Открытие звездных ассоциаций и определение возраста звезд

В.Г. Горбацкий

Звезда, подобно Солнцу, является огромным газовым шаром и только вследствие своей удаленности от Земли кажется точечным источником света. По мощности излучения (светимости) звезды не одинаковы - существуют "гиганты",светимость которых превышает солнечную в сотни раз, и "карлики" со значительно меньшей, чем у Солнца, светимостью. В звездах заключена очень большая - может быть даже преобладающая - доля всего доступного наблюдениям вещества Вселенной, и поэтому исследование звезд необходимо для создания научной картины мира.

Вплоть до XVIII века астрономы занимались определением положений звезд на небе и их видимых движений, не задаваясь вопросом о том, из чего и как они образовались. Тем более, не ставились вопросы о времени образования звезд и причинах их свечения - если не принимать во внимание теологические воззрения по этому поводу. После открытия Ньютоном универсального свойства природы - всемирного тяготения, им было высказано (в частном письме) предположение о том, что звезды образовались из некоторой разреженной среды, в которой возникали сгущения, уплотнявшиеся под действием тяготения.

После того, как в XIX веке был сформулирован закон сохранения энергии, стало ясным, что Солнце, а, значит, и звезды, не может все время терять теплоту путем излучения, и когда-то источник энергии должен иссякнуть. Таким образом, была установлена ограниченность времени существования Солнца как светила. В то же время появились данные геологии о возрасте Земли, согласно которым он не менее сотен миллионов лет. Так как планеты Солнечной системы не могут быть старше центрального тела - Солнца, то его возраст должен быть порядка миллиарда лет. Никакие из предполагавшихся тогда источников энергии не могли обеспечить столь большую продолжительность свечения Солнца.

Решению вопроса о природе источников энергии, излучаемой звездами, предшествовали теоретические исследования внутреннего строения звезд, а также определение, по наблюдениям спектров излучения, химического состава звездных атмосфер. Более ста лет тому назад было показано, что газовый шар может находиться в равновесном состоянии - не опадать к центру под действием собственного тяготения - только в том случае, если давление газа в нем возрастает в направлении центра и, следовательно, в том же направлении увеличиваются температура и плотность газа. Из расчетов следовало, в частности, что в центре Солнца температура газа должна быть порядка десяти миллионов градусов. Анализ спектра излучения звезд показал, что в составе звездного газа основным элементом является водород.

В первой половине XX века развитие ядерной физики достигло такого уровня, что стало возможным рассчитывать эффективность различных термоядерных реакций. Как было установлено в конце 30-х годов, при физических условиях, существующих в центральной области Солнца и звезд, могут происходить реакции, приводящие к объединению четырех протонов (ядер атома водорода) в ядро атома гелия. В результате такого объединения освобождается энергия и, как следовало из расчетов, этим путем обеспечивается свечение Солнца в течение миллиардов лет. У звезд-гигантов, расходующих свое ядерное горючее (протоны) более расточительно, время жизни должно быть гораздо короче, чем у Солнца - всего десятки миллионов лет. Из этого был в те же годы сделан вывод о рождении таких звезд и в наше время. Относительно звезд меньшей массы, подобных Солнцу, многие астрономы продолжали придерживаться мнения, что все они, как и Солнце, образовались миллиарды лет тому назад.

В конце 40-х годов В.А. Амбарцумян использовал совершенно иной подход к проблеме определения возраста звезд. Он основывался на имевшихся в то время обширных наблюдательных данных о распределении звезд различных типов в пространстве, а также на результатах собственных исследований динамики звезд, то есть их движений в гравитационном поле, создаваемом всеми звездами Галактики.

В.А. Амбарцумяном были сделаны на указанной основе два важнейших не только для астрофизики, но и для всего естествознания вывода:

  1. Звездообразование в Галактике продолжается и в настоящее время.
  2. Рождение звезд происходит группами.

Эти выводы не зависят ни от предположений о механизме образования звезд, который в те годы не был установлен с уверенностью, ни от природы источников звездной энергии. Они базируются на сделанном В.А. Амбарцумяном открытии нового вида звездных скоплений, названных им звездными ассоциациями.

До обнаружения звездных ассоциаций астрномам были известны в Галактике звездные группировки двух типов - открытые (или рассеяные) скопления и шаровые скопления. В открытых скоплениях концентрация звезд не очень значительна, но все же они выделяются на фоне звездного поля Галактики. Скопление другого типа - шаровое - отличается высокой степенью концентрации звезд и при недостаточно хорошем разрешении представляется единым телом. Такое скопление состоит из сотен тысяч звезд, создающих достаточно сильное гравитационное поле, которое удерживает его от быстрого распада. Оно может существовать долгое время - порядка 10 миллиардов лет. В открытом скоплении насчитывается несколько сотен звезд и, хотя оно представляет собой гравитационо связанную систему, эта связь не очень прочная. Скопление может распасться, как показали сделанные В.А. Амбарцумяном расчеты, за несколько сотен миллионов лет.

Звездная ассоциация является пространственной группировкой звезд, принадлежащих к определенному типу (относительно редких). Парциальная плотность таких звезд (концентрация на единицу площади небесной сферы) в ассоциации велика, но она меньше средней плотности всех звезд в данной области небесной сферы. В.А. Амбарцумян обратил внимание на распределение переменных звезд типа Т Тельца, которых в то время насчитывалось всего несколько десятков. Эти звезды, характеризующиеся необычными, крайне нерегулярными изменениями блеска и присутствием эмиссионных линий в спектрах, не свойственным их спектральному классу (G или K), образуют несколько групп, занимающих небольшие участки небесной сферы. Вероятность того, что в такие группы, названные Т-ассоциациями, звезды типа Т Тельца собрались случайно, совершенно ничтожна, и поэтому следует считать, что все они образовались в этих группах.

Звезды - члены ассоциации практически не связаны друг с другом силой тяготения, но испытывают гравитационное воздействие других звезд, находящихся в этой области, в результате которого ассоциация распадается. Составляющие ее звезды рассеиваются среди звезд поля. Вычисление времени, за которое Т-ассоциация должна распасться, привело к заключению о том, что оно не превосходит нескольких миллионов лет. Следовательно, возраст наблюдаемых звезд типа Т Тельца должен быть того же порядка, то есть они очень молоды по сравнению с Солнцем.

Так как светимость звезд типа Т Тельца невелика, то в 40-е годы можно было наблюдать только те из Т-ассоциаций, которые находятся достаточно близко от Солнца. В.А. Амбарцумян нашел, что за время существования Галактики могло образоваться около миллиона Т-ассоциаций. Точное количество звезд, содержащихся в ассоциации, установить затруднительно, поскольку наряду со звездами типа Т Тельца в ней могут быть звезды и других типов, например так называемые объекты Хербига-Аро, "орионовы переменные" и другие. Однако можно полагать, что в Т-ассоциациях образовались сотни миллионов находящихся в Галактике звезд.

В.А. Амбарцумяном были выделены также группы звезд-гигантов высокой температуры, относящихся к спектральному классу O, которые были названы им О-ассоциациями. По своей численности в Галактике такие звезды сильно уступают звездам типа Солнца и карликам. Они наблюдаются в значительном количестве лишь благодаря своей большой светимости, позволяющей увидеть даже те из них, которые находятся на больших расстояниях от Земли. У них наблюдается тенденция к группированию, хотя не столь отчетливо выраженная, как у звезд типа Т Тельца. Тем не менее, В.А. Амбарцумян показал на основе тех же соображений и расчетов, которые были использованы при изучении Т-ассоциаций, что они являются сравнительно молодыми объектами. Тем самым был подтвержден аналогичный вывод о звездах класса O, полученный по расчетам энергетики термоядерных реакций. Вместе с тем, В.А. Амбарцумяном было впервые установлено, что и гиганты класса O рождаются группами - по-видимому, вместе со звездами меньшей светимости. Последнее обстоятельство подтверждается тем, что в некоторых из O-ассоциаций содержится значительное количество звезд типа Т Тельца.

В.А. Амбарцумяном была отмечена связь Т-ассоциаций с диффузными газовыми туманностями. Этот наблюдательный факт сыграл в дальнейшем существенную роль в развитии теоретических представлений о том, как образуются звезды.

Открытия В.А. Амбарцумяна вначале были встречены некоторыми астрономами с недоверием и вызвали ряд дискуссий. Однако исследования звездных ассоциаций и процесса звездообразования в них, проводившиеся как отечественными, так и зарубежными астрономами, подтвердили правильность основных выводов, к которым пришел В.А. Амбарцумян, и большую ценность их для звездной космогонии.

18 декабря 2000 г.

http://www.astronet.ru/db/msg/1179741 Примечание. Статья написана по заказу для сборника "Сто великих открытий XX века", издание которого подготавливается Институтом прикладной астрономии РАН.

Рубрика: