меню содержание news305 news306 news307
Суперзвезду родила неустойчивость
|
Рождению самых массивных звёзд помогает тот же физический механизм, что лежит в основе правила
«не понижать градус», – неустойчивость Релея – Тейлора. С помощью суперкомпьютера астрономы ра-
зобрались, как на свет появляются «суперзвёзды», которых, казалось бы, быть не должно.
Происхождение самых массивных звёзд – одна из величайших загадок всей астрономии. Грубо говоря,
потому что появиться очень большие звёзды никак не могут – родиться им мешает их собственный свет.
Все звёзды образуются в плотных холодных облаках газа и пыли, которые благодаря этой пыли могут
остыть настолько, что начинают сжиматься под действием собственной гравитации. В сжимающемся
облаке, которое поначалу имеет неправильную форму, вскоре образуется центр – это зародыш будущей
звезды. А дальше уже именно на него падает окружающее вещество, зародыш растёт, превращаясь в
протозвезду, и в какой-то момент плотность и температура в центре этого газового шара вырастают
настолько, что запускается ядерная реакция превращения водорода в гелий. Выделяется энергия, и за-
жигается собственно звезда – небесное тело, которое светит за счёт термоядерных реакций в центре.
Слишком плотная загадка
Спутник CoRoT нашёл сразу несколько внесолнечных планет и загадочный тёмный объект неизвест-
ной природы. Его масса в 50 раз меньше, чем у Солнца, а плотность в 4 раза больше, чем у свинца ...
Однако такая простая схема работает лишь для относительно небольших звёзд. Дело в том, что в про-
цессе сжатия облака и выпадения газа на протозвезду выделяется его гравитационная энергия. В ре-
зультате вещество разогревается и начинает светиться, а этот свет давит на новые порции газа, затор-
маживая их падение.
Для небольших звёзд в этом противостоянии гравитации и давления световых лучей, преимущество
долго остаётся за гравитацией, и лишь с появлением ядерного источника энергии в центре звезды свет
празднует победу. Излучение вновь родившейся звезды испепеляет пыль в её окрестностях и выметает
из них газ, а рост молодой звезды, долгие годы шедший за счёт аккреции ( падения окружающего газа ),
прекращается.
Проблема в том, что с протозвёздами покрупнее это случается раньше. Протозвёзды типичного хими-
ческого состава, масса которых достигает 20 масс Солнца, ещё до начала ядерных реакций уже светятся,
как 50 тысяч солнц, и этого уже хватает, чтобы остановить падение новых порций газа. Рост останав-
ливается, а когда центральная протозвезда доживает до термоядерного синтеза, её светимость лишь
увеличивается, не оставляя оставшемуся снаружи газу никаких шансов вновь приблизиться к звезде,
пока она жива.
Отсюда следует простой вывод: звёзд тяжелее 20 масс Солнца быть не должно. Проблема только в том,
что они есть.
Астрономам уже полвека известны звёзды в 80 раз массивнее Солнца, а не так давно в нашей Галактике
были обнаружены исполины в 120 раз массивнее нашей родной звездочки. Более того, в Большом Ма-
геллановом облаке – галактике-спутнике Млечного пути, есть двойная звезда R145 ( HDE 269928,
Brey 90), массы компонент которой составляют, судя по всему, примерно 125 и 300 масс Солнца!
Один пример вы легко можете наблюдать любым летним вечером. Масса Денеба – главной звезды в
созвездии Лебедя, расположенной в хвосте небесной птицы, – оценивается в 25 масс Солнца.
Чего только не придумывали астрофизики, чтобы решить проблему. Пытались слепить их из несколь-
ких менее массивных звёзд, экспериментировали с химическим составом, старались учесть всё вели-
кое множество эффектов физики плазмы – и всё напрасно. Самая большая звезда, которую удавалось
«слепить» учёным in silico – в компьютерных моделях, весила лишь в 40–50 раз больше Солнца и до це-
ли не дотягивала в несколько раз.
Судя по всему, теперь эта проблема решена. Астрофизикам под руководством Марка Крумхольца из
Калифорнийского университета в американском Санта-Крусе удалось показать, что газ может легко
«проскользнуть меж пальцев» света и невероятная яркость звезды этому не помеха. Результаты работы
Крумхольца и его коллег приняты к публикации в Science.
Решение дал не какой-то физический эффект, который учёные проглядели и не учли в прежних своих
вычислениях, а грубая сила суперкомпьютеров в калифорнийском Сан-Диего и компьютерная програм-
ма американских физиков-ядерщиков, приспособленная астрономами под решение своих задач. Моде-
лирование ядерных взрывов физически не так уж и отличается от образования звезды, в обоих случаях
главный процесс - это взаимодействие газа с излучением. Астрономы лишь добавили в программу учёт
самогравитации газа (и, вероятно, выбросили из него секретные параметры ядерных зарядов – как аме-
риканских, так и российских, взрывы которых ядерщики США также вынуждены расчитывать ).
Крумхольцу и его коллегам впервые удалось провести полномасштабное трёхмерное моделирование
сжатия протозвёздного облака – в масштабах и с точностью, способной уловить все необходимые де-
тали этого процесса.
Учёные проследили за эволюцией газового облака массой в 100 масс Солнца на протяжении 57 тысяч
лет, сжатых до нескольких лет напряжённой программистской работы и четырёх месяцев интенсивного
счёта в суперкомпьютерном центре.
Уже через 3,5 тысячи условных лет после старта симуляций в центре облака образовался тот самый за-
родыш, на который и происходило выпадение вещества в дальнейшем. Внешний газ быстро образовал
так называемый аккреционный диск - почти плоское образование, в котором газ теряет угловой момент,
обладая которым не может упасть на протозвезду. Через этот диск газ в течение 20 тысяч лет плавно
осаждался на поверхность будущего светила, и за этот небольшой промежуток времени на протозвезду
«нападало» ни много ни мало 11 солнечных масс, которые светились уже как 10 тысяч солнц.
Тем временем сам диск стал настолько плотным, что взаимное притяжение частиц в нём породило
плотную спиральную волну вроде тех, что наблюдаются в звёздных дисках галактик. Это, впрочем, не
остановило рост протозвезды: в следующие 5–6 тысяч лет она потолстела ещё на 6 солнечных масс.
А вот дальше рост замедлился, потому что светимость тела превысила допустимый барьер. Сила давле-
ния излучения превозмогла гравитацию, и газ начал потихоньку оттекать. В первую очередь «над» и
«под» плоскостью диска, где раздулись своего рода «пузыри», давление в которых поддерживает не газ,
практически отсутствующий здесь, а свет. Сам диск хотя бы частично экранирует яркий центральный
источник, поэтому такие пузыри всегда поджаты с боков.
Но совсем падение газа не остановилось. На границе пузырей развились неустойчивости.
Неустойчивость Релея-Тейлора
возникает, например, на границе более плотной жидкости, налитой на ровную поверхность менее
плотной жидкости, как в коктейле. Кого-то может удивить, но с точки зрения гидростатики, эта систе-
ма находится...
В первую очередь неустойчивость Релея – Тейлора – та самая, из-за которой более плотная жидкость,
как ни старайся осторожно налить её поверху, перемешается с менее плотной. В прежних, двумерных
осе-симметричных моделях уже появлялись намёки на эти неустойчивости, но лишь при полноценном
трёхмерном моделировании они проявили себя во всей красе.
За счёт неустойчивости Релея – Тейлора тонкие нити более плотного и более тёмного газа смогли
«стекать» во вращающийся аккреционный диск, образуя в нём сгустки. Образуйся эти сгустки где-
-нибудь сами по себе – и мы бы назвали их полноценными протозвёздами. Однако диск, вращающий-
ся вокруг исполинской протозвезды, увлекал их за собой, и за счёт трения они со временем падали на
её поверхность. Центральная протозвезда продолжала расти, значительно превысив теоретический
«предел» в 20 масс Солнца, за которым, казалось бы, не должно было быть звёзд.
Более того, никаких признаков того, что этот рост когда-то закончится ( пока не исчерпается всё исход-
ное облако), учёным увидеть не удалось.
Они остановили счёт на временной отметке в 57 тысяч лет, после того как в течение 20 тысяч лет ни-
каких качественных изменений в системе не происходило.
Однако прежде, чем это случилось, в системе произошло ещё одно интересное событие. На отметке
примерно в 35 тысяч лет несколько одновременно находившихся в аккреционном диске сгустков сли-
лись, и их совместного притяжения оказалось достаточно, чтобы вокруг нового образования закрутил-
ся свой гравитационный диск и начала образовываться ещё одна и тоже очень крупная система.
Таким образом, полагают астрономы, они разом решили ещё одну проблему – двойственности массив-
ных звёзд, которые подозрительно часто входят в состав широких кратных систем.
В процессе расчёта в какой-то момент появилась и третья протозвёздочка, которая тоже начала было
расти, но всё-таки в какой-то момент сложным гравитационным полем основной двойной была от-
брошена «на съедение» главному компоненту и слилась с ним.
Специалисты по звёздообразованию приняли работу Крумхольца и его коллег «на ура», но оговорки
остаются. Хотя в соавторах у калифорнийского доцента маститые специалисты по физике плазмы и
компьютерным расчётам, всем бы хотелось увидеть независимое подтверждение расчётов. К сожале-
нию, далеко не у всех есть программы, которые долгие годы разрабатывали сотни секретных ядерщи-
ков, и способность убедить хозяев суперкомпьютеров так вот запросто отвалить астрономам 4 месяца
вычислительного времени. Но первый шаг сделан.
ссылки:
gazeta.ru/science/2009/01/19_a_2926671.shtml
universetoday.com/2009/01/15/study-solves-mystery-of-how-massive-stars-form
Литосфера Марса не разбита на множество плит, но единственная сферическая плита, которая там есть,
тоже смещается. Подвинула её струя горячего вещества, поднявшаяся от ядра и оставившая снаружи
след в виде цепи погасших вулканов, считает американский геофизик. Не исключено, та же струя разде-
лила планету на две не похожие друг на друга половинки.
Две вещи, которые поражают при первом взгляде на топографическую карту Марса, – это кардинальное
отличие северного и южного полушарий планеты и огромный вулканический район Фарсида, или Тар-
сис. Возможно, что обе эти особенности – следствия одного и того же явления. По крайней мере, мо-
дель, которую построил Шицзэ Чжун из Университета американского штата Колорадо, естественным
образом объясняет, почему Тарсис находится на границе между так не похожими друг на друга поло-
винками Марса.
По исследованиям планетологов, марсианская дихотомия существует уже не менее 4,1 миллиарда лет,
то есть появилась уже вскоре после оформления самого Марса как планеты Солнечной системы. Се-
верная половина планеты – сплошь равнины, изредка пересекаемые невысокими горами и усыпанные
кратерами. Южная не менее изрытая метеоритными ударами, но куда более гористая, с единственной
низменной равниной Эллада. В среднем юг на 4–5 км выше, чем север ( относительно равновесного
уровня океана, которым мы можем мысленно покрыть планету).
Горы Тарсис – крупнейшие вулканы поднятия во главе с Олимпом
Craig O'Neill, Macquarie Uni, реконструкция по реальным топогра-
фическим данным
Тарсис, или Фарсида – регион Марса, представляющий собой огромное вулканическое нагорье в об-
ласти к западу от Долины Маринера в районе экватора. В регионе выделяют купол или плато Тар-
сис ( Tharsis Bulge), ...
Вулканическое поднятие Тарсис и вовсе самый гористый район на планете, на котором расположена
крупнейшая гора Солнечной системы – потухший вулкан Олимп высотой около 26 км. Однако помимо
собственно гор Фарсиды поднятие включает в себя также нагорья Таумазию и Сирийское плоскогорье
к югу. В то же время к северу от Олимпа находится система древних разрушенных вулканов – патер,
крупнейшая из которых, патера Альба, не уступает Олимпу в обхвате, хотя значительно (почти в 10 раз)
проигрывает по высоте развалившихся за долгие годы склонов кальдеры. Возраст самых древних эле-
ментов Тарсиса оценивают в 3,7–4 миллиарда лет.
Все потухшие ( а может быть, просто спящие ) вулканы поднятия Тарсис выстроены более или менее
вдоль одной линии.
Такие цепочки встречаются и на Земле – например, вулканы Гавайских или Маршалловых островов, и
считается, что они образуются на литосферных плитах, под которыми находится мантийная струя
(плюм) горячего вещества, бьющая прямо от ядра планеты. Положение конвективных струй в мантии
достаточно устойчиво, а плиты проплывают над ними. В результате вулканическая активность, кото-
рую питают такие струи, со временем сдвигается к «корме» движущейся плиты.
Могло ли что-то подобное случиться на Марсе? Вообще говоря, не очевидно. Дело в том, что марсиан-
ская литосфера (кора плюс верхний вязкий слой мантии) не разбита на плиты. Или, если так больше
нравится, можно сказать, что литосферная плита на Марсе есть, но только одна, и покрывает она всю
поверхность планеты. Поэтому репертуар возможных перемещений этой плиты невелик – понятно,
что, когда ты всякий раз натыкаешься на части самого себя, куда бы ни отправился, движения слегка
стеснены. Это земные плиты могут резвиться в астеносфере, подныривая друг под друга. Марсианская
плита может только вращаться.
Согласно модели Чжуна, вращаться она будет ровно так, как нужно для появления цепочки марсианс-
ких вулканов.
И остановится именно в том положении, в котором мы её наблюдаем. Это совпадение – конечно, не
доказательство, что всё именно так и было. Но весьма убедительное свидетельство, считает учёный.
Его работа принята к публикации в Nature Geoscience.
Чжун построил трёхмерную модель, включающую механическое и тепловое взаимодействие планетно-
го ядра, мантии и литосферы. Собственно, от ядра в модели только граница, которая служит источни-
ком тепла. В жидкой мантии имеется один мощный «суперплюм», которому конвективные движения
вещества и постоянная подпитка теплом от ядра позволяют устойчиво существовать на протяжении
миллионов и миллиардов лет.
Схема поворота литосферы Марса под действием «суперплюма» – струи горячего
вещества в мантии. На прокручивающейся над ней поверхности струя оставляет
след в виде цепи вулканов.
Шицзе Чжун, University of Colorado at Boulder
Подобное наблюдается и на Земле, где разница между вершиной Эвереста и дном Марианской впади-
ны составляет всего 20 км, а континентальная кора примерно на 50 км толще океанической; впрочем,
на нашей планете два вида коры сильно отличаются и по другим свойствам. На Марсе южная кора
примерно на 25 км толще северной; разница в толщине всей литосферы может быть в 10 раз больше.
А вот литосфера, тягучая верхняя мантия с твёрдой корой, разделена на две полусферы – тонкую и
толстую; толщина последней более или менее равномерно (в зависимости от версии модели) уменьша-
ется от центра к краям, где она переходит в тонкую. Разница в толщине составляет более 100 км, хотя
южная половины коры всего на 5 км выше, на глубине эти различия куда более значительны, так как
поддерживать толстую, более тяжёлую кору давление может только на большей глубине.
Изначально мантийная струя бьёт в толстую половину, и та начинает двигаться. Понять такой поворот,
кажется, несложно: ударяясь о «наклонную» поверхность (толщина литосферы меняется), струя в боль-
шей степени растекается в тонкую сторону, и возникает отдача. Реальное положение вещей, согласно
модели, сложнее: здесь часть вещества, которое приносит плюм, прилипает к литосфере, однако в це-
лом раскрутка работает примерно таким же образом.
Как показывают расчёты, куда именно струя направлена изначально, не так уж и важно.
Со временем сферическая плита поворачивается так, что выход плюма оказывается где-то посерёдке
между толстой и тонкой сторонами.
В таком положении литосфера и остаётся, покачиваясь с амплитудой в 5–10 градусов и периодом в
миллионы лет. Пока она ходит туда-сюда, образуется цепь вулканов. А полный поворот от начального
состояния может составить и более 90 градусов.
Удар «плутона» расколол Марс надвое
В своей ранней молодости Марс, похоже, подвергся удару, навсегда изменившему облик планеты.
Объект размером с Плутон врезался в планету с севера, разделив её на две половины – низкий север...
По мнению Чжуна, его модель может решить и вопрос о происхождении асимметрии между двумя
половинками Марса. Ведь вещество, которое поднимается со струёй, не только циркулирует от ядра
к литосфере, но и частично прилипает к последней. Возможно, именно струя, а не удар какого-то
небесного тела и создал загадочную марсианскую дихотомию. Конечно, при этом остаётся непонят-
ным, почему вообще возникла гигантская мантийная струя.
Интересно, и насколько устойчива сохраняющаяся сейчас конфигурация. Для быстро вращающегося
тела (а марсианские сутки лишь немногим длиннее земных) естественно положение, при котором ту
же энергию вращения можно «закачать» в длительные обороты. По этой причине жонглёры, к приме-
ру, могут легко заставить свои булавы вращаться вокруг поперечной оси, но не продольной. Несим-
метричному Марсу в этом смысле проще вращаться так, чтобы граница между половинками проходи-
ла по меридиану, а не по экватору. Возможно, Марсу предстоит ещё немало «поворочаться».
gazeta.ru/science/2008/12/15_a_2911186.shtml
