Как ни странно, но решение о необходимости создания звездной космогонии созрело у астрономов лишь после того, как многочисленные попытки создания космогонии планетной потерпели неудачу. Сегодня трудно сказать, кому первому пришла в голову мысль попытаться ответить на вопрос о происхождении яйца, минуя курицу.
И вот после обсуждения многих остроумных предположений ученые оставили в своем резерве два. Первое объединяет сторонников образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды. Идея его заключается в том, что по каким-то причинам в глубинах космоса начинает вдруг конденсироваться облако межзвездной материи. На вопрос: «По каким же причинам?» — сторонники гипотезы делают отсутствующий вид. Им, дескать, это безразлично. Важно лишь то, что под влиянием сил всемирного тяготения такое облако скоро превращается в непрозрачный газовый шар — протозвезду, которая, продолжая сжиматься, разогревается. Часть энергии, освобождающейся при этом, начинает излучаться в пространство.
Такую протозвезду можно расположить на диаграмме Герцшпрунга — Рессела вправо от главной последовательности в области красных гигантов или карликов, в зависимости от массы.
Сторонники первой гипотезы считают, что одновременно образуется не одна протозвезда, а целое семейство их, причем сгустки с меньшей массой в будущем могут дать планеты. Таким образом, гипотеза претендует на универсальность.
Пока звезда не родилась, давление в центре сгустка не уравновешивает сил притяжения отдельных его частей и протозвезда продолжает сжиматься и сжиматься, а температура в ее недрах расти и расти. Так продолжается до тех пор, пока условия в центре не окажутся подходящими для начала термоядерной реакции. К этому времени протозвезда уже «садится» на главную последовательность знакомой нам диаграммы. Давление внутри ее уравновешивает притяжение и сначала замедляет, а потом и вовсе останавливает сжатие. Протозвезда становится звездой.
Конкурирующая гипотеза родилась сравнительно недавно. Ее сторонники — сотрудники Бюраканской астрофизической обсерватории во главе с нашим современником, академиком В. А. Амбарцумяном. Они предполагают, что звезды рождаются не из разреженной, а, наоборот, из сверхплотной «дозвездной» материи. Это тоже протозвезды, но обладающие плотностью вещества, состоящего из одних атомных ядер. И хотя противники этой гипотезы старательно запихивают в ее колеса палки потолще в виде каверзных вопросов, в 1963 году были открыты удивительные квазары, сильно поднявшие акции бюраканцев.
Помогло и открытие колоссального взрыва в Галактике М82. Произошел он примерно миллиона полтора лет назад — совсем недавно — и настойчиво свидетельствует о возможности существования в ядрах некоторых галактик особого сверхплотного состояния вещества. А это предположение уж и вовсе наводит на серьезное отношение к высказанной гипотезе. Значительно более серьезное, чем этого хотелось бы сторонникам «газа и пыли».
Жизнь и смерть звезды
«Камнем преткновения работы Рессела и работ всех астрофизиков, занимавшихся изучением строения звезд и звездной эволюции в двадцатых-тридцатых годах нашего столетия, был неизвестный источник звездной энергии», — пишет О. Струве в своей книге «Астрономия XX века». Никто не сомневался, что подсчитать энергию, выделяющуюся при ядерных процессах, можно по формуле эквивалентности массы и энергии, выведенной Эйнштейном: Е = МС2. Но как именно? Если верить формуле, то в ходе эволюции звезда должна терять значительную часть своей массы, «худеть». А этого, по наблюдениям, не происходило.
Короче говоря, вопрос об источнике звездной энергии рыбьей костью застрял в горле науки. Требовалось срочное вмешательство. И вот на проблему сомкнутыми рядами двинулись теоретики: представители астрономии и физики. Пожалуй, нет ни одного выдающегося ученого, который не отдал бы дань этому вопросу: Ландау и Шайн в СССР, в США — Гамов и Шварцшильд, в Англии — Хойл, в Индии — Чандрасекхар… Чтобы не подвергать искушению терпеливого читателя, автор прервет список. Тем более что эрудиция его в данном вопросе уже вне подозрений.
Теоретики во что бы то ни стало хотели «найти правдоподобные процессы, которые в ходе звездной эволюции приводили бы к наблюдаемому распределению звезд на диаграмме Герцшпрунга — Рессела» и удовлетворительно объясняли бы скорость образования солнечной (а следовательно, и вообще звездной) энергии без существенной потери массы. Теории и идеи следовали друг за другом. К 1939 году накопилось столько материала, что сотрудник Корнеллского университета (США) немецкий физик Г. Бете смог дать, наконец, окончательное решение. Он установил все реакции углеродно-азотного цикла, при котором в условиях адской температуры (13 миллионов градусов в центре Солнца) четыре атома водорода соединяются, образуя один атом гелия. Этот процесс освобождает действительно такое большое количество энергии, что на ближайшие 10 миллиардов лет человечество может быть вполне спокойно за судьбу собственного светила.
По мере «выгорания» водорода в центральной части светила оно само начинает перемещаться по диаграмме и сходит с главной последовательности в правую сторону. Быстрее всего это проделывают звезды, обладающие большой массой, рыхлые, с разреженной атмосферой.
Звезды-карлики значительно долговечнее. Поэтому наше Солнце, несмотря на свой почтенный возраст (ему примерно 6 миллиардов лет), все еще находится на главной последовательности и может считаться «зрелым и полным сил».
Чем меньше водорода остается в центре звезды, тем выше становится ее температура, увеличивается молекулярный вес звездного вещества и термоядерные реакции бурлят сильнее. Звезда становится прозрачнее. И с Земли мы замечаем, как растет при этом светимость звезды. Если бы нам удалось встретиться с этаким космическим Агасфером — парнем, которому лет миллиард, — он наверняка, в отличие от знакомых нам стариков, рассказал бы, что Солнце с возрастом стало сиять ярче. Это утверждение не расходится с мнением современных ученых: за последний миллиард лет светимость Солнца должна увеличиться на 20 процентов.
Когда же водорода в ядре звезды останется не более одного процента, термоядерные реакции гелиевого синтеза больше не смогут поддерживать температуру, а значит, и давление в ее центре. Тогда равновесие снова нарушается и звезда опять начинает сжиматься. Сжатие подогревает выдохшееся светило. Центральная часть звезды уплотняется. Ее вещество превращается в «гущу», состоящую из одних гелиевых ядер. Теперь термоядерная реакция продолжается в более внешних слоях. И от этого звезда начинает увеличиваться в объеме. Светимость ее стремительно нарастает. Спокойное светило словно распухает, превращаясь в красного гиганта.
Дальше процесс эволюции мчит, как на курьерских. Когда температура ядра повысится до 100–140 миллионов градусов, начинает действовать новый механизм: тройной гелиевый процесс превращения гелия в углерод. Эта реакция дает меньше энергии, и звезда в состоянии красного гиганта или сверхгиганта существует сравнительно недолго.
Дальнейшая жизнь или, вернее, смерть звезды представляется сегодня таким образом: расширение оболочки красного сверхгиганта может привести к тому, что силы притяжения не смогут больше ее удерживать, и тогда… Тогда возможен ряд вариантов.
Первый — газовая оболочка медленно отделяется от сверхплотного центрального ядра, оставляя на месте бывшего сверхгиганта белого карлика. Сама же оболочка продолжает расширяться и уходит в пространство в виде туманности, становясь все реже и реже.
Второй вариант более драматичен. В старых китайских летописях скрупулезные императорские астрономы оставили любопытную запись. В 1054 году в созвездии Тельца внезапно вспыхнула необыкновенно яркая звезда. Она светила так ярко, что по ночам деревья, освещенные ее светом, отбрасывали тени, а днем она видна была даже на ярком солнечном небе.
Невиданное светило скоро погасло. И когда астрономы разыскали и прочитали эту запись (а случилось это лишь в 1942 году) и направили в место, указанное китайцами, свои телескопы, они увидели на фотографиях только две слабые звездочки шестнадцатой звездной величины в самом центре знаменитой Крабовидной туманности. Одна из них, по исследованиям Минковского, скорее всего не имеет к туманности никакого отношения. Зато другая! Ее поверхностную температуру оценивают в 500 тысяч градусов. Так что это самая горячая (!) из известных звезд. И вероятно, она-то и есть все, что осталось от китайской сверхновой.
Стоит заметить, что принять клочья белесого тумана за краба можно лишь при большом воображении. Тем не менее этот космический краб довольно проворен. Разлетается он в разные стороны со скоростью не менее 1000 километров в секунду! И при этом имеет радиоголос, по мощности уступающий только двум источникам нашего неба — в созвездиях Кассиопеи и Лебедя.
Загадка взрывов сверхновых долго не давала спать астрономам, чем, безусловно, способствовала прогрессу науки. Наконец, два советских теоретика, В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский, придумали очень правдоподобное объяснение явлению. Правдоподобное по крайней мере для сегодняшнего состояния науки.
В этом объяснении — драматическая суть второго варианта смерти звезды. Колоссальный взрыв сбрасывает газовую оболочку со звезды, производя вокруг страшные разрушения. Струи ионизированного газа, разлетаясь, переплетаются в причудливые узоры светящейся туманности и образуют невероятно сложное магнитное поле. В его лабиринте веками блуждает по запутанным траекториям множество заряженных частиц, порожденных взрывом. Одни ускоряются, приобретают субсветовые скорости, другие тормозятся. И все они излучают радиоволны. Часть этого излучения мы видим, часть принимаем на антенны радиотелескопов. Туманная оболочка, расширяясь, идет на пополнение запасов межзвездного вещества, а покинутое оболочкой ядро умершей звезды — это отходы, шлак. Правда, они еще сыграют довольно любопытную роль, но об этом позже. Пока можно считать, что количество межзвездного вещества во вселенной все время уменьшается, а количество шлака, наоборот, растет.
Дать точное и всестороннее описание процесса эволюции звезд пока никто не в состоянии. При этом виднейшие теоретики признаются, что «если решение вопроса о происхождении звезд сегодня еще достаточно противоречиво и неточно, то проблема жизни звезды, ее судьбы и эволюции представляется еще менее определенной».