Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уильям Уоллер

1919 году он наконец решил, что на его сверхчетких снимках запечатлены облака, содержимое которых ослабляло фоновый свет звезд. Однако лишь в 1930-х годах астрономы получили убедительные доказательства существования этой промежуточной среды, состоящей из газа и пыли, — мы сейчас называем ее межзвездной средой. Наблюдая за звездами с помощью спектроскопа, они увидели особые линии поглощения, которые нельзя было приписать самим небесным светилам. По всей видимости, эти узкие линии, соответствующие кальцию и другим элементам, происходили из некоей разреженной среды, находящейся на переднем плане по отношению к звездам. Более того, астрономы обнаружили, что чем дальше находилась звезда, тем сильнее в ее спектре проявлялись линии поглощения. Так же вел себя и свет звезды, если говорить о яркости и цвете, — нечто, бывшее снаружи, одновременно ослабляло его и окрашивало в красные тона.

Важные подсказки для понимания природы этой межзвездной среды мы смогли получить благодаря снимкам темных и ярких туманностей, в число которых входили и объекты Барнарда, получившие свое имя в честь упомянутого астрофотографа. Например, на изображениях туманности Конская Голова (Барнард 33), названной очень верно, на ярком облакоподобном фоне видна расплывчатая темная дымка, имеющая форму лошадиной головы. Это позволило астрономам предположить, что в этой туманности присутствовали области как светящихся газов, так и темных пылевых частиц.

К 1970-м годам радиоастрономы создали достаточно гладкие зеркальные антенны и чувствительные детекторы, способные работать на миллиметровых длинах волн. Решив воспользоваться этой новой возможностью на все сто, ученые направили телескопы на свои любимые туманности в ожидании излучения от любых молекул, которые могли бы там находиться. И они не разочаровались: спектральных линий монооксида углерода, циана, формальдегида и других простых органических молекул хватало с избытком.

Как показывают самые последние карты, размеры этих молекулярных облаков варьируются от нескольких световых лет до сотен световых лет, а их масса — от нескольких тысяч до миллионов масс Солнца. Более того, облака располагаются в виде запутанных нитей, — возможно, это происходит под влиянием слабых магнитных полей, пронизывающих межзвездную среду. По всей видимости, эти нити играют роль важного связующего звена в формировании ядер в облаках, а также протозвездных систем, которые развиваются в этих ядрах.

Тщательные спектроскопические наблюдения, проведенные в радиоволновом диапазоне, показали, что молекулярные облака невероятно холодны и их температура не более чем на несколько десятков градусов Цельсия выше абсолютного нуля. Такое состояние, называемое криогенным, дает нам еще один важный ключ к пониманию того, как происходит формирование звезд и планет. В этих очень холодных мирах гравитация способна оказаться сильнее, чем случайные движения разных молекул. И как только она берет верх, может начаться сгущение вещества, отчего образуются молекулярные ядра, плотность которых в тысячу раз больше, чем у окружающих облаков. И более того, астрономы все никак не могли понять, что удерживает молекулярные ядра от гравитационного коллапса и не позволяет им устроить грандиозную вакханалию с рождением новых звезд. Здесь нам на помощь придет «тонкая настройка». Во-первых, следует учесть и другие движения, в том числе вращение ядра и внутреннюю турбулентность; кроме того, свою роль могут играть и магнитные поля, поскольку они будут усиливаться, если окажутся в тесной связи с уплотняющимися облаками. Наконец, любые новорожденные звезды будут вливать в остатки облаков, из которых они появились, лучистую и механическую энергию — и тем самым предотвратят дальнейшее сгущение. В молекулярных облаках мы наблюдали проявления всех этих опосредующих факторов, но пока еще не ясно, насколько важен каждый их них.

Наблюдениям за плотными молекулярными ядрами способствовали недавние кампании по визуализации и спектроскопии в среднем ИК-диапазоне. На этих длинах волн активно светятся как сложные органические молекулы, так и микроскопические пылинки. Космический телескоп «Спитцер» особенно искусно картировал и описывал звездообразующие ядра молекулярных облаков, расположенных в созвездиях Тельца, Ориона и Цефея, а также многих других, населяющих Млечный Путь. Кроме того, «Спитцер» получил четкие снимки нескольких гигантских молекулярных облаков, в которых находятся самые массивные, горячие и мощные новорожденные звезды. У этих туманных великанов видны обширные полости со странными пальцевидными выпуклостями, указывающими назад, на активные звезды. Такие полости — это итог интенсивной чистки и ударов, которые окружающему пространству туманностей наносят ультрафиолетовое излучение и ветры горячих звезд. Известные Столпы Творения, характерная черта туманности Орел (М16), а также туманность Душа (W5) свидетельствуют о преобразующем воздействии массивных горячих звезд на мир, в котором они родились. Мы собрали уже много фактов, свидетельствующих о том, что Солнце и Солнечная система сформировались внутри одной из таких «звездных колыбелей». Так что тяжелые элементы, по всей вероятности, достались нам в наследство не только из ближайших сверхновых, но и из самой межзвездной среды.

Рис. 11.1. Галерея из двадцати протопланетных дисков, снятых комплексом радиотелескопов ALMA на миллиметровых длинах волн. Здесь свет исходит от микроскопических пылинок при криогенных температурах около 20–40 К. (Материалы любезно предоставлены ALMA [ESO/NAOJ/NRAO], S. Andrews et al.; [NRAO/AUI/NSF], S. Dagnello.)

Направив окуляры своих телескопов на молекулярные ядра, астрономы постигали проявления звездного генезиса — они искали протозвезды и любые протопланетные диски, которые могли бы их окружать. Космический телескоп «Хаббл» первым получил четкое изображение таких дисков — в туманности Ориона, где они предстали в виде силуэтов на фоне розового свечения.

А совсем недавно комплекс радиотелескопов ALMA, расположенный в Чили, запечатлел удивительный «паноптикум» протопланетных дисков. Одни из них гладкие, по другим идут спиральные волны плотности, а у некоторых есть темные кольца — знак того, что вещество из областей, определенных этими радиусами, пошло на формирование планет (рис. 11.1). И, наконец, многочисленные наземные и космические обсерватории проследили непосредственные отклики возникающих звезд. Можно даже увидеть, как с противоположных концов некоторых протозвезд вырываются струи светящегося газа, официально названные объектами Хербига — Аро в честь Джорджа Хербига и Гильермо Аро, астрономов из Америки и Мексики, которые первыми заговорили о таких потоках еще в 1940-х годах.

Откровение от физических моделей

Сумев пронаблюдать присутствие молекулярных ядер, протопла- нетных дисков и зрелых планетных систем, к которым относится и наша, астрофизики добились значительных успехов в описании процесса образования звезд. Многим мы обязаны Пьеру-Симону Лапласу, который еще в конце XVIII столетия первым выдвинул небулярную гипотезу, призванную объяснить, как возникла Солнечная система. Он учел, что на облако (или на туманность) воздействует его собственное тяготение, сделал поправку на некоторое общее вращение и понял, что сплющивание облака будет проходить преимущественно вдоль его оси вращения. Вдоль экватора вещество сжалось бы не так сильно, поскольку сила тяжести, направленная внутрь, по большей части пошла