Звездные скопления

Звезды, как и люди, не любят одиночества. Астрономы хорошо знают, что большинство звезд образуют семьи. Это могут быть небольшие семьи — двойные, тройные, кратные звезды — или огромные скопления. Галактики можно считать гигантскими семьями или «звездными городами».

Некоторые созвездия очень хорошо выделяются на небе. Например, созвездие Ориона. Многие люди думают, что это звезды, которые как-то связаны друг с другом. Но это не так — по крайней мере, для большинства созвездий. В этом основное отличие созвездий от звездных скоплений. В скоплениях звезды соединяет главенствующая сила во Вселенной — сила гравитации, которая не позволяет звездам уходить далеко от той области, которую они занимают. Астрономы говорят, что звезды скопления гравитационно связаны. Гравитация — всюду проникающая сила. Она руководит рождением, жизнью и эволюцией звезд. Она же создает звездные скопления, кратные звезды и управляет их жизнью.

Согласно современной теории, звезды и их скопления рождаются в холодных плотных облаках молекулярного газа. В нашей галактике такой газ сосредоточен в тонком слое, в котором находится и Солнечная система. Если газ холодный, сила его давления не может уравновесить его тяготение, и облако может сжиматься. Облака газа очень клочковатые. В них есть места с более высокой и более низкой температурой. Области с самой низкой температурой являются зародышами, из которых рождаются звезды.

Благодаря сжатию или коллапсу облака, одновременно возникает все скопление и отдельные звезды в нем. Маломассивные звезды рождаются из самой холодной среды, температура которой составляет десятки кельвинов (минус 260-250 градусов Цельсия). Чем больше температура, тем более массивны рождающиеся звезды.

От массы звезд зависит количество энергии, которое они испускают. Горячие массивные звезды сразу после рождения начинают разгонять родительское газовое облако своим мощным потоком излучения. Когда масса облака сильно уменьшается, многие звезды, которые двигались с достаточно большими скоростями, покидают область, в которой родились. Но в каких-то местах первичного газового облака остается группа звезд, которая становится звездным скоплением.

Плеяды, Гиады, Ясли — хорошо известные и видимые невооруженным глазом звездные скопления. Скопления были открыты давно. Уильям Гершель, его сын Джон Гершель и другие астрономы активно открывали звездные скопления в нашей галактике и заносили их в свои каталоги. Один из французских астрономов Шарль Мессье — известный ловец комет — создал каталог объектов, которые были похожи на кометы, но ими не являются. В его каталоге очень много рассеянных и шаровых звездных скоплений.

Шаровые скопления видны глазу или в телескоп как яркие шары, состоящие из звезд с ярким свечением в центральной области. Они очень массивны — содержат многие тысячи или даже миллионы звезд. Рассеянные скопления — например, Плеяды — небольшие группы звезд. Французский астроном Лакайль когда-то посчитал вероятность увидеть в небольшой области неба семь ярчайших звезд Плеяд. Вероятность оказалась ничтожной, и он решил, что это реально связанные между собой объекты (хотя еще не понимал, что они связаны гравитацией).

Внешний вид — не главное различие между шаровыми и рассеянными скоплениями. Они различны по происхождению, химическому составу звезд, возрасту, пространственному распределению и по орбитам скоплений. Рассеянные скопления населяют тонкий диск галактики. В каталогах их содержится около четырех тысяч. Большей части мы не видим из-за обилия пыли. Астрономы оценивают полное число скоплений в диске примерно в 50 или в 100 тысяч объектов.

Шаровых скоплений в нашей галактике известно 160, а общее их число вряд ли превосходит 200. Они населяют огромное гало, окружающее тонкий диск. Это наиболее древние объекты галактики, возраст которых превышает десять миллиардов лет. Скорее всего, они образовались на самых ранних стадиях первичного коллапса протогалактики, поскольку в атмосферах их звезд мы не видим химических элементов тяжелее гелия. Они практически полностью состоят из первичного вещества — водорода и гелия — с небольшой примесью тяжелых элементов.

Рассеянные скопления образовывались из вещества обогащенного тяжелыми элементами при вспышках сверхновых. Их возрасты меняются в широких пределах. Возраст скоплений, которые рождаются на наших глазах — сотни тысяч, миллионы лет. Возраст самых старых приближается к возрасту шаровых скоплений.

Рассеянные и шаровые скопления движутся по разным орбитам. Рассеянные принимают участие в общем вращении галактического диска со скоростями больше двухсот километров в секунду. Орбиты шаровых ориентированы хаотически. Они огибают галактическое ядро и уходят на большие расстояния.

Звезды скопления возникают из одного молекулярного облака. Следовательно, они имеют одинаковый возраст, почти одинаковый химический состав и располагаются примерно на одном расстоянии от нас. Все наблюдаемые различия — по цвету, по видимому блеску — связаны с различием их масс. По ярчайшим звездам мы можем что-то судить о возрасте скоплений.

Принципы определения возраста скоплений очень просты. Массивные звезды излучают огромную энергию и быстро умирают, потому что запасы энергии пропорциональны массе, а полная светимость пропорциональна кубу массы. Поделив запасы энергии на энерговыделение, мы получаем время жизни. Время жизни падает обратно пропорционально квадрату массы. В молодых скоплениях мы можем видеть яркие, массивные, горячие звезды, а в старых такие звезды давно умерли. По наличию или отсутствию ярких горячих звезд мы можем сделать достаточно точный вывод о возрасте скопления. Это касается и шаровых скоплений, в которых самые яркие и горячие звезды — менее массивные, чем Солнце, красные гиганты.

Возможность определения возраста делает скопленимя летописцами истории галактики. Связав воедино возрасты скоплений, их пространственное распределение и скорости, химический состав звезд, который мы умеем определять спектроскопическими методами, мы можем восстановить историю нашей галактики. Как, где, когда, в каком количестве рождались звезды, каково было содержание тяжелых элементов в газе, из которого они формировались.

Не так давно были обнаружены немногочисленные сверхскопления. Первое было обнаружено в туманности Тарантул, которая находится в Большом Магеллановом Облаке — крупном спутнике нашей галактики. В докосмическую эру это скопление считалось одиночной звездой, потому что телескопы того времени не были способны различить много звезд, сосредоточенных в малом объеме, на расстоянии в 150 тысяч световых лет. С появлением крупных телескопов, в том числе космических, удалось разрешить это скопление на звезды. Это оказалось очень массивное, плотное и компактное молодое скопление со звездами в 10 миллионов раз ярче нашего Солнца. Такие звезды в 200 раз превосходят Солнце по массе и не встречаются в нашей галактике.

Но по крайней мере два сверхскопления в нашей галактике обнаружены. Они закрыты очень толстым и плотным слоем галактической пыли, который не позволяет наблюдать их в оптическом диапазоне. Однако в инфракрасном диапазоне пыль почти прозрачна.

Во многих галактиках есть ядерные звездные скопления. В самом центре нашей галактики расположено скопление из миллионов звезд возрастом в несколько миллионов лет. В его центре расположена сверхмассивная черная дыра, масса которой более чем в четыре миллиона раз превосходит солнечную. Звезды в этой области движутся с очень высокими скоростями, достигающими тысяч километров в секунду.

Звездные скопления — типичное население галактик — и эллиптических, и спиральных. В эллиптических галактиках известны десятки тысяч шаровых скоплений — особенно в гигантских, вроде Мессье 87. Это главная гигантская эллиптическая галактика, центр сверхскопления галактик, к которому принадлежит и наша. Скопления есть и в небольших галактиках. В Магеллановом Облаке их тысячи. Возможность определять возрасты звездных скоплений используется для выявления истории образования звезд и в других галактиках. С этой точки зрения звездные скопления крайне важны для современной астрономии.

Звездных скоплений известно мало (около 4-х тысяч рассеянных), и для многих плохо определены характеристики. Их важно исследовать, поскольку мы считаем скопления летописцами галактики. Однако есть серьезная помеха. На область неба, в которой мы видим скопление, проецируются звезды ближнего и дальнего фона. Чтобы определить характеристики скопления, необходимо точно знать, какие звезды расположены там, где находится скопление. Это сложная наблюдательная задача, над которой ведутся работы.

Несколько групп астрономов по всему миру занимаются систематическим открытием новых скоплений, опираясь на инфракрасные наблюдения. Наша галактика гораздо прозрачнее в инфракрасном диапазоне, благодаря чему удалось открыть сотни новых рассеянных скоплений, около десятка шаровых и несколько карликовых спутников галактики.