Дмитрий Вибе: заметки о протозвёздах и планетах (I)

В июле 2013 года в немецком городе Гейдельберге прошла 6-я конференция «Протозвёзды и планеты» (PPVI) — самый крупный всемирный форум специалистов по означенной теме.

За неделю сделано около сорока обзорных докладов и представлено больше шестисот стендовых. Первая половина конференции формально посвящена протозвёздам, вторая — протопланетам, однако на самом деле круг вопросов вынужденно оказывается более широким, ибо ситуация не только по сравнению с PPI, но и по сравнению с PPV изменилась очень сильно. Я не хочу сказать, что представления о формировании звёзд и планет кардинально пересматриваются каждые несколько лет, но как со стороны теории, так и со стороны наблюдений происходят серьёзные уточнения.

Главными событиями последних лет, безусловно, являются результаты работы «Спитцера» и «Гершеля». В частности, два этих инструмента позволили поставить на фактическую основу мысль, которая постепенно вырисовывалась на протяжении десятилетия: ни образование звёзд, ни образование планет не являются изолированными процессами. Иными словами, особенности планетной системы определяются предшествующей эволюцией протозвезды, эволюция протозвезды зависит от свойств родительского газопылевого облака, а облик родительского облака формируется в результате действия процессов, охватывающих значительную часть или даже всю межзвёздную среду галактики.

Поэтому на конференции PPVI гораздо больше внимания по сравнению с PPV было уделено не только индивидуальным протозвёздам и планетам, но и общей картине, в частности ответу на вопрос, почему вообще происходит звездообразование (ЗО) и почему оно может не происходить. Даже в наших близких окрестностях, например, мы видим такие разные области звездообразования, как облака в Тельце и Орионе. В первом случае наблюдается вялотекущее рождение звёзд малой массы, находящихся относительно далеко друг от друга. Во второй области рождаются не только маломассивные звёзды, но и те, что по массе в десятки раз превосходят Солнце, причём не поодиночке, а в скоплениях. И это далеко не предельные случаи. На небе можно увидеть облака, в которых ЗО вообще практически нет, несмотря на наличие исходного сырья (газа), а также области, где рождение звёзд происходит с интенсивностью, далеко превосходящей Орион.

Процесс звездообразования, особенно на больших расстояниях, выдаёт себя мощным инфракрасным излучением пыли, разогретой молодыми звёздами. Поэтому большой статистический материал о рождении звёзд накоплен в последние годы именно благодаря инструментам инфракрасного диапазона. И из этого материала вытекает, что необходимым условием для ЗО является, во-первых, наличие молекулярного (не атомарного) водорода, а во-вторых, достижение некоторой пороговой плотности газа. Если плотность ниже пороговой, звездообразования нет. Если она превышена, в газе начинают рождаться звёзды — тем интенсивнее, чем сильнее превышен порог.

В образовании звёзд просматривается определённая структура. Одной из характерных черт распределения вещества в молекулярных облаках, определённого при помощи «Гершеля», является иерархическая волокнистая структура. Именно в этих волокнах и формируются звёзды, причём тоже не во всех. Среди них, как и глобально среди облаков, выделяются «фертильные» и «стерильные» волокна. В целом возникает вывод о том, что ЗО является двухэтапным (как минимум) процессом: сначала в облаке формируются волокна, а потом в результате фрагментации волокон появляются протозвёздные сгустки.

Такая волокнистая структура, в общем-то, ожидаема. В последние годы популярна турбулентная модель звездообразования, согласно которой звёзды рождаются в местах столкновения турбулентных течений. В численных моделях турбулентных молекулярных облаков волокна образуются без проблем — правда, пока свойства (в том числе статистические) модельных протозвёзд в этих моделях не слишком сходятся с наблюдениями. В частности, реальный процесс ЗО очень неэффективен; в типичном молекулярном облаке в звёзды переходит от силы 5% массы, тогда как обычные турбулентные расчёты дают эффективность, измеряемую десятками процентов.

Чтобы решить эту проблему, в модели нужно вводить дополнительную физику. На докладах PPVI интересно было видеть, как в расчёты звездообразования постепенно возвращается магнитное поле. Оно доминировало в качестве дирижёра ЗО в моделях, существовавших до конца 1990-х годов, но потом его вытеснила турбулентность — до такой степени, что всего несколько лет назад широко принималась возможность полностью пренебрегать магнитным полем в областях ЗО. Ан нет, нельзя: магнитное поле всё-таки оказывается важным фактором подавления звездообразования, так что его необходимо учитывать, как бы это ни усложняло жизнь теоретикам.

Впрочем, это не самое страшное из необходимых усовершенствований численных моделей областей ЗО. Есть и более сложный фактор — feedback, обратная связь. Фрагментация вещества молекулярного облака приводит к появлению новых звёзд; энергетика этих звёзд начинает оказывать обратное влияние на эволюцию облака. Одним из элементов обратной связи, возможно, являются джеты — выбросы вещества из протозвёзд, точнее, из их окрестностей. Когда протозвезда ещё добирает на себя остатки протозвёздного вещества, его часть почему-то (вероятно, тут тоже не обходится без магнитного поля) не падает на протозвезду, а, наоборот, улетает от неё, фокусируясь в узкие струи, основание которых измеряется десятками астрономических единиц (если не меньше), а длина составляет иногда десятки тысяч астрономических единиц. Включить этот процесс в модель молекулярного облака очень сложно из-за громадной разницы пространственных масштабов.

Тем не менее учёт обратной связи стал важным новым трендом в моделях областей ЗО. Дело в том, что джеты выносят обратно в облако значительную кинетическую энергию, которая может, например, играть важную роль в поддержании турбулентности. Кроме того, энергию в облако возвращают и другие факторы — скажем, мощное излучение молодых звёзд и звёздный ветер. Их совокупным действием также объясняется низкая эффективность звездообразования: первые же родившиеся в облаке звёзды нагревают его и развеивают в окружающем пространстве.

Впрочем, энергетическое воздействие молодых звёзд необязательно препятствует ЗО; оно может и способствовать ему. Если, например, излучение массивной звезды сожмёт окружающее вещество до плотности выше критической, в этом веществе может начаться вторичное, стимулированное звездообразование. Правда, докладчик по этой теме (Джона Балли) был настроен скептически и сказал, что этот режим ЗО объясняет появление едва ли одной пятой всех рождающихся звёзд, по крайней мере в нашей Галактике.

Большие трудности и по сей день связаны с попытками описать и пронаблюдать сокровенный момент превращения газопылевого сгустка молекулярного облака в индивидуальную звезду. Здесь наблюдается интересная ситуация. Обилие планетных систем говорит о том, что образование звезды практически неминуемо сопровождается появлением околозвёздного диска. Так вот, оказывается, что добавление в модель ЗО магнитного поля подавляет не только образование «лишних» звёзд. Оно также мешает формироваться дискам. И что с этим делать, пока не ясно. Убираем магнитное поле — получаем слишком много звёзд. Добавляем магнитное поле — получаем слишком мало планет. Впрочем, нужно признать, что расчёты ЗО с необходимым уровнем физического наполнения находятся пока в самом начале пути.

Ещё один вопрос, который пока остаётся без внятного ответа, — это природа распределения звёзд по массам. Она оказывается удивительно универсальной: наблюдения старых и молодых звёзд в нашей Галактике, наблюдения звёзд в других галактиках — всё говорит о том, что рождающиеся звёзды всегда и везде распределены по массам примерно одинаково. Это очень странно — с учётом различий в химическом составе, в плотности газа, даже ещё и возможной двухэтапности… Как Природа умудряется в этих условиях по всей Вселенной изготавливать звёзды в одинаковых массовых пропорциях, пока не ясно.

Вначале я не совсем честно писал о конференции в прошедшем времени. На самом деле я пишу это, когда она ещё не завершилась. Колокол зовёт на новые доклады, так что про остальное напишу позже!

Источник: колонка Вибе