Одним из важнейших достижений астрономии XX в. можно считать установление того факта, что процесс образования звезд происходит постоянно (и в наше время). Установлено, что многие наблюдаемые звезды моложе нашей планеты, а некоторые образовались совсем недавно, когда на Земле уже существовал человек.

Большинство ученых считает, что звезды образуются путем конденсации облаков разреженной газопылевой межзвездной среды, из которых под действием гравитационных сил образуется более плотный непрозрачный газовый шар. Вначале давление газа внутри этого относительно холодного шара еще не может уравновесить гравитационные силы, которые продолжают его сжимать. Но по мере сжатия температура звездных недр повышается и в конце концов оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление горячего газа внутри будущей звезды уравновешивает гравитационные силы и сжатие прекращается. Весь описанный процесс продолжается сравнительно недолго — от нескольких миллионов до нескольких сот миллионов лет (в зависимости от массы звезды).

Излучение звезды происходит за счет термоядерных реакций, протекающих в центральной части звезды. Продолжительность этой стадии в жизни звезды также зависит от ее массы. Масса определяет, как быстро звезда расходует имеющиеся запасы водорода, превращающегося в гелий. Так, горячие звезды-гиганты, масса которых в 10—20 раз превышает массу Солнца, истратят свое «ядерное горючее» за несколько миллионов лет, а наше Солнце и другие звезды такой массы устойчиво излучают в течение 10—15 млрд. лет.

Однако в конце концов в ядре звезды водорода больше не остается, выделение энергии прекращается и гравитационные силы начинают сжимать такое ядро. Теперь термоядерные реакции могут идти лишь в сравнительно тонком слое на границе ядра. Светимость звезды и ее размеры должны при этом возрастать. Процесс эволюции звезды значительно ускоряется, и она превращается в красный гигант. Когда температура сжимающегося гелиевого ядра достигает 100—150 млн. градусов, начинается реакция нового типа: из трех ядер гелия образуется ядро углерода. Расчеты показывают, что наше Солнце станет красным гигантом через 8 млрд. лет и будет оставаться им в течение нескольких сот миллионов лет. При этом светимость Солнца должна увеличиться в сотни раз, а радиус — в десятки раз по сравнению с современными.

Такие гигантские звезды быстро истощают запасы ядерного горючего, а также теряют существенную часть своей массы либо постепенно, либо в результате того, что сбрасывают внешние оболочки. На заключительной стадии своего развития звезды, масса которых близка к солнечной, превращаются в белые карлики. В этом случае от звезды остается только ее центральная плотная часть, в которой уже прекратились ядерные реакции. Такие звезды постепенно остывают, излучение их уменьшается, и они становятся невидимыми. Их размеры меньше размеров Земли, но поскольку масса сравнима с массой Солнца, то плотность их вещества в миллионы раз больше плотности воды.

Однако не все звезды проходят такой, относительно спокойный путь эволюции. Для некоторых из них характерны катастрофические изменения в процессе их развития. В этих случаях говорят о вспышке сверхновой звезды, которая приводит к очень существенным изменениям в строении звезды. На месте вспышек таких звезд обнаружены особые туманности (рис. 40.4), которые все без исключения являются мощными источниками радиоизлучения. При наиболее мощных вспышках масса выброшенных газов может в несколько раз превышать массу Солнца. Если оставшаяся после вспышки часть звезды имеет массу более 1,5 массы Солнца, то она не может стать белым карликом. Гравитационные силы сжимают ее до значительно меньших размеров. Диаметр таких объектов — порядка 10 км, а средняя плотность — около 10¹⁸ кг/м3, т. е. выше плотности атомного ядра. Эти звезды получили название нейтронных звезд, поскольку при такой плотности вещество состоит из одних нейтронов, образовавшихся в результате слияния протонов и электронов.

Теория таких звезд была разработана еще в 30-х годах нашего столетия советским физиком академиком Л. Д. Ландау, но обнаружены нейтронные звезды были лишь в 1967 г. Они были открыты как источники радиоизлучения со строго периодическими кратковременными (порядка секунды и долей секунды) импульсами. Причиной строгой периодичности радиоимпульсов и импульсов, которые обнаружены у так называемых пульсаров в оптическом диапазоне, является их быстрое вращение. Самым коротким периодом оптических и радиоимпульсов обладает пульсар, открытый в известной Крабовидной туманности (рис. 40.4), которая находится на месте вспышки Сверхновой звезды 1054 г. Период этот составляет всего 0,033 с.

Еще более удивительные объекты должны возникать на последней стадии эволюции звезды, если после исчерпания запасов ядерного горючего ее масса будет превышать критическую, т. е. 1,5— 3 массы Солнца. В этом случае давление так называемого вырожденного газа, из которого состоят звезды на последней стадии своей эволюции, не может сдержать сжатия ее гравитационными силами. Звезда будет уплотняться, сжимаясь с огромной скоростью. Масса ее при этом будет оставаться неизменной, а скорость Vпар, которую должно иметь тело, чтобы покинуть ее поверхность (так называемая параболическая или вторая космическая), будет расти. После того как объект достигнет радиуса, при котором Vпар≈c, его поверхность уже не смогут покинуть ни частицы, ни излучение. Поэтому такие объекты получили название черные дыры. Они не видны, но взаимодействуют с внешним миром посредством гравитационных сил. Поэтому ведутся их поиски среди так называемых двойных звезд, которые связаны тяготением и обращаются вокруг общего центра масс. Ученые полагают, что один из компонентов двойной звезды X Лебедя является черной дырой, и надеются обнаружить и другие подобные объекты.

Происхождение планет. Хотя планетные системы существуют не только у Солнца, но и у других звезд, в настоящее время эти планеты недоступны для наблюдения даже в самые лучшие телескопы. Поэтому все выводы о происхождении и развитии планет приходится делать на основе изучения только одного примера — Солнечной системы.

В основу всех современных гипотез о происхождении Земли и планет положена идея о формировании их из газопылевого облака. При этом большинство ученых склоняется к выводу о том, что формирование Солнца и планет из этого облака происходило одновременно. Облако имело состав, примерно сходный с современным составом Солнца, и состояло на 98% из водорода и гелия и лишь на 2% из остальных элементов, образовавших различные соединения и сконденсированных в частицы.

Пылевые частицы постепенно концентрировались в одной плоскости, образуя слой повышенной плотности. Этот слой не оставался однородным и постепенно распадался на отдельные сгущения, которые сталкивались друг с другом, объединялись и сжимались. Образовавшиеся таким образом сплошные тела, которые также сталкивались между собой, либо дробились, либо росли за счет этого раздробленного вещества. В конце концов наибольших размеров достигли лишь 9 зародышей, ставших большими планетами. Эта идея об образовании планет путем объединения твердых тел и частиц выдвинута выдающимся советским ученым академиком О. Ю. Шмидтом. Она совершила подлинный переворот в планетной космогонии, заменив представления о конденсации планет из газовых сгустков. Независимым образом эта идея была подтверждена физико-химическими исследованиями состава и структуры метеоритов, проведенными американским геофизиком Г. Юри.

Газовая составляющая допланетного облака подвергалась сильному воздействию солнечного ветра — мощного потока частиц, которые испускались Солнцем в прошлом еще сильнее, чем теперь. Образовавшиеся вблизи Солнца планеты типа Земли состоят в основном из силикатов и металлов. На больших расстояниях от Солнца, там, где формировались Юпитер и Сатурн, еще оставалась значительная масса газов (водорода и гелия), которые и вошли в состав этих планет. Таким образом, гипотеза О. Ю. Шмидта объясняет разделение планет по физической природе на две группы.

Эволюция галактик. Наша Галактика и другие галактики, которые представляют собой большие скопления звезд и межзвездного вещества, так же, как и все тела, входящие в их состав, с течением времени претерпевают существенные изменения.

Во-первых, учитывая сказанное выше об образовании и эволюции звезд, можно утверждать, что количество межзвездного вещества постепенно уменьшается.

Во-вторых, в процессе существования в форме звезд это вещество меняет свой химический состав: содержание водорода уменьшается, а за счет этого увеличивается содержание гелия и ряда других элементов, которые образуются в результате термоядерных процессов. Самые тяжелые элементы образуются лишь в особых условиях — при катастрофических вспышках сверхновых звезд. Таким образом, следующее поколение звезд образуется уже из вещества иного химического состава.

Наблюдая распределение звезд с различным составом, можно изучить распределение в галактике звезд и звездных скоплений разного возраста. Оказывается, что самые старые объекты в галактике образуют сферическую систему. Следовательно, газовое облако, из которого образовалась галактика, имело сферическую форму. Масса газа сжималась и сплющивалась, собираясь к плоскости, перпендикулярной оси вращения галактики. В дальнейшем процесс образования звезд происходил в диске близ этой плоскости.

Продолжению сплющивания диска препятствовало магнитное поле, силовые линии которого определяют спиральную структуру распределения межзвездного водорода и образовавшихся из него звезд в галактическом диске.

Спиральные ветви галактики так или иначе связаны с ее ядром. Ядра галактик, их центральные части — не просто области повышенной плотности распределения звезд. В последние годы получено много фактов, говорящих о высокой активности ядер галактик. Первым на особые свойства ядер галактик обратил внимание видный советский астрофизик академик В. А. Амбарцумян. Наблюдения, проведенные в широком диапазоне спектра — от радиоволн до рентгеновских лучей, показали, что мощность излучения ядер галактик заметно изменяется за несколько месяцев или даже недель. Расчеты показывают, что это связано с процессами, происходящими в малом объеме. В результате этих процессов выделяется энергия, значительно превышающая ту, которая выделяется при самых мощных взрывах звезд. Особенно сильно проявляет себя активность ядер галактик в радиодиапазоне, поэтому такие галактики получили название радиогалактик. Наблюдаются и другие типы галактик с активными ядрами, одна из которых показана на рис. 40.5. Газ, выброшенный из центрального сгущения около миллиона лет назад, разлетается струями длиной до 4 тыс. парсек; суммарная масса этого газа в 5*10⁶ раз больше массы Солнца. По всем признакам ядро нашей Галактики в прошлом имело высокую активность.

Благодаря радиоастрономическим наблюдениям в 1963 г. открыты квазизвездные источники радиоизлучения, сокращенно квазары. Полная мощность излучения квазара достигает 10⁴⁰—10⁴¹Вт, что в тысячи и десятки тысяч раз превосходит суммарное излучение звезд наиболее крупных галактик, в то время как линейные размеры компактного ядра квазара, которое является основным источником излучения, в миллионы раз меньше размеров галактик. Для квазаров характерна переменность потока излучения и оптическом и радиодиапазоне. Именно благодаря мощному радиоизлучению квазары обнаруживаются на самых больших расстояниях, до 3000 Мпк. Фотографии ближайших квазаров и радионаблюдения показывают их сложную структуру; выбросы вещества протяженностью в десятки тысяч парсек или слабосветящиеся туманности. Возможно, что квазары, так же, как и галактики, состоят из звезд и ядра незвездной природы, которые представляют собой массивное плазменное тело, обладающее сильным магнитным полем.