятилетий, прежде чем астрономы смогли разобраться в многочисленных причинах, приводящих к расширению линий звездных спектров. Оказалось, что ряд явлений в атмосферах звезд (где образуются спектральные линии), не имеющих ничего общего с вращением звезды как целого, по-разному расширяют различные линии. В частности, линии, принадлежащие достаточно распространенным элементам, при соответствующих физических условиях в атмосферах звезд могут быть очень широкими, независимо от вращения звезды.

Только в 1928 г. американский астроном О. Л. Струве и советский астроном Г. А. Шайн решили эту проблему. На рис. 49 (не сканировался) приведены участки спектров трех горячих звезд: ι Геркулеса, η Большой Медведицы и звезды, обозначаемой как HR 2142. Три самые интенсивные линии в этих спектрах принадлежат водороду (крайняя левая) и гелию. Сравнение верхней и средней спектрограмм показывает, что в то время как водородная линия HY выглядит почти одинаково, гелиевые линии на средней спектрограмме заметно шире и не так контрастны, как на верхней. На нижней спектрограмме все линии очень широки и размыты, что делает их почти невидимыми. Истолкование этих спектров простое: на верхней спектрограмме составляющая скорости вращения по лучу зрения близка к нулю (т. е. звезда почти не вращается или же вращается вокруг оси, практически совпадающей с лучом зрения), между тем как средняя спектрограмма указывает на скорость вращения 210 км/с. Так как ширина водородной линии (объясняемая разными причинами, ничего общего с вращением звезды не имеющими) очень велика, то вращение звезды еще не оказывает на нее заметного влияния. Иное дело звезда, спектр которой приведен в нижней части рис. 49. Здесь скорость вращения настолько велика (450 км/с), что все линии в спектре, в том числе и HY, оказываются сильно расширенными и «замытыми».

Подобным методом к настоящему времени исследовано вращение большого количества звезд. Анализ этого обширного наблюдательного материала показал, что скорости вращения звезд вокруг своих осей весьма неодинаковы. Мы видели, что, например, экваториальная скорость вращения Солнца вокруг своей оси всего лишь около 2 км/с, в то время как скорости вращения некоторых звезд превосходят солнечную в 200 раз! Оказалось, что скорости вращения закономерно связаны со спектральным классом звезд. Быстрее всего вращаются массивные звезды классов O и B, практически не вращаются желтые и красные карлики. В табл. 3 приведены данные о скоростях вращения звезд различных спектральных классов.

Обращает на себя внимание следующее обстоятельство: где-то вблизи спектрального класса F5 (температура поверхности звезд этого класса около 6 тыс. К) скорость вращения резко, почти скачком уменьшается. В то время как звезды более «ранних» спектральных классов вращаются с экваториальной скоростью, как правило, превышающей 100 км/с, карлики спектральных классов G, K, M практически не вращаются. Последнее обстоятельство доказано самыми тщательными спектрографическими наблюдениями.

Возникает основной вопрос: почему такая характеристика звезд, как вращение, изменяется не плавно вдоль главной последовательности звезд, а скачком, вблизи спектрального класса F5? Ведь другие основные характеристики, как, например, спектральный класс, светимость, температура поверхности, меняются вдоль главной последовательности звезд непрерывно. Чтобы попытаться ответить на этот важный вопрос, рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Что было бы, если бы все планеты Солнечной системы слились с Солнцем? Так как в изолированной системе момент количества движения должен сохраниться, а масса всех планет ничтожно мала по сравнению с массой Солнца, то Солнце с необходимостью должно было бы вращаться с экваториальной скоростью, в 50 раз большей, чем сейчас (так как его вращательный момент должен был бы увеличиться с 2 до 100 % полного момента количества движения Солнечной системы). Следовательно, экваториальная скорость вращения Солнца стала бы близкой к 100 км/с. Но это как раз нормальная скорость вращения звезд, более массивных и горячих, чем F5. Напрашивается важный вывод: скорость вращения Солнца, которая когда-то была довольно высокой, резко уменьшается (в 50 раз) благодаря тому, что основная часть момента количества движения была передана планетам.

Мы можем считать, что не горячие звезды аномально быстро вращаются, а наоборот, холодные карликовые звезды почему-то очень медленно вращаются. По аналогии с Солнцем следует как бы напрашивающийся вывод: причина медленного вращения звезд главной последовательности, начиная со спектрального класса F5 и более поздних, — наличие вокруг них планетных систем, по какой-то пока неизвестной причине «вобравших» в себя большую часть первоначального момента того сгустка вещества, из которого сформировались звезды и планеты.

Мыслимы по крайней мере два механизма «перекачки» момента от центральной звезды к планетам. Первый такой механизм был предложен известным шведским физиком и астрономом Альвеном, который обратил внимание на то, что роль «передаточного ремня» может выполнять магнитное поле. Развитие идеи Альвена содержится в космогонической гипотезе английского астрофизика Хойла, выдвинутой в 1958 г.

Следуя классической традиции, Хойл считает, что планеты образовались из некоторой газопылевой туманности. В первоначальную эпоху плотность вещества в этой туманности была очень низка. Отдельные «куски» туманности двигались друг относительно друга с беспорядочными скоростями. Величина таких скоростей, как следует из наблюдений «диффузных» туманностей, около 1 км/с.

По этой причине первичная туманность должна обладать некоторым моментом количества движения, причем он оказывается очень большим (главным образом из-за больших размеров туманности — порядка нескольких световых лет). Если бы в процессе конденсации момент количества движения сохранялся, то экваториальная скорость «новорожденной» звезды была бы почти равна скорости света. Поскольку, однако, это заведомо не так, необходимо допустить, что по крайней мере 99 % момента количества движения было потеряно туманностью до того, как образовалась звезда. Такая «утечка» момента, согласно Хойлу, может быть обусловлена межзвездным магнитным полем. Так как силовые линии этого поля, «приклеенные» к конденсирующемуся облаку, уходят в бесконечность, то, как оказывается, вдоль них, как по гибким струнам, может «перекачиваться» момент от облака к окружающей его межзвездной среде. Однако такой процесс «перекачки» по причине, на которой мы не можем здесь останавливаться, будет идти только до тех пор, пока плотность облака не станет достаточно высокой. Начиная с этого времени эффективная передача момента от облака к окружающей среде прекратится.

Этот результат имеет большое значение, так как он не позволяет объяснять очень медленное вращение сравнительно холодных звезд (в том числе Солнца) передачей момента сжимающейся туманностью окружающей межзвездной среде. Как показывают расчеты, выполненные Хойлом, оставшийся момент, если бы он был сосредоточен только в сконденсировавшейся звезде, соответствовал бы экваториальной скорости вращения последней в несколько сот километров в секунду. Именно такие скорости вращения наблюдаются у сравнительно горячих звезд. Коль скоро более холодные звезды вращаются очень медленно, необходимо допустить, что они потеряли свой момент только после того, как первичная туманность сжалась до небольших размеров, например до размеров Солнечной системы.

Остается объяснить два факта:

а) почему звезды, спектральные классы которых более поздние, чем F5, потеряли почти весь свой вращательный момент?

б) почему это не произошло у более горячих звезд?

Чтобы ответить на эти вопросы, обратим внимание на то, что по мере сжатия туманность (мы можем теперь называть ее «протозвездой») будет вращаться вокруг своей оси все быстрее и быстрее. Можно показать, что при массе протозвезды, равной солнечной, и при радиусе, превышающем солнечный в 40 раз, центробежная сила на экваторе будет уравновешивать силу притяжения. Наступает состояние неустойчивости, и вещество отделяется от звезды, образуя экваториальный диск. Пока это еще соответствует схеме Лапласа.

Однако в формирующейся звезде можно ожидать наличия общего магнитного поля. Если силовые линии этого поля проходят через отделившийся диск (а в процессе отделения диска они не могли «порваться»), вращение оставшейся основной массы протозвезды будет закручивать их. В результате существования такой «магнитной» связи между отделившимся от протозвезды диском и ее основной массой из-за натяжения силовых линий вращение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет удаляться от поверхности протозвезды, причем каждая его точка будет уходить наружу по спирали. С течением времени диск вследствие трения «размажется», и часть его вещества превратится в планеты, которые таким образом «унесут» с собой значительную долю момента.

Почему же такой процесс происходит у сравнительно холодных протозвезд, а у более горячих нет? Ответ на этот важный вопрос состоит в следующем. Масса отделившегося от протозвезды диска не очень велика, поэтому диск не может «намотать» на себя большое количество витков силовых линий магнитного поля. В противном случае упругость силовых линий разорвала бы его и дальнейший процесс «наматывания» прекратился. Единственное место, где могут находиться наматываемые витки силовых линий, — это внешние слои протозвезды. В процессе такого наматывания силовые линии должны погружаться в сравнительно глубокие слои протозвезды. Оказывается, что благоприятные условия для такого «погружения» силовых линий имеются только у сравнительно холодных звезд. Именно у таких звезд под поверхностью находится довольно толстый слой вещества, охваченный бурными, беспорядочными движениями вверх и вниз. Первопричиной образования таких слоев является то, что ввиду падения температуры по мере приближения к поверхности звезды водород, до этого ионизованный, становится нейтральным. Из-за этого нарушается тепловой режим, теряется механическая устойчивость и возникают конвективные потоки газа. При этих условиях магнитные силовые линии, как бы «приклеенные» к движущимся потокам газа, могут погружаться на значительные глубины под поверхностью протозвезды.

Если же протозвезда достаточно горяча, водород в ней ионизован вплоть до самых поверхностных слоев и «конвективной зоны» не образуется. Поэтому силовые линии магнитного поля не могут уходить вглубь. Они будут наматываться только в самых поверхностных слоях, причем очень недолго. Довольно скоро вследствие малой плотности вещества в этих слоях упругость силовых линий приведет к сбрасыванию нового газового диска, в то время как старый еще не успеет получить сколько-нибудь значительного момента количества движения.

Таковы в общих чертах основные результаты космогонической гипотезы Хойла. Она довольно непринужденно объясняет резкость обрыва вращения звезд в районе спектрального класса F5. Эта резкость вызвана, в конечном итоге сильной зависимостью ионизации атомов водорода от температуры. Уже у звезд класса F0, температуры поверхностей которых всего лишь на 2000 К выше, чем у F5, конвективная зона начинается так близко от поверхности, что эффективное наматывание силовых линий почти исключается. Приходится только удивляться сложности взаимосвязей явлений, приводящих к такому «жизненно необходимому» для возникновения и развития жизни во Вселенной процессу, как образование планет…

Гипотеза Хойла, однако, имеет ряд трудностей и противоречий. Например, нелегко представить, как могли «отсортироваться» избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты.

Однако главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у «протосолнца», резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.

В 1962 г. французский астрофизик Шацман обратил внимание на то, что наличие магнитных полей на звездах открывает возможность эффективной потери вращательного момента без образования планет. Известно, что наше Солнце является источником потоков заряженных частиц — корпускул, выбрасываемых из его атмосферы (солнечный ветер). Отдельные сгустки горячего ионизованного газа как бы «выстреливаются» из областей, окружающих солнечные пятна, и движутся от Солнца со скоростями в несколько сот и даже тысяч км/с. Так как ионизованное вещество таких сгустков является хорошим проводником электричества, то их движение должно происходить по силовым линиям солнечных магнитных полей. На больших расстояниях от солнечных пятен магнитные поля имеют почти радиальное направление. Двигаясь радиально вдоль силовых линий, сгустки могут уходить на значительные расстояния от поверхности Солнца, исчисляемые десятками его радиусов.

Теперь необходимо отметить, что силовые линии магнитного поля Солнца, концы которых уходят в его глубокие слои, вращаются вокруг оси с той же угловой скоростью, что и поверхностные слои. Наглядное представление об этом дает проволочный каркас, прикрепленный к вращающемуся шару. Отсюда следует, что выброшенный из Солнца сгусток по мере его движения вдоль силовых линий наружу будет непрерывно увеличивать свой вращательный момент. Если в конце концов он «сорвется» с силовых линий солнечного магнитного поля (которое на больших расстояниях уже значительно ослабеет и не сможет больше определять движение сгустка), то унесет с собой довольно значительный момент.

Представим, например, что такие «срывы» происходят на расстоянии 30 радиусов Солнца от его центра. Тогда, чтобы потерять почти весь свой вращательный момент, Солнце должно выбросить приблизительно 0,001 часть своей массы. Такая сравнительно малая потеря массы за миллиарды лет эволюции вполне возможна. Следует, правда, заметить, что в настоящее время эффективное торможение Солнца этим способом не происходит — его «корпускулярное излучение» слишком мало. Но в прошлом это могло быть и не так… Можно представить, что такой механизм потери вращательного момента действует на всех (или почти всех) звездах, где имеются связанные с активными областями на их поверхностях магнитные поля. Так как такие образования обусловлены наличием у звезд «конвективных зон», то открывается возможность понять, почему наблюдается резкий «обрыв» вращения около спектрального класса F5.

Работа Шацмана имела целью объяснить медленное вращение звезд поздних спектральных классов. Но вместе с тем она поставила под сомнение веру в правильность аргумента, что медленное вращение мало массивных звезд есть аргумент в пользу наличия около них планетных систем. Однако недавно было доказано путем наблюдений, что мало массивные протозвезды вращаются медленно. Тем самым доказано, что механизм Шацмана не объясняет медленное вращение мало массивных звезд.

Наиболее последовательным сторонником гипотезы образования Солнечной системы из первичной «солнечной» туманности является американский астроном Камерон. Он связывает в единый процесс образование звезд и планетных систем. Современная наблюдательная астрономия практически доказала, что звезды образуются путем конденсации облаков межзвездной среды в результате их гравитационной неустойчивости (см. гл. 4). Первоначально такая конденсация происходит с облаками, масса которых во много тысяч раз превосходит солнечную. Следует подчеркнуть, что в определенную эпоху только малая часть таких облаков находится в стадии гравитационного сжатия, в то время как подавляющее большинство их имеют плотности, недостаточные для этого. Важно подчеркнуть, что время от времени сторонние причины увеличивают плотность облаков, после чего последние начинают сжиматься. Такими причинами могут быть взрывы сверхновых неподалеку от облаков. Образовавшаяся после такого взрыва в межзвездной среде сильная ударная волна сжимает газ в близлежащем облаке, создавая тем самым условия для его дальнейшего сжатия уже под влиянием внутренней силы тяготения. Таким образом, вспышки сверхновых могут служить как бы «триггерами», «стимуляторами» процесса звездообразования. Эта идея, высказанная четверть века назад замечательным эстонским астрономом Эпиком, сейчас подтверждается наблюдениями.

То, что «у колыбели» нашей Солнечной системы стояла взорвавшаяся звезда, Камерон обосновывает аномальным изотопным составом метеоритов, являющихся частью вещества Солнечной системы. В частности, из подобного анализа следует, что в первичном веществе Солнечной системы должен был присутствовать радиоактивный изотоп алюминия 26Al, период полураспада которого меньше миллиона лет.

По мере сжатия массивного облака оно разбивалось на более мелкие сгустки, один из которых и был «солнечной» туманностью. Первоначально газ, образовавший эту туманность, находился в состоянии быстрого, беспорядочного движения и по этой причине обладал значительным вращательным моментом. Это обстоятельство мешало ему сразу же сконденсироваться в одно компактное тело — протозвезду. Вместо этого образовался довольно уплощенный диск с радиусом в несколько десятков астрономических единиц.

Теоретический анализ дальнейшей эволюции такого диска с учетом вязкости образующего его газа позволяет сделать вывод о возникновении в нем неустойчивости, которая приводит к образованию нескольких (2–3) газовых колец. Заметим, что это должно произойти на ранней стадии эволюции диска, когда центральное тело (т. е. будущее Солнце) еще не сформировалось. Дальнейшие теоретические расчеты показывают, что каждое такое кольцо довольно быстро превратится в огромный газовый сгусток. Такие сгустки Камерон называет «гигантскими газовыми протопланетами». Заметим, что размеры этих сгустков должны быть порядка астрономической единицы. Образование таких протопланет в ситуации, когда протосолнце еще не образовалось, имело весьма существенное значение для дальнейшей эволюции Солнечной системы. В частности, этот вариант гипотезы «солнечной туманности», по-видимому, решает классическую проблему распределения вращательного момента Солнечной системы.

Камерон рассматривает дальнейшую эволюцию гигантских газовых протопланет. При этих расчетах принималось, что масса протопланеты равна массе Юпитера. В процессе эволюции протопланеты сжимаются, причем температура в их центральных областях достигает 3–4 тыс. кельвинов. При такой температуре и соответствующем давлении все твердые фракции становятся жидкими. Большую роль в эволюции протопланет должна была играть конвекция, приводящая к перемешиванию вещества. Во внутренних частях Солнечной системы благодаря приливным возмущениям оболочки протопланет как бы «обдирались» и входящее в них вещество попадало обратно в межпланетную среду, обогащая ее включениями кусочков твердых фракций, которые прошли через стадию расплавления во внутренних частях гигантских протопланет. На более поздней стадии эволюции солнечной туманности, когда она уже потеряла большую часть газа, истраченного на образование Солнца или диссипировавшего, входящие в нее твердые частицы образуют тонкий слой в экваториальной плоскости диска. В дальнейшем по причине все той же гравитационной неустойчивости из этого слоя образуются астероиды.

# Другой сценарий эволюции «солнечной туманности» предполагает, что не только астероиды, но и все планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Маре) сформировались из этого слоя в результате столкновения твердых частиц, их слипания, образования и роста планетных зародышей — планетезималей. В. С. Сафронов, детально изучивший этот вариант, показал, что для «сборки» Земли потребовалось бы около 100 миллионов лет.

Многие метеориты содержат загадочные стекловидные включения — хондры. Их структура показывает, что вещество хондр по крайней мере один раз было в расплавленном состоянии. В гипотезе Камерона это естественно объясняется, если предположить, что вещество хондр прошло через недра протопланет. Однако расплавление и даже испарение могло произойти и непосредственно в газопылевой среде, если ее потоки проходили через ближайшие окрестности рождающегося Солнца. #

Итак, мы разобрали основные современные гипотезы об образовании Солнечной системы. Хотя автор старался быть беспристрастным, его симпатии всегда были на стороне гипотезы «солнечной туманности». По нашему мнению, основным достоинством этой продолжающей и развивающей классическую космогоническую традицию гипотезы является ее неразрывная связь с фундаментальной проблемой происхождения звезд из межзвездной газопылевой среды. Как мы уже неоднократно подчеркивали, эта проблема в последние годы стала предметом изучения наблюдательной астрономии. В гл. 8 было показано, что статистика кратных звездных систем непосредственно подводит нас к представлению, что образование планетных систем неразрывно связано с образованием звезд.

В чем коренная причина кратности звезд? В конце концов, — в законе сохранения вращательного момента сжимающегося под действием собственного притяжения межзвездного газового облака. Обладающее значительным вращательным моментом облако на основании законов механики просто не может превратиться в одиночную медленно вращающуюся звезду (вроде Солнца, но без планет). Вернее сказать, если бы такая звезда образовалась — это было бы большой редкостью. Ведь для этого надо приписать первичному сжимающемуся облаку вращательный момент, в сотни раз меньший, чем у «нормальных» сжимающихся облаков, число которых составляет во всяком случае больше 90 % всех таких облаков! Сразу же видно, что такие облака будут встречаться чрезвычайно редко. Почти наверняка практически все звезды типа Солнца, которых пока считают одиночными, имеют невидимые спутники с достаточно малой массой и светимостью. И среди них можно ожидать звезды, окруженные семьей планет. Вопрос, однако, состоит в следующем: как часто среди систем этого типа попадаются (наряду с карликовыми звездами и большими планетами) планеты земного типа? В «оптимистическом» случае доля таких систем по отношению ко всем звездам солнечного типа будет 10 %, как это следует из статистического анализа Абта и Леви (см. гл. 8), в «пессимистическом» — неопределенно меньше. То обстоятельство, что Солнце представляет собой зауряднейшую звезду спектрального класса G, лишенную каких бы то ни было особенностей, есть некоторый аргумент в пользу «оптимистического» варианта. В этом случае полное число галактических планетных систем, в состав которых входят планеты земного типа, может быть порядка нескольких десятков миллионов, а если прибавить еще звезды спектрального класса K, то это число ~ 108. В этом «оптимистическом» случае расстояние до ближайших к нам планетных систем будет ~ 50 световых лет. Заметим, однако, что эти оценки носят сугубо ориентировочный характер.

В последнее время появился дополнительный, очень важный аргумент в пользу гипотезы солнечной гуманности как первоосновы происхождения Солнечной системы. В гл. 4 мы уже говорили о космических мазерах и связали их с проблемой звездообразования. Накопившийся большой наблюдательный материал по «гидроксильным» и, особенно, «водяным» мазерам, позволил недавно построить их модель. Оказалось, что лучше всего данные наблюдений объясняются моделью массивного газового диска, в общих чертах напоминающего камероновскую солнечную туманность. Это направление радиоастрономии сейчас быстро развивается и можно ожидать, что в самом близком будущем начальные стадии эволюции планетных систем будут поняты и уточнены. Заметим, что первая попытка связать космические мазеры с протопланетами была сделана советскими учеными В. С. Стрельницким и Р. А. Сюняевым. Экстраполяция данных наблюдений Абта и Леви (см. рис. 43) вплоть до малых значений отношений масс M2/M1 приводит к выводу, что все 123 близкие звезды класса G входят в состав кратных звезд; 67 % вторичных компонент — нормальные звезды, 15 % — невидимые слабые звезды («черные» карлики) и 20 %, по-видимому, имеют планетные системы. Естественно считать, что короткопериодические системы образовались из одного газового сгустка, который в процессе образования диска распадается на две конденсации с примерно одинаковыми массами. Между тем долгопериодические системы с самого начала конденсировались в двух центрах, гравитационное взаимодействие которых было незначительным. При этом вращательный момент сжимающегося облака оказался сосредоточенным в орбитальном движении этих сгустков.

Таким образом, развитие современной наблюдательной астрономии естественно приводит к выводу о множественности планетных систем во Вселенной.