Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

В Галактике между звездами и межзвездной средой постоянно происходит круговорот вещества.

Почему же весь газ в Галактике не может быстро превратиться в звезды? Дело в том, что для звездообразования газ должен быть плотным и холодным. Однако, как только появляются первые массивные звезды, они почти сразу становятся источниками мощного излучения и ветров, воздействующих на молекулярное облако, в котором они родились. Кроме того, время жизни самых массивных звезд достаточно мало – пара миллионов лет, после чего они взрываются как сверхновые, отдавая часть энергии в молекулярное облако, нагревая и разрушая его. Все эти процессы приводят к довольно низкой эффективности переработки газа в звезды: облако с массой под миллион солнечных может дать в итоге звездное скопление массой, исчисляемой лишь десятками тысяч солнечных масс. Так что круговорот вещества отчасти регулирует скорость и эффективность звездообразования, растягивая его во времени.

Масса газа в Галактике составляет около 10 млрд масс Солнца, а современный темп формирования звезд – несколько масс Солнца в год. Конечно, не весь газ находится в форме, пригодной для запуска процесса звездообразования, тем не менее с учетом возврата газа в межзвездную среду (возвращается порядка 10 % массы за счет сверхновых и ветров массивных звезд) на финальных стадиях эволюции звезд формирование новых поколений может продолжаться в нашей Галактике еще в течение миллиардов лет. Однако часть вещества остается связанной в компактных остатках (белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры), а также входит в состав очень долгоживущих маломассивных звезд, бурых карликов и планет. Кроме того, часть газа переходит в горячее состояние с низкой плотностью, и не весь этот газ в будущем сможет охладиться и войти в состав молекулярных облаков, чтобы стать сырьем для рождения звезд.

В межзвездную среду попадает газ, обогащенный тяжелыми элементами за счет термоядерных реакций в звездах.

Сверхновые и мощные звездные ветра играют большую роль в генерации турбулентности, важной для динамики межзвездной среды. В частности, турбулентность хорошо перемешивает газ, что приводит к выравниванию химического состава межзвездной среды в Галактике.

Звездные ветра и сверхновые оказывают динамическое воздействие на межзвездную среду.

В то же время в галактический диск может поступать газ с низким содержанием тяжелых элементов. Это связано и с аккрецией газа, и с поглощением карликовых спутников. Такой процесс был особенно важен в течение первых миллиардов лет жизни Галактики.

Наблюдения достоверно показывают, что химический состав звезд Галактики, родившихся в разные периоды ее жизни, различен. Чем раньше в истории Галактики сформировалась популяция объектов, тем ниже в них содержание тяжелых элементов. Например, звезды гало содержат гораздо меньше элементов тяжелее гелия, чем звезды диска. Это однозначно свидетельствует о постоянном круговороте вещества с обогащением тяжелыми элементами за счет реакций в звездах, а также вспышек сверхновых и слияний нейтронных звезд.

Часть вещества в ходе круговорота остается связанной в компактных остатках, легких объектах и горячем газе низкой плотности.

Разные химические элементы создаются в разных реакциях и в разных процессах, а иногда и различными объектами. Кроме того, важно, как именно элементы поставляются в межзвездную среду. Например, железо попадает в межзвездный газ в основном в результате вспышек сверхновых типа Ia – термоядерных взрывов сверхкритических белых карликов, а этот процесс начинает идти лишь спустя продолжительное время после появления звезд, так как прародители белых карликов живут достаточно долго. А вот вспышки сверхновых с коллапсом ядра происходят намного быстрее после начала звездообразования, а они отвечают, в частности, за такие элементы, как O, Mg, Si, Ca, Ti. Причем кислород и магний, попадающие в межзвездную среду, производятся массивными звездами до взрыва, а кремний, кальций и титан – во время взрыва. Вдобавок звезды разных масс формируют элементы в разных пропорциях, поэтому анализ относительного содержания разных элементов позволяет получать более детальную информацию о свойствах звездных популяций, участвующих в круговороте вещества: можно определять распределение звезд по начальным массам, а также восстанавливать историю звездообразования.