Факты звездообразования в отсутствие необходимого для конденсации газа

1. Шаровые скопления

Шаровые скопления считались однородными объектами, население которых сформировалось практически одномоментно, в едином акте звездообразования. Однако в последнее время постоянно обнаруживаются несовместимые с этими представлениями факты, такие как, например, подсистемы, обладающие различными динамическими характеристиками, градиенты химического состава, объекты неожиданно больших масс, молодые звезды, странные структуры, которые заведомо не могут быть долговечными и сохраняться на протяжении всего срока жизни шарового скопления. Все это свидетельствует о продолжающемся звездообразовании.

Низкие параболические скорости в поле скопления (10–30 км/с) исключают возможность сохранения остатков газа для вторичной конденсации в звезды. Газ неизбежно должен был быть выметен еще на ранней стадии существования скопления: ветром звезд, вспышками Сверхновых. Кроме того, шаровые скопления периодически (раз в 10⁸–10⁹ лет) проходят через диск или ядерную область Галактики, где полностью должны терять запасы газа и пыли при взаимодействии с относительно плотной диффузной средой. Эти обстоятельства также исключают возможность обогащения диффузной материи скопления тяжелыми элементами по любой из известных схем. Захват обогащенного газа из диска и центральной области Галактики невозможен, поскольку средние скорости шаровых скоплений около 200 км/с значительно превышают указанные выше параболические скорости для скоплений, и скопление пройдет через любую богатую газом область, как картечь сквозь дым костра. Тем не менее, многие шаровые скопления имеют признаки вторичного звездообразования и содержат по меньшей мере две подсистемы, различающиеся по содержанию тяжелых элементов, а также по концентрации к центру и по динамике входящих в эти подсистемы звезд.

Это означает, что по крайней мере второе поколение звезд образовалось иным путем, нежели конденсацией газа в звезды. Рассмотрим наиболее яркие и хорошо известные по описаниям в литературе и в Интернете примеры. Многие из этих фактов известны уже более полувека.

1.               Подсистемы звезд, имеющих различные законы убывания плотности вдоль радиуса.

«Кривая плотности звезд», построенная Джоном Гершелем для скопления 47 Tuc, явно образована наложением двух колоколообразных кривых (на фотографиях хорошо заметно значительно более плотное ядро — оно бросается в глаза на следующем рисунке). Это свидетельствует о наличии двух подсистем, имеющих различную плотность, которая спадает к периферии по разным законам. (Дж. Гершелю можно доверять –– наверняка он унаследовал от отца навыки подсчета звезд в поле, использовав его знаменитый «метод черпков» для звезд и скоплений в южном полушарии.)

Рис. 1. Кривая плотности звезд 47 Tuc по Дж. Гершелю (Холопов П.Н. 1981) и фотография скопления

 

Аналогичный вид имеет кривая распределения переменных звезд типа RR Lyr в скоплении ω Cen, полученная Холоповым (Холопов П.Н. 1981, 1953):

Холопов (1981) так комментирует этот рисунок: «Если бы кривая F (r) не была «материализована» большим числом точек, а ее пришлось бы проводить, как это делают многие, всего лишь через несколько точек, такие детали кривой f (r), как резкое изменение градиента плотности (выделение мое — А.Т.) в районах r » 6 и 16,5 были бы потеряны». Это резкое изменение градиента также свидетельствует о существовании различных по параметрам подсистем шарового скопления.

2.               Флуктуации химического состава звезд вдоль радиуса.

В упомянутом скоплении 47 Tuc наблюдается радиальный градиент силы полос CN в спектрах. Полосы сильнее в центре, что согласуется с предположением о молодости ядра, отличающегося повышенной плотностью и более резким падением ее к периферии.

В скоплении ω Cen обнаружено две подсистемы звезд: со слабыми и с сильными полосами CN (Фриман 1985):

3.               Существование звездных подсистем, различающихся по химическому составу и кинематическим характеристикам.

Подсистема звезд ω Cen со слабыми полосами CN вращается быстрее вокруг оси вращения ω Cen, чем подсистема с сильными полосами CN (Фриман 1985).

Дисперсия скоростей звезд скопления М 13 изотропна в центре и существенно анизотропна за пределами 7 радиусов ядра (300″; на хороших снимках скопление имеет размеры, превышающие 20¢) (Гудворт и др. 1985).

4.               Присутствие объектов населения I: нормальных B2 звезд в М 13 и O8 звезды в М 3; несколько долгопериодических переменных в 47 Tuc известны с 1930-х годов, тогда же начались открытия классических цефеид в шаровых скоплениях, сейчас известны принадлежащие им звезды типа RV Tau.

5.               Существование «ультрафиолетовых» –– наиболее ярких в УФ, звезд скоплений, более ярких, чем звезды горизонтальной ветви.

6.               «Радиальные и преимущественно касательные изогнутые» цепочки красных гигантов, замеченные еще Вильямом Гершелем, а впоследствии заново открытые Фесенковым (Фесенков В.Г. 1951), наблюдаемые в центральной области М 13, свидетельствуют о молодости составляющих их звезд. Сходство параметров звезд, образующих такие неустойчивые конфигурации, означает их реальное, а не случайное соседство, следовательно, эти образования и входящие в них звезды должны быть действительно молоды.

Недавние внеатмосферные наблюдения шарового скопления Palomar 5 показывают, что значительная часть ярких его звезд (наиболее яркие на снимке –– звезды поля) образует протяженные цепочки.

 

Рис. 2. Звездные цепочки в удаленном скоплении Pal5

Это удаленное скопление находится в Магеллановом поясе (см. «Этюды внегалактической астрономии») и входит в плоскую систему ближайших спутников Галактики. Поэтому его возраст должен совпадать с возрастом окружающих Галактику карликовых систем. Однако звездные цепочки в шаровом скоплении не могли бы сохраниться в течение (13–16)·10⁹ лет. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что в скоплении относительно недавно происходило вторичное звездообразование. Если вспомнить, что скопление Palomar 5 находится в межгалактическом пространстве, а также сказанное о параболических скоростях для скоплений, становится очевидной невозможность образования нового поколения звезд путем конденсации газа.

7.          Диффузное вещество в шаровых скоплениях, было давно открыто в виде отдельных пятен, напоминающих глобулы (Идлис Г.М., Никольский Г.М. 1959, Идлис Г.М. 1961, Робертс 1960). Ввиду малых значений параболической скорости, при котором невозможен как захват, так и длительное удержание газа и пыли, его следует считать не материалом, а продуктом звездообразования. Со времен В. Гершеля известно заметное на фоне скопления М 13 трехлучевое поглощающее образование, напоминающее пылевые структуры в молодых туманностях Trifid, NGC 2023 и некоторых других. Если структуры, проецирующиеся на М 13, физически связаны с ним, это –– еще одно свидетельство недавнего звездообразования.

Рис. 3. Рисунок Б. Стони (1850) и современная фотография (автор А. Мартысь, 20-см рефрактор ГАИШ). Рисунок из статьи А.Ю. Остапенко, «Земля и Вселенная» № 3, 1992

Daniel Folha and Simon Tulloch (Isaac Newton Group of Telescopes. http://www.ing.iac.es). Jacobus Kapteyn telescope (1 м). Размер кадра — 11´,3

То, что «пропеллер» находится внутри скопления косвенно подтверждается тем, что при больших экспозициях он полностью исчезает: можно предположить, что он замывается светом звезд, расположенных ближе к наблюдателю, как часто бывает при наблюдении пылевых структур галактик.

Однако существуют и более впечатляющие примеры. В знаменитом и, казалось бы, хорошо изученном скоплении ω Cen обнаруживаются спиральные «зоны избегания» звезд, хорошо видимые на ультрафиолетовом изображении скопления. Яркие в ультрафиолете звезды также образуют фрагменты спиралей.

Рис. 4. Скопление w Cen в визуальных лучах и в ультрафиолете

Поскольку шаровые скопления — достаточно однородные образования, можно предположить, что темные отрезки спиралей представляют собой области, заполненные пылью. О неизбежном периодическом выметании диффузной среды из шаровых скоплений при прохождении через диск или центр Галактики было сказано выше. Значения параболической скорости для шаровых скоплений не позволяет предположить, что диффузная материя может накапливаться внутри них, она неизбежно будет выметаться даже слабым ветром звезд и при прохождении галактической плоскости. Следовательно, наблюдаемые в этом старом скоплении спиральные структуры являются новыми образованиями и свидетельствуют о продолжающемся космогоническом процессе.

Пылевые зоны в w Cen представляют собой дуги или отрезки спиралей, то есть весьма неустойчивые в динамическом отношении структуры, что можно рассматривать как дополнительное свидетельство их молодости. Если предположить, что спиральная структура образована группированием ярких в УФ звезд, вывод остается тот же: мы наблюдаем недавно образовавшуюся структуру.

Кроме того, бросается в глаза, что изображение в визуальной области слегка вытянуто почти вертикально — позиционный угол большой оси эллипса равен 20° (Холопов П.Н. 1953a), а ультрафиолетовые звезды образуют систему, вытянутую в перпендикулярном направлении — почти горизонтально. Следовало бы построить изофоты в разных лучах для этого (а также и для других) скопления, чтобы убедиться в правильности зрительного восприятия. Такое различие в ориентации больших осей также свидетельствовало бы о существовании двух различных подсистем звезд. (В моей наблюдательной программе эта задача была поставлена еще много лет назад, но до сих пор не удалось приступить к ее выполнению.)

В интегральном свете по меньшей мере у двадцати шаровых скоплений наблюдается «поворот больших осей эллипсов равной плотности (изофот — А.Т.) с переходом к менее плотным частям скоплений» (Холопов П.Н. 1953a). Это явление аналогично изменению изофот некоторых эллиптических галактик (см. «Этюды внегалактической астрономии») и свидетельствует также о длительном процессе звездообразования. Такое поведение изофот свидетельствует о том, что шаровое скопление невозможно представить в виде однородных и соосных эллипсоидов. Как и в случае галактик, это свидетельствует о существовании уплощенных подсистем, плоскости симметрии которых не совпадают. Трудно найти такой сценарий гравитационного коллапса газового протоскопления, в котором с течением времени плавно изменяется направление оси вращения, особенно — ввиду достаточно изолированного положения шаровых скоплений, когда явно отсутствуют источники возмущений.

Пылевые спирали (или, по крайней мере, дуги) и звездные цепочки заметны также в центре скопления 47 Tuc (Изображение: M. Shara (STScI), R.A. Safer (Villanova), M. Livio (STScI), WFPC2, HST, NASA) –– кружками отмечены голубые бродяги — прелюбопытные в космогоническом аспекте объекты, о которых я скажу чуть позже.

Рис. 5. Центр скопления 47 Tuc

8.               Раздвоение диаграмм Гершцпрунга–Рессела.

Горизонтальная ветвь на диаграмме шаровых скоплений может иметь совершенно неожиданное истолкование — как свидетельство двух этапов звездообразования. Диаграммы однородных по возрасту рассеянных скоплений согласно Трюмплеру демонстрируют постепенное заполнение горизонтальной ветви с увеличением возраста скоплений, определяемого из спектрального класса ярчайших их членов.

Рис. 6. Типы диаграмм «абсолютная величина — спектральный класс» по Трюмплеру (1925) из книги Холопова (Холопов П.Н. 1981). Цифра «1» означает, что все яркие члены скопления принадлежат Главной последовательности, цифра «2» означает, что наряду со звездами Главной последовательности в скоплении имеются красные гиганты; буквы b, a и f указывают, к какому спектральному классу относятся ярчайшие звезды Главной последовательности.

В той же книге Холопова приведена сводная диаграмма для различных скоплений как шаровых, так и рассеянных, принадлежащих Галактике и Магеллановым Облакам.

Диаграммы скоплений разного возраста подтверждают приведенное выше предположение. Сам Холопов комментирует этот рисунок подобным же образом:

«Рис. 165 наглядно свидетельствует о сходстве физической эволюции звездных скоплений, не зависящей в общих чертах от различий их массы и химического состава. Сходный характер физической эволюции членов рассеянных и шаровых скоплений свидетельствует об отсутствии принципиальных различий между этими образованиями».

9.                    Голубые бродяги, находящиеся вблизи линии Главной последовательности для скопления, но на несколько звездных величин выше точки поворота, возможно, являются звездами Главной последовательности более молодой подсистемы. Некоторые экземпляры видны на приведенном выше изображении центра 47 Tuc. Исследовавший их Рекс Сафер (Rex Safer, Villanova University) является автором часто цитируемого открытия: массы голубых бродяг оказались в несколько раз выше ожидаемого предела для доступного наблюдениям населения шаровых скоплений. Это обстоятельство побудило его выдвинуть весьма малоправдоподобную на мой взгляд гипотезу о столкновениях и слиянии звезд. Мне кажется более вероятным, что они в абсолютном смысле моложе; то есть я полагаю, что они являются результатом вторичного звездообразования, как и перечисленные выше объекты в шаровых скоплениях. Яркие «ультрафиолетовые» звезды также свидетельствуют о неоднородном по возрасту населении. Как уже отмечалось, в некоторых из шаровых скоплений обнаруживаются по меньшей мере две подсистемы, различающиеся особенностями химического состава или динамическими свойствами. Поэтому вполне возможно, что горизонтальная ветвь шаровых скоплений, как и часть главной последовательности выше точки поворота, населена звездами следующего поколения.

10.                Этот вывод не кажется удивительным ввиду обнаружения Петерсоном (Петерсон 1983) необычайно высоких скоростей вращения звезд горизонтальной ветви (см. пункт 8). Вместо ожидаемых экваториальных скоростей порядка 0,3 км/с –– в предположении об их возрасте ~10¹⁰ лет, у многих из исследованных Петерсоном звезд скорости достигают величин 10–30 км/с, причем более половины из 25 изученных звезд имеют экваториальные скорости более 10 км/с. Такие скорости вращения свидетельствуют об относительной молодости звезд, которые не могут быть ровесниками старейших членов скопления, прошедшими стадию гигантов, в которой вращение звезд значительным образом тормозится.

11.                Существуют рассеянные скопления, например, М 67, имеющие диаграмму Г–Р, сходную с диаграммами шаровых, — у них также имеется горизонтальная ветвь. Более старое, но однородное по химическому составу рассеянное скопление NGC 188 не имеет горизонтальной ветви. Учитывая сказанное, можно предположить, что в скоплении М 67 также произошла еще одна вспышка звездообразования. О вторичном звездообразовании в М 67 свидетельствуют также раздвоенные диаграммы (B–V)/lgS_HK –– зависимость интенсивности излучения в линиях Ca от показателя цвета (Марочник Л.С., Сучков А.А. 1984, с. 134). Ниже приводится рисунок из этой книги, представляющий раздвоенную диаграмму для карликов F–M околосолнечной окрестности. Как указывают Марочник и Сучков, Барри и др. в 1981 году обнаружили аналогичное разделение у звезд старого скопления М 67, авторы пришли к выводу, что оно связано с различием возраста и свидетельствует о двух вспышках звездообразования 5·10⁹ и 3·10⁹ лет тому назад.

Рис. 7

12. Наконец, недавно я нашел ссылки на две работы, посвященные скоплению w Cen. В первой (Michael Hilker et al. The extended star formation history of omega Centauri — см. astro-ph/0406017) сообщается, что по измерениям металличности звезд удалось определить продолжительность звездообразования в этом скоплении. Разброс звездных возрастов оказался порядка 3 миллиардов лет. Во второй (L. R. Bedin et al. The double main sequence of Omega Centauri — см. astro-ph/0406076) сообщается об открытии двойной главной последовательности звезд скопления. Кроме того, обнаружены дополнительные ветви субгигантов. Все это свидетельствует о двух по меньшей мере вспышках звездообразования, что совершенно невозможно в рамках традиционных представлений о звездообразования: как было указано в самом начале, параболические скорости в шаровых скоплениях исключают возможность сохранения запасов газа, а прохождения через диск приводят к его полному выметанию.

И совсем недавно (May 2, 2007. News Release Number: STScI-2007-18. Hubble Finds Multiple Stellar 'Baby Booms' in a Globular Cluster. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2007/18/) появилось сообщение об обнаружении трех (!) поколений звезд в скоплении NGC 2808, причем все звезды скопления образовались в течение первых 200 миллионов лет его жизни (возраст скопления оценивается в 12,5 млрд лет). Каждое последующее поколение имеет более голубые цвета, что авторы открытия объясняют бóльшим содержанием гелия в молодых звездах.

Хоть это и одно из самых массивных шаровых скоплений в Галактике (около миллиона масс Солнца), оно не могло удержать обогащенный газ остатков Сверхновых — даже старые (затормозившиеся в газовой среде диска) остатки имеют скорости расширения в десятки и сотни км/с, а начальные скорости — тысячи км/с. Первое поколение звезд должно было очень быстро вымести своим ветром газ из скопления, так что тормозиться остаткам было бы не в чем. Таким образом, ни обогащение, ни само сохранение газовой среды в скоплении невозможно.

Итак, в шаровых скоплениях происходит повторное звездообразование при отсутствии необходимого для этого по современным представлением газа.

 

Литература

Гудворт и др., 1985: Cudworth K. et all. Dordrecht e.a., 1985, 65–67.

Идлис Г.М., 1961: Подтверждение наличия диффузной среды в шаровых звездных скоплениях, АЖ, 1961, 38, № 1, с. 184.

Идлис Г.М., Никольский Г.М., 1959: Диффузная среда в шаровых звездных скоплениях, АЖ 1959, 36, № 4, с. 668.

Марочник Л.С., Сучков А.А., 1984: Галактика. М.: Наука, 1984.

Петерсон, 1983: Peterson R.C. ApJ, V. 275. P.737, 1983.

Робертс, 1960: Roberts M.S., AJ 1960, 65, No 8, 457.

Фесенков В.Г., 1951: АЖ 1951 т. XXVIII, вып. 4, с.215–218.

Фриман, 1985: Freeman K.C. Dordrecht e.a., 1985, 33–41.

Холопов П.Н., 1953: АЖ, т. 30, с. 426–441.

Холопов П.Н. 1953a: Видимое распределение звезд в двадцати шаровых скоплениях. Труды ГАИШ, 23, 1953, 250–301.

Холопов П.Н., 1981: Звездные скопления. М., Наука, 1981.