Вселенная, жизнь, разум - Иосиф Шкловский

Мы можем считать, что не горячие звезды аномально быстро вращаются, а наоборот, холодные карликовые звезды почему-то очень медленно вращаются. По аналогии с Солнцем следует как бы напрашивающийся вывод: причина медленного вращения звезд главной последовательности, начиная со спектрального класса F5 и более поздних, — наличие вокруг них планетных систем, по какой-то пока неизвестной причине «вобравших» в себя большую часть первоначального момента того сгустка вещества, из которого сформировались звезды и планеты.

Мыслимы по крайней мере два механизма «перекачки» момента от центральной звезды к планетам. Первый такой механизм был предложен известным шведским физиком и астрономом Альвеном, который обратил внимание на то, что роль «передаточного ремня» может выполнять магнитное поле. Развитие идеи Альвена содержится в космогонической гипотезе английского астрофизика Хойла, выдвинутой в 1958 г.

Следуя классической традиции, Хойл считает, что планеты образовались из некоторой газопылевой туманности. В первоначальную эпоху плотность вещества в этой туманности была очень низка. Отдельные «куски» туманности двигались друг относительно друга с беспорядочными скоростями. Величина таких скоростей, как следует из наблюдений «диффузных» туманностей, около 1 км/с.

По этой причине первичная туманность должна обладать некоторым моментом количества движения, причем он оказывается очень большим (главным образом из-за больших размеров туманности — порядка нескольких световых лет). Если бы в процессе конденсации момент количества движения сохранялся, то экваториальная скорость «новорожденной» звезды была бы почти равна скорости света. Поскольку, однако, это заведомо не так, необходимо допустить, что по крайней мере 99 % момента количества движения было потеряно туманностью до того, как образовалась звезда. Такая «утечка» момента, согласно Хойлу, может быть обусловлена межзвездным магнитным полем. Так как силовые линии этого поля, «приклеенные» к конденсирующемуся облаку, уходят в бесконечность, то, как оказывается, вдоль них, как по гибким струнам, может «перекачиваться» момент от облака к окружающей его межзвездной среде. Однако такой процесс «перекачки» по причине, на которой мы не можем здесь останавливаться, будет идти только до тех пор, пока плотность облака не станет достаточно высокой. Начиная с этого времени эффективная передача момента от облака к окружающей среде прекратится.

Этот результат имеет большое значение, так как он не позволяет объяснять очень медленное вращение сравнительно холодных звезд (в том числе Солнца) передачей момента сжимающейся туманностью окружающей межзвездной среде. Как показывают расчеты, выполненные Хойлом, оставшийся момент, если бы он был сосредоточен только в сконденсировавшейся звезде, соответствовал бы экваториальной скорости вращения последней в несколько сот километров в секунду. Именно такие скорости вращения наблюдаются у сравнительно горячих звезд. Коль скоро более холодные звезды вращаются очень медленно, необходимо допустить, что они потеряли свой момент только после того, как первичная туманность сжалась до небольших размеров, например до размеров Солнечной системы.

Остается объяснить два факта:

а) почему звезды, спектральные классы которых более поздние, чем F5, потеряли почти весь свой вращательный момент?

б) почему это не произошло у более горячих звезд?

Чтобы ответить на эти вопросы, обратим внимание на то, что по мере сжатия туманность (мы можем теперь называть ее «протозвездой») будет вращаться вокруг своей оси все быстрее и быстрее. Можно показать, что при массе протозвезды, равной солнечной, и при радиусе, превышающем солнечный в 40 раз, центробежная сила на экваторе будет уравновешивать силу притяжения. Наступает состояние неустойчивости, и вещество отделяется от звезды, образуя экваториальный диск. Пока это еще соответствует схеме Лапласа.

Однако в формирующейся звезде можно ожидать наличия общего магнитного поля. Если силовые линии этого поля проходят через отделившийся диск (а в процессе отделения диска они не могли «порваться»), вращение оставшейся основной массы протозвезды будет закручивать их. В результате существования такой «магнитной» связи между отделившимся от протозвезды диском и ее основной массой из-за натяжения силовых линий вращение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет удаляться от поверхности протозвезды, причем каждая его точка будет уходить наружу по спирали. С течением времени диск вследствие трения «размажется», и часть его вещества превратится в планеты, которые таким образом «унесут» с собой значительную долю момента.

Почему же такой процесс происходит у сравнительно холодных протозвезд, а у более горячих нет? Ответ на этот важный вопрос состоит в следующем. Масса отделившегося от протозвезды диска не очень велика, поэтому диск не может «намотать» на себя большое количество витков силовых линий магнитного поля. В противном случае упругость силовых линий разорвала бы его и дальнейший процесс «наматывания» прекратился. Единственное место, где могут находиться наматываемые витки силовых линий, — это внешние слои протозвезды. В процессе такого наматывания силовые линии должны погружаться в сравнительно глубокие слои протозвезды. Оказывается, что благоприятные условия для такого «погружения» силовых линий имеются только у сравнительно холодных звезд. Именно у таких звезд под поверхностью находится довольно толстый слой вещества, охваченный бурными, беспорядочными движениями вверх и вниз. Первопричиной образования таких слоев является то, что ввиду падения температуры по мере приближения к поверхности звезды водород, до этого ионизованный, становится нейтральным. Из-за этого нарушается тепловой режим, теряется механическая устойчивость и возникают конвективные потоки газа. При этих условиях магнитные силовые линии, как бы «приклеенные» к движущимся потокам газа, могут погружаться на значительные глубины под поверхностью протозвезды.

Если же протозвезда достаточно горяча, водород в ней ионизован вплоть до самых поверхностных слоев и «конвективной зоны» не образуется. Поэтому силовые линии магнитного поля не могут уходить вглубь. Они будут наматываться только в самых поверхностных слоях, причем очень недолго. Довольно скоро вследствие малой плотности вещества в этих слоях упругость силовых линий приведет к сбрасыванию нового газового диска, в то время как старый еще не успеет получить сколько-нибудь значительного момента количества движения.

Таковы в общих чертах основные результаты космогонической гипотезы Хойла. Она довольно непринужденно объясняет резкость обрыва вращения звезд в районе спектрального класса F5. Эта резкость вызвана, в конечном итоге сильной зависимостью ионизации атомов водорода от температуры. Уже у звезд класса F0, температуры поверхностей которых всего лишь на 2000 К выше, чем у F5, конвективная зона начинается так близко от поверхности, что эффективное наматывание силовых линий почти исключается. Приходится только удивляться сложности взаимосвязей явлений, приводящих к такому «жизненно необходимому» для возникновения и развития жизни во Вселенной процессу, как образование планет…

Гипотеза Хойла, однако, имеет ряд трудностей и противоречий. Например, нелегко представить, как могли «отсортироваться» избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты.

Однако главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у «протосолнца», резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.

В 1962 г. французский астрофизик Шацман обратил внимание на то, что наличие магнитных полей на звездах открывает возможность эффективной потери вращательного момента без образования планет. Известно, что наше Солнце является источником потоков заряженных частиц — корпускул, выбрасываемых из его атмосферы (солнечный ветер). Отдельные сгустки горячего ионизованного газа как бы «выстреливаются» из областей, окружающих солнечные пятна, и движутся от Солнца со скоростями в несколько сот и даже тысяч км/с. Так как ионизованное вещество таких сгустков является хорошим проводником электричества, то их движение должно происходить по силовым линиям солнечных магнитных полей. На больших расстояниях от солнечных пятен магнитные поля имеют почти радиальное направление. Двигаясь радиально вдоль силовых линий, сгустки могут уходить на значительные расстояния от поверхности Солнца, исчисляемые десятками его радиусов.

Теперь необходимо отметить, что силовые линии магнитного поля Солнца, концы которых уходят в его глубокие слои, вращаются вокруг оси с той же угловой скоростью, что и поверхностные слои. Наглядное представление об этом дает проволочный каркас, прикрепленный к вращающемуся шару. Отсюда следует, что выброшенный из Солнца сгусток по мере его движения вдоль силовых линий наружу будет непрерывно увеличивать свой вращательный момент. Если в конце концов он «сорвется» с силовых линий солнечного магнитного поля (которое на больших расстояниях уже значительно ослабеет и не сможет больше определять движение сгустка), то унесет с собой довольно значительный момент.