Main menu:

Эволюционные процессы

Отличительные особенности астрономических систем отчасти были «заложены» в них при формировании, а отчасти возникли в ходе последующего развития.

Радиальная компонента крупномасштабных движений имеет тенденцию к затуханию. Если чай сильно взболтать в стакане, а затем оставить в покое, то постепенно он придет в некое состояние равновесия. Кинетическая энергия,Туманность Конская голова первоначально сосредоточенная в крупномасштабном движении, будет последовательно переходить в энергию движения все более мелких масштабов и наконец перейдет в хаотическое тепловое движение молекул воды. Аналогичным образом и по тем же самым причинам направленное движение в гигантских самогравитирующих системах, состоящих из множества атомов, звезд или галактик, со временем постепенно переходит в менее направленное движение меньших масштабов и в конце концов - в тепловое движение «частиц», образующих систему. Вследствие закона сохранения углового момента вращательное движение относительно оси вращения остается неизменным - оно не может затухать. Но та составляющая направленного движения, которая не дает вклада в полный угловой момент системы, не сохраняется и со временем затухает.

Систематическое движение в радиальном направлении (которое не влияет на величину полного углового момента системы), по сути дела, встречается лишь в определенных видах самогравитирующих систем. У звезд, например, пульсации, коллапс или взрывы возникают в результате специфических неустойчивостей. Расширяющееся звездное скопление представляет собой интересное, но крайне редкое явление; это область недавнего звездообразования - процесса, сопровождающегося выделением большого количества энергии за сравнительно короткий промежуток времени. В отсутствие систематических радиальных движений энергия связи самогравитирующей системы равна кинетической энергии.

Пользуясь этим соотношением, можно определить среднюю температуру Солнца (которая пропорциональна дисперсии скоростей частиц солнечного вещества), если диаметр и массу Солнца считать известными. Расчет показывает, что средняя температура Солнца порядка нескольких миллионов градусов. При такой температуре водород и гелий, которые составляют 98% массы Солнца, полностью ионизованы, так же как и атомы легких элементов: углерода, азота и кислорода, на долю которых приходится остальная часть массы Солнца. Поскольку размеры атомных ядер и электронов очень малы (порядка 10-13 см), вещество в центре Солнца представляет собой почти идеальный газ, хотя его плотность в сто раз превосходит плотность воды.

Подобного рода оценки дают возможность определить гравитационную массу, сосредоточенную внутри подсистемы объектов, которые служат своего рода «вехами», позволяющими измерять размеры всей системы и дисперсию скоростей. На основании этих измерений был сделан важный вывод: не менее 90% массы, входящей в состав галактик и скоплений галактик, сосредоточено в несветящемся веществе.

Газовые системы теряют энергию посредством излучения. Энергия изолированной системы гравитирующих частиц строго сохраняется. Но если бы астрономические системы состояли из простых частиц, связанных лишь гравитационным взаимодействием, то эти системы были бы невидимы. Свет звезд - это одна из разновидностей энергии, и сам факт его существования указывает на то, что механическая (т. е. кинетическая плюс потенциальная) энергия не всегда сохраняется. В системах, состоящих из газа, вследствие столкновений между молекулами кинетическая энергия движения молекул (теплота) преобразуется в излучение, которое уходит из системы. Таким образом, полная механическая энергия излучающих систем непрерывно уменьшается.

Этот вывод имеет любопытное следствие, на которое впервые указал в 1870 г. американский математик Хомер Лейн. Рассмотрим сферическое самогравитирующее газовое облако. Поскольку облако излучает энергию, его полная (отрицательная) энергия увеличивается по абсолютной величине, становясь еще «более отрицательной», а следовательно, величина К возрастает. Это означает, что средняя температура облака (которая пропорциональна средней кинетической энергии молекул) возрастает при излучении энергии вовне. Самогравитирующее облако при охлаждении становится горячее! Такое облако обладает отрицательной теплоемкостью: его температура уменьшается, когда в систему добавляется энергия, и возрастает - когда энергия излучается.

Будучи математиком, а не астрономом, Лейн не увидел в этом выводе ничего абсурдного. Астрономы же, не найдя никаких изъянов в математических выкладках Лейна, благоразумно заключили, что реальная звезда должна стать твердой, когда плотность ее ядра окажется сравнимой с плотностью воды, после чего звезда начнет остывать «обычным» путем - как остывает раскаленная кочерга. Эта теория звездной эволюции была широко распространена вплоть до 20-х годов нашего столетия и еще излагалась в учебниках 30-х годов. Действительно, в рассуждениях Лейна нет ошибки. Самогравитирующее облако должно иметь отрицательную теплоемкость. Но хотя облако и близко к состоянию механического равновесия, оно не находится вблизи состояния термодинамического равновесия, т. е. состояния, соответствующего максимуму энтропии. Более того, самогравитирующее газовое облако вообще не имеет состояния с максимальной энтропией.

Гравитационные взаимодействия мало способствуют передаче углового момента. Изолированная система может посредством излучения терять энергию, но не угловой момент. Вместе с тем внешние силы, действующие на почти сферическую систему, создают небольшой момент силы. Отсюда следует, что диссипативные самогравитирующие системы, т. е. системы, в которых возможен переход внутренней кинетической энергии в тепло и излучение, имеют тенденцию превращаться в холодные, вращающиеся диски, в каждой точке которых сила гравитационного притяжения уравновешена центробежной силой. В этих дисках в излучение преобразуется любая кинетическая энергия, не связанная с вращательным движением, которое дает вклад в угловой момент системы. В идеальном диске все частицы движутся по концентрическим окружностям, лежащим в параллельных плоскостях. Планетную систему Солнца, а также системы спутников Юпитера и Сатурна можно в первом приближении назвать идеальными дисками. Диски спиральных галактик, по-видимому, образовались из первоначально менее сплюснутых систем в результате диссипации (рассеяния) внутренней кинетической энергии при сохранении углового момента.