История Млечного Пути, восстановленная по следам
Мы не знаем, откуда оно взялось. Когда-то вещество, возникшее в начале мира и носящееся в пространстве, образовало облако в несколько миллиардов солнечных масс и стало уплотняться. Как и всякое вещество, этот газ, выделившийся из турбулентной массы, приобрел вращательное движение. Постепенно облако сжималось и становилось более плотным; в нем выделились отдельные области, превратившиеся в небольшие, самостоятельно уплотняющиеся газовые облака. Возникли первые звезды. Они состояли только из водорода и гелия, и в них происходило термоядерное горение водорода (реакция соединения двух протонов). Довольно скоро наиболее массивные звезды израсходовали свой запас водорода и взорвались, став сверхновыми. В результате этого межзвездный газ обогатился элементами тяжелее гелия. Это происходило повсюду, так как все галактическое облако имело еще шарообразную форму (рис. 12.4, а). Поэтому самые старые звезды и очень старые шаровые скопления находятся в галактическом гало. Звезды галактического гало возникли первыми, задолго до того как Млечный Путь принял форму диска, задолго до появления нашего Солнца. В них тяжелые элементы присутствуют в очень малых количествах: эти звезды возникли из вещества, которое было еще мало обогащено атомами, образовавшимися в результате ядерных реакций в других звездах.
Рис. 12.4. Схема образования Млечного Пути. Примерно 10 миллиардов лет назад из первичной материи образовалось облако, которое стало уплотняться благодаря собственной гравитации. С увеличением плотности образовались первые звезды (точки) и шаровые скопления (жирные точки) (а). Они и сегодня заполняют сферическую область, в которой они возникли, и движутся относительно центра по траекториям, показанным красными стрелками (б). Массивные звезды быстро прошли весь свой путь развития и отдали обратно в межзвездный газ вещество, обогащенное тяжелыми элементами. Стали образовываться звезды, уже богатые тяжелыми элементами. Благодаря вращению уплотненный газ образовал диск. Здесь и по сей день возникают звезды (в). Эта схема объясняет пространственную структуру нашей Галактики и химические различия между периферийными звездами и звездами в центре.
Но эволюция шла дальше. Межзвездный газ постоянно обогащался тяжелыми элементами. В нем возникали пылевые зерна в результате столкновений частиц газа с ядрами конденсации, выброшенными развившимися звездами. Скоро и вращение приобрело заметную скорость. Все уплотняющиеся газопылевые массы принимали форму плоского диска, оставляя за собой шарообразное гало из старых звезд и шаровых скоплений (рис. 12.4,б). Новые звезды образовывались теперь только во все более плоской чечевицеобразной области из вещества, содержащего все большее количество тяжелых элементов. Большая часть газа была уже израсходована, и последние звезды образовывались в галактической плоскости. Первая фаза звездообразования закончилась.
Эта картина объясняет основные свойства нашей Галактики: самые старые звезды принадлежат шарообразному гало и бедны тяжелыми элементами. Самые молодые звезды образуются сегодня лишь в тонком диске, поскольку только здесь осталось еще достаточное количество газа.
Момент импульса, унаследованный от облака, из которого образовалась наша Галактика, виной тому, что наша звездная система имеет форму плоского диска. Именно поэтому мы видим свой Млечный Путь на небе как узкую полосу.
Кто командует образованием звезд?
Что же заставляет сегодня межзвездное вещество конденсироваться в определенных местах в плоскости нашего Млечного Пути и образовывать звезды? Почему в других местах нашей Галактики звезды не образуются? Млечный Путь, если смотреть на него из космической дали, выглядел бы подобно Туманности Андромеды: плоский диск с выраженной спиральной структурой (см. рис. 0.1). У других звездных систем спиральная структура проявляется еще отчетливей (см. рис. 0.4). На снимках удаленных галактик спиральные рукава выделяются потому, что в них возбуждается свечение ионизованного водорода. Как мы уже знаем из примера туманности Ориона, за ионизацию водорода ответственны яркие массивные звезды главной последовательности. Таким образом, спиральные рукава — это области, где имеются молодые звезды, т. е. области, где звезды только возникли. И в нашей Галактике молодые звезды выстраиваются вдоль спиральных рукавов.
С помощью радиоастрономии удается очень детально исследовать распределение межзвездного газа в нашем Млечном Пути; обнаруживается, что в спиральных рукавах плотность газа выше, чем вообще в плоскости Галактики. Итак, дано: с одной стороны, спиральные рукава являются областями повышенной плотности газа, с другой стороны, именно здесь находятся молодые звезды. Спрашивается: чем обусловлена спиральная структура, делающая галактики похожими на огненные колеса фейерверка?
Долгое время попытки объяснить спиральные структуры наталкивались на большие трудности, да и сейчас их возникновение нельзя считать окончательно ясным. Звездная система вращается. Скорость ее вращения может быть измерена (см. приложение А); при этом выясняется, что система вращается не как твердое тело. Скорость вращения уменьшается к периферии, так что центральная часть галактики вращается быстрее.
На первый взгляд нет ничего удивительного в том, что у галактик обнаруживается спиральная структура. Спиральные структуры возникают и при размешивании в чашке кофе с молоком, поскольку на разных расстояниях от центра жидкость вращается с различной скоростью. Можно было бы ожидать, что и любая начальная структура галактики через какое-то время станет спиральной из-за неодинаковости скорости вращения на разных расстояниях от центра.
Карл Фридрих фон Вайцзеккер сказал однажды, что Млечный Путь сегодня должен был бы иметь спиральную структуру, даже если когда-то он был похож на корову. Много лет назад в Гёттингене мы занялись галактической коровой Вайцзеккера; нам помогал Альфред Бэр, который до недавнего времени преподавал в Гамбурге. Результат представлен на рис. 12.5. Еще до того как основная часть звезд завершит первый оборот вокруг центра, корова-галактика превратится в прекрасную спираль. К сожалению, здесь имеется одна неувязка.
Рис. 12.5. Млечный Путь вращается не как твердое тело. Поэтому из произвольной начальной структуры через 100 миллионов лет образуется спиральный объект. К сожалению, спиральные рукава нашей Галактики не поддаются такому объяснению.
Для того чтобы из нашей произвольной начальной структуры образовалась спираль, требуется менее ста миллионов лет. Наш же Млечный Путь раз в сто старше. За это время спираль должна была бы растянуться гораздо сильнее: подобно бороздкам на долгоиграющей пластинке, нити спирали должны были бы стократ и больше обвиваться вокруг центра. Но этого мы не наблюдаем. Спиральные рукава галактики, как видно на рис. 0.4, не вытянулись в нити, и, стало быть, не могут являться остатками какой-то исходной структуры. Поскольку ни одна из наблюдаемых спиральных галактик не обладает нитевидной спиральной структурой, мы должны признать, что спираль не вытягивается. В то же время спиральные рукава состоят из звезд и газа, которые участвуют во вращательном движении. Как же разрешить это противоречие?
Есть только один выход. Нам следует отказаться от предположения, что вещество постоянно принадлежит одним и тем же рукавам спирали, и допустить, что существует поток звезд и газа через рукава спиральной структуры. Хотя звезды и газ участвуют во вращательном движении, сами рукава спирали представляют собой лишь определенные состояния, которые принимают потоки звезд и газа.
Поясним это на примере из повседневного опыта. Пламя газовой горелки не состоит из одного и того же вещества. Оно представляет собой лишь определенное состояние газового потока: здесь молекулы газа вступают в определенные химические реакции. Точно так же спиральные рукава представляют собой такие области галактического диска, в которых поток звезд и газа имеет какое-то определенное состояние. Это состояние определяется особенностями гравитационных сил вещества всей галактики. Объясним это подробнее.
Спиральные рукава: что это такое?
В природе струйные течения часто дают начало регулярным образованиям. Взаимодействие воды и ветра порождает волны прибоя, которые ритмично накатываются на берег. Песчаные морские отмели идут волнистыми складками. При аккуратном смешивании жидкостей разной температуры и плотности тоже могут возникать регулярные структуры. На поверхности остывшего какао в чашке наблюдается правильный узор.
