Загальна астрономія. Далека Всесвіт. Еволюція зоряних систем
В історії кожної галактики була коротка, але повна подіями епоха, коли її речовина у вигляді хмари газу, тільки що виділився з протоскопленій, стискалося під дією власної гравітації. У цьому процесі народжувалися перші зірки, формувалися підсистеми галактик, такі як гало і диск пашів Галактики. Хмара газу перетворювалося в зоряну систему, а зоряна система досягала свого усталеного, стаціонарного стану. Після цього зміни в ній протікали набагато повільніше і мали зовсім інший характер. Лише в центральних областях галактик, їх ядрах відбувалися і відбуваються швидкі активні процеси. Крім того, в спіральних галактиках тривало і триває формування молодих зірок з газу і пилу їх плоских підсистем, де існує окреслює цими зірками спіральний візерунок. Відокремлення протогалактіческіх згущень відбувалося, мабуть, завдяки гідродинамічним процесам в газовому протоскопленій; подальша еволюція протогалактик визначалася, перш за все, їх власним тяжінням, яке стискало ці розріджені хмари до спостережуваних розмірів галактик.
Гравітаційного стиску не заважають сили тиску, так як газ протогалактики швидко і легко охолоджується до температури близько десяти тисяч градусів. Тиск, що відповідає цій температурі, не здатна протистояти загальному тяжінню всій протогалактики. Тому зростання щільності протогалактики від значення 10 -27 г / см 3. характерно для протоскопленій (і сучасних скупчень) до типової щільності галактик 10 -24 г / см 3 відбувається так, що всі частинки хмари як би вільно падають в їх загальному полі тяжіння. Збільшення щільності хмари в тисячу разів відповідає зменшенню його розміру в десять разів. Як довго триває це вільне падіння? Виявляється, що воно вимагає приблизно того ж часу, що минув від початку космологічного розширення до відокремлення протоскопленій, т. Е. Близько трьох мільярдів років. Це збіг не випадковий. Справа в тому, що динаміка космологічного розширення, стримуваного, а потім і зупиненого в результаті розвитку гравітаційної нестійкості в обсязі протоскопленій, визначається силами власного тяжіння речовини, і тільки ними. Точно так само і процес стиснення протогалактіческіх хмари, частини протоскопленій, управляється тільки силами його власного тяжіння. Тому в динаміці гравитирующей середовища є симетрія щодо моменту зупинки, коли відбувається зміна розширення даного обсягу стисненням: розширення зі збільшенням розміру, наприклад, в десять разів вимагає того ж часу, що і стиснення від цього розміру зі зменшенням його в десять разів. Це дуже схоже на рух каменя, кинутого вертикально вгору: скільки часу він летить до вищої точки, стільки ж і падає потім вниз. У вищій точці камінь на мить зупиняється, - в нашому випадку це теж відповідає зупинці, зміні розширення стисненням.
Поблизу моменту зупинки, безпосередньо перед ним і відразу після нього, швидкості розширення, а потім і стиснення, малі, і найбільше часу йде якраз на те, щоб «перевалити» через зупинку. Подальше ж стиснення відбувається з прискоренням (як і будь-яке вільне падіння) і вимагає вже меншого часу. Точно так же, за симетрії, попереднє стиснення розширення відбувається спочатку швидко, а потім сповільнюється. Якщо прийняти за 100% час розширення до моменту зупинки, то для збільшення розміру, скажімо, від однієї десятої максимального до максимального буде потрібно не менше 95% цього часу. З точністю до кількох відсотків і час стиснення від зупинки до зменшення розміру в десять разів повинно тому збігатися з часом, протекшім від початку розширення. Отже, стиснення протогалактики триває близько трьох мільярдів років. За цей час відбувається перетворення газового хмари в зоряну систему, яка потім вже не стискується і знаходиться в стійкому, майже незмінному стані. Перехід від стиснення до сталого стаціонарного стану пов'язаний з дробленням протогалактики на фрагменти, в яких починається зореутворення. Під дією гравітаційної нестійкості, що розвивається в протогалактіческіх хмарі, виникають згущення з масами 3 • 10 -7 - 10 -9 мас Сонця. Як ми говорили раніше, маси великих фрагментів, на які розпадається Протогалактіка, визначаються умовою гравітаційної нестійкості, критерієм Джинса. Їх величина оцінюється з того розрахунку, що температура протогалактіческіх газу близька до десяти тисячам градусів, а його щільність змінюється в межах від 10 -27 до 10 -24 г / см 3. Ймовірно, через кілька сотень мільйонів років після початку стиснення Протогалактіка перетворюється з суцільного хмари газу в сукупність окремих фрагментів - теж хмар, але більш щільних.
У протогалактіке з масою в сто мільярдів мас Сонця, порівнянної з масою нашої Галактики, може бути кілька десятків великих хмар з масами до мільярда мас Сонця і сотні і тисячі дрібніших хмар з масами в кілька сотень і десятків мільйонів мас Сонця. Вся сукупність хмар вільно падає до центру протогалактики; разом з тим є ще й власні руху хмар, додаткові до їх вільному падінню, породжені і посилені, як і самі хмари, гравітаційної нестійкістю, що діє всередині протогалактики. Через власних рухів, що мають нерегулярний хаотичний характер, хмари стикаються один з одним. При таких зіткненнях матеріал хмар розігрівається і стискається; на це витрачається частина кінетичної енергії випадкового руху хмар. Потім відбувається охолодження, випромінювання забирає цю енергію з протогалактики назовні. Завдяки такому відведення енергії і можливе продовження загального стиснення всієї сукупності хмар. Дуже важливо, що ущільнення хмар через їх зіткнень один з одним створювало умови для швидкого розвитку в них каскадної фрагментації, що веде до формування перших зірок галактики.
Найбільш масивні зірки, що виникають в цьому процесі, встигали не тільки повністю сформуватися, а й пройти весь цикл еволюції від стану протозірки до стану, подібного Сонця, і далі, після вичерпання запасів своєї ядерної енергії, вони могли вибухнути як наднові. Зірці з масою в кілька десятків мас Сонця потрібно на це не більше декількох десятків мільйонів років, що помітно менше часу загального стиснення протогалактики. При вибухах наднових відбувалося збагачення протогалактики продуктами термоядерного синтезу в масивних зірках, т. Е. Елементами, більш важкими, ніж водень і гелій. В результаті нові групи зірок народжувалися з речовини, все більше і більше багатого вуглецем, киснем, азотом, металами. Чим пізніше виникала ця група зірок, тим більшою мірою первинна воднево-гелієва середовищі роблять збагаченої важкими елементами і тим багатшими цими елементами повинні бути утворюються з цього середовища зірки.
Так як цей процес протікає при триваючому стисненні газової протогалактики, то формування зірок відбувається все ближче і ближче до центру всієї цієї сукупності зірок і газових хмар. На підставі таких міркувань можна очікувати, що зірки внутрішніх областей, сформованих в такому процесі галактик, повинні відрізнятися за своїм складом від зірок зовнішніх областей: чим ближче до центру, тим більше повинно бути в зірках важких елементів. Цей висновок знаходиться в хорошому злагоді з астрономічними даними про вміст важких елементів в зірках гало, сферичної підсистемі пашів Галактики, а також і в еліптичних галактиках, подібних за своєю структурою і зоряного складу гало Галактики. Тим самим знаходить підтвердження загальне уявлення про газові протогалактик, про формування зірок в ході їх гравітаційного стиснення. До сих пір ми ніяк не враховували тієї обставини, що Протогалактіка може володіти значним обертанням. Обертання справді не дуже суттєво на початкових стадіях стиснення, поки відцентрові сили багато слабкіше сил тяжіння. Але в міру стиснення обертання повинно прискорюватися - так завжди відбувається і з протогалактик, і взагалі з будь-яким тілом, розміри якого зменшуються. Разом з тим зростають і відцентрові сили. Ці сили не заважають стиску уздовж осі обертання, але здатні протидіяти силі тяжіння в напрямках, поперечних до осі. З цієї причини стискається хмара стає з майже сферичного все більш сплощеним, прагнучи набути форми диска, в якому стиснення по поперечним до осі обертання напрямками сповільнюється, а потім і зовсім припиняється, коли відцентрова сила врівноважує в цих напрямках силу тяжіння.
Ця загальна тенденція проявлялася і в стискає протогалактіке. Потрібно тільки мати на увазі, що частина її речовини встигла перетворитися в зірки на початковій стадії, коли обертання ще не вплинуло на загальну форму протогалактики. Ці зірки створюють гало, сферичну підсистему Галактики. Що залишився після цього газ повинен був продовжувати падіння, причому в міру його ущільнення обертання прискорює, поки відцентрова сила не зупинила стиснення поперек осі обертання; стиснення ж уздовж осі тривало і призвело, зрештою, до утворення обертового диска - плоскою підсистеми Галактики. Так формувалися та інші спіральні галактики, які виявляють швидке обертання своїх плоских підсистем. Якщо обертання протогалактики з самого початку дуже слабо або зовсім відсутня, то, очевидно, немає причин, які могли б привести до формування в них дисків. Загальна стиснення протогалактики і освіту в ній зірок ведуть в цьому випадку до формування більш-менш сферичної системи; так виникали еліптичні галактики, позбавлені швидкого обертання.
Головна сторінка розділу