Давно потерянные родственники Солнца. (С.П. Цварт)

Тайная история Солнечной системы. Часть 9

Часть 8. http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/04/8.html

    Симон Портегис Цварт

    Солнце родилось в семействе звезд. Что стало с ними?

    «Люди часто ищут уединения ночью под звездным небом, и это дейс­твительно подходящее место. Ночью темно, поскольку наше Солнце и семейство его планет в космическом смысле очень одиноки. Бли­жайшие звезды так далеки, что выглядят крохотными искорками, а свет более далеких звезд сливается в бледный туман. Самые быстрые из наших космических зондов долетят до ближайшей звезды лишь за десятки тысяч лет. Мы затеряны в космосе как маленький островок в океане.

    Но не все звезды так одиноки. Примерно каждая десятая входит в состав скопления, содержащего от сотен до десятков тысяч звезд в области диа­метром несколько световых лет. Фактически большинство звезд родилось в таких группах, которые обычно распадаются за миллиарды лет, а звезды разбредаются по всей Галактике. Что же наше Солнце? Может быть, и оно родилось в звездном скоплении? Если так, то наше положение в Галакти­ке не всегда было таким одиноким. Оно стало таким лишь после распада скопления.

    Все больше доказательств свидетельствуют вот о чем. Хотя обычно счита­ется, что Солнце было единственным «ребенком», многие астрономы сейчас думают, что вместе с ним почти одновременно родилось около тысячи его «братьев и сестер». Живи мы на заре эволюции Солнечной системы, космос вокруг нас не выглядел бы таким пустым. В ту эпоху ночное небо было запол­нено яркими звездами, причем некоторые сияли как полная Луна, а иные были видны даже днем. Глядя на них, можно было бы повредить зрение.

    Скопление, в котором, по-видимому, родилось Солнце, давно уже разру­шилось. Я собрал доступные данные и на их основе попытался реконструи­ровать его параметры. Это позволило мне рассчитать возможные галакти­ческие траектории его бывших членов, чтобы оценить, где они могут быть сейчас. Хотя они рассеялись и затерялись среди миллионов других звезд, их можно будет заметить с помощью европейского астрометрического спутни­ка GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), запуск которого на­мечен на 2011 г. Узнать их помогут орбиты и состав, подобный солнечному.

    Основные положения

    ■ Солнце — одиночная звезда, поэтому астрономы предполагали, что и сформировалось оно в одиночестве. Но большинство звезд формируются в скоплениях, и факты, полученные при изучении метеоритов и орбит комет, указывают, что наше Солнце тоже не было исключением.

    ■ Скопление, где родилось Солнце, содержало от 1,5 тыс. до 3,5 тыс. звезд в области диаметром десять световых лет - большое, но не дружное семейство, в котором сильные обижали слабых, и которое распалось вскоре после образования Солнечной системы.

    ■ Хотя «братья и сестры» Солнца давно уже разбрелись по Галактике, такие обсерватории, как европейский спутник GAIA, смогут заняться их поиском. Свойства этих звезд должны заполнить белые пятна древней истории Солнечной системы.

Если бы вы жили в эпоху молодости Солнечной системы, то могли бы читать при свете ночного неба. В области размером несколько световых лет сформировались тысячи звезд из того же межзвездного облака, что и Солнце

    Об авторе

    Симон Портегис Цварт (Simon F. Portegies Zwart) - профессор вычислительной астрофизики в Лейденской обсерватории Лейденского университета (Нидер­ланды). Он занимается сложными компьютерными расчетами и гравитационной звездной динамикой, в частности экологией плотных звездных систем. В свобод­ное время переводит египетские иероглифы и варит пиво.

    Воссоединение с нашими давно по­терянными звездными родствен­никами должно помочь астрономам реконструировать условия, при ко­торых бесформенное газово-пылевое облако породило Солнечную систему.

    Воспоминания о нашем рождении

    Самое неопровержимое свидетель­ство того, что у Солнца были родс­твенники, нашлось в 2003 г., когда Шого Тачибана (Shogo Tachibana), ныне из Токийского университе­та, и Гэри Хасс (Gary R. Huss), ныне из Гавайского университета в Ма-ноа, изучили два примитивных ме­теорита, которые, по-видимому, со­хранились неизменными с эпохи формирования Солнечной систе­мы. В них обнаружился никель-60, продукт радиоактивного распада железа-60, в химическом соедине­нии, куда по правилам должно вхо­дить железо. Похоже, что в метеори­те имел место химический вариант игры «заманить и подменить»: ис­ходное соединение сформировалось с железом, затем железо преврати­лось в никель, который оказался там заперт, как вечный пленник.

    Железо-60 должно было успеть синтезироваться, внедриться в Сол­нечную систему и войти в состав метеоритов за время своего радио­активного полураспада, которое по новым оценкам, опубликован­ным в августе, составляет 2,6 млн лет. Для космоса это миг. Поэтому железо должно было возникнуть где-то рядом: самый вероятный его источник — взрыв сверхновой. На основе этих и других измерений изотопов Лесли Луни (Leslie Looney) из Иллинойского университета и его соавторы утверждали в 2006 г., что сверхновая вспыхнула на рас­стоянии не более пяти световых лет, когда Солнцу едва исполнилось 1,8 млн лет. Эта сверхновая могла быть даже на расстоянии 0,07 све­товых лет. (Новые оценки времени полураспада изменят это значение, но несущественно).

    Если Солнце было таким же уеди­ненным, как сейчас, то оказать­ся рядом со сверхновой в момент ее взрыва оно могло случайно. Быть может, массивная звезда просто проходила рядом, когда решила взо­рваться? Но ни одна другая сверхно­вая никогда не взрывалась так близ­ко от нас; если бы это случилось, то скорее всего уничтожило бы жизнь на Земле. Гораздо более вероятно, что новорожденное Солнце и взо­рвавшаяся звезда были членами од­ного скопления. Когда звезды упакованы так плотно, близкая вспышка сверхновой вполне возможна.

    Сияние звездных скоплений

    Мысль о том, что Солнце родилось в звездном скоплении, не согласу­ется с классическим представле­нием о скоплениях, как оно дается в учебниках. Традиционно астро­номы делят скопления на два типа: так называемые галактические, или рассеянные скопления и шаро­вые скопления. Первые из них моло­ды, содержат не очень много звезд и располагаются вблизи плоскости Галактики. Примером служит скоп­ление Ясли (М44), которое было од­ним из первых объектов, обнару­женных Галилеем в его телескоп 400 лет назад, в 1609 г. То, что вы­глядело как пятнышко света, оказа­лось группой звезд - более 350 све­тил, родившихся около 700 млн лет назад.

    Иное дело - шаровые скопления. Они очень старые, густонаселен­ные и распределены по всей Галак­тике, а не только вблизи ее плоскос­ти. Первое было открыто в 1746 г. итальянским астрономом Джованни Маральди (Giovanni Maraldi) и сейчас известно как М15. В нем око­ло миллиона звезд возрастом около 12 млрд лет.

    Проблема в том, что ни один из этих двух типов скоплений не го­дится для Солнца. Его солидный возраст 4,6 млрд лет указывает, что оно могло родиться в шаровом скоплении, но его расположение в диске Галактики говорит в пользу рассе­янного скопления. Однако за пос­ледние два десятилетия мы поня­ли, что не все скопления в точности соответствуют одному из этих двух типов (см.: Зепф С., Ашман К. Мо­лодые шаровые скопления // ВМН, № 1, 2004). 

  

Звездное скопление, распо­ложенное в области под названием Туманность Тарантул, похоже на то скопление, в котором родилось Солн­це, но значительно плотнее него

    На наши представления о звездных скоплениях сильно повлияло скопление R136, находящееся в галактике Большое Магелланово Облако  - одном из небольших спутников нашей Галактики. Впервые описанное в 1960 году, R136 сначала было принято за одиночную гигантскую звезду в 2 тыс. раз массивнее Солнца и в 100 млн раз ярче него. Но в 1985 г. Герд Вейгельд (Gerd Weigelt) и Герхард Байер (Gerhard Baier), работавшие тогда в Университете Эрлангена и Нюр­нберга, с помощью новой камеры высокого разрешения обнаружили, что на самом деле R136 - это скопление примерно 10 тыс. звезд возрастом несколько миллионов лет. Оно такое же плотное, как шаровое, но столь же молодое, как рассеянное скопление. Имея характеристи­ки обоих типов, R136 стало связующим звеном между ними. С тех пор астрономы обнаружили и в нашей Галактике несколько скоплений, похожих на R136. А в некоторых га­лактиках, таких как Антенны, их сотни, если не тысячи.

    Это было поразительное открытие: звезды продолжают формиро­ваться в таких плотных скоплениях  которые можно принять за отдельную звезду! Теоретиков это привело в замешательство. С одной стороны, новые данные нас успокоили, поскольку мы не могли объяснить R136 как отдельную сверхзвезду. С другой стороны, мы вынуждены были пересмотреть все, что, как нам казалось, мы знаем о звездных скоплениях. Теперь мы считаем, что все звезды, включая Солнце, родились в плотных скоплениях, таких как R136. Скопление формируется из отдельного межзвездного газового облака и со временем эволюци­онирует в рассеянное или шаровое скопление в зависимости от своей массы и окружающих условий.

    Не единственный ребенок

    Несколько доказательств, подтверждающих, что Солнце родилось в скоплении.

    ■ В древних метеоритах содержатся продукты распада короткоживущих радионуклидов, таких как железо-60 и алюминий-26. Источник этих изотопов (по-видимому, сверхновая) должен был располагаться очень близко, а значит, молодое Солнце не было одиноким

    ■ Содержание тяжелых элементов на Солнце выше, чем можно было бы ожидать, основываясь на его положении в Галактике. Это указывает на обогащение веществом от близкой сверхновой

    ■ Уран и Нептун значительно меньше Юпитера и Сатурна. Одной из причин может быть излучение близкой звезды, испарившее их внешние слои. Более близкие к Солнцу планеты избежали этой участи, поскольку их защитили остатки межпланетного газа

    Грезы о наших звездных предках

    Члены скопления имеют разнооб­разные массы - у немногих звезд масса велика, у большинства она существенно меньше. Самые рас­пространенные звезды раз в десять легче Солнца. С увеличением мас­сы в десять раз количество звезд уменьшается раз в 20.

    На каждую звезду с массой от 15 до 25 солнечных масс - именно такая взорвалась как сверхновая рядом с новорожденным Солнцем - в скоплении содержится около 1,5 тыс. менее массивных звезд. Это дает нам минимальную оценку массы того скопления, в котором родилось Солнце. А максимальная оценка следует из того факта, что чем крупнее скопление, тем больше времени требуется массивным звездам  чтобы опуститься к центру, где они имеют большую вероятность влиять на своих менее массивных собратьев. Мои расчеты показывают  что это скопление, вероятно, содержало не более 3,5 тыс. звезд.

    Звезда с массой в 15-25 солнечных масс живет 6-12 млн лет до мо­мента взрыва. Значит, она должна настолько же раньше сфор­мироваться, чем Солнце. Изучая некоторые скопления, например знаменитое скопление Трапеция в Туманности Ориона, астрономы обнаружили, что массивные звезды обычно формируются первыми, а звезды типа Солнца зарождаются на несколько миллионов лет позже.

    Скопление такой массы, как мы оценили, слишком мало, чтобы стать шаровым скоплением. Оно рассеялось примерно за 100-200 млн лет. Массивные звезды в его центре выбрасывали газ в виде звездного ветра (похожего на солнечный ветер, но гораздо более сильного), а в конце жизни взорвались, уменьшив этим плотность вещества в скоплении и тем самым ослабив его гравитационное поле. В результате скопление расширилось и могло развалиться. Но даже если оно пережило эту раннюю дегазацию, влияние на движение его звезд со стороны гравитационного приливного поля Галактики вызвало его медленный распад.

    До того как скопление разрушилось  его звезды были упакованы так плотно, что одна из них легко могла пролететь через Солнечную систему. Тесное сближение звезд должно было сместить планеты, кометы и астероиды с их исходных круговых орбит, лежавших в одной плоскости, и перевести на высоко­эллиптические, разнообразно наклоненные орбиты. Многие кометы за орбитой Плутона, на расстояниях более 50 астрономических единиц (а.е.) от Солнца, имеют сильно вытянутые орбиты. Столь необыч­ные орбиты, по-видимому, невозможно объяснить внутренней динамикой Солнечной системы, пос­кольку эти тела находятся даже вне зоны гравитационного влияния Юпитера. Скорее всего, их «переме­шала» звезда, прошедшая на расстоянии 1000 а.е. Но большие планеты движутся по регулярным орбитам  доказывая этим, что чужая звезда никогда не приближалась к Солнцу менее чем на 100 а.е.

    Исходя из этого, я оценил размер скопления. 

    Чтобы с высокой веро­ятностью за время жизни скопления звезда прошла на расстоянии 1000 а.е. от Солнца, диаметр скопления должен быть не более десяти световых лет. С другой стороны  чтобы звезда не прошла ближе 100 а.е., скопление должно быть более трех световых лет в диаметре. Короче, скопление, в котором родилось Солнце, было похожим на R136, но значительно менее плотным  так что звезды в нем были достаточно удалены друг от друга и не мешали формированию планет.

    Загадка в том, что орбита Солнца, рассчитанная назад во времени, указывает, что в момент рождения Солнечная система была дальше от центра Галактики, чем сейчас

    Генеалогия Солнца

    Теоретики могут пойти еще дальше и спросить, а где именно в Галактике сформировалось наше ро­дительское скопление. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики по почти круговой орбите  не удаляясь заметно от диска. В настоящее время мы находимся на расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра и в 15 световых годах от плоскости диска, двигаясь по орбите со скоростью 234 км в секунду.

    С момента своего рожде­ния Солнце совершило 27 галакти­ческих оборотов. Орбита у него не замкнутая; ее более сложная фор­ма определяется гравитационным полем Галактики, параметры кото­рого астрономы определяют по дви­жению звезд и межзвездных обла­ков газа. 

    Предположив, что это гравита­ционное поле не изменилось за пос­ледние 4,6 млрд лет, я рассчитал ор­биту обратно во времени и выяснил, что Солнце родилось на расстоя­нии 33 тыс. световых лет от центра и 200 световых лет от галактичес­кой плоскости. Загадочным это по­ложение делает тот факт, что вне­шние области Галактики беднее тяжелыми элементами, чем внут­ренние. В самых далеких областях может быть недостаточно вещества для формирования планет, не гово­ря уже о жизни. Хотя предполагае­мое место рождения Солнца не на­столько бедное, там все еще меньше тяжелых элементов, чем на Солнце. Исходя только из содержания тяже­лых элементов, астрономы могли бы предположить, что Солнце роди­лось на 9 тыс. световых лет ближе к центру. 

    Может быть, та же сверхновая, что обогатила метеориты железом-60, добавила Солнцу тяжелых элемен­тов? А возможно, мои расчеты ор­биты не вполне верны, поскольку гравитационное поле Галактики изменилось, или потому что орби­тальное движение Солнца было немного нарушено притяжением близких звезд или облаков газа. В этом случае Солнце могло родить­ся ближе к центру, чем дают мои оценки, и тогда его состав не так уж аномален.

    Бывшие члены солнечной семьи тоже должны обращаться вокруг центра Галактики со скоростью более 200 км/с. Но их относительные скорости, которые определялись гравитационным полем исходно­го скопления, составляли лишь не­сколько километров в секунду. Как группа автомобилей на шоссе, эти звезды движутся рядом, хотя и не связаны уже взаимным притяжени­ем. Их исходный рой очень медленно растягивался в дугу. После 27 оборо­тов он должен растянуться пример­но на пол-оборота вокруг центра.

    Мои вычисления показали, что около 50 «братьев и сестер» Солн­ца должны быть сейчас в пределах 300 световых лет от нас, и около 400 звезд - в пределах 3 тыс. свето­вых лет. В зависимости от началь­ной взаимной скорости звезд и оче­редности их вылета из скопления либо Солнце движется по орбите вслед за ними, либо они за нами.

    Наилучшее место для поиска этих звезд лежит в плоскости Галактики в направлении движения Солнечной системы, либо в диамет­рально противоположном направлении  Один из моих студентов сейчас ищет их в каталоге звезд, исследованных европейским спутником Hipparcos в начале 1990-х гг., но данные спутника, по-видимому, недостаточно точны, чтобы их обнаружить. В этом деле мы надеемся на спутник GAIA. У него будет два телескопа, которые за пять лет смогут измерить все три координаты и скорость примерно миллиарда звезд, создав таким образом практически полную перепись звезд в пределах нескольких тысяч световых лет от Солнца. По этим данным мы сможем поискать звезды, лежащие вблизи солнечной орбиты. По составу они должны быть похо­жи на Солнце, поскольку та сверхновая  которая «загрязнила» юную Солнечную систему, должна была сделать то же самое и с другими звездами скопления.

    Обнаружение даже одного родс­твенника Солнца даст очень важ­ную информацию о самых первых этапах жизни Солнечной системы, которые, казалось бы, давно уже ка­нули в Лету. Теоретики смогут более точно вычислить место рождения Солнца и определить, например, сильно ли изменилось гравитаци­онное поле Галактики. К тому же окрестности родственников Солн­ца станут отличным местом для по­иска пригодных для жизни планет. Хотя мы выглядим очень одиноки­ми в Галактике, так было не всегда. Многие особенности Солнца — хотя бы то, что оно взрастило жизнь, — могут стать более понятными при знакомстве с его семьей.

    Дополнительная литература

    ■ The Formation of Star Clusters. Bruce Elmegreen and Yuri Efremov in American Scientist, Vol. 86, № 3, pages 264-273; May-June 1998.

    ■ The Cradle of the Solar System. J. Jeff Hester, Steven J. Desch, Kevin R. Healy and Laurie A. Leshin in Science, Vol. 304, pages 1116-1117; May 21, 2004.

    ■ The Lost Siblings of the Sun. Simon F. Portegies Zwart in Astrophysical Journal Letters, Vol. 696, № 1, pages L13-L16; May 1, 2009. Доступно онлайн на http://arxiv.org/abs/0903.0237

    ■ Ефремов Ю.Н. «Звездные острова». Фрязино: Век 2, 2005

    ■ Звезды. Ред. – сост. В.Г. Сурдин. Физматлит, 2009.

    ■ В.Г. Сурдин Рождение звезд. М.: УРСС, 2001».

    (Перевод: В.Г. Сурдин. Источник: журнал «В мире науки» № 1, 2010 год).

    Аннотация: http://www.rsci.ru/science_news/154934.php

    https://docs.google.com/file/d/0B4I3G_ww5ivoVXRxMTRlLVdCSE0/edit

    [ Дополнение 31 июля 2015 года

    Треть звезд Млечного Пути путешествовала по Галактике

    «Астрофизики с помощью инструмента Sloan Digital Sky (SDSS) создали новую карту Млечного Пути и выяснили, что около 30% звезд в нашей Галактике в свое время поменяли свои орбиты в ходе долгого путешествия, статью о своем открытии ученые опубликовали в "The Astrophysical Journal".
    "В нашем современном мире многие люди переезжают подальше от родных мест. Мы выяснили, что это так же верно и для звезд в нашей галактике - около 30% из них совершили долгое путешествие от орбит, на которых родились", - приводятся в сообщении слова ведущего автора исследования, ученого Майкла Хайдена из New Mexico State University.

Фото: Credit: Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.; SDSS collaboration

«Stars In our galaxy move far from home» –
 по ссылке поста «Меняющиеся орбиты звезд Млечного пути»   

    К неожиданному выводу о том, что треть звезд Млечного Пути совершила путешествие по галактике, ученые пришли после исследования химических спектров, то есть химического состава светил. "Изучив химический состав звезды мы можем узнать ее родословную и историю жизни", - говорит Хайден. Подсчитав количество тяжелых элементов в светиле, астрономы могут определить, в какой части Галактики родилась звезда». (30.07.2015, 23:29).]

    «Тайная история Солнечной системы». Часть 10. «Кислород в атмосфере древнего Марса». http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/06/10.html

    На эту тему:

    «Пути титанов. Звездное будущее человечества». 

    «В поисках "родственников" Солнца». (19 марта 2013 года).