13.3 Mezhzvezdnaya sreda i zvezdoobrazovanie

Lekciya 13. Mezhzvezdnaya sreda

13.3 Mezhzvezdnaya sreda i zvezdoobrazovanie

V poslednie gody, prezhde vsego v svyazi s rasshirivshimisya nablyudeniyami v IK-diapazone na krupnyh nazemnyh teleskopah, nablyudayutsya mnogie zony zvezdoobrazovaniya, ranee skrytye ot nas pogloshayushei svet materiei. Eto pozvolilo nakopit' bol'shoi ob'em nablyudatel'nyh dannyh o razlichnyh fazah processa zvezdoobrazovaniya, ot struktury vnutrennih chastei plotnyh holodnyh oblakov, v kotoryh vozmozhno zvezdoobrazovanie, do rannih stadii evolyucii tol'ko chto rodivshihsya zvezd.

Vyyasneno, chto process zvezdoobrazovaniya imeet ierarhicheskii harakter. Odnoi iz harakteristik zvezdoobrazovaniya yavlyaetsya to, chto zvezda rozhdaetsya ne kak izolirovannyi ob'ekt - zvezdy rozhdayutsya gruppami vnutri molekulyarnyh oblakov i oblachnyh kompleksov. Efremov (GAISh MGU) po dannym o nashei i drugih galaktikah vyyavil, chto zvezdoobrazovanie proishodit v gigantskih kompleksah razmerom poryadka 600 pk. Eti kompleksy raspadayutsya na zvezdnye associacii, yadrami kotoryh chasto yavlyayutsya rasseyannye skopleniya. Elmegrin i Efremov ustanovili, chto prodolzhitel'nost' zvezdoobrazovaniya v gazopylevom komplekse proporcional'na kvadratnomu kornyu iz lineinogo masshtaba oblasti. Do sih por ne ustanovleno, kakie svoistva oblakov opredelyayut, budet li v konkretnom gazopylevom komplekse rozhdeno gravitacionno-svyazannoe skoplenie, T-associaciya ili rasshiryayushayasya OV-associaciya. Nablyudeniya pokazyvayut, chto v processe zvezdoobrazovaniya v dannom oblake v zvezdy prevrashaetsya ne bolee chem (5 - 30)% gaza.

Perehod ot oblachnogo kompleksa k nachalu zvezdoobrazovaniya proishodit kak kaskadnaya (ierarhicheskaya) gravitacionnaya fragmentaciya. Holodnoe, slabo turbulizirovannoe gazovoe oblako ne budet ostavat'sya v ravnovesii, esli ego podvergnut' vozdeistviyu izvne. Vozniknovenie gravitacionnoi neustoichivosti mozhno naglyadno predstavit' sebe sleduyushim obrazom. Pust' po oblaku idet zvukovaya volna - volna prodol'nyh kolebanii chastic. Esli ee dlina volny dostatochno velika, to v maksimumah plotnosti massa veshestva tak velika, chto sushestvennym stanovitsya vliyanie tyagoteniya - maksimumy plotnosti prityagivayut k sebe novoe veshestvo i, takim obrazom, usilivayutsya. Takie volny nazyvayut tyazhelym zvukom. Usilenie maksimumov plotnosti privodit k raspadu sredy na otdel'nye chasti, ee fragmentacii. V dal'neishem v obrazovavshihsya bolee plotnyh fragmentah takzhe mogut idti processy fragmentacii, privodyashie k posledovatel'nomu umen'sheniyu massy fragmentov. Etomu processu prepyatstvuyut dvizheniya v srede, kak mikroskopicheskie, tak i krupnomasshtabnye.

Teoreticheskoe opisanie takoi neustoichivosti dal Dzhins v nachale HH veka, rassmatrivaya rasprostranenie voln v gravitiruyushei gazovoi srede. On poluchil, chto dlina volny - razmer vozmusheniya, kotoroe mozhet vydelit'sya v otdel'nyi fragment, - opredelyaetsya plotnost'yu sredy i ocenil massu poluchayushegosya fragmenta. Vyvedem eti formuly ishodya iz teoremy viriala. Zapishem ee vyrazhenie:

2K + U = 0,

gde K - kineticheskaya, a U - potencial'naya energii edinichnogo ob'ema sredy. Ravenstvo v (13-1) imeet mesto tol'ko v sluchae ravnovesiya. Esli zhe levaya chast' men'she nulya, to kineticheskaya energiya ne uravnoveshivaet potencial'nuyu i proishodit kollaps vydelennogo ob'ema. Naidem massu szhimayushegosya ob'ema M_J dlya etogo sluchaya, to est' kogda 2K < |U|. Pol'zuyas' izvestnymi vyrazheniyami dlya kineticheskoi i potencial'noi energii gazovyh ob'emov, zapishem eto neravenstvo v vide: Zdes' μ - srednii molekulyarnyi ves mezhzvezdnogo gaza, m_H - massa atoma vodoroda, R_J - radius elementa ob'ema. Massu elementa mozhno zapisat' cherez srednyuyu plotnost' veshestva ρ₀ i radius ob'ema: otkuda dlya radiusa imeem: Podstavlyaya eto vyrazhenie v (13-2) poluchaem: Dlya tipichnyh uslovii v diffuznyh oblakah mezhzvezdnogo vodoroda, v kotoryh mozhno prinyat' temperaturu T = 50œK, molekulyarnyi ves μ = 1 (gaz, sostoyashii tol'ko iz vodoroda) i plotnost' n_HI = 500 atomov v sm³, iz vyrazheniya (13-5) poluchaem M_J ≈ 1500M_¤ , chto znachitel'no bol'she maksimal'noi massy zvezdy. Dlya yader gigantskih molekulyarnyh oblakov T = 150œ K, n_H ≈ 10⁸ sm^-3 imeem M_J ≈ 7 M_¤ , t.e. massu zvezdy. Znachit dlya obrazovaniya fragmentov sredy otnositel'no nebol'shih (zvezdnyh) mass neobhodimo, chtoby sreda byla ne tol'ko , no i dovol'no plotnoi.

Teper' iz vyrazheniya (13-2) isklyuchim s pomosh'yu vyrazheniya (13-3) ne radius ob'ema, a ego massu, i poluchim harakternyi razmer fragmenta, kotoryi sootvetstvuet dzhinsovskoi dline volny. Poluchaem: Vyrazhenie (13 - 6) pokazyvaet, chto tol'ko holodnye i plotnye oblaka mogut obrazovyvat' fragmenty nebol'shogo razmera.

Itak, dlya tipichnyh uslovii v mezhzvezdnoi srede znacheniya M_J znachitel'no bol'she zvezdnyh mass - skoree eto massy krupnyh zvezdnyh skoplenii. Odnako gaz mozhet ohlazhdat'sya lucheispuskaniem, a v razlichnyh processah (naprimer, stolknoveniya fragmentov oblaka) ego plotnost' mozhet rasti. Nablyudeniya deistvitel'no pokazyvayut, chto molekulyarnye oblaka neodnorodny i chasto soderzhat plotnye yadra. Odnako skol' ugodno maluyu massu fragmentov takim putem poluchit' nel'zya. Pri dostatochno bol'shoi plotnosti gazovoe oblako stanovitsya neprozrachnym k ohlazhdayushemu izlucheniyu, i dal'neishee povyshenie plotnosti privodit k adiabaticheskomu rostu temperatury. Pri etom minimal'naya massa M₀ fragmenta okazyvaetsya prakticheski nezavisimoi ot fizicheskih harakteristik sredy i pochti polnost'yu vyrazhaetsya cherez fundamental'nye konstanty. A imenno, Ris (1976) privodit sleduyushee vyrazhenie: gde M_¤ - massa Solnca. Takim obrazom, minimal'naya massa fragmenta zavisit (i to ves'ma slabo) tol'ko ot temperatury sredy. Dlya temperatur, harakternyh dlya vnutrennih oblastei molekulyarnyh oblakov (poryadka 10œK), soglasno etoi formule poluchaetsya massa, blizkaya k minimal'noi zvezdnoi. Bolee tochnye raschety, uchityvayushie perenos izlucheniya i effekty neprozrachnosti, dayut velichiny mass fragmentov (10^-2 ?10²)M_¤ , t.e. kak raz nablyudaemyi diapazon zvezdnyh mass.

Teoriya govorit, chto nizhnii predel massy protozvezdnogo fragmenta zavisit ot himicheskogo sostava veshestva, opredelyayushego ego ohlazhdenie i neprozrachnost'. V chastnosti, pri umen'shenii obshego soderzhaniya tyazhelyh elementov minimal'naya massa obrazuyushihsya zvezd uvelichivaetsya. Deistvitel'no, pri szhatii protozvezdy ona razogrevaetsya, poskol'ku potencial'naya energiya perehodit v teplovuyu. Tyazhelye elementy uvelichivayut neprozrachnost' veshestva i prepyatstvuyut ohlazhdeniyu oblaka lucheispuskaniem, poetomu razogrevsheesya yadro nachinaet prepyatstvovat' padeniyu na nego vneshnego, stavshego uzhe neprozrachnym veshestva oblaka. V sluchae deficita tyazhelyh elementov v protozvezde men'she koefficient neprozrachnosti, i poetomu ona uspevaet sobrat' bol'she massy do togo, kak ee kokon stanet neprozrachnym. Imenno etim processom ob'yasnyayut to, chto do sih por ne naideno ni odnoi zvezdy s polnym otsutstviem tyazhelyh elementov. V samom dele, poskol'ku u zvezd pervogo pokoleniya a priori dolzhny otsutstvovat' elementy tyazhelee bora, znachit vse oni massivnye i uzhe davno zakonchili svoyu zhizn' vspyshkami sverhnovyh, kotorye i obogatili pervichnoe veshestvo protogalakticheskogo oblaka tyazhelymi elementami, iz kotorogo obrazovalis' zvezdy s privychnoi dlya nas nachal'noi funkciei mass.

S drugoi storony, dazhe esli by po kakim-to prichinam iz pervichnogo gaza i smogli by obrazovat'sya protozvezdnye oblaka men'shih mass, dlya goreniya vodoroda v ih nedrah potrebovalas' by bol'shaya massa. Deistvitel'no, esli neravenstvo (13-2) prevratit' v ravenstvo (kakovoe spravedlivo dlya stacionarnoi sistemy), to vidno, chto dlya dostizheniya temperatury (≈ 10⁷ K), pri kotoroi v nedrah zvezdy nachinayutsya termoyadernye reakcii, proishodit uvelichenie massy protozvezdy pri umen'shenii srednego molekulyarnogo vesa ee veshestva. Znachit, minimal'no vozmozhnaya massa chisto vodorodno-gelievyh zvezd dolzhna byt' bol'she, chem u zvezd s veshestvom, uzhe obogashennym vybrosami pervyh sverhnovyh.

Obychnym sostoyaniem mezhzvezdnoi sredy yavlyaetsya ravnovesie mezhdu goryachim i holodnym komponentami. Dlya iniciacii processa fragmentacii s obrazovaniem samogravitiruyushih molekulyarnyh oblakov, neobhodimy mehanizmy, privodyashie k narusheniyu etogo ravnovesiya - tak nazyvaemye spuskovye (triggernye) mehanizmy, zapuskayushie process zvezdoobrazovaniya. S takimi mehanizmami my poznakomimsya v odnoi iz sleduyushih lekcii.

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdnaya astronomiya Publikacii so slovami: zvezdnaya astronomiya
Sm. takzhe: Elene Vyacheslavovne Glushkovoi - 50 ! Konferenciya «Sovremennaya zvezdnaya astronomiya - 2014» Konferenciya "Sovremennaya zvezdnaya astronomiya" K 100-letiyu so dnya rozhdeniya Petra Grigor'evicha Kulikovskogo Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 5–8 Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 3–4 Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 1–2 Vse publikacii na tu zhe temu >>