От чёрных облаков к чёрным дырам - Страница 14

Рис. 31. Фотоны во внутренней, более горячей (Т >4000 К) области находятся в ловушке. Те же фотоны, которым удаётся просочиться через поверхность с температурой 4000 К во внешнюю, более холодную область, свободно распространяются наружу. Таким образом, поверхность, нагретая до 4000 К, является эффективной поверхностью протозвезды

Рис. 32. Тропа Хаяши SH на диаграмме Г—Р, на которой по осям отложены светимость (в произвольном масштабе) и температура поверхности

На рис. 32 показана фаза Хаяши на диаграмме Г—Р. Это прямая линия, обозначенная SH (часто называемая тропой Хаяши), при постоянной, температуре 4000 К. Точка S соответствует началу фазы большой светимости, а точка H отмечает конец фазы Хаяши, когда конвекция становится более или менее несущественной. Обратим внимание на промежутки времени, указанные на разных стадиях, вдоль линии SH. Эти цифры показывают, что вначале сжатие было быстрым, а позднее замедлилось.

Если поверхностная температура равна 4000 К, это означает, что протозвезда едва видна в оптическом диапазоне. Однако она очень ярка в инфракрасном диапазоне, по меньшей мере на ранней стадии. При изучении туманности Ориона действительно было обнаружено интенсивное инфракрасное излучение из области 2 на рис. 27. Это главный довод в пользу того, что там рождаются новые звёзды. Так как время, которое проводит протозвезда на тропе Хаяши, составляет несколько миллионов лет (и даже меньше, если ограничиться начальной светящейся фазой), что является очень малой долей всей жизни звезды, можно сравнить фазу Хаяши с младенчеством в человеческой жизни.

В конце фазы Хаяши в «младенческой» протозвезде перенос теплоты от центра к периферии происходит за счёт излучения. Конечно, протозвезда продолжает сжиматься и становится все горячее в центре. Её светимость слегка возрастает, так как перенос за счёт излучения несколько исправляет ситуацию в то время, когда конвекция практически отсутствует. Поэтому на диаграмме Г—Р протозвезда смещается по линии НК. Поверхностная температура поднимается выше 4000 К, но ещё более значителен подъем температуры в центре. Именно это явление приводит в конце концов в точке К к началу жизни звезды в качестве «взрослого» члена звёздной популяции. В точке К звезда попадает на главную последовательность.

Мы отложим обсуждение этой совершенно новой ситуации до следующей главы. Здесь же обратим внимание на другое важное событие, которое может произойти во время рождения звезды. ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ

Хотя мы описали ранние стадии жизни звезды так, будто она была изолированным облаком, нужно помнить, что это облако находится внутри ГМО, которое, согласно рис. 29, полно неоднородностей, объединённых в комки. Каждый комок является протозвездой; следовательно, звёзды образуются не в изоляции, а группами.

ГМО как целое и особенно его структурные единицы, конденсирующиеся в звёзды, могут вращаться точно так же, как Земля вращается вокруг своей оси. Однако в противоположность тому, что происходит с Землёй, являющейся твёрдым телом, для газового облака получается, что из-за вращения оно не может конденсироваться в шаровидное тело. Дело в том, что вращение порождает новый тип силы, называемой центробежной и играющей важную роль в процессе конденсации.

Рис. 33. Камень, вращающийся по окружности, непрерывно притягивается к центру С силой натяжения Т верёвки. В системе отсчёта, связанной с камнем, это натяжение уравновешивается направленной от центра центробежной силой, в результате камень удерживается на фиксированном расстоянии от С

Из рис. 33 становится ясной природа этой силы. На нём показан камень, привязанный к верёвке и вращающийся по окружности. Человек, который осуществит это вращение, ощутит натяжение верёвки. Она возникает потому, что верёвка стремится притянуть камень по направлению к центру окружности, в то время как камень стремится улететь от центра. Действительно, если верёвка оборвётся, камень улетит.

Центробежная сила характеризует эту тенденцию к «разлёту» вращающегося вещества. Из рис. 34 следует, что благодаря этой тенденции при сжатии газового облака оно расплывается в направлении от оси вращения. В результате облако принимает форму диска, окружающего центральное утолщение.

Рис. 34. Три стадии превращения первоначально сферического вращающегося облака в сплющенный диск с центральным утолщением

Французский математик и физик Лаплас в начале XIX века высказал мысль, что Солнце и планеты могли образоваться из такого сжимающегося и вращающегося облака, причём центральное утолщение образовало Солнце, а диск — планеты.

Однако такая картина нуждается в уточнении. Обнаружено, например, что Солнце вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости, в которой движутся планеты; но оно вращается не так быстро, как должно было бы получаться в рамках описанной выше картины. Более того, диск в такой картине простирается недостаточно далеко для того, чтобы обеспечить образование всех планет. Нужно ещё какое-то обстоятельство, которое не только замедляло бы вращение центрального утолщения, но и значительно увеличивало бы размеры диска.

Как было отмечено в 40-х годах Альфвеном и Хойлом, этим дополнительным обстоятельством в описанном механизме образования планет является магнитное поле. Из рис. 35 становится ясно, каким образом магнитное поле помогает делу.

Рис. 35. Искривлённые магнитные силовые линии, вроде той, которая соединяет точки А и В, стремятся замедлить вращение внутренней области и ускоряют вращение внешнего диска

Рассмотрим две точки вращающегося облака: точку A в центральном утолщении и точку В в диске. Магнитное поле будет связывать А и В силовой линией. Это воображаемая линия в пространстве, указывающая в каждой своей точке направление магнитного поля. Легко сделать видимыми силовые линии постоянного магнита. Поместим магнит на картонку и рассыплем вокруг железные опилки. Легко потряхивая картонку, мы обнаружим, что опилки расположатся по линиям, показанным на рис. 36. (Эти линии и есть силовые линии. Магнитный полюс, помещённый в любую точку такой линии, будет под действием силы двигаться вдоль линии противоположному по знаку полюсу постоянного магнита).

Рис. 36. Железные опилки располагаются вдоль силовых линий постоянного магнита. Показано несколько типичных линий

Но вернёмся к рис. 35. Магнитный полюс в точке А понуждается магнитным полем облака двигаться в точку В вдоль силовой линии. Но эти линии все время прикреплены к частицам облака. Таким образом, когда А и В вращаются вокруг общей оси, силовая линия движется вместе с ними. Но поскольку А и В вращаются с разной скоростью, причём А вращается быстрее В, силовые линии искривляются. Искривлённые же силовые линии стремятся распрямиться.

При этом точка А отбрасывается назад, а точка В ускоряется, так что в результате возникает противодействие тенденции облака а целом вращаться быстрее в центре и медленнее на периферии. Такое сопротивление оказываемое силовыми линиями, приводит к следующим последствиям: 1) замедляет вращение центральной части; 2) отбрасывает ещё дальше внешние части облака, заставляя их вращаться быстрее.

Считается, что тонкий быстро вращающийся диск не может долго сохранять свою форму. Он разбивается на большие и малые комки вещества, которые в конце концов становятся различными компонентами планетарной системы: планетами, астероидами, метеоритами и т. д.