Алмаз в пыли

«Алмаз в пыли». Одна из первых стадий эволюции молодой звёздной системы, молодой звёздный объект (YSO) Орион В на снимке космического телескопа «Хаббл». Будущая звезда закрыта облаками газа и пыли, но из центра будущей звезды бьют два газовых потока — биполярные струи. Скорость струй — около 600 км в секунду.

Если мы хотим во всех деталях понять раннюю эволюцию нашей Солнечной системы, то нам неизбежно придется заглянуть ещё дальше, в самое «начало времён», в тот момент, когда из холодного и несформированного облака межзвёздного газа и пыли сформировался зачаток того, что потом станет Солнцем и планетами, которые мы хорошо знаем. Только в этом случае последующее описание «вальса планет», переходящего в безумную кадриль модели Ниццы и позднейшей тяжёлой бомбардировки, будет нам ясна и понятна во всех деталях.

Для описания зарождения Солнечной системы нам лучше всего воспользоваться наблюдениями и выкладками по другим, формирующимся сейчас звёздным системам, проходящим как раз сейчас первые стадии своей эвлюции. В конце концов, процессы звёздообразования практически везде идут в одинаковом направлении, в силу чего современные «звёздные ясли» далёких Плеяд вполне показывают нам всё то, что происходило в нашей Солнечной системе несколько миллиардов лет тому назад.


Рассеяное звёздное скопление Плеяды (М45). Одна из поздних стадий эволюции молодых звёзд, но и одновременно — одно из самых красивых молодых звёздных скоплений на нашем небосводе. «Молодое» в контексте звезд — это возрастом от 75 до 150 миллионов лет.

Надо сказать, что первоначальная Солнечная система очень сильно отличалась от нынешней. В момент «зажигания» протозвезды на месте нашего нынешнего Солнца плотность межзвёздного газа в начальном газопылевом облаке была на порядки больше нынешнего, равновесного состояния практически пустого пространства вокруг Солнца и планет Солнечной системы. Да, с точки зрения земных понятий это всё равно был глубокий вакуум, но для дальнейшей механики происходящего нам важно знать, что в момент рождения протозвезды и начала организации на периферии системы планет-гигантов все будущие объекты звёздной системы буквально «плавали» в межзвёздном газе.

Первые стадии эволюции будущих звёзд занимают достаточно небольшой промежуток времени, по меркам их последующей жизни — просто мгновение.
Если пропустить первые этапы конденсации и уплотнения межзвёздного газа, то говорить об образовании звёзд можно, начиная со стадии «тёмной туманности».
Самая известная из наблюдаемых нами тёмных туманностей — это туманность Конская Голова.


Тёмная туманность Конская Голова. Внутри неё ещё нет светящегося в видимом или инфракрасном свете объекта, но плотность межзвёздного газа и пыли в ней уже достаточна, чтобы задерживать свет от далёких звёзд.

Тёмные туманности ещё имеют нерегулярную форму и светятся лишь в микроволновом диапазоне, в основном за счёт первичного сжатия собственного газа и пыли.
Поскольку в гравитационном поле существуют лишь силы притяжения, на этом этапе речь идёт только о гравитационном сжатии начального неплотного вещества тёмной туманности. На этот этап у тёмной туманности, в зависимости от её плотности и конфигурации, уходит от десятков до сотен миллионов лет, при этом никаких термоядерных реакций или электромагнитных эффектов внутри сжимающегося облака ещё нет — вещество туманности ещё очень холодное и очень разрежённое. Да и само гравитационное сжатие ещё очень неспешное и постепенное — в силу малой плотности межзвёздного газа в туманности даже его ничтожное газовое давление легко противостоит ещё более слабым силам гравитационного сжатия.

Следующий этап эволюции звезды — это так называемый «молодой звёздный объект» (англ. young stellar object, YSO), возникающий внутри тёмной туманности в месте её наибольшей плотности и гравитационно связанный с ней.
Это — воистину уникальный момент организации будущей звёздной системы. До стадии молодого звёздного объекта тёмная туманность может спокойно жить сотнями миллионов лет, а вот стадию YSO будущая звезда проходит за неполный миллион лет. В этот момент, наконец, силы гравитации в локальной, наиболее плотной части тёмной туманности оказываются мощнее сил газового давления, и в какой-то момент, в этой части тёмной туманности начинается гравитационный коллапс вещества. За тот самый миллион лет (а иногда — и за сотню тысяч лет) большая часть вещества тёмной туманности собирается в очень ограниченном объёме. Опять-таки, «ограниченность» объёма тут подразумевается в астрономических рамках: только что родившийся молодой звёздный объект имеет размеры более 5 000 а.е. в диаметре, что где-то в в 100 раз превышает размер современной нам Солнечной системы.


Молодой звёздный объект SSTC2D J033038.2+303212, расположенный в созвездии Персея. В верхней правой части снимка — продившая молодой звёздный объект тёмная туманность.

В момент гравитационной неустойчивости в сжатие оказываются вовлечёнными громадные количества межзвёздного газа. По современным оценкам так называемая «масса Джинса», которая начинает участвовать в образовании будущей звезды типа Солнце, составляет от 1000 до 10 000 солнечных масс. Вот такое, с позволения сказать, звёздное КПД — на будущую звезду из начального «стройматериала» уходит, дай бог 0,1% начального вещества, а оставшаяся масса снова участвует в звёздообразовании.

При гравитационном коллапсе массы Джинса высвобождается колоссальное количество потенциальной гравитационной энергии. Это очень важный момент для понимания звездообразования и будущих гравитационных «вальсов» между планетами Солнечной системы — ни энергия, ни импульс, ни момент импульса, запасённые в начальном газопылевом облаке, никуда не деваются, и лишь перераспределяются между компонентами системы.
Высвободившаяся гравитационная энергия идёт на нагрев газопылевого облака, которое на стадии YSO очень быстро нагревается до температуры в 60-100 К и начинает светиться уже в инфракрасном диапазоне.

На этапе YSO сжатие начальной туманности происходит ещё во многом хаотически, вокруг нескольких центров сжатия. Часть гравитационной энергии переходит в тепловую форму не сразу, а через кинетическую энергию. Для этапа YSO характерны так называемые объекты Хербига-Аро, которые представляют из себя громадные струи пыли и газа, которые выбрасываются из областей гравитационного коллапса с огромными скоростями в сотни километров в секунду. Максимальный срок жизни этих уникальных образований — всего лишь несколько тысяч лет. Они развиваются практически «на глазах»: на снимках, сделанных даже с относительно небольшими интервалами в годы и десятки лет, видна высокая скорость объектов Хербига-Аро относительно окружающего их межзвёздного газа и их быстрое изменение.


Размер верхнего объекта НН47 — около 1 000 а.е., что составляет около 20 диаметров внутренней части Солнечной системы.

При столкновении таких струй газа с окружающим газом формируются сверхмощные ударные волны, которые ещё больше нарушают неоднородность существующего облака и ускоряют гравитационный коллапс. Кроме того, ударные волны разогревают окружающий их нейтральный межзвёздный газ.
За мизерное по сравнению с последующей эволюцией звезды время (до миллиона лет) YSO-объект собирает вокруг себя достаточно плотное облако межзвёздного газа, центральная часть которого за счёт продолжающегося гравитационного сжатия и перехода гравитационной и кинетической энергии в тепловую, быстро нагревается до 2000 К. При такой температуре молекулы водорода (Н2) распадаются на атомы водорода, которые после этого, вместе с атомами гелия, быстро ионизируются, формируя плазму. Этот процесс на время останавливает нагрев молодого звёздного объекта, так как процесс ионизации нейтрального газа идёт с поглощением энергии. Кроме того, рост температуры в центральной области YSO порождает и рост давления ионизированной плазмы, что на краткий момент уравновешивает процесс гравитационного сжатия.

За неполный миллион лет молодой звёздный объект начинает светиться сначала в инфракрасном, а потом и в видимом диапазоне. Это связано с тем, что нагретое тело смещает свой спектр излучения в коротковолновую часть спектра при повышении температуры. Похожий эффект можно наблюдать при нагревании, например, железной болванки, которая последовательно проходит стадии инфракрасного тепла, вишнёвого, красного, жёлтого, потом и — белого свечения, когда железо превращается в жидкий расплав. При этом в начале своего пути к звезде молодой звёздный объект представляет из себя единое целое, так называемую оболочку (core), а потом силы гравитации и инерции разделяют объект на две различные зоны: молодую протозвезду (protostar) и окружающий диск (disk).


Последовательность классов молодых звёздных объектов — от нулевого, через I и II, к III. Класс I светится в основном за счёт газопылевого диска, классы II и III — за счёт протозвезды. Нулевой класс YSO ещё не имеет разделения на диск и протозвезду.

На начальной стадии эволюции молодого звёздного объекта нагревается и светится в основном не будущая звезда, а начальный диск. Связано это с тем, что на нулевой (0) и первой (I) стадиях развития YSO будущая звезда представляет из себя не более, чем зачаток светила — большая часть вещества ещё находится в диске, который активно сжимается и светит в инфракрасном диапазоне за счёт своего нагрева.

Но почему на стадии молодого звёздного объекта неоформленное облако (core) тёмной туманности превращается в итоге в чётко оформленную протозвезду и протопланетный газопылевой диск?
Связано это с тем, что кроме закона сохранения энергии, который на этом этапе переводит скрытую потенциальную гравитационную энергию в видимую энергию нагрева протопланетного облака, для тёмной туманности действуют ещё и законы сохранения импульса и момента импульса.

В силу громадности массы Джинса, вовлечённой в процесс формирования новой звезды, уплотняющаяся часть массы тёмной туманности имеет нескомпенсированный момент импульса. В тот момент, когда вещество тёмной туманности начинает коллапсировать к центру сжатия, момент импульса обязан сохраниться. В отличии от самого импульса, который вместе с потенциальной энергией может превратиться в тепло (то бишь — в хаотическое движение атомов газа, чему, например, способствуют упомянутые объекты Хербига-Аро), с моментом импульса ситуация обстоит сложнее.

Проблема начального момента импульса протозвёздного облака хорошо продемонстрирована на нижеприведенном видео:

Как видите, закон сохранения момента импульса диктует нам простую закономерность: при движении другк другу двух масс, обладающих взаимным моментом импульса, закон сохранения момента импульса диктует нам увеличение угловой скорости этих объектов.

Точно также, как начальная неоднородность тёмной туманности задаёт нам возможную точку будущего центра системы, вокруг которой и происходит гравитационный коллапс, начальный нескомпенсированный момент импульса задаёт нам и плоскость будущего протопланетного диска.
Вокруг этой плоскости происходит столь же неспешное сжатие вещества, в то время, как в самой плоскости, за счёт центробежной силы увеличивающейся при увеличении угловой скорости, наступает замедление процесса гравитационного сжатия: гравитационная сила к центру масс будущей системы оказывается частично уравновешенной центробежной силой вращающегося протопланетного диска. Полного равновесия пока ещё нет — на последовательных стадиях молодого звёздного объекта он последовательно сжимается сначала до 500, а потом — и до привычных нам 50 а.е., что уже соответствует размеру нашей собственной Солнечной системы.



При этом плоскость будущей планетарной системы совершенно необязательно должна совпадать с плоскостью галактического экватора. Например, плоскость нашей собственной эклиптики наклонена на угол в 60° к плоскости галактического экватора. Кстати, и само Солнце путешествует тоже не строго в плоскости Галактики, то «поднимаясь», о «опускаясь» от плоскости галактического диска. Интересно, кстати, что в последний раз через условную плоскось галактического диска Солнечная система проходила 21 декабря 2012 года, в аккурат в конец широко распиаренного календаря майя...
Вы ощутили дуновение галактического ветра?

Ещё одним интересным и загадочным объектам, характеризующим начальные стадии эволюции молодого звёздного объекта, являются биполярные струи или джеты (jets). Возможный принцип их образования показан на нижеприведенном рисунке:



В отличии от неупорядоченных и иррегулярных объектов Хербига-Аро, возникающих на первых стадиях гравитационного коллапса YSO, джеты характерны для поздних этапов эволюции молодых звздных объектов — стадий II и III. Для этих стадий уже характерно наличие плотной центральной массы (будущей звезды) и сформированного, но ещё не уплощённого диска.

Именно биполярные струи в том числе и «возвращают» часть строительного материала назад, в окружающее пространство. Те части газопылевого облака, которые обладают импульсом относительно формирующейся плоскости газопылевого диска, при падении на центральную массу получают дополнительное ускорение и вырываются в противоположных направлениях из пока ещё слабого гравитационного поля будущей звезды, формируя две громадные газовые струи, движущиеся с огромными скоростями до сотен килоетров в секунду.

Однако, вернёмся к последним стадиям жизни молодого звёздного объекта — и к первым стадиям жизни звезды. После стремительного процесса начального сжатия YSO, ещё около 10 миллионов лет протозвезда может ещё спокойно нагреваться и светиться исключительно за счёт собственного гравитационного сжатия и падения на неё материалов из окружающего её газопылевого диска.


«Звёздные ясли» в молекулярном облаке Ро Змееносца — один из районов интенсивного звёздообразования. На фотографии в условных цветах, сделанной инфракрасным телескопом «Спитцер», отчётливо видны облака межзвздного газа, которые светятся в инфракрасном свете молодых протозвёзд, находящихся в процессе перехода от стадии YSO к стадии T Тельца.

Такие молодые звёзды называются в русскоязычных источниках «протозвёздами», но это наименование достаточно общее и неточное. Более корректное название типов звёзд, находящихся за молодыми звёздными объектами (YSO) в линии эволюции — это звёзды типа Т Тельца и звёзды Ае/Ве Хербига.

Наше собственное Солнце было звездой типа Т Тельца в своём далёком прошлом. Для звёзд типа Т Тельца характерна масса меньше двух солнечных. Более массивные молодые звёзды, звёзды Ае/Ве Хербига, имеют массу от 2 до 8 масс Солнца и сжимаются быстрее, чем звёзды Т Тельца, проходя этап гравитационного сжатия за несколько миллионов лет, намного быстрее звёзд Т Тельца. Для ещё более массивных звёзд, с массой больше 8 солнечных, особого типа молодой звезды пока ещё не придумали и даже не наблюдали: считается, что столь массивные звёзды сжимаются очень быстро (за период меньше миллиона лет), в силу чего не успевают даже толком рассеять начальную тёмную туманность вокруг себя и сформировать узкий газопылевой протопланетный диск. А в тот момент, когда это всё-таки происходит, такие массивные звёзды светят уже за счёт термоядерных реакций, то бишь — неотличимы от старых звёзд Главной последовательности.

Но о превращении алмаза молодого звёздного объекта в бриллиант молодой звезды — в следующей части нашего рассказа.
Именно в этот момент будущая звезда начинает светить за счёт своих термоядерных реакций. Но до тех пор внури звезды и вокруг неё происходит ещё масса интересного...