четверг, 30 мая 2013 г.

"Галактическая сага". Часть 1. Пробел в теории звездообразования

    Технология рождения звезд

    Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, заведующий отдела физики и эволюции звезд Института астрономии РАН


    «Звезды - фундаментальнейший элемент нашей Вселенной. Поэтому не удивительно, что в астрономии именно звезды стали одним из первых объектов для изучения. Практически одновременно с началом изучения звезд высказывались и различные предположения и о том, откуда звезды появились.
    Здесь, по аналогии с геологией, можно выделить две концепции: катастрофизм и актуализм. Сторонники «катастрофизма» считали, что звёзды образовались один раз, в результате какого-то события, которое более во Вселенной не повторялось. Согласно второй концепции, «актуализму», процессы, которые происходили во Вселенной раньше, должны происходить в ней и сейчас. Соответственно, если раньше во Вселенной рождались звёзды, они должны рождаться и в настоящую эпоху. Концепция актуализма победила сравнительно недавно. В 1950-е годы стало ясно, что у звёзд ограниченное время жизни, и они не могут существовать вечно. В них заканчиваются запасы термоядерного «топлива», и, соответственно, если мы сейчас наблюдаем молодые звёзды, они должны были образоваться относительно недавно (по астрономическим масштабам времени).
    Важное открытие в этой области было сделано нашим соотечественником Виктором Амбарцумяном. Он обнаружил в Галактике распадающиеся звездные скопления, которые должны прекратить существовать через несколько миллионов лет. Соответственно, если мы их видим сейчас, значит, они тоже родились относительно недавно, опять же по астрономическим меркам. С конца 1950-х годов изучение процессов звездообразования стало одной из основных астрономических тематик. Сейчас предполагается, что звёзды образуются из вещества, которое заполняет пространство между ними. И это вполне логично – во Вселенной есть звёзды, и есть межзвёздное вещество, а больше нет ничего. Так что рождение звезды – это переход межзвездного газа в более плотное состояние.

Протозвездные облакаТуманность Лагуна
    Межзвёздное вещество в Галактике распределено очень неравномерно: есть места практически пустые, заполненные очень разреженным и горячим (миллионы градусов) газом, и есть так называемые межзвёздные молекулярные облака. В них плотность газа по галактическим меркам достаточно высока, и этот газ холодный, имеющий температуру, не превышающую нескольких десятков градусов Кельвина. Именно в молекулярных облаках находятся очень плотные сгустки, ядрышки, которые, как сейчас считается, являются будущими звёздами, своеобразными «звёздными эмбрионами». По каким причинам образуются эти ядра, до сих пор открытый вопрос. К этой проблеме есть два подхода.
    Один из них более старый, уходящий корнями в 1970-е годы XX века. Тогда считалось, что молекулярные облака – объекты очень долго живущие, поэтому и будущие звёзды, протозвёздные ядра, образуются в них в результате очень медленных процессов, управляемых магнитными полями, на протяжении десятков миллионов лет. До 1990-х годов эта модель считалась стандартной, но потом к слову «стандартная» добавились кавычки. Оказалось, что это представление противоречит целому ряду наблюдательных данных. В частности, не подтвердилось предположение о том, что молекулярные облака живут десятки миллионов лет. Были получены более точные оценки их возрастов, и оказалось, что они существуют всего несколько миллионов лет, и не более того. Сейчас более популярна гравотурбулентная модель звездообразования, согласно которой молекулярные облака образуются в результате столкновения турбулентных течений межзвёздного газа. В том месте, где это произошло, образуется уплотнение. Молекулярное облако продолжает падать внутрь самого себя и дробится на отдельные фрагментики, которые становятся гравитационно неустойчивыми. В результате сжатие, которое начинается с целого молекулярного облака, постепенно переходит на маленькие масштабы и в отдельных ядрышках приводит к образованию звезд.
    Поэтому, в частности, звезды не образуются поодиночке, они обязательно всегда формируются группами. Так или иначе, будь верна первая модель или вторая, начальный элемент процесса звездообразования - это так называемое дозвёздное ядро. Когда какое-то конкретное ядро называют дозвездным, то тем самым подчёркивают, что внутри этого ядра никакого звёздного объекта пока нет – мы имеем только очень холодный газовый сгусток, который сжимается под воздействием собственной тяжести. При сжатии газ разогревается, однако, до определённого момента сгусток достаточно прозрачен, и избыточное тепло, которое выделяется при сжатии, уходит в окружающую среду в виде излучения. Поэтому температура сгустка не повышается. Это нехорошо для образования звезды, так как, чтобы она загорелась, вещество нужно разогреть до температуры в миллионы градусов, только при этой температуре загораются термоядерные реакции, которые делают звезду звездой. Пока сгусток прозрачен, он сжимается при очень низкой температуре, которая может не превышать 10 градусов Кельвина, однако, со временем плотность в сгустке повышается, и он становится менее прозрачным. В какой-то момент излучение запирается внутри сгустка, оно уже не способно выйти из него: сжатие продолжается, разогрев сгустка продолжается, а сбросить эту энергию, остыть, он уже не может, и температура в его центральной части начинает постепенно. В тот момент, когда она достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции. Сначала горит дейтерий, как более легко воспламеняемый элемент, а потом загорается водород. Именно в этот момент протозвёздный сгусток становится звездой.
    К сожалению, ни с точки зрения наблюдений, ни с точки зрения численного моделирования этот самый важный этап рождения звезды мы как следует исследовать пока не можем. Для численных расчетов требуются огромнейшие вычислительные мощности, связанные с тем, что образование звезды начинается с масштаба примерно в 1 парсек, и заканчивается размерами Солнца. То есть, размер исследуемого объекта уменьшается в миллионы раз, и это нужно описать одной и той же численной моделью, что сложно. Однако общие детали этого процесса нам сейчас ясны, по крайней мере, для тех звезд, которые напоминают наше Солнце, и звёзд меньшей массы. Если же говорить о звездах, массы которых превышают солнечную в десятки раз, то там пока, к сожалению, отсутствует даже общее понимание процесса. В случае с массивными звёздами возникает дополнительная сложность, связанная с тем, что они светят гораздо ярче, чем Солнце, и мощность их излучения настолько высока, что они этим излучением расталкивают окружающее вещество. Тем самым массивная протозвезда сама ограничивает свою массу. Численные расчёты показывают, что в результате такого сжатия не может образоваться звезда с массой больше десяти – двадцати масс Солнца. Между тем, в нашей Галактике и в других системах наблюдаются звёзды, массы которых превышают солнечную во многие десятки раз. Как образуются эти звёзды, мы пока не понимаем. Есть несколько механизмов, которые объясняют их происхождение, но ни для одного из этих механизмов наблюдательного подтверждения пока не найдено...» (29.03.2013). http://postnauka.ru/video/10755

    [Федор Дергачев:
    Необходимость в новой серии блога «Артефакт» (я назвал ее «Галактическая сага») появилась после осознания того, что от галактических аномалий и необъяснимых на сегодняшнем уровне фактов нельзя уйти туманными ссылками на новую сущность. Нужен целенаправленный поиск, для которого требуется хорошо подготовленная фактическая основа, которую я и попробую частично собрать в данной серии публикаций.
    Правда, есть одно «но». Рост количества информации об аномалиях звезд и галактик сопровождается в СМИ резким уменьшением количества сообщений о странностях планет и спутников, астероидов и комет Солнечной системы. Не является ли галактическая тема обманным маневром, отвлекающим научную общественность в сторону от настоящих загадок? Постараюсь разобраться…]

    «Галактическая сага». Часть 2. «Двойное гало Млечного пути». http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/06/2.html

1 комментарий:

  1. "...Недавно ученым удалось обнаружить следы одной из самых первых звезд гораздо ближе к нашему дому, на удалении всего тысячи световых лет от Земли. Этими следами являются останки от взрыва сверхмассивной звезды, состоящие из необычного набора химических элементов, что явно указывает на то, что эта звезда возникла спустя не очень большое время после Большого Взрыва. Если данное открытие будет подтверждено дополнительными независимыми наблюдениями, оно, в свою очередь, послужит подтверждением теории о том, что первые звезды были столь массивными, что их сверхмощные взрывы оказывали существенное влияние на процессы формирования целых галактик.

    Ученые-теоретики достаточно долгое время подозревали, что самые первые звезды во Вселенной были чрезвычайно массивными благодаря тому, что они формировались из плотных газовых облаков, состоящих из легких элементов. Согласно теории, в результате Большого Взрыва получился только водород, гелий и немного лития. Газовые облака, состоящие из этих элементов, не могли охладиться, передав часть своей энергии более тяжелым элементам, которых в то время просто еще не существовало в природе. Поэтому первые газовые облака так и оставались горячими. Для преодоления давления горячего газа требовались большие гравитационные силы массивных и плотных скоплений газа, которые служили зародышами громадных звезд. И благодаря этому большинство из первых звезд были в 140-300 раз массивней, чем Солнце, а о силе их взрывов сейчас можно только догадываться.

    Вако Аоки (Wako Aoki), ученый-астроном из японской Национальной астрономической обсерватории (National Astronomical Observatory of Japan) в Токио, и его коллеги обнаружили останки звезды, имеющие все признаки того, что это была одна из первых звезд во Вселенной. "Это уникальный случай в истории астрономии" - рассказывает Аоки, - "В материи облака, оставшегося от взрыва, в котором уже успели сформироваться более молодые звезды, наблюдается изобилие элементов с четными атомными числами и совсем мало элементов с нечетными атомными числами. Это весьма необычный химический состав, говорящий нам о многом".

    Группа Аоки обнаружила следы всего 18 химических элементов в свете темно-оранжевой звезды SDSS J0018-0939, которая находится в созвездии Кита и которая светит слабее нашего Солнца. Эта звезда находится в ореоле Млечного Пути, в области, окружающей нашу галактику, в которой располагаются наиболее древние космические объекты. В составе этой звезды находится очень мало железа, что очень характерно для звезд, возникших в ранние периоды существования Вселенной.

    Но собственно звезда SDSS J0018-0939 не является древней звездой, просто она сформировалась из материи, разлетевшейся в космическое пространство в результате взрыва, в сотни раз более сильного, чем обычные взрывы сверхновых, происходящие в настоящее время. Во время таких сверхмощных взрывов происходит масса удивительных процессов. Некоторое время интенсивность света звезды становится велика настолько, что поток фотонов, направленный внутрь звезды, под воздействием магнитных полей, температуры и гравитации преобразуется в поток пар электрон-позитрон, который уравновешивает давление материи, направленное наружу. Это приводит к еще большему разогреву звезды, в ее недрах более интенсивно начинают идти ядерные реакции и она все равно начинает разрушаться. В это время ядра гелия, сталкиваясь друг с другом, сливаются и образуют ядра более тяжелых элементов вплоть до ядер никеля. Поскольку атомное число гелия равно двум, то и получающиеся химические элементы имеют четное значение атомного числа, что и наблюдается в случае со звездой SDSS J0018-0939.

    Практически все астрономы признают важность открытия, сделанного группой Вако Аоки..." (29 августа 2014). http://www.dailytechinfo.org/space/6217-astronomy-obnaruzhili-na-okraine-nashey-galaktiki-ostatki-ot-vzryva-odnoy-iz-samyh-pervyh-zvezd-vo-vselennoy.html

    [https://plus.google.com/u/0/+%D0%A4%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%94%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%B2-2007/posts/DbapSErtgqq ]

    ОтветитьУдалить