Спиральные ветви: здесь рождаются звезды

ПОЧЕМУ СПИРАЛИ ЯРКИЕ?

В первой половине прошлого века лорд Росс построил для себя телескоп, который и в наше время мог бы считаться весьма крупным инструментом: диаметр его зеркала составлял 180 см! Телескоп позволил увидеть неизвестные ранее звезды и туманные пятна, разбросанные по всему небу. Большинство туманных пятен много лет спустя оказались гигантскими «звездными островами» — галактиками, в которых заключена практически вся масса звезд во Вселенной. Наблюдения в уникальный телескоп одного из таких пятен в созвездии Гончих Псов привели к неожиданному открытию: пятно имело сложную структуру! В телескоп было видно, что его слабое свечение концентрируется в две бледные полоски, как бы исходящие из центрального сгущения и закручивающиеся в одну сторону по спирали.

Прошли годы, и в астрономических обсерваториях научились получать фотографии галактик. То, что раньше при визуальных наблюдениях выглядело бледным пятном, на хороших фотографиях предстало как четкое яркое образование со сложным строением. Спиральные ветви оказались структурной особенностью большинства наблюдаемых галактик. Было установлено, что свечение спиралей обусловлено входящими в них звездами, но что заставило звезды собраться в длинные спиралевидные рукава?

В 30-х годах нашего столетия существовало уже не менее пяти гипотез, пытавшихся объяснить природу спиральных ветвей. И хотя сейчас мы знаем о галактиках неизмеримо больше, чем 30 или 40 лет назад, причина появления спиральной структуры остается дискуссионной.

Если взглянуть на фотографии спиральных галактик, то может показаться, будто вся галактика, кроме небольшой части в центре, состоит из спиралей. Но такое впечатление ошибочно. Проведя специальные измерения, можно убедиться, что даже в галактиках с хорошо развитой спиральной структурой ветви по своей светимости (а в особенности по массе) составляют небольшую часть от светимости (или массы) всей галактики. Выделяются же они на общем звездном фоне потому, что в спиралях собраны самые яркие объекты галактик: горячие звезды спектральных классов О — В (температура на поверхности 20—30 тыс. градусов), скопления молодых звезд, звездные ассоциации и массивные газовые облака, ярко флуоресцирующие под действием ультрафиолетового излучения горячих звезд. Звезды с большой светимостью и высокой температурой живут гораздо меньше, чем «обычные» звезды типа нашего Солнца. Поэтому горячие звезды могут наблюдаться только недалеко от мест своего рождения. Их концентрация в спиральных ветвях говорит о том, что ветви в галактиках — это вытянувшиеся длинной цепочкой или полосой области, где происходит величественный процесс зарождения звезд. Звезды с возрастом в десятки миллионов лет и старше в спиральных ветвях не концентрируются или концентрируются очень слабо. Свет гигантского числа этих звезд служит как бы фоном, на котором и выделяются более яркие ветви галактик.

Итак, образование спиральных ветвей и образование звезд — это тесно связанные проблемы. Правда, известны галактики, где мы видим рождение звезд, а спиральных ветвей у них нет. В таких галактиках, как правило, много межзвездного газа. Похоже, что спиральные ветви просто облегчают и ускоряют образование звезд, делая этот процесс эффективным, даже когда остается мало необходимого-«сырья».

Наша Галактика, к которой относятся и Солнце, и все звезды, видимые на небе невооруженным глазом, и те далекие, свет которых сливается в сплошную полосу Млечного Пути,— это гигантская спиральная галактика. В ней также происходит образование молодых звезд. Происходит медленно, совсем не так интенсивно, как в первые сотни миллионов лет ее существования. В звездной системе, состоящей более чем из 100 млрд. объектов, каждый год в среднем возникает лишь несколько звезд. И почти наверняка все они рождаются в длинных спиралевидных уплотнениях газ,наблюдаемых радиоастрономическими методами.

Чтобы действительно понять природу спиральных ветвей, надо хотя бы в общих чертах знать, как возникают звезды, По мнению большинства исследователей, звезды — это сконденсировавшийся межзвездный газ. Наряду с гипотезой конденсации звезд из газа существует противоположная концепция, утверждающая, что звезды образуются путем фрагментации сверхплотных тел.

Теория гравитационной конденсации газа применительно к реальным условиям в межзвездной среде начала разрабатываться сравнительно недавно. Различные этапы образования звезд рассматривались в ней отдельно. Теория очень сложна: она должна учесть такие трудные для численных расчетов процессы, как изменение температуры, скорости вращения, плотности сжимающегося облака газа, взаимодействие газа с магнитным полем, с твердыми пылинками, поглощающими свет, с окружающей средой. И хотя имеющиеся представления о конденсации газа в звезды еще не полны и в будущем, быть может, несколько изменятся, трудно сомневаться в правильности общих идей, положенных в их основу.

АРГУМЕНТЫ ТЕОРИИ ЗВЕЗДНОЙ КОНДЕНСАЦИИ

Какие факты подтверждают правильность представлений о возникновении звезд из разреженной среды?

1. Абсолютное большинство молодых звезд нашей или других галактик располагается вблизи их экваториальных плоскостей, где потенциальная энергия тел минимальна. Там же концентрируется и газ, ибо он способен терять энергию своего движения (она тратится на излучение). Звезды не могут достаточно быстро изменить энергию движения и поэтому практически не меняют своих орбит. Их ничто не заставит «собраться» вблизи одной плоскости, а тем более в спиральных ветвях, если они там не образовались.

2. Звезды вращаются вокруг оси, причем некоторые довольно быстро (100—200 км/сек). Это означает, что вещество, в котором они зародились, должно иметь большой момент вращения. Такого момента не может быть у тел маленьких размеров. Ведь если бы звезды образовывались не путем сжатия, а при расширении, то маленькие плотные протозвезды должны были бы иметь сверхсветовую скорость вращения. Существующая газовая среда обладает моментом вращения, которого хватает с избытком для того, чтобы объяснить быстрое вращение звезд, даже если учесть неизбежное торможение газового сгустка при сжатии, вызванное его взаимодействием с окружающей средой.

3. Химический состав большинства звезд и межзвездной среды практически одинаков. Но самые старые звезды, принадлежащие к сферической составляющей Галактики, содержат в десятки раз меньше тяжелых элементов (например, металлов) по сравнению с водородом или гелием, чем звезды, недавно сформировавшиеся. Значит, миллиарды лет назад в веществе, породившем звезды, элементов с большим атомным весом было мало. Чтобы они образовались при ядерных реакциях, нужны высокие температуры и плотности, какие встречаются в недрах массивных звезд и при взрывах Сверхновых. С выброшенной при взрыве материей химические элементы неизбежно попадают в межзвездный газ.

Конденсация из этого газа новых поколений звезд естественно объясняет, почему изменяется химический состав молодых звезд.

4. В областях, богатых межзвездным газом и пылью, часто наблюдаются плотные холодные сгустки газа, размером иногда много меньше парсека и с плотностью в тысячи и десятки тысяч раз большей, чем плотность межзвездной среды «в среднем». Во многих этих туманностях тепловая энергия вещества меньше гравитационной. Следовательно, туманности не могут находиться в равновесном состоянии или в состоянии расширения, они должны сжиматься. Интересно, что плотные газовые сгустки обычно наблюдаются там, где много недавно образовавшихся, совсем молодых звезд.

Маленькие плотные сгустки газа наблюдаются и в радиодиапазоне. Газ в них очень холодный, и большая часть атомов объединена в молекулы. Некоторые из этих объектов связаны с источниками инфракрасного излучения, которые, предположительно, являются молодыми звездами, окруженными непрозрачной оболочкой из газа и пыли. Изучение таких объектов поможет нам лучше понять, как происходит конденсация газа.

5. Образование звезд наиболее интенсивно в тех галактиках, в которых газ составляет заметную долю массы. Если бы не звезды рождались из газа, а происходило бы совместное образование газа и звезд, то больше всего газа можно было бы ожидать не там, где рождается много звезд, а там, где их уже много образовалось.

Конечно, ни один из перечисленных аргументов (а их список можно расширить) сам по себе не является бесспорным доказательством того, что звезды возникают из разреженной среды. Но совокупность доводов делает эту точку зрения хорошо обоснованной. Все наши знания о межзвездной среде убеждают в том, что при определенных условиях, которые должны встречаться, неизбежны гравитационное сжатие, уплотнение газе. Идея образования звезд из газа перестала быть умозрительной гипотезой. Это — теория, допускающая количественную проверку и дающая качественное объяснение многим наблюдаемым фактам.

Интересно, что у звездообразования имеется свой механизм «выключения»: с появлением объектов большой массы и светимости темпы рождения звезд резко падают. Дело в том, что звезды в сотни раз поднимают температуру и давление газа, в котором они образовались. С рождением звезд в действие вступает новый источник энергии — ядерный, и часть этой энергии поглощается средой. Газ начинает расширяться и покидает молодую звездную систему.

Фотография галактики М 51 в созвездии Гончих Псов, на которой показано распределение радиоизлучения. Карта радиоизлучения получена на радиотелескопе в Вестерборке. Хорошо видно, что «радиояркость» концентрируется (радиоизофоты «сгущаются») к «оптическим» спиральным ветвям. Это указывает на происходящее в ветвях сжатие газа и магнитного поля

Одна нормальная звезда класса О за несколько десятков миллионов лет жизни выделяет энергию, которая может во много раз превосходить энергию взрыва Сверхновой. Разумеется, не вся она передается окружающему газу. Расчеты показывают, что в кинетическую энергию газа переходит несколько десятых долей процента от энергии излучения звезды. Но и эта величина сопоставима с полной гравитационной энергией не очень плотных звездных скоплений. Горячая звезда большой светимости может «вымести» из звездной системы столько газа, что, лишившись сдерживающей силы его притяжения, звезды немного разойдутся, плотность скопления уменьшится. Если же плотность скопления невелика (ассоциация), выброс газа может повлечь за собой разлет и полное разрушение звездной системы.

Эти выводы хорошо согласуются с наблюдениями. Действительно, скопления молодых звезд устойчивы и могут существовать миллиарды лет после своего образования. Что касается ассоциаций, то давно появились основания считать, что некоторые из них мы наблюдаем на стадии расширения. Скорости расширения, как и следует ожидать, не сильно отличаются от «обычных» скоростей движения звезд внутри скоплений, и в каждом конкретном случае трудно сказать, будет ли ассоциация полностью разрушена. Но и распад ее не противоречит выводам теории гравитационной конденсации звезд.

СПИРАЛЬНЫЕ ВЕТВИ — ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

На фотографиях видно, что во многих спиральных галактиках,- хотя и не во всех, ветви начинаются почти от самого центра галактики. Кажется, будто вещество спиралей выбрасывается или «вытекает» из центральных ядер. Но благодаря спектральному анализу удалось выяснить, что и облака газа, и звезды, образующиеся в ветвях, движутся по круговым орбитам (все в одном направлении), а не радиально, как было бы при выбросе вещества из центра. Значит, звезды формируются в спиральных ветвях из газа, который уже давно существует в галактике. Можно предположить, что спирали — это трубки газа с очагами звездообразования в них. Но галактики вращаются, причем период вращения меняется (возрастает) с расстоянием от центра. Подобное вращение называется дифференциальным. Оно способно быстро «закрутить» и разрушить газовые трубки, и спирали исчезнут.

Одно время думали, что межзвездное магнитное поле может спасти трубки газа от разрушения. Но для этого необходимо, чтобы плотность энергии магнитного поля была в несколько сот раз больше, чем на самом деле. Был предложен иной выход. Представим, что в нескольких местах в плоскости галактики вращающийся газ уплотнился и возникли очаги звездообразования. Тогда дифференциальное вращение галактики очень быстро (если можно назвать быстрым процесс, идущий десятки миллионов лет) «размажет» каждую такую область в сегмент — обрывок спиральной ветви. Сегменты, с которыми связаны молодые звезды, будут наблюдаться как многочисленные спиральные ветви. И действительно, «обрывки» спиральных ветвей в галактиках обнаружены. Наверное, они есть в каждой звездной системе, где места возникновения звезд распределены неравномерно. Но это не решение проблемы, поскольку во многих галактиках спиральные ветви заведомо не сегменты. Их удается проследить на протяжении одного и даже более оборотов вокруг ядра. Только процесс, охватывающий значительную часть всей галактики, способен привести к образованию спиральных ветвей. Таким процессом, по мнению большинства специалистов, является распространение волн плотности в газозвездном диске галактики.

Отдельные звезды можно представить как частицы «звездного газа», вроде атомов или молекул обычного газа. Отличие будет лишь в том, что частицы «звездного газа» не сталкиваются между собой. Если обычный газ всегда обладает упругостью, то «звездный газ» — только при вращении, и тогда в нем возможно распространение волн плотности. Дифференциальное вращение не мешает их движению, но приводит к тому, что фронт волн искривляется по спирали. Интересно, что теория предсказывает возникновение двух фронтов, двух спиралей.

Но и волны плотности должны медленно затухать. Поэтому перед учеными встала другая проблема: каков источник, или, лучше сказать, механизм возбуждения волн плотности? Таких механизмов может быть, несколько, однако выделить из них главный пока трудно. Возбудить волны может и взаимодействие двух звездных подсистем галактик, если одна вращается быстро, а другая — медленно (звездный диск и сферическая составляющая галактики), и гравитационная неустойчивость среды на периферии галактик, и несимметричное распределение масс, часто наблюдаемое вблизи центра галактик, и, возможно, выбросы из ядра.

Согласно волновой теории образования спиральных ветвей, дифференциальное вращение галактики не разрушает спиральную структуру. В отличие от звездного диска, спиральный узор вращается с постоянным периодом, как рисунок на твердой поверхности. И звезды, и газ движутся относительно спиральных ветвей и периодически проходят через фронт волны. На звездах такое прохождение сказывается мало: их плотность в спиральной ветви становится лишь чутьчуть выше. Иное дело газ. Его можно рассматривать как сплошную среду, плотность которой при прохождении через «гребень» волны резко возрастает. Здесь и кроется ответ на вопрос о том, почему спиральные ветви — место рождения звезд. Сжатие газа вызывает его быструю конденсацию в облака. Они в магнитном поле галактики образуют неустойчивую систему и скапливаются, сливаются в массивные газовые комплексы. В конечном счете, это приводит к рождению звезд. Спиральная волна как бы синхронизует образование звезд в диске галактики. Через несколько десятков миллионов лет звезды «уходят» из спиральной ветви, а газ, расширяясь, вновь возвращается к меньшей плотности. Через фронт волны проходят новые массы газа, звезды возникают в другом месте.

Если галактика вращается быстро, волна сжатия порождает ударную волну в газовой среде. Наблюдать ее, к сожалению, очень трудно. Но вместе с газом должна сжиматься и межзвездная пыль, которая в небольшом количестве всегда находится там, где есть газ. Присутствие пыли можно обнаружить на фотографиях галактик, ведь она поглощает свет звезд. И действительно, у многих галактик, вдоль спиральных ветвей, преимущественно по их внутренней стороне, где как раз ожидается «вхождение» газа в волну уплотнения, видны темные волокна пыли. Вдобавок, в некоторых близких галактиках непрерывное радиоизлучение концентрируется в области спиральных ветвей. Это также подтверждает, что газ, а с ним и магнитное поле сжимаются при «входе» в спиральную ветвь.

Галактика М 101 в созвездии Большой Медведицы. Слева — распределение нейтрального водорода, полученное по радионаблюдениям в Вестерборке; справа — обычная фотография этой галактики. Масштаб снимков одинаков. Положение ветвей совпадает, хотя на фотографии их можно проследить до большого расстояния от центра

Волновая теория ветвей нашла свое подтверждение и в расчетах, выполненных на быстродействующих ЭВМ. Пусть у нас имеется много точек, притягивающих друг друга по закону всемирного тяготения. Для двух точек нетрудно получить уравнения, которые описывали бы их движение, и узнать, как они будут перемещаться в пространстве. Но уравнения для трех точек в общем случае уже нельзя решить аналитически — задача слишком сложна. Что же говорить о четырех, пяти и более взаимодействующих точках? Но оказывается, на ЭВМ можно, не получая конечных формул, рассчитать движение и трех, и десяти, и тысячи, и какого угодно количества точек,— лишь бы машина имела достаточную емкость памяти и скорость счета. Американские исследователи Р. Миллер, К. Прендергаст и В. Квирк на ЭВМ, обладающей громадной памятью (4 млн. бит!), изучили движение в одной плоскости более ста тысяч точек. Правда, столь большое число точек удалось использовать, вводя некоторые упрощения в вычислительный процесс. Начальные условия были выбраны такими, чтобы точки имитировали население вращающейся галактики. Движение газа и звезд происходит немного по-разному, так как облака газа непрерывно сталкиваются друг с другом, а звезды — нет. Поэтому некоторые точки в этой схеме «изображали» газ, а другие — звезды. Сначала вся «галактика» состояла из «газа», но постепенно «газ» превращался в «звезды».

Электронный компьютер строил изображения взаимодействующих точек через определенные промежутки времени. Из длинной серии рисунков был сделан настоящий мультфильм. И вот результат: на рисунках видно, как точки, изображающие «газ», быстро сформировали двухрукавную спиральную структуру, типичную для многих галактик. Причем спирали были не просто вытянутыми уплотнениями, а действительно волнами плотности — они вращались с одинаковой угловой скоростью, и отдельные точки проходили сквозь спиральные ветви, лишь немного изменяя при этом свою скорость.

Но искусственно построенные модели галактик — это одно, а реально наблюдаемые ветви галактик — другое. Были проведены специальные наблюдения, чтобы проверить, движутся ли газ и звезды относительна спиральной ветви (или ветвь по диску галактики). Конечно, ожидаемые движения должны происходить слишком медленно, чтобы удалось заметить, как газ или звезды перемещаются через ветвь. Если такое движение существует, оно должно сказаться на распределении внутри ветви звезд различного возраста, ведь с волной сжатия перемещается и область преимущественного образования звезд. Следовательно, самые молодые звезды должны быть в большинстве случаев на внутренней границе ветви. Наблюдения трех соседних спиральных галактик — туманности Андромеды, звездных систем в Треугольнике и Гончих Псах — подтвердили, что относительное движение диска галактик и спирального «узора», действительно, существует».

Области интенсивного образования звезд перемещаются по галактикам. Другое предсказание теории: в спиральных рукавах должно быть больше водорода (в расчете на единицу площади), чем между ветвями. Изучить распределение и движение нейтрального водорода в галактиках можно, только если радиотелескоп позволяет различать такие детали структуры галактик, которые по своему размеру сопоставимы с шириной спиральных ветвей, иначе вся картина окажется сильно «размытой». Получить столь резкую картину очень трудно. Для детального исследования нужны сложные системы радиоастрономических антенн. В последние годы в ряде стран проектируются, строятся или вступили в строй крупные радиоинтерферометры, которые, возможно, помогут проверить теорию и выявить новые особенности «радиоструктуры» спиральных галактик. Большие надежды вселяет недавно вступивший в строй радиотелескоп в Вестерборке (Голландия). Это уникальное сооружение имеет 12 параболических антенн. Диаметр каждой из них равен высоте девятиэтажного дома (25 м). Десять антенн стоят неподвижно на расстоянии 144 м друг от друга, а две могут перемещаться по специальным рельсам. Каждая подвижная антенна способна работать «в паре» с любой из остальных. Поэтому одновременно можно вести наблюдения как бы 20 парами антенн, 20 интерферометрами. Записи полученных сигналов обрабатываются на ЭВМ. Такой радиотелескоп может различить детали размером меньше угловой минуты. Для галактики М 101 в созвездии Большой Медведицы получена четкая картина «водородных» спиральньЕх ветвей, совпадающих со звездными, что согласуется с выводами теории.

ВОПРОСЫ ОСТАЮТСЯ

И все же о природе спиральных ветвей мы знаем мало. Теория может объяснить, почему вращение галактики не разрушает их очень быстро, качественно показать, что ветви должны быть областями преимущественного образования звезд, объяснить в общих чертах форму ветвей. Но остается неясным, какие процессы дают начало спиральным ветвям, почему в одних галактиках спирали есть, а в других отсутствуют. Все предположения и расчеты, предлагавшиеся для ответа на эти вопросы, еще нуждаются в подтверждении. Да и форма спиральных ветвей часто слишком сложна, чтобы считать ее правильной двухрукавной спиралью. Ветви могут быть и широкими, и узкими, сливаться, разветвляться, соединяться перемычками, образовывать несколько независимых «ярусов» и т. д. Объяснить это многообразие форм пока не удается. Наконец, в некоторых звездных системах спирали имеют явно неволновую природу, хотя форма их всегда связана с вращением галактики. Это относится не только к спиральным «обрывкам» внутри галактик. Известно немало случаев, когда спиральные ветви... выходят за пределы самих галактик! Широкие и неяркие, они тянутся неровной полосой подчас на многие десятки тысяч световых лет через периферийные области звездных систем, уходя в межгалактическое пространство, Возникают они почти исключительно там, где есть две или несколько взаимодействующих друг с другом галактик. Это — спиральные ветви, появляющиеся лишь при действии на звездную систему извне.

Внешнее гравитационное поле может изменить внутреннюю структуру галактики. Ведь все ее вещество удерживается силами гравитации. Когда к галактике подходит другая массивная звездная система, возникают силы, стремящиеся галактику разрушить. Но чаще всего до полного разрушения дело не доходит.

Часть звезд отрывается от основного тела галактики и при определенных условиях может образовать одну или две «струи», искривляющиеся из-за того, что звезды сохраняют свой момент вращения. Получаются спирали из оторванных от галактики звезд. Если звездная система не окружена достаточно плотной газовой средой или не простирает свои границы много дальше, чем это принято считать, то судьба спиралей проста: пройдут сотни миллионов лет и входящие в них звезды частично покинут галактику навсегда, двигаясь по сильно измененным орбитам. Правильность подобных представлений подтверждается расчетами взаимодействия звездных систем, проводившимися советскими учеными Т. М. Энеевым, Р. А. Сюняевым и Н. Н. Козловым на ЭВМ.

Но вот что удивительно: такие далеко уходящие ветви иногда «стыкуются» с обычными спиралями внутри галактики. Значит, возбуждение спиральных волн может быть связано и с внешним воздействием. Получается, что одна галактика может на расстоянии влиять на образование звезд (а значит, и планет, и межзвездной пыли, и горячего газа) в другой, соседней галактике. Есть основания полагать, что наша Галактика также несет следы взаимодействия с соседней двойной системой — Большим и Малым Магеллановыми Облаками. Интересно и другое. В длинных ветвях-выбросах, как и в «нормальных» спиральных ветвях, присутствуют иногда области ионизованного водорода. Это говорит о рождении в них горячих звезд, хотя и не таком интенсивном, как внутри галактик. Что может стимулировать звездообразование столь далеко от плотных областей галактик? Не вызвано ли оно движением ветви в разреженном межгалактическом газе? Достаточно ли только учета гравитационного взаимодействия между галактиками, чтобы объяснить далеко уходящие спирали? Все это еще предстоит выяснить. От астрофизиков требуются и новые наблюдения, и новые теоретические расчеты, хотя первые шаги к объяснению спиральных ветвей уже сделаны.

А. В. ЗАСОВ. Земля и Вселенная, № 6, 1974 г.