Как рождаются звезды?

Каковы же теоретические оправдания процесса сгущения разреженного межзвездного вещества в звезды под действием гравитации?

Оказывается, И. Ньютон достаточно полно сформулировал их задолго до появления первых наблюдательных указаний на гравитационную неустойчивость межзвездной среды. Через 5 лет после того, как И. Ньютон опубликовал свой закон тяготения, его друг, преподобный Ричард Бентли, стоявший тогда во главе Тринити-колледжа в Кембридже, в письме к Ньютону спрашивал о том, не может ли быть описанная им сила тяготения причиной образования звезд (как нам кажется, столь точная формулировка проблемы делает Р. Бентли соавтором высказанного Ньютоном принципа гравитационной неустойчивости).

В письме к Бентли от 10 декабря 1692 г. Ньюток отвечал: "Мне кажется, что если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было бы равномерно рассеяно в небесных глубинах, и если бы каждая частица имела врожденное тяготение ко всем остальным, и если бы, наконец, пространство, в котором была бы рассеяна эта материя, было бы конечным, вещество снаружи этого пространства благодаря указанному тяготению, влеклось бы ко всему веществу внутри и вследствие этого упало бы в середину всего пространства и образовало бы там одну огромную сферическую массу. Однако, если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, оно никогда не могло бы объединиться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться и Солнце и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе".

Таким образом, великий физик впервые сформулировал принцип гравитационной неустойчивости однородного вещества и, по существу, создал первую научную концепцию происхождения планет и звезд. Еще раз отметим стимулирующую роль вопроса, заданного Р. Бентли. В связи с этим можно вспомнить, хотя бы в качестве исторического курьеза, что через 17 лет после обмена письмами между Ньютоном и Бентли другой "служитель культа", епископ Джордж Беркли, использовал авторитет и высказывания Ньютона для обоснования своих сугубо идеалистических взглядов на мир. "Моя доктрина, - писал он, - прекрасно соответствует идее творения: я считаю, что ни материя, ни звезды, ни Солнце и т. д. не существовали прежде". После Ньютона такие взгляды воспринимались уже вполне естественно.

Создав паровой двигатель и теоретическую термодинамику, ученые XIX в. поняли, что поведение разреженного вещества зависит не только от силы тяжести, но и от запасенной в нем тепловой энергии. Точное решение задачи о гравитационной неустойчивости получил в 1902 г. английский теоретик Джеймс Джине. Изучая распространение звуковых волн в газе с учетом сил гравитации, он показал, что существует критическое (теперь мы говорим - джинсовское) значение длины звуковой волны (hJ), разделяющее сферы влияния гравитации и газового давления.

Если создать в газе уплотнение с характерным размером h < hJ, то сила гравитации поборет давление газа, и уплотнение уже не сможет расшириться, а будет продолжать сжиматься под действием собственной тяжести.

Чтобы понять, почему поведением коротковолновых возмущений плотности управляет сила газового давления, а длинноволновых - гравитация, рассмотрим их влияние на вещество как бы по отдельности. Если бы отсутствовало газовое давление, то под действием гравитации все вещество облака собралось бы к его центру за время свободного падения (tпад), которое зависит только от средней пространственной плотности газа, а значит, оно имеет одинаковое значение для возмущений плотности с любым характерным размером.

С другой стороны, в случае отсутствия гравитации сила газового давления заставила бы облако расшириться. В свободном состоянии газ расширяется со скоростью, близкой к скорости звука, т. е. близкой к средней скорости теплового движения молекул. Значит, характерное время расширения некоторого газового объема (tрас) можно оценить, разделив его размер на скорость звука в газе. Поскольку же скорость звука зависит только от температуры и химического состава газа, время расширения прямо пропорционально размеру облака.

Следовательно, в возмущениях плотности маленького размера (tпад > tрас) газовое давление всегда будет успевать перераспределить вещество таким образом,. чтобы воспрепятствовать дальнейшему сжатию. И напротив, возмущения плотности большого размера (tпад рас), случайно возникнув, уже не смогут вновь расшириться: у них на это просто не хватит времени, так как гравитация сработает быстрее, чем сила газового давления. Этот процесс и называется гравитационной (или джинсовской) неустойчивостью.

Проделанные выше рассуждения можно перевести с языка характерных времен на язык сил, который дает возможность более точно определить значения критической длины волны (hJ) и массы (MJ) гравитационно неустойчивого возмущения плотности. Это было сделано Дж. Джинсом в начале нынешнего века, исследовавшим процесс гравитационной неустойчивости с помощью точных уравнений распространения звуковых волн в газе. Но в, этих уравнениях, кроме силы газового давления, впервые фигурировала и сила собственной гравитации газа. До Джинса эту "малую поправку" никто не принимал во внимание. Действительно, в лабораторных условиях она ничтожна, но в масштабах галактики эта сила вполне реальна, и на равных правах с давлением частиц и магнитного поля она управляет движением огромных масс межзвездного газа.

Спустя 240 лет после письма Ньютона к Бентли Джине написал в своей книге "Звезды в их развитии" (в русском переводе "Движение миров". - М., 1933): "Предположим, что в начале времен все пространство было заполнено газом… Тогда можно доказать, что газ не оставался бы равномерно распределенным в пространстве, а немедленно стал бы собираться в шары. Мы можем вычислить, сколько газа потребуется для образования каждого шара".

Действительно, в отличие от Ньютона Джине мог это вычислить. Таким образом, от гипотезы Ньютона до теории Джинса потребовалось построение всей классической физики, занявшее два с половиной века. Принимая во внимание только давление газа и гравитацию" Джине получил простые формулы для вычисления критических параметров гравитационно неустойчивых возмущений плотности. Как показывают эти формулы, и минимальный размер (hJ), и минимальная масса (МJ) таких возмущений увеличиваются с ростом температуры газа и уменьшаются с ростом его плотности.

Формулы эти были получены еще в начале века, когда не имелось почти никакой информации о состоянии межзвездной среды, прежде всего о многообразии физических условий и процессов в ней. Вероятно, поэтому сам Джине довольно легкомысленно заметил: "…для нас ясно, почему все звезды имеют очень сходный вес; это потому, что все они образованы одинаковым процессом. Они, пожалуй, похожи на фабричные изделия, сделанные одной и той же машиной". Как выясняется теперь, звезды в действительности очень разнообразны: диапазон их масс охватывает не менее трех порядков величины, есть заметные различия и в их химическом составе, в напряженности магнитного поля, в скорости вращения.

И все же именно теперь мы в полной мере ощутили силу формул Джинса. Если взять в качестве типичных мест формирования звезд мелкомасштабные конденсации в молекулярных облаках, где температура Т=(5-20) К и концентрация частиц п=(104 - 106) см-3 и использовать эти значения для вычисления МJ по Джинсу, мы получим МJ=(0,03-3) Mс. Прекрасный результат, если вспомнить, что в этой простой формуле удалось "миновать" такие важные физические факторы, как упругость межзвездного магнитного поля, внешнее газовое давление, гравитация уже имеющихся в газе и вокруг него звезд, вращение газового облака и т. д.