Красные карлики мешают жизни во Вселенной: Дмитрий Вибе о загадках звёзд

Как заглянуть в эпоху зарождения звезд?

— Итак, начнём с самого начала. С Большого взрыва. Происходит рождение Вселенной — через какой промежуток времени после него зарождаются первые звёзды? Или хотя бы создаются условия для их зарождения?

— Согласно современным представлениям, для появления соответствующих условий потребовалось несколько сотен миллионов лет. Именно тогда начали возникать первые газовые конденсации. Некоторые из них оказались достаточно плотными, чтобы собственная гравитация сжала их до такой степени, что в них загорелись термоядерные реакции. Мы примерно представляем себе это время, потому что как раз в ту эпоху произошла реионизация Вселенной.

Таким образом, эпоха реионизации приблизительно очерчивает период, когда Вселенная начала наконец-то наполняться звёздами (и некоторыми другими источниками ультрафиолетового излучения). Проблема лишь в том, что эта эпоха до сих пор в значительной степени недоступна для наших наблюдений. Есть надежда, что телескоп имени Джеймса Уэбба даст ответы на ряд вопросов, но пока это больше теоретические построения.

— А насколько сильно эти звёзды-пионеры отличались от современных? И чем — кроме своего химического состава?

— Радикально! Отличия в химическом составе играли здесь принципиальную роль. Как бы парадоксально это не прозвучало, но для того, чтобы вещество в процессе сжатия как следует разогрелось — до такой степени, чтобы в нём начались термоядерные реакции — предварительно его нужно… охладить.

Если вещество у нас изначально горячее — оно просто не сожмётся. Точнее, при сжатии оно начнёт разогреваться, и тепловое давление процесс остановит. Никакая звезда не появится. А значит, в процессе первоначального сжатия постоянно выделяющаяся тепловая энергия должна куда-то отводиться.

В нашу эпоху роль «теплоотвода» играют тяжёлые элементы — кремний, кислород, азот, причём не столько газообразные, сколько уже существующие в виде твёрдого вещества, то есть пыли.

— Есть ли шансы найти такие звёзды или их ближайших потомков, скажем, в пределах Млечного Пути?

— Звёзды, лишь чуть-чуть обогащённые тяжёлыми элементами, мы вокруг себя уже видим. Это не массовое население, а штучные экземпляры, но они есть. Есть такие звёзды, где содержание тяжёлых элементов уступает солнечному в миллион раз! Но даже такого их количества достаточно, чтобы теплоотвод уже как-то работал.

Самый большой интерес представляют звёзды именно с нулевым содержанием тяжёлых элементов. Но, как вы помните, они все очень массивные. А массивные звёзды живут под девизом рок-музыкантов — «живи быстро, умри молодым».

— Вот есть молекулярное облако, образовавшееся, к примеру, после взрывов древних звёзд. И постепенно оно начинает конденсироваться. В какой момент мы уже можем сказать, что наблюдаем протозвезду, а не просто сгусток в облаке? И почему где-то возникает одна протозвезда, где-то две, а где-то сразу компания?

— Строго говоря, окончательного ответа на эти вопросы нет. Мы понимаем общий сценарий, но различные его варианты не до конца понятны.

Итак, есть сгусток вещества. Он холодный. Он очень холодный. Он имеет температуру, скажем, 10 Кельвинов. И по каким-то причинам образовался он гравитационно неустойчивым — а значит, рано или поздно под собственной массой он начнёт сжиматься. И вот он сжимается, сжимается, но до поры до времени внутри остаётся холодным — благодаря тому самому механизму теплоотвода.

Но такая красота долго продолжаться не может, так как теплоотвод — это излучение. Пока облако остаётся относительно прозрачным, излучение спокойно уходит из системы. Но стоит облаку утратить прозрачность из-за возрастающей плотности, как его недра под воздействием излучения начинают стремительно нагреваться.

Разумеется, непрозрачным не становится сразу всё — сперва в туманности образуется более плотное ядро, которое и начинает активно греться. И когда ядро нагревается хотя бы до сотен градусов, а наши телескопы регистрируют его как компактный источник инфракрасного излучения, мы можем начинать говорить о нём, как о протозвезде.

Двойные, тройные и... шестерные

— А когда внутри него разгораются полноценные термоядерные реакции — это знаменует рождение молодой звезды?

— Да. Разумеется, требуется какое-то время, чтобы они разгорелись в полном объёме. Но с этого момента мы говорим уже о звезде. Теперь немножко о том, почему у нас есть одиночные звёзды, двойные, тройные и так далее. Во-первых, достаточно одного взгляда на молекулярные облака, чтобы понять: звёзды никогда не рождаются совершенно изолированными.

Существует такое понятие, как «область звездообразования» — это всегда некий большой объём пространства. Мы не можем ткнуть ни в одно место на небе, где бы зарождалась одна-единственная звезда. Подавляющее большинство из них формируется в достаточно больших группировках.

Далее, отдельные протозвездные сгустки в этих группировках вращаются. Почему — отдельный вопрос (мы, если честно, не до конца знаем), важен сам факт.

А это значит, что помимо теплового давления на сгусток будет действовать ещё одна сила — центробежная. Видели, как кружатся на льду фигуристы? Расставив руки, они вращаются медленно, но стоит им прижать их к корпусу — как происходит моментальное ускорение.

Разумеется, можно представить себе и более масштабные газовые сгустки — из трёх звёзд, четырёх и более. Но здесь бывает сложно провести границу между системой большой кратности и небольшим звёздным скоплением.

— А если всё же попробовать её провести — к примеру, мы находим планету, которая вращается вокруг N-го количества звёзд. Какое максимальное значение может принимать это самое N?

— Из того, что мы реально наблюдаем — встречаются планетные системы, которые окружают двойную звезду. Но, по всей видимости, большей кратности мы можем не ожидать.

Конечно, мы знаем системы довольно большой кратности — даже шестизвёздных можно много назвать. К примеру, известная система Мицар/Алькор — как раз шестерная. Но это не значит, что все эти шесть звёзд, как пчёлы, вращаются в едином рое. Чтобы быть устойчивыми, эти системы должны быть иерархическими.

Тот же Мицар — это две пары звёзд, которые вращаются вокруг друг друга. А Алькор — ещё одна двойная система, которая кружится вокруг четверного Мицара. То есть чем больше кратность системы — тем больший объём она занимает в пространстве. А если добавить сюда ещё и планеты…

— Многие думают, что Солнце — это «классическая» звезда. И я, например, сильно удивился, когда узнал, что три четверти звёзд в нашей Галактике — это красные карлики. А вот если не удивляться, а попытаться понять: почему так? Чем меньше звезда — тем больше шансов у неё сформироваться?

— По всей видимости, да. Но тут есть два момента.

— И это мы ещё не вспоминали про коричневые карлики, да?

Зона Маши и медведя и красные карлики

— А ведь когда сообщают об открытии новой планеты, «потенциально пригодной» для жизни, тоже чаще всего речь идёт именно о системах красных карликов. Но многие астрофизики, например Борис Штерн, подчёркивают, что красный карлик — звезда, для жизни в её окрестностях крайне неподходящая. А, собственно, почему?

— Ваше замечание, к сожалению, справедливо. Дело в том, что красные карлики при ближайшем рассмотрении оказались очень активными звёздами. Солнце, например, тоже активная звезда, и на нём часто происходят какие-то эксцессы. Но если говорить о числах — то на нём иногда наблюдаются вспышки с энергией порядка нескольких единиц на 1032 эрг. При этом светимость Солнца — 3,8 на 1033 эрг/с. То есть даже самая мощная вспышка даёт нам в десять раз меньше энергии, чем всё Солнце излучает за секунду.

Плюс здесь есть ещё один нюанс. Если мы хотим найти не просто планету, а планету хотя бы потенциально обитаемую — она должна находиться на определённом расстоянии от своей звезды. Точнее, в определённом интервале расстояния, который называется зоной обитаемости.

— Или Зоной Златовласки?

— Ну, это популярный на Западе термин, нам не слишком понятный. Если перевести его на наш фольклор — то это будет Зона Маши и медведя. Наше переосмысление той же сказки.

— Зона Маши и медведя — звучит гораздо лучше! Итак?

— Да. Нужен определённый интервал. Планета не может быть близко к звезде — иначе вода испарится. И не может быть далеко — она замёрзнет. А жизни без воды мы представить себе не можем… Конечно, может быть, всё это — проблемы нашей фантазии и она вполне себе существует. Но пока что для нас жидкая вода — необходимый ингредиент.

Сверхвспышка на Солнце может «отрубить» электричество в целой стране

— Какие вопросы, касающиеся звёзд, до сих пор остаются открытыми? Есть ли здесь нерешаемые загадки?

— Загадок полно. Попробую перечислить ключевые. Во-первых, из тех, что имеют прямое отношение к Солнцу — природа его активности. Как я уже говорил, Солнце — активная звезда, мы знаем, что похожие явления в большем или меньшем масштабе происходят и на других звёздах. Но у нас нет глубокого понимания, почему они происходят. Не говоря уже о том, с чем связана периодичность солнечной активности, насколько эта периодичность свойственна другим звёздам, как она зависит от возраста звезды…

Кроме того, нас эта проблема непосредственно затрагивает. Мы, как биологические существа, не слишком подвержены влиянию солнечной активности, а вот электроника, от которой мы зависим очень сильно — она к ней очень уязвима.

Есть и другие вопросы. Например, в нашем институте активно занимаются исследованиями химически-пекулярных звёзд. Это звёзды, у которых по каким-то причинам необычный состав поверхности — обогащенный не вполне ожидаемыми элементами, типа бария, ртути, марганца или редкоземельных металлов. Откуда они берутся в таких количествах — неясно.

Есть вопросы, связанные с поздними стадиями звёздной эволюции, когда звезда уже превращается в красный гигант. Как изменяется её оболочка? Какие в этой оболочке могут происходить уже не ядерные, а химические процессы? Как в звёздах происходит образование пылинок? Каков их химический состав? Структура? Как они потом попадают в межзвёздную среду?

Это те вопросы, которые сейчас активно исследуются — ведь у нас буквально только что появились новые методы их изучения. В первую очередь — наблюдения нейтрино и гравитационных волн.

— Сейчас как раз близится к кульминации одиннадцатилетний период активности Солнца. Что говорит ваша личная интуиция — какие неожиданные вещи астрономы смогут открыть за эти ближайшие два года?

— Я выражу скромную надежду, что ничего особо нового мы не узнаем. Потому что один из главных вопросов, связанных с солнечной активностью — это насколько та энергия, которую я называл, является максимально возможной для солнечных вспышек. Могут ли происходить более мощные всплески?

— Мощнее, чем Х-класс?

— Не совсем — по классификации это всё будет Х-класс, но вот насколько Х? Пока что самая мощная вспышка из зафиксированных, если я не ошибаюсь, была Х-28. Но могут ли на Солнце происходить существенно более интенсивные выбросы? Этот вопрос несколько тревожит.

Каждое крупное выделение энергии приводит к магнитным бурям — возмущениям в земном магнитном поле. Как мы все помним из школьного курса физики, переменное магнитное поле создает электрический ток. И он начинает течь там, где он течь не должен. А нам это по очень разным причинам неприятно.

— Каких-то 100 лет назад мы бы этого даже не заметили. Когда там план ГОЭЛРО заработал?

— Да, сто лет назад. За это время мы создали вокруг себя уютную искусственную природу, но стали в какой-то степени ее заложниками. Вот поэтому хочется верить, что всё-таки никаких подобных сюрпризов Солнышко нам не готовит. Есть признаки того, что оно действительно не способно на такие мощные удары, и те вспышки, которые мы реально наблюдаем — это пик его гнева. Надеюсь, что 25-й максимум солнечной активности нас в этом не разубедит.