Бесконечная борьба гравитации и электромагнетизма

Историю создания теории гравитации, теории электромагнетизма, открытия и осознания роли сильного и слабого взаимодействий, а потом и соединения электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий в единый комплекс электромагнитно-сильно-слабого взаимодействия можно описывать очень долго, но для целей нашей статьи это пока что несущественно.

Для нашего рассказа скорее важно понимать, что в макромире присутствуют два взаимодействия, которые и находятся между собой в дуалистической борьбе и противостоянии — это «длинный», пронизывающий всё электромагнетизм и столь же вездесущая гравитация.

Эти силы определяют практически все процессы в нашем наблюдаемом мире, в силу чего их будущее соединение в рамках единой теории, которое пытаются сейчас вывести теоретики и найти экспериментаторы и будет той самой «единой теорией поля», которая сможет удовлетворительно объяснить как прошлое нашей Вселенной, так и её будущее.

В школе, я думаю, все изучали закон Ньютона о всемирной гравитации (тот самый, что с яблоком и бедной головой учёного) и закон Кулона о взаимодействии электрических зарядов (тот, что с эбонитовой палочкой и шерстяной тряпкой). Ну и, в целом, конечно же, все помнят, что гравитация — это всегда притяжение, а вот электромагнетизм — это уже как повезёт. Бывает и притяжение, а бывает и отталкивание. Потому что кроме эбонитовой палочки и шерстяной тряпки была ещё стеклянная палочка и шёлковый платочек. Которые в паре создавали другой электрический заряд.

Это комплект по электростатическим опытам. А не то, что тут некоторые подумали.

В прошлой части нашего рассказа мы оставили молодой звёздный объект (YSO, young stellar object) в тот момент, когда его температура достигла нескольких тысяч градусов Кельвина.

В нашем подлунном мире такая температура уже создаёт массу проблем для объекта, который её имеет. В частности, например, такой объект никак не сделаешь невидимым на фоне холодного космоса. Мешает закон Стефана-Больцмана, выводимый из электромагнетизма, согласно которому нагретое тело начинает излучать в разные стороны электромагнитные волны. По мере нагрева — сначала в микроволновом, потом в инфракрасном, а затем и в видимом диапазоне. То есть — объект начинает светиться собственным, а не отражённым светом.

Поскольку, согласно формальному определению из глубокой древности, «звездой» назывался любой самосветящийся объект на небосклоне, в этот момент времени YSO будет уже практически звездой, то есть будет светить собственным светом. Однако, если использовать для определения YSO современное понятие «звезды», то мы упрёмся в несоответствие: молодой звёздный объект всё ещё светится исключительно за счёт нагрева своей массы в результате гравитационного сжатия, а не за счёт термоядерных реакций, в результате которых происходит свечение обычных, «взрослых» звёзд.

Термоядерные реакции требуют для своего начала гораздо более высоких температур, нежели жалкие тысячи градусов температуры даже весьма компактных YSO, находящихся на последних стадиях своего гравитационного сжатия. Более того, следующий тип звёзд в эволюционном пути новых светил — звёзды типа Т Тельца и звёзды Ае/Ве Хербига тоже светят за счёт гравитационного сжатия своего объёма, не запуская реакции синтеза водорода в гелий. Для запуска этих реакций звезде нужны температуры в миллионы градусов, а для молодых звёзд, начинающих свою эволюцию, такая температура недоступна — они ещё слишком холодные, хотя и раскалённые по нашим обычным, «земным» меркам.

Для дальнейшего рассказа об эволюции звёзд нам лучше всего использовать диаграмму Герцшпрунга-Рассела, в которой все звёзды оцениваются всего лишь по двум параметрам: температура и светимость.

Ось Y диаграммы Герцшпрунга-Рассела показывает абсолютную светимость звезды, а ось X — абсолютную температуру поверхности.

Смысл диаграммы Герцшпрунга-Рассела прост, как семейные трусы в «рупь-двадцать» родом из СССР. Большая часть наблюдаемых нами звёзд (те самые «взрослые» звёзды) находятся на так называемой главной последовательности (main sequence), на которой все звёзды проводят львиную долю своей жизни.

На главной последовательности звезда существует за счёт сжигания основного термоядерного топлива — водорода, которого ей, в зависимости от массы, хватает от 100 миллионов лет (голубые сверхгиганты) до 20 млрд. лет (красные карлики). Последняя цифра даже больше, чем возраст нашей с вами Вселенной, в результате чего некоторые красные карлики всё ещё жгут внутри себя водород из начального водородно-гелиевого облака, которое образовалось при рождении нашей Вселенной.

По присутствию тех или иных типов звёзд на главной последовательности можно определить и примерный возраст того или иного звёздного скопления. Чем старше звёздное скопление — тем ближе к зоне красных карликов будет находится конец главной последовательности для данного скопления на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. Ниже этой точки более экономные и долгоживущие красные и оранжевые карлики будут ещё находится на главной последовательности, а выше — голубые и белые звёзды уже будут переходить на ветвь гигантов и красных супергигантов, дожигая в своих недрах остатки гелия и более тяжёлых элементов.

В составе старого шарового скопления Омега Центавра много стареющих красных гигантов и красных карликов, но относительно мало массивных голубых и белых звёзд главной последовательности.

Вот анимация анализа такой диаграммы для шарового звёздного скопления Омега Центавра. на основании которой учёные и определяют возраст этого скопления в 12 миллиардов лет:

Исходя из физики свечения любого нагретого тела, можно на основании анализа диаграммы Герцшпрунга-Рассела  определить достаточно точно и геометрические размеры тех или иных звёзд. Чем звезда горячее — тем ярче светит в окружающее пространство единица её поверхности (выше удельная светимость), а чем звезда холоднее — тем тусклее её свет в расчёте на ту же самую единицу поверхности.

В силу этого факта мы видим и ожидаемое положение главной последовательности на диаграмме — из левого верхнего угла (голубые, горячие и яркие звёзды) к правому нижнему углу (красные, холодные, тусклые звёзды).
Однако, кроме главной последовательности, у нас присутствует и другая, уже упомянутая последовательность — так называемая последовательность оранжевых и красных гигантов и сверхгигантов, которые светят практически столь же ярко, как голубые гиганты, но при гораздо более низкой температуре, а значит и при более низкой удельной светимости.

Если удельная светимость у этих звёзд низкая, то, ожидаемо, для создания такой аболютной светимости они должны обладать громадной поверхностью. На верхней диаграмме Герцшпрунга-Рассела это показано в степенном ряду размеров Солнца (10² диаметра, 10³ диаметра Солнца), а размер звёзд показан условно, но если нарисовать красные сверхгиганты в реальном масштабе, то картинка получится совсем иная:

Как видите, красные гиганты — это и в самом деле левиафаны в мире звёзд. Печально то, что это — одна из последних стадий эволюции звёзд, после чего красный гигант окончательно дожигает гелий и более тяжёлые элементы в своём ядре и становится крошечный горячим белым карликом, который потом и остывает в одиночестве, неспособный уже согреть какую-либо обитаемую планету возле себя.

Диаграмму Герцшпрунга-Рассела можно построить для молодых звёзд. Интересно, что из-за своей низкой температуры и большого, «рыхлого» размера они все попадут в зону, характерную для красных гигантов и сверхгигантов — в правый верхний угол диаграммы Герцшпрунга Рассела. Есть вселенская ирония в том, что и «звёздные ясли», и «дом престарелых звёзд» на первый взгляд практически неотличимы друг от друга, хотя, конечно, глубинные отличия между молодой звездой Т Тельца или же старым сверхгигантов вида Бетельгейзе — разительны и кардинальны.

В первую очередь это касается химического состава звезды. Внутри звезды Т Тельца или Ае/Ве Хербига, в отличии от старого красного сверхгиганта, практически нет гелия или других тяжёлых элементов. Кроме того, такие молодые звёзды очень богаты литием, который они получают вместе с другими химическими элементами из вещества тёмной туманности при образовании молодого звёздного объекта.

В спектре звёзд типа T Тельца и Ае/Ве Хербига всегда присутствует литий, который практически отсутствует в спектрах Солнца и других звёзд главной последовательности. Связано это с тем, что литий быстро разрушается в термоядерных реакциях внутри звезды при температурах чуть выше 2,5 млн. градусов Кельвина. Для сравнения — при зажигании протон-протонного цикла внутри звезды должно быть не менее 4 млн. градусов Кельвина, а более сложный CNO-цикл требует и того выше — 12 млн. градусов Кельвина.

Оранжевая звезда в центре снимка телескопа «Хаббл» — классическая звезда типа Т Тельца (NGC 1555/1554). На снимке хорошо видимы остатки уже рассеяного солнечным ветром газопылевого облака, из которого несколько десятков миллионов лет тому назад и родилась новая звезда.

Кроме того, надо сказать, что процесс «литиевого горения» не только стартует первым, но и идёт очень быстро, вовлекая весь литий, содержащийся в звезде, в реакции практически мгновенно по сравнению со сроком жизни звезды на главной последовательности — в срок до 100 миллионов лет.

Как и в случае с водородом или гелием, срок «литиевого горения» напрямую зависит от размера звезды — если небольшие звёзды типа Т Тельца могут жечь литий и 100 млн. лет, то молодые голубые сверхгиганты сжигают весь литий за срок до 1 млн. лет, не успевая даже толком рассеять своим светом начальный газопылевой диск, внутри которого они родились.

Кроме реакции горения лития в центре молодой звезды Т Тельца или Ае/Ве Хербига, ещё одним источником её свечения является продолжающееся гравитационное сжатие. Звёзды типа T Тельца и Ае/Ве Хербига обычно увеличивают скорость вращения с возрастом, поскольку их радиус уменьшается, а момент импульса сохраняется. Увеличивающаяся скорость вращения звезды и постепенный нагрев плазмы во внутренних слоях звезды и являются теми факторами, которые растягивают процесс сжатия молодой звезды на срок от 1 млн. лет (для голубых сверхгигантов) до 100 млн. лет (для случая маломассивных звёзд типа Т Тельца).

Во время этого процесса сжатия звезды температура её поверхности остаётся практически неизменной — сил гравитационного сжатия пока что недостаточно для её быстрого нагрева, а пока ещё большая поверхность звезды позволяет легко отводить излишнее тепло излучением. В силу этого, сжимаясь, будущая звезда проходит по так называемому «треку Хаяши» на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, практически отвесно «падая» из зоны красных сверхгигантов на главную последовательность:

Треки Хаяши (вертикальная часть кривых) для звёзд разной массы, с указанием периода нахождения звезды в переходном процессе — от стадии сформировавшегося молодого звёздного объекта и до превращения во «взрослую» звезду на главной последовательности. Чёрные цифры возле главной последовательности — масса молодой звезды в массах Солнца.

Трек Хаяши показывает нам ту часть эволюции молодой звезды, которую она проходит, используя исключительно энергию гравитационного сжатия начального вещества. На протяжении этого периода эволюции она не «горит» (за исключением незначительного синтеза лития в ядре), но светится собственным светом. Причём, чем моложе звезда — тем ярче её свет, за счёт громадной начальной поверхности, сравнимой по площади с поверхностью красных гигантов и сверхгигантов.

Думаю, внимательные читатели заметили, что у более массивных звёзд трек Хаяши (вертикальная часть кривой) гораздо короче, чем у менее массивных, а у сверхмассивных молодых звёзд — так и вообще обрывается в самом начале, сразу переходя в практически горизонтальную линию. Именно ранний обрыв трека Хаяши выводит сверхмассивные звёзды в левый верхний угол диаграммы Герцшпрунга-Рассела, так как следуй они по его пути и дальше — они попали бы куда-то в область Солнца на главной последовательности.

Горизонтальная линия эволюционного трека называется треком Хеньи. Переход с трека Хаяши на трек Хеньи связан с тем, что звезда, наконец, поджигает водород в своём ядре. Чем крупнее звезда — тем быстрее давление и температура в её ядре достигают нужных значений. Если будущие красные карлики коллапсируют за счёт своего слабого гравитационного сжатия чуть ли не до самой главной последовательности, находясь на треке Хаяши десятками миллионов лет, то будущие голубые сверхгиганты переходят к горению водорода в ядре (треку Хеньи) практически сразу после окончания формирования предшествующего им YSO (молодого звёздного объекта).

Молодые звёзды Ае/Ве Хербига (голубые, в центре снимка). В отличии от звёзд Т Тельца они даже не всегда успевают полностью рассеять свои газопылевые облака, в силу чего мы их часто наблюдаем через «саван» остатков породивших их тёмных туманностей.

На треке Хеньи, в отличии от трека Хаяши, происходит окончательный «разогрев» звезды до её характеристической температуры — красные рыхлые маломассивные «молодые гиганты» превращаются в красных карликов, медленно падая вниз на главную последовательность по треку Хаяши, а их более массивные собратья — наоборот, проходят быстро и горизонтально по треку Хеньи, попадая в зону голубых сверхгигантов.

Молодые звёздные объекты (YSO), звёзды типа Т Тельца, звёзды Ае/Ве Хербига и пока что необнаруженный тип молодых звёзд-предков голубых сверхгигантов — это те самые «недостающие звенья» в эволюции звёзд, которое позволяет пробросить прочный мостик от несформированных облаков газа в тёмных туманностях к настоящим, «взрослым» звёздам главной последовательности, к которым относится и наше Солнце.

В дальнейшем, по выходу на главную последовательность, звезда останется там ещё очень долго — практически 80% времени всей своей жизни.

Но вот события в уцелевшем газопылевом диске, не рассеянном ярким светом молодых красных гигантов и не выброшенном в окружающий космос в виде биполярных струй молодых звёзд — только начинаются. И эволюция наших соседей снова покажет нам, что происходило несколько миллиардов лет назад в нашей собственной звёздной системе.

PS. В комментариях к прошлой статье меня спрашивали о размерах начальных тёмных туманностей. Вот фотография тёмной туманности в созвездии Орла, которая сделана телескопом «Хаббл»:

После её публикации эта фотография получила неофициальное название «Столпы творения».

Маленький белый кружочек возле вершины левого «столпа» — приблизительный размер нашей современной Солнечной системы, вплоть до орбиты Плутона включительно.

Вот такими расстояниями, объёмами и массами и оперирует настоящее, а не выдуманное человеком Творение.

«Этот космос, один и тот же для всех, его не создал никто из богов и никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огонём, мерно возгорающимся и столь же мерно угасающим» (Гераклит Эфесский)

Оригинал взят у alex_anpilogov