Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

обеспеченное как исследованиями космических лучей, так и созданием ускорителей заряженных частиц. Обилие экспериментальных результатов, полученных из этих двух источников, вызвало поток теоретических исследований, в свою очередь стимулировавших экспериментаторов. Именно такая непосредственная связь теории и эксперимента обеспечила прорыв в микромир, а это в свою очередь открыло новые перспективы в астрофизике.

Однако все эти успехи не продвинули ученых к пониманию таинственных процессов рождения звезд и планет. Возможность продвижения в эту область обеспечили не столько результаты астрономических наблюдений, сколько прогресс в развитии электронных вычислительных машин. Только ЭВМ помогли разобраться в том, как туманности превращаются в звезды, в недрах которых начинаются ядерные реакции. При помощи ЭВМ удалось понять, как исчезают парадоксы, заставившие ученых отказаться от Ю — Лапласа.

Основной экспериментальный материал, заложенный в математические модели, которые переработали ЭВМ, собран радиоастрономами. Радиоволны и отчасти инфракрасные волны позволили получить сведения о внутреннем состоянии и процессах в туманностях, в которые невозможно проникнуть при помощи оптических телескопов. При этом радиоволны приносят сведения о начальных этапах, когда туманность очень разрежена и почти однородна. Инфракрасные лучи позволяют обнаружить начальные этапы возникновения звезд в глубинах этих туманностей. Плотность вещества в туманности и в молодой протозвезде различается в 1020 раз (в сто миллиардов миллиардов раз). Все, что мы знаем о процессах, протекающих при рождении протозвезд из туманностей, сообщили нам ЭВМ, «перемоловшие» огромную информацию. Впервые этот путь исследования выбрал Р. Ларсен из Йельского университета.

Процесс начинается так, как описывал Ньютон в письме к Р. Бентли: ограниченная масса вещества стягивается силами тяготения в плотный сгусток. Теперь мы называем такой процесс гравитационным коллапсом и знаем, как развивается этот процесс. На первом этапе под влиянием тяготения облако сжимается и постепенно становится более плотным, а его температура повышается за счет энергии гравитации.

Инфракрасное излучение еще выходит из глубин облака, унося энергию и приводя к тому, что температура повышается только до 10 К*, когда выделение гравитационной энергии уравновешивается ее потерями в результате излучения.

Давление излучения, предсказанное Максвеллом открытое П. Н. Лебедевым, еще мало и не препятствует гравитационному коллапсу. По мере развития этого процесса плотность вещества увеличивается без увеличен его температуры до тех пор, пока излучение уносит наружу всю энергию, выделяющуюся в ходе коллапса. Но когда плотность облака возрастает настолько, что оно становится непрозрачным для инфракрасных лучей, энергии прекращается, давление и температура облака возрастают, и коллапс прерывается совместным действием давления излучения и вещества. В это плотность внутренней части облака достигает 1014 частиц на кубический сантиметр, а температура в нем поднимается до 100 К. Радиус этой плотной области, образующей будущее ядро, примерно в 5 раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

Начинается сравнительно спокойный этап, при котором внутреннее давление в ядре удерживает его от дальнейшего сжатия.

Вещество внешних частей облака продолжает падать на ядро, а оно постепенно становится более плотным горячим. Нагреванию способствует и то, что в плотной чает облака атомы водорода пролетают так близко один от другого того, что они с большой вероятностью соединяются в молекулы, а этот процесс сопровождается выделением энергии

Но даже после образования молекулярного водорода нагревание ядра продолжается главным образом за гравитационной энергии внешних частей облака, падающих на его центральную часть. Так продолжается до тех пока температура в центральной части не достигнет 2000 К, а его плотность увеличится еще в 100 раз. При этой температуре молекулярный водород, содержащийся здесь, диссоциирует — молекулы распадаются на атомы. Этот процесс поглощением энергии, а значит, температура вновь уменьшается. При этом давление излучения и вещества уже не может уравновешивать силу тяготения. Начинается вторая стадия гравитационного коллапса. Вещество внутренних слоев быстро падает к центру до тех пор, когда концентрация достигнет 1024 частиц на 1 см3, а температура — 100 000 К. При этом давление в центральной части уравновесит силу тяготения. Второй этап коллапса прекращается. Вблизи центра облака образуется более плотное ядро. Оно сравнительно мало, лишь в несколько раз больше современного Солнца, и содержит только малую часть массы облака. Процесс при этом становится спокойным. Вещество из внешних частей облака постепенно выпадает на новое ядро. Его масса и температура медленно увеличиваются. Так рождается звезда, последующее сжатие которой под давлением силы тяжести поднимает температуру в ее центральной части до нескольких миллионов градусов. При этом в центре звезды начинаются термоядерные реакции и ее дальнейшая эволюция идет по хорошо изученному пути эволюции большинства звезд. Это, конечно, очень упрощенная картина.

В действительности процесс усложняется тем, что первоначальная туманность в большинстве случаев вращается в пространстве. При этом в коллапсе участвуют лишь внутренние области туманности. Внешние области удерживаются центробежной силой и не падают к центру. Процесс приобретает сходство с моделью Канта — Лапласа: облако становится похожим на двояковыпуклую линзу или диск. Но в наше время знание законов термодинамики и газодинамики вместе с вычислительными возможностями ЭВМ позволяют разобраться в процессе более подробно, чем это было доступно Лапласу и последующим ученым вплоть до первой половины семидесятых годов нашего века.

ЭВМ показали, что в ходе коллапса вещество вращающегося облака расслаивается. В коллапсе участвует малая центральная часть облака, остальная часть вещества отрывается от внутренней части, сжимаясь в огромные бублики, вращающиеся внутри дискообразного облака еще Максвелл, изучая строение колец Сатурна, установлено, что такие бублики неустойчивы. ЭВМ подтвердили вы Максвелла и показали, что вещество бубликов распадается на огромные куски, каждый из которых коллапсирует к своему центру. Так из большинства туманностей возникает звездная система, содержащая иногда сотни звезд. При этом эволюция может складываться и из более чем двух бурных стадий гравитационного коллапса, разделенных спокойными стадиями.

ЭВМ позволили проследить и дальнейшие стадии эволюции. Оказалось, что Солнечная система может родиться по крайней мере двумя путями: путем дальнейшей эволюции одного из фрагментов, возникших в результате последовательных коллапсов вращающегося облака или в ходе эволюции менее крупного, медленно вращающегося облака.

И в том и другом случае вещество облака приобретает форму вытянутого веретена или, скорее, форму огурца концы которого слегка согнуты в форме зародыша спирали, фигурирующей в теории Канта — Лапласа. Но, в отличие от этой теории, теперь установлено, что избыток вращательного движения центральной части облака пере дается в его внешние части. Поэтому вращение внутренне части замедляется, а скорость движения внешних облаете! постепенно увеличивается, так что итогом этого процесс; может оказаться медленно вращающаяся центральная звезда, окруженная планетами. Недавнее открытие уплощенной газопылевой оболочки вокруг звезды, которую астрономы обозначают — «бета» созвездия Живописца, может рассматриваться как реализация одной из стадий описанного процесса: центральная часть