Что изучает звездная динамика? Какие механизмы приводят к распаду звездных скоплений? Какую информацию астрономы могут получить, изучая шлейфы распавшихся звездных скоплений? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Расторгуев.

Ничто не вечно под Луной, и ничто не вечно в галактике. Мы знаем, что звезды рождаются, живут и умирают, то же самое происходит со звездными скоплениями и даже с галактиками. Самое интересное состоит в том, что сила, которая рождает звездные скопления, — та же сила приводит к их гибели. Это вездесущая и всепроникающая сила гравитации.

Область астрономии, которая занимается жизнью, смертью звездных скоплений, их эволюцией, называется звездной динамикой. В этой науке изучается влияние гравитации на жизнь отдельных звезд и жизнь скопления в целом. Большой вклад в развитие этой науки внесли советские ученые — Виктор Амбарцумян, Татеос Агекян, Вадим Антонов. Это классики звездной динамики, и очень многие результаты, которые относятся к эволюции и гибели звездных скоплений, были получены ими.

Расскажу, под действием каких механизмов живут и умирают звездные скопления. Все эти механизмы объединяет гравитация. Первый из этих механизмов — это сближение звезд в звездных скоплениях. Это не столкновение звезд. Дело в том, что лобовые столкновения звезд совершенно невероятны. Предположим, что мы уменьшили Солнце до размеров шарикоподшипника, до одного сантиметра, и другие звезды в солнечной окрестности до такого же размера. Тогда мы можем легко сообразить, что ближайшая к нам звезда размером в один сантиметр должна находиться на расстоянии в сотни километров от нас. И понятно, что лобовая встреча, лобовое столкновение двух шариков, разделенных расстоянием в сотни километров, совершенно невозможно.

Рекомендуем по этой теме:
47260
Рождение и эволюция звезд

Тем не менее звезды могут проходить друг относительно друга, при этом испытывая взаимное тяготение. При таком сближении, которое не сопровождается столкновением, они слегка меняют свои орбиты, и, как всегда, кто-то что-то теряет, кто-то что-то находит: одна звезда в результате такого сближения получает избыток энергии, другая свою энергию уменьшает. И в звездном скоплении в результате таких сближений все время возникают звезды, у которых энергии хватает на то, чтобы уйти за пределы скопления. Другими словами, их скорость превышает вторую космическую скорость. У скопления, как и у Земли, очевидно, есть вторая космическая скорость, и превышение этой скорости означает, что звезда уже вылетит из скопления. Следовательно, скопление постоянно теряет звезды.

Характерное время такого процесса в принципе велико — оно разное для рассеянных скоплений и для шаровых. У рассеянных скоплений это примерно 10 миллионов лет, для шаровых скоплений это примерно миллиард лет. За такое время звездное скопление теряет примерно 1% своей массы. Но, поскольку эволюция идет в ускоренном темпе, полное разрушение только за счет этого механизма возможно за 30–40 таких времен — это время жизни.

К сожалению, это не единственный механизм разрушения. Есть второй механизм — приливные силы. Что такое приливные силы, знают прекрасно все, кто бывал на океанском или морском берегу. Время от времени лунное притяжение создает приливные волны. Луна, как тяготеющее тело, притягивает сильнее тот край Земли, который ближе к ней, и слабее тот, который дальше от нее. В результате возникает разность сил, которая приводит к возникновению двух приливных волн: одна на стороне Земли, обращенной к Луне, другая на противоположной стороне Земли. Приливные влияния Луны чувствует не только океан, но и земная кора, но там амплитуды приливных возмущений невелики.

Звездное скопление ничем не отличается в этом плане от Земли.

Звездное скопление живет не само по себе, а в мощном гравитационном поле своей родительской звездной системы, в нашем случае галактики.

Двигаясь по орбите в галактике, оно испытывает постоянные возмущения своей формы. Эти возмущения приводят к тому, что некоторым звездам становится легче уйти из скопления. Поэтому приливные эффекты, приливные силы ускоряют процесс потери звезд и сокращают время жизни.

Есть еще одно следствие гравитации, которое приводит к дополнительному ускорению и разрушению скоплений, — очень красивый механизм динамического трения. Его легче всего проиллюстрировать, представив себе, что через звездный рой движется массивный объект, звездное скопление. Звезды чувствуют силу тяготения скопления и обтекают его по гиперболическим орбитам. В результате создается эффект гравитационной фокусировки за скоплением. За движущимся скоплением образуется избыток плотности звезд, который тянет скопление назад, тормозит его. Поэтому этот механизм называется динамическое трение — как бы трение, но ничего там не трется, а только звезды окрестностей тормозят движение скопления. В результате энергия, которую имеет скопление на орбите, постоянно уменьшается, скопление по спирали приближается к центральным областям галактики, там вступают в действие мощные приливные силы, которые ускоряют распад.

Эти три механизма приводят к распаду звездных скоплений. Конечно, время жизни зависит от массы скопления, от орбиты скопления, от многих факторов, но уже ясно, что за счет этих трех механизмов рассеянные звездные скопления живут в галактике очень мало. Астрономы оценивают время жизни типичного рассеянного звездного скопления — скопления вроде Гиад, Плеяд — в 300–400 миллионов лет — это всего лишь полтора оборота Солнца в нашей Галактике. У шаровых скоплений время жизни превышает десятки миллиардов лет, по крайней мере у тех скоплений, которые мы видим. Но это может означать только то, что мы сейчас наблюдаем скопления, которым судьба изначально сулила долгую жизнь: они были массивными, компактными и в наибольшей степени сопротивлялись действию динамических механизмов. Не исключено, что в нашей Галактике когда-то на заре ее эволюции возникли скопления небольшой массы, которые за это время успели давно распасться.

Но даже после смерти звездные скопления еще служат астрономам. В последние годы астрономы научились выделять среди звезд галактического фона шлейфы распавшихся скоплений. Дело в том, что звезды уходят из звездного скопления не в разные стороны, а они образуют два хвоста: один движется перед скоплением по той же самой орбите, а другой — за ним. Эти хвосты очень длинные, и несмотря на то, что мы не имеем возможность следить за движением самого скопления по орбите, потому что-то, что мы видим на протяжении нескольких лет или десятилетий, нам не дает возможности судить о форме орбиты, зато форма шлейфа полностью соответствует форме орбиты.

Рекомендуем по этой теме:
4597
Смерть звезд

Изучая формы шлейфов, их динамику и структуру, мы можем восстановить форму гравитационного потенциала нашей Галактики. Одна из основных задач современной астрономии, которая изучает процессы распада звездных скоплений, — это как раз оценка вклада темной невидимой массы в полное гравитационное поле Галактики. В этом плане распадающиеся шаровые скопления и карликовые спутники Галактики, на которой те же механизмы так же действуют, дают неоценимую информацию о том, как распределена масса в Галактике. Другими средствами мы это сделать не можем.

Что касается рассеянных скоплений, у которых время жизни мало, хотя оно в среднем 300–400 миллионов лет, есть скопления старые, которые имеют возраст в 10 миллиардов лет, значит, они более устойчивы по отношению к процессами, которые приводят к их гибели; есть скопления совсем мелкие, которые живут еще короче. Полное число скоплений оценивается примерно в 50–100 тысяч, но за время жизни Галактики в ее диске наверняка распалось огромное количество скоплений, их наверняка было миллионы. И не исключено, что большое число звезд, которые мы наблюдаем как звезды, не входящие в какие-то скопления, когда-то покинули скопления, в которых они родились, потому что современная теория звездообразования говорит о том, что большинство звезд рождается из молекулярных облаков совместно, затем по каким-то причинам они покидают эти облака и те звезды, которые жили в скоплениях, так же покидают свои родительские скопления.

Несколько исследовательских групп в мире ищут в этой связи возможных братьев и сестер нашего Солнца, то есть звезд, которые родились вместе с Солнцем в каком-то из молекулярных облаков. Возможно, они в свое время входили в такие звездные скопления.