От чёрных облаков к чёрным дырам

Один из основных законов теплоты заключается в том, что теплота переносится всегда из области большой температуры в область более низкой температуры, если, конечно, имеются доступные пути оттока теплоты. В протозвезде, т.е. в описанном выше молекулярном облаке, возможны два пути переноса теплоты от горячей центральной зоны к более холодным периферическим областям. Один путь, называемый конвекцией, заключается в том, что горячие частицы газа из центра сами перемещаются в более холодные области. Это во многом напоминает то, как поднимается вверх со дна более тёплая вода в нагреваемом сосуде. В другом способе переноса теплоты носителями являются фотоны, частицы света (см. гл. 2). Фотоны также совершают путь наружу, унося теплоту, и этот процесс, естественно, называется излучением.

Эти два процесса не всегда равно эффективны. Например, конвекция может прекратиться, если частицам газа станет все труднее выбираться из центра наружу, что произойдёт, если плотность в центре звезды станет слишком большой. Аналогично, излучение становится неэффективным, если фотоны слишком часто рассеиваются веществом протозвезды и, таким образом, не имеют возможности вылететь наружу по прямому короткому пути. Мы продолжим это сравнение двух типов переноса теплоты, когда обсудим внутреннюю структуру уже сформировавшейся звезды.

Возвращаясь к протозвезде, можно сказать, что на ранних стадиях конвективный способ переноса срабатывает хорошо и эффективно (если только протозвезда не слишком массивна, скажем, не более чем в 3 раза массивнее Солнца). В результате теплота быстро выносится наружу и излучается в окружающее пространство с поверхности облака. Поэтому облако вначале имеет очень большую светимость.

Однако эта светящаяся фаза длится не очень долго. Действительно, у протозвезды на этой стадии имеется лишь один источник снабжения энергией, необходимой для излучения, а именно, запас гравитационной энергии. Чтобы высвободить эту энергию, звезда должна быстро сжиматься. В следующей главе мы более подробно обсудим, каким образом гравитационное сжатие приводит к освобождению энергии. Пока что примем, что эта идея правильна и посмотрим, к каким следствиям приводит она для молекулярного облака. На ранних стадиях протозвезда быстро сжимается, чтобы иметь возможность поддерживать большой поток энергии от центра к периферии и затем в окружающее пространство. Но в процессе сжатия она становится плотнее, конвекция становится все менее эффективным средством переноса энергии, и в результате светимость протозвезды все более ослабевает. Это влечёт и замедление сжатия по сравнению с ранней фазой. Таким образом, сжатие и конвективный перенос теплоты продолжаются до определённого момента, когда конвекция перестаёт быть существенной.

Эта фаза в жизни протозвезды называется фазой Хаяши, поскольку она впервые детально обсуждалась в 1966 г. японским астрономом Чуширо Хаяши. Эта фаза имеет важное отношение к внешнему виду протозвезды, который мы пока что не обсуждали. Примечательно, что в процессе сжатия поверхность протозвезды сохраняет постоянную температуру - около 4000 К.

Причина этого в следующем. При такой температуре внутренние движения в газе столь быстры, что атомные электроны срываются с орбит вокруг соответствующих атомных ядер. Электростатическое притяжение ядер уже не способно удержать электроны, и это происходит как раз, когда температура превышает 4000 К. Свободные электроны необычайно эффективно рассеивают любое выходящее из протозвезды излучение. При температуре ниже 4000 К электроны связаны в атомах и не могут помешать излучению, устремляющемуся наружу сквозь рой встречающихся по дороге атомов. На рис. 31 показано, каким образом указанная температура эффективно фиксирует поверхность протозвезды; под этой поверхностью температура выше 4000 К и излучение находится в ловушке, вне поверхности температура ниже 4000 К и излучение стремится выйти наружу.

Рис. 31. Фотоны во внутренней, более горячей (Т >4000 К) области находятся в ловушке. Те же фотоны, которым удаётся просочиться через поверхность с температурой 4000 К во внешнюю, более холодную область, свободно распространяются наружу. Таким образом, поверхность, нагретая до 4000 К, является эффективной поверхностью протозвезды

Рис. 32. Тропа Хаяши SH на диаграмме Г—Р, на которой по осям отложены светимость (в произвольном масштабе) и температура поверхности