30. ВОЗРАСТ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ГАЛАКТИК И ЗВЕЗД

1. Возраст небесных тел.

Возраст Земли определяют разными методами. Самый точный из них состоит в определении возраста горных пород. Он заключается в подсчете отношения количества радиоактивного урана к количеству свинца, находящихся в данной породе. Дело в том, что свинец является конечным продуктом самопроизвольного распада урана. Скорость этого процесса известна точно, и изменить ее нельзя никакими способами. Чем меньше урана осталось и чем больше свинца накопилось в породе, тем больше ее возраст. Самые древние горные породы в земной коре имеют возраст несколько миллиардов лет. Земля в целом возникла, очевидно, несколько раньше, чем земная кора. Изучение окаменелых Ъстатков животных и растений показывает, что за последние сотни миллионов лет излучение Солнца существенно не изменилось. По современным оценкам возраст Солнца составляет около 5 млрд. лет. Солнце старше Земли.

Есть звезды, которые много моложе, чем Земля, например — горячие сверхгиганты. По темпу расходования энергии горячими сверхгигантами можно судить о том, что возможные запасы их энергии позволяют им расходовать ее так щедро лишь короткое время. Значит, горячие сверхгиганты молоды — им лет.

Молодые звезды находятся в спиральных ветвях галактики, как и газовые туманности, из вещества которых возникают звезды. Звезды, не успевшие рассеяться из ветви, молоды. Выходя из ветви, они стареют.

Звезды шаровых скоплений, по современной теории внутреннего строения и эволюции звезд, самые старые. Им может быть

более 1010 лет. Ясно, что звездные системы — галактики должны быть старше, чем звезды, из которых они состоят. Возраст большинства из них должен быть не меньше чем лет

В звездной Вселенной происходят не только медленные изменения, но и быстрые, даже катастрофические. Например, за время порядка года обычная на вид звезда вспыхивает, как «сверхновая» (§ 24.3), и примерно за то же время ее яркость спадает.

В результате она, вероятно, превращается в крохотную звезду, состоящую из нейтронов и вращающуюся с периодом порядка секунды и быстрее, (нейтронную звезду). Ее плотность возрастает до плотности атомных ядер и она становится мощнейшим излучателем радио- и рентгеновских лучей, которые, как и ее свет, пульсируют с периодом вращения звезды. Примером такого пульсара, как их называют, служит слабая звездочка в центре расширяющейся Крабовидной радиотуманности (§ 24.3). Остатков вспышек сверхновых звезд в виде пульсаров и радиотуманностей, подобных Крабовидной, известно уже много.

Вопрос о происхождении Солнечной системы должен решаться вместе с проблемой происхождения и развития звезд. Пожалуй, ее трудно решить правильно без знания того, как формируются и развиваются галактики.

2. Возникновение галактик и звезд.

Академик В. А. Амбарцумян высказал предположение, что галактики образовались из какого-то сверхплотного «дозвездного вещества». По его мысли, оно обладает способностью самопроизвольно дробиться и образует галактики. Ядра их путем дальнейшего дробления порождают ассоциации «дозвездных» тел, а те, дробясь, порождают и звезды, и диффузную материю. Галактики с активными ядрами, с которыми связано мощное радиоизлучение и из которых происходит выброс больших масс газа, в рамках этого предположения считаются молодыми.

Большинство ученых придерживаются более подробно разработанной гипотезы о том, что звезды и галактики возникали из водородно-гелиевой среды Метагалактики путем ее распада на отдельные облака. За этим следовало сжатие этих облаков за счет тяготения. Они распадались на множество сгустков, имеющих почти сферическое распределение. Так возникли шаровые скопления, эллиптические галактики и ядра спиральных галактик.

В эллиптических системах повышенная плотность газа благоприятствовала конденсации его в звезды. Процесс образования звезд в шаровых и эллиптических системах давно закончился. Их звезды являются самыми старыми звездами.

В 1931 г. автором этого учебника было доказано и теперь признано всеми, что звезды в процессе эволюции выбрасывают столько газа, что его достаточно для формирования новых поколений звезд.

В недрах звезд, особенно сверхновых, в процессе ядерных реакций вырабатываются тяжелые элементы. Поэтому выбрасываемый звездами газ уже обогащен ими. Так возникали и возникают

Рис. 108. Глобулы — маленькие, черные, очень плотные газопылевые туманности.

путем конденсации вторично накопившегося газа звезды нового поколения, более молодого. Они отличаются от прежних своим химическим составом: содержат больше химических элементов тяжелее гелия, чем старые звезды шаровых скоплений.

Во Вселенной идет непрерывное развитие и изменение не только органического, но и неорганического вещества — вечный круговорот его, а не простое повторение уже пройденных этапов.

3. Развитие звезд.

В пользу возникновения звезд путем гравитационной конденсации (т. е. взаимного тяготения частиц) из облаков газовой или газопылевой среды говорят многие факты. Молодые звезды почти всегда наблюдаются в таких областях, где плотность холодного межзвездного газа особенно высока. На фоне светлых туманностей были открыты очень маленькие, но плотные пылевые туманности, названные глобулами (рис. 108). Возможно, что они являются зародышами звезд. Наряду с этим Аро (Мексика) и Хербиг (США) в пылевых туманностях созвездия Ориона обнаружили крохотные, крайне слабые сгустки (рис. 109). В одном из них позднее появилась туманная звездочка, которой раньше здесь не виделя. Может быть, это зародилась звезда. Зарождающиеся звезды называются протозвездами.

Рис. 109. Звезды Аро-Хербига. Объекты, появившиеся на правом снимке (1954 г.)

и отсутствовавшие на левом снимке (1947 г.), может быть, являются возникающими звездами.

Протозвезды на диаграмме Ц-С (рис. 88) находятся правее главной последовательности, так как их температура еще ниже, чем у звезд, которые из них возникнут.

Сжимаясь, звезда «движется» горизонтально влево по диаграмме Ц-С, пока в недрах звезды температура не поднимется до нескольких миллионов градусов. Тогда начнутся ядерные реакции с участием легких элементов и выделением энергии. Переменность яркости молодых звезд — знак того, что они еще не стали устойчивыми. Нагрев вводит в действие реакцию превращения водорода в гелий и останавливает сжатие. Давление газа изнутри уравновешивает тяготение к центру. Звезда становится устойчивой и попадает на главную последовательность. Звезда с массой такой, как у Солнца, сжалась и появилась на главной последовательности за 108 лет. Место прихода звезды на главную последовательность тем выше, чем больше ее масса. Чем массивнее звезда, тем температура в ее недрах выше и быстрее «выгорает» водород, превращаясь в гелий. Голубые звезды «сжигают» водород, находясь на главной последовательности, за лет, а такие, как Солнце, — лишь за лет. Внутренней энергии Солнца хватит еще на миллиарды лет.

С выгоранием водорода в ядре звезды начинается третья стадия эволюции. Звезда движется по диаграмме Ц-С вправо и вверх, превращаясь в красный гигант. В конце этой стадии в красных гигантах идет реакция выгорания гелия и превращения его в углерод. С уменьшением запасов гелия эта реакция прекращается. Звезда сжимается, приходит в состояние белого, крайне плотного карлика. При малой поверхности (и поэтому малом расходе энергии) белый карлик может светить очень долгое время.