Теория гравитационного сжатия не в состоянии объяснить свечение звезд на протяжении долгого периода времени, но она хорошо подходит для объяснения механизма загорания звезды. Межзвездный газ довольно холоден: в наиболее плотных областях его температура не превышает десятка кельвинов. Как же разогреть его до температуры в 20 миллионов кельвинов, необходимой для ядра звезды? Именно гравитация способна обеспечить первоначальный разогрев вещества. Когда Джеймс Джинс разрабатывал свою теорию, он не просто сформулировал ее, но облек в математическую форму, в которой вывел простой критерий того, что нужно сделать с газом, чтобы он начал безудержно коллапсировать и превратился в звезду. Оказалось, что существует некая предельная масса — масса Джинса, которую необходимо превзойти, чтобы гравитационное сжатие не прекратилось и привело к формированию звезды.
Что предложил Джинс? Допустим, у нас есть помещение, заполненное воздухом. Мы можем создавать в нем какие-то звуки, говорить, хлопать, тем самым запускать звуковую волну. Воздух сжимается-расширяется — это и есть волна. Если добавить в эту картину гравитацию, выяснится, что она способствует процессу сжатия, а расширению, наоборот, препятствует. Если на гребне волны вещества окажется больше массы Джинса, то этот гребень не расширится обратно и начнется сжиматься — из него потом появится звезда.
Когда начались исследования молекулярных облаков, оказалось, что их массы на порядки превосходят массу Джинса, то есть они должны были давно схлопнуться в звезды. Но в таком случае весь водород уже давно бы кончился, а он есть до сих пор, хоть его и немного. Моделирование истории звездообразования показывает, что раньше в нашей Галактике действительно ежегодно образовывались многие тысячи звезд, и всего их сейчас несколько сотен миллиардов, но при этом запасы водорода не истощились, и его по-прежнему хватает на появление нескольких звезд в год.
Получается, и в эти расчеты вкралась ошибка? Если бы масса молекулярных облаков отличалась от массы Джинса в два-три раза, это было бы нестрашно: такое отличие всегда можно списать на какие-то теоретические тонкости, но отличие на порядки так не объяснить. Не забыли ли мы о чем-то?
Было высказано предположение, что существует еще один фактор, помимо теплового давления, противодействующий коллапсу вещества, — магнитное поле. Протозвездные облака немного ионизированы, но этого достаточно, чтобы магнитное поле было вморожено в вещество и стало дополнительным фактором сдерживания. Но как же тогда образуются звезды, что не дает до конца остановиться процессу звездообразования? Было высказано предположение, что важную роль тут играет процесс амбиполярной диффузии. Суть его в том, что присутствие магнитного поля ощущают только заряженные частицы, которых в молекулярных облаках довольно мало — в десятки тысяч раз меньше, чем нейтральных молекул водорода. Но даже небольшого количества ионов и электронов достаточно, чтобы они, сталкиваясь с нейтральными частицами, передавали им свое чувство магнитного поля. Точнее, магнитное поле не дает заряженным частицам двигаться поперек силовых линий, а они через столкновения не дают двигаться и нейтральным частицам. Это состояние и называется вмороженностью магнитного поля.
Но в мире нет ничего идеального. Допустим, в сгустке межзвездного газа по каким-то причинам немного выросла плотность вещества, и из-за этого частицы, в том числе ионы и электроны, стали чаще сталкиваться друг с другом. В результате столкновения иона и электрона может произойти рекомбинация: ион присоединяет к себе электрон, и образуется нейтральная частица. И вот если в облаке с вмороженным магнитным полем по каким-то причинам повышается плотность вещества и увеличивается скорость рекомбинации, то заряженных частиц становится меньше, так как они нейтрализуют друг друга. Взаимодействие между веществом и магнитным полем чуть-чуть ослабевает, и этого оказывается достаточно, чтобы гравитация продолжила стягивать вещество на первичное уплотнение. От этого плотность возрастает еще сильнее, темп рекомбинации ускоряется, заряженных частиц становится еще меньше, взаимодействие с магнитным полем слабеет. Этот процесс усиливается, и в какой-то момент степень ионизации вещества оказывается настолько низкой, что магнитное поле практически не ощущается, и вещество наконец начинает коллапсировать, как если бы магнитного поля не было.
Получается, что процесс звездообразования включает очень длинный подготовительный этап, а потом внезапно происходит бум! — и звезда рождается. Эта модель называлась стандартной моделью звездообразования и была принята за основную до середины 1990-х годов, пока не произошел очередной качественный скачок.
Процесс сжатия протозвезды довольно сложен. Сначала протозвездное облако должно оставаться очень холодным, чтобы тепловое давление не препятствовало сжатию, и лишь потом начать разогреваться. А почему оно остается холодным? В наше время роль теплоотвода играют пылинки: тепловое движение частиц газа приводит к их столкновению с пылинками, которым они передают свою энергию, а пылинки высвечивают ее в инфракрасном диапазоне. Нагрев звезды начинается в момент, когда пыль становится непрозрачной к собственному излучению и из протозвезды перестает выходить инфракрасный поток, но она к этому времени уже довольно плотна, гравитация сделала свое дело. Также газ остывает благодаря наличию в ней некоторых атомов и ионов (углерод, кислород, ион углерода), которые умеют принимать в себя тепловую энергию, превращать ее в энергию возбуждения и светиться. То есть, говоря упрощенно, межзвездный холодильник обязательно связан с атомами тяжелых элементов. Но эти тяжелые элементы появляются в результате нуклеосинтеза, идущего в уже существующих звездах. А в первых звездах нуклеосинтезированных элементов не могло быть.
Эту проблему пытаются решить разными способами. Например, предполагают, что первые звезды были очень-очень массивными, в тысячи солнечных масс: раз вещество нельзя остудить, значит, нужно нагнать больше массы, чтобы победить тепловое давление и запустить реакции между атомами водорода. Другое объяснение связано с присутствием дейтерия, которого было существенно меньше, чем водорода, но, возможно, достаточно, чтобы охладить водород. Но это лишь одни из предположений.
В нашей Галактике в год в среднем образуется около пяти звезд — это можно оценить благодаря тому, что рождение звезды в принципе сопровождается появлением ультрафиолетового и ультракрасного инфракрасного излучения с определенными свойствами. При этом забавно, что Туманность Андромеды, например, нам в этом аспекте, как и во многих других аспектах, исследовать удобнее, чем Млечный Путь, поэтому об образовании звезд в других галактиках мы знаем больше, чем в своей.
От ТС. Приготовить тапки (и шапки). Не оставляет мысль, что к созданию звезд приложен разум. Последние исследования показывают, что человеческая мысль способна менять спин электрона, а это единственная субстанция, которая имеет место быть даже в разреженном космосе. Ну даже исходя из обычной логики можем предположить, что звезда нужна для возникновения жизни, иногда разумной (но не в этом случае).