SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Рис. 2.1.21. Планетарная туманность в созвездии Водолея

Таким образом белые карлики «вызревают» в недрах звезды красного гиганта и «появляются на свет» после того, как звезда тем или иным способом сбросила свои наружные слои. Они представляют собой очень плотные остатки этих звезд, состоящие в основном из ядер углерода и электронов. Плотность вещества в них в миллион раз выше средней плотности Солнца. Белые карлики не имеют термоядерных источников энергии и светят за счет тепловой энергии, запасенной на предшествующих стадиях эволюции. Температура их поверхности довольно высока (от 5000 до 15000 К), но благодаря малой излучающей поверхности светимость их в тысячи раз меньше, чем у Солнца. Таким образом, экономно расходуя свою энергию, белый карлик может светить в течение миллиардов лет, прежде чем, медленно остывая, превратится в черный углеродный карлик. Подобная участь ожидает и наше Солнце. Возраст Солнца около 5 млрд лет. Через 6-8 млрд лет водородное горючее в недрах Солнца исчерпается, и оно превратится сначала в красный гигант, а затем, сбросив оболочку и пройда, вероятно, через стадию планетарной туманности, станет белым карликом, а потом черным карликом размером с Землю.

Мы подошли к самым драматическим событиям звездной эволюции. В центре массивной звезды температура очень высока, вещество там находится не в вырожденном состоянии, а в состоянии обычного газа, который может сжиматься. Когда содержание гелия в ядре истощается, ядро начинает сжиматься, температура в центре его повышается, и там начинается новый цикл ядерных реакций с участием углерода, т. е. ядерным горючим становится углерод. В результате слияния ядер ¹²С и ⁴Не образуется ядро кислорода ¹⁶О. По мере истощения углерода «загорается» кислород: ядро ¹⁶О, присоединяя ⁴Не, образует ядро неона ²⁰Ne и т. д. То есть следует цикл ядерных реакций, в которых последовательно синтезируются тяжелые элементы вплоть до железа. В каждом последующем типе реакций выделяется все меньше и меньше энергии. Но чтобы противостоять сжатию, звезда должна выделять энергию в прежнем темпе. Это достигается за счет того, что каждый последующий элемент «сгорает» все быстрее и быстрее. Горение углерода длится тысячи лет. Затем смена горючего происходит через годы, сутки и даже часы. Загорание каждого очередного элемента происходит тогда, когда масса его достигнет некоторого критического значения, которое близко к переделу Чандрасекара для ядра из этого элемента В результате звезда приобретает структуру «луковицы»: в центре находится железное ядро, окруженное многочисленными слоями из продуктов ядерного горения в предыдущих циклах.

Когда образуется железное ядро, дальнейшая цепь ядерных реакций прерывается. Почему? Дело в том, что в раду химических элементов железо занимает особое место. При синтезе ядер сравнительно легких элементов, включая железо, не надо затрачивать энергию. Напротив, синтез этих ядер сопровождается выделением энергии, которая и является источником светимости звезд. В отличие от этого, для синтеза ядер элементов тяжелее железа необходимо затратить определенную энергию (которая освобождается при распаде этих ядер). Поэтому такой процесс не может поддерживать излучение звезды.

Итак, когда образуется железное ядро, ядерные реакции в звезде прекращаются. Звезда охлаждается и начинает сжиматься. Сжатие железного ядра происходит катастрофически быстро: менее чем за секунду оно уменьшает свои размеры в тысячи раз (говорят, что ядро коллапсирует). Казалось бы вещество звезды должно прийти в вырожденное состояние, и давление вырожденного электронного газа должно остановить сжатие. Но этого не происходит. Дело в том, что в центре такой коллапсирующей звезды развивается фантастически высокая температура, она достигает миллиардов градусов. При такой температуре электроны вступают в реакцию с протонами и образуют нейтроны (происходит процесс нейтронизации вещества). В результате количество электронов быстро уменьшается. Но откуда в центре звезды появились протоны? Ведь водород там давно выгорел на предшествовавших стадиях эволюции. А происходит вот что: при повышении температуры ядра атомов железа соударяются друг с другом и разрушаются, распадаясь, в конечном итоге, на протоны и нейтроны. Образующиеся при этом протоны и соединяются с электронами. Энергия, необходимая для распада атомных ядер железа черпается из кинетической энергии коллапсирующей звезды. Быстрое уменьшение плотности электронов в результате их слияния с протонами снимает вырождение (исчезает вырожденный электронный газ, давление которого могло бы предотвратить сжатие). Образующиеся нейтроны заполняют звездное ядро, и коллапс продолжается до тех пор, пока в центре звезды не образуется чудовищно плотный компактный объект размером порядка 10 км, состоящий почти исключительно из нейтронов.

Столкновения атомных ядер при коллапсе приводит, как мы видели, в основном, к их распаду с образованием протонов и нейтронов. Однако в этих же столкновениях, очень редко, но все же происходит образование ядер более тяжелых, чем железо, таких, как медь, молибден, олово, йод, серебро, золото, платина, ртуть, свинец, уран, и т.д. Описанный процесс длится примерно 1 секунду, но именно в эту последнюю секунду жизни звезды рождается, по существу, вся химия Вселенной, все химические элементы таблицы Менделеева. Энергия, необходимая для образования ядер этих элементов, черпается из кинетической энергии коллапсирующей звезды. Заканчивая свой жизненный путь, звезда использует последний шанс, последний источник энергии для образования тяжелых элементов. Надо сказать, что этот процесс имеет для нас немаловажное значение. Хотя живые организмы состоят преимущественно из элементов более легких, чем железо, — в основном, это водород, углерод, азот, кислород, фосфор — небольшая доля элементов тяжелее железа также входит в состав живых организмов, и они играют важную роль в процессах жизнедеятельности (не говоря уже об использовании их в технологических целях для нужд развивающейся цивилизации).

Когда в центре звезды образуется нейтронной ядро, наружные слои обрушиваются на него с колоссальной скоростью. Возникает взрыв, отбрасывающий вещество назад. Мощная ударная волна, движущаяся от центра звезды, вызывает сброс оболочки. При этом выделяется колоссальная энергия порядка 10⁴⁵ Дж, а образовавшиеся в звезде тяжелые элементы разбрасываются в окружающее космическое пространство. Эго и есть взрыв звезды, приводящий к вспышке сверхновой. Обнажившееся нейтронное ядро образует уж знакомую нам нейтронную звезду, которая наблюдается в виде пульсара.

Нейтронная звезда образуется лишь в том случае, если масса железного ядра меньше 2 M⊙ . Если масса ядра превышает 2 M⊙ , коллапс идет неограниченно с образованием черной дыры. Так называются совершенно необычные объекты, сжавшиеся до такой степени, что их поле тяготения удерживает не только вещество, но и излучение, не позволяя ему вырваться за пределы объема, ограниченного так называемым гравитационным радиусом Rg = 2GM/c2 (G — постоянная тяготения, М — масса тела, с — скорость света). Для тела с массой Солнца Rg = 3 км. Всякое гравитирующее вещество характеризуется определенной скоростью освобождения, ее называют также параболической или второй космической скоростью. Если скорость частицы, находящейся в поле тяготения рассматриваемого тела, больше параболической, частица вырывается из поля тяготения и уходит в космическое пространство. Для Земли параболическая скорость равна 11,2 км/с, для Солнца она составляет 600 км/с, а для черной дыры параболическая скорость больше скорости света. Поэтому ни одна частица (даже квант света), находящаяся внутри черной дыры (под гравитационным радиусом), не может вырваться наружу. Черная дыра не светит и не греет, но своим мощным гравитационным полем затягивает внутрь себя вещество из окружающего пространства. Академик Я. Б. Зельдович образно назвал черную дыру гравитационной могилой. Но это грубая картина. Как показал крупнейший современный физик-теоретик С. Хокинг, учет квантовых эффектов приводит к тому, что черная дыра все же будет светиться, но очень слабо (излучение Хокинга). Обнаружить по этому излучению обычные черные дыры невозможно. Но их можно заметить по свечению падающего на черную дыру газа. К середине 2001 г. было обнаружено около 20 черных дыр звездной массы и 60 сверхмассивных черных дыр (с массой более миллиона солнечных масс) в ядрах галактик. Образование последних не связано со звездной эволюцией.

Итак, звезды формируются из межзвездной среды путем гравитационной конденсации диффузной материи. Они проходят длительную стадию главной последовательности, когда устойчивое состояние звезды обеспечивается за счет ядерных реакций превращения водорода в гелий. Затем следует более короткая стадия красного гиганта, когда жизнь звезды поддерживается за счет горения гелия. И наконец, наступает заключительная фаза, когда, в зависимости от массы звезды, она либо превращается в белый карлик и медленно угасает, унося с собой в черную могилу накопления своей жизни, либо взрывается, как сверхновая, щедро разбрасывая в пространство плоды своего творчества для использования их в следующих поколениях звезд. Вспышка света необычайной яркости оповещает всех, кто может ее увидеть, об этом подвиге самоотверженности звезды, отдающей себя, свою материю, свою сущность во имя продолжения Беспредельной Нити Жизни Космоса. Умирая, она, подобно фениксу, возрождается вновь в поколениях звезд, которые приходят ей на смену.

2.1.4. Звездная система — Галактика.

Мы познакомились с миром звезд, с их свойствами, с тем, как они рождаются, живут и умирают. Теперь нам предстоит краткое знакомство с той страной, в которой они обитают, — с грандиозной звездной системой Галактикой, имеющей размер более 100 тыс. св. лет и содержащей порядка 10¹¹ звезд. Напомним, что в Галактике астрономы измеряют расстояние в парсеках (1 пк = 3,26 св. года) или килопарсеках.

Большинство наблюдаемых звезд Галактики сосредоточено в плоском диске с небольшим сферическим утолщением в центре. Поперечник диска около 30 килопарсек (кпк), толщина — в десятки раз меньше; поперечник центрального утолщения (иногда его называют «балдж») составляет около 4 кпк. Диск с балджем окружены звездным гало сферической формы, размер которого около 20 кпк. Диск и гало — две основные подсистемы звездного населения Галактики. Предполагается, что вокруг этой «видимой» части Галактики простирается еще невидимая галактическая корона, образуемая очень слабыми звездами, присутствие которых обнаруживается только по их суммарному гравитационному полю. В центре Галактики расположено компактное ядро размером около 20 пк. Схематически строение Галактики показано на рис. 2.1.22.Солнце относится к населению диска, оно расположено на периферии Галактики, ближе к краю диска, на расстоянии около 8 кпк от центра и лежит почти точно в плоскости симметрии диска (на расстоянии 20 пк над нею). Земной наблюдатель видит диск «с ребра», и огромное число удаленных звезд сливается для него в светящуюся полосу Млечного Пути, который в безлунную ночь хорошо виден на небе невооруженным глазом. Отсюда происходит и название нашей звездной системы — Галактика, т. е. звездная система Млечного Пути («галактикос» по-гречески означает молочный[110]). Звезды, видимые невооруженным глазом вне полосы Млечного Пути, — это звезды диска, расположенные близко к Солнцу, поэтому они наблюдаются на больших углах по отношению к галактической плоскости.

Рис. 2.1.22. Схема строения Галактики (вид с ребра)

Концентрация звезд в окрестности Солнца соответствует приблизительно одной звезде на 8 кубических парсеков. Это значит, что среднее расстояние между звездами составляет около 2 пк (или 6,5 св. лет). В центральных областях Галактики концентрация звезд в миллион раз выше, а расстояние между ними в 100 раз меньше, чем в окрестностях Солнца.

Рис. 2.1.23. Мозаичная фотография Млечного Пути

Рис. 2.1.24. Траектории вращения звезд вокруг центра Галактики.В одной плоскости лежат орбиты звезд галактического диска, а пересекают плоскость орбиты звезд гало (сферической составляющей)

Звезды двух основных составляющих — диска и гало отличаются возрастом (а, следовательно, химическим составом) и характером движения. В состав гало входят наиболее старые звезды Галактики, относительно бедные тяжелыми элементами. Звезды диска более молодые, и они богаче тяжелыми элементами по сравнению со звездами гало.

Важно подчеркнуть, что Галактика представляет собой не просто случайное скопление гигантского количества звезд, а динамическую систему, в которой составляющие се элементы совершают упорядоченное движение под действием центральной силы, определяемой суммарным тяготением галактической материи. Если мы выделим 100 или 1000 звезд в окрестности Солнца — они не образуют динамическую систему, а вот Галактика в целом является такой системой.

Звезды диска обращаются вокруг ядра Галактики по почти круговым орбитам, лежащим приблизительно в одной плоскости. При этом все они обращаются в одну сторону. Скорость их движения зависит от расстояния от центра Галактики. Для звезд в окрестности Солнца скорость галактического вращения составляет приблизительно 200 км/с, это соответствует полному периоду обращения вокруг центра Галактики примерно за 250 млн лет. Звезды сферической составляющей обращаются вокруг центра Галактики по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, наклоненным под всевозможными углами к плоскости диска (рис. 2.1.24)[111]. Такой характер вращения напоминает вращение тел Солнечной системы. Звезды диска движутся подобно плане там, а звезды гало — подобно кометам. По-видимому, это связано с тем, что процесс формирования Галактики и Солнечной системы имеют общие черты.

Характерной особенностью Галактики является ее спиральная структура. Собственно говоря, спиральная структура относится не ко всей Галактике, а лишь к ее диску. Если бы мы могли посмотреть на нашу Галактику со стороны, в направлении перпендикулярном плоскости диска, го увидели бы, что от центра диска к периферии отходят спиральные рукава (рис. 2.1.25). Спиральные рукава представляют собой области повышенной концентрации (сгущения) звезд и межзвездного вещества. В промежутках между рукавами плотность галактической материи меньше. Солнце расположено между рукавами — между рукавом Стрельца и рукавом Персея, и движется в направлении последнего.

В спиральных ветвях Галактики сконцентрированы почти все молодые горячие звезды высокой светимости. Именно они наиболее ярко очерчивают спиральные ветви. Эти звезды образуются в спиральных ветвях и за время своего существования не успевают покинуть их. Таким образом, спиральные ветви представляют собой место, где наиболее интенсивно идет процесс звездообразования. Когда газопылевое облако при своем вращении вокруг центра Галактики входит в спиральный рукав, то на внутренней кромке рукава возникает ударная волна, здесь образуется область повышенной плотности, что способствует процессу звездообразования. Возникающие молодые звезды ярким блеском отмечают область своего звездного «инкубатора».

Рис. 2.1.25. (Вверху) Спиральная галактика NGC 1232. По-видимому. она похожа на нашу Галактику. Светлые точки в верхней части рисунка представляют собой распределение молодых объектов в спиральных рукавах нашей Галактики вблизи Солнца, наложенные на фотографию NGC 1232, При выбранном масштабе точки хорошо ложатся на спиральные ветви NGC 1232. (Ниже) Галактика NGC 5364 в созвездии Девы—одна из типичных спиральных галактик

Диск, гало, корона, спиральные ветви — это наиболее крупные элементы галактической структуры. Но и внутри этих крупных структурных образований распределение галактической материи также неоднородно. Звезды диска часто группируются в скопления. Причем это не эффект случайной проекции: звезды скопления располагаются в одной области пространства и гравитационно связаны между собой. Плотность звезд в скоплении в десятки раз выше, чем в окружающем звездном фоне, но заметной концентрации к центру скопления не наблюдается. Такие скопления получили название «рассеянные». Число звезд в рассеянных скоплениях меняется в широких пределах — от нескольких десятков звезд (бедные скопления) до нескольких тысяч звезд (богатые скопления). Примером рассеянного звездного скопления может служить хорошо известное скопление Плеяды в созвездии Тельца, видимое невооруженным глазом (см. рис. 2.1.26); оно содержит сотни звезд, из которых глазом видны 5-6 самых ярких. Диаметры рассеянных скоплений составляют от 1,5 до 30 пк, а массы — от 100 до 3000 M⊙ . В пределах 2 кпк от Солнца известно более тысячи рассеянных скоплений, а общее их число в Галактике оценивается в 20 тысяч. Все рассеянные звездные скопления наблюдаются в полосе Млечного Пути, т. е. они расположены в диске Галактики. В состав ближайшего к Солнцу очень разреженного скопления входят пять звезд ковша Большой Медведицы, Сириус и другие близкие звезды. Поскольку Солнце расположено рядом с этим скоплением, и мы наблюдаем его как бы изнутри, звезды скопления не образуют компактную группу на небе, а разбросаны по всему небосклону.

Рис. 2.1.26. Скопление Плеяды

Все звезды одного скопления не только расположены в одном месте, но имеют близкий возраст, следовательно, они связаны общим происхождением. Мы уже знаем, что звезды образуются из межзвездной среды. Звезды, возникающие в процессе фрагментации одного газопылевого облака, как раз и образуют рассеянное звездное скопление. Так как, помимо общего галактического вращения, они имеют еще хаотические, случайные скорости, то скопление с течением времени «рассасывается». Обычно это происходит за время нескольких десятков оборотов вокруг центра Галактики. Наше Солнце представляет собой одиночную звезду Вероятно, оно образовалось в составе рассеянного скопления вместе с сотней других звезд, но за 5 млрд лет это скопление полностью рассосалось, и сегодня мы не знаем братьев и сестер Солнца.

[110] Согласно греческой мифологии, Млечный Путь произошел из струи молока, брызнувшей на небо из груди Богини Геры, жены Зевса. По приказу Зевса его сын Геракл, рожденный смертной женщиной, был поднесен к груди спящей Геры, чтобы молоко Богини сделало его бессмертным. Но проснувшаяся Гера оттолкнула младенца. Геракл не стал бессмертным, а брызнувшее из груди Богини молоко оставило на небе вечный, бессмертный след — Млечный Путь.

[111] На самом деле характер их движения более сложный: см. Сурдин В.Г. Динамика звездных систем. — М.: 2001. 32 с.