Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Но вернемся в космос, туда, где рождаются звезды и газовые туманности. Те места в далеком-далеком мире кажутся нам заколдованными – ведь там внутри облака, словно по волшебству, образуются молодые звезды. Однако магия тут, разумеется, ни при чем и на самом деле в космосе действуют естественнонаучные законы. Газовые туманности состоят в подавляющем большинстве из водорода. Этот самый легкий из всех элементов – важнейший компонент, благодаря которому светится космос и образуются звезды. На Земле облака газа небольшие и быстро рассеиваются, а вот в космосе газа в одном месте собирается гораздо больше. Гравитация удерживает его внутри облаков, и они становятся все более плотными. Процессы в них, непосредственно предшествующие рождению звезды, описываются критерием Джинса (назван в честь британского астронома Джеймса Джинса). В облаке этого типа гравитация и давление газа всегда находятся в равновесии. Джинс понял, что нарушить этот баланс могут различные факторы; в частности, если масса облака превысит определенное значение, называемое массой Джинса, то облако сожмется, как бы “забеременев” и приготовившись к рождению новых звезд.

Иногда необходимо лишь небольшое сжатие, чтобы облако начало уплотняться под действием собственной гравитации. Постепенно температура в нем поднимается от –260 градусов до более чем 100 градусов по Цельсию и молекулы в облаке начинают излучать электромагнитные волны и отдавать энергию.

Как только температура газа достигает нескольких тысяч градусов, молекулы и атомы начинают распадаться, давление падает, и вся структура теряет устойчивость. Облако коллапсирует и распадается на мелкие фрагменты. По космическим меркам это происходит очень быстро: маленькой протозвезде требуется менее 30 000 лет, чтобы она осветила космос своими первыми лучами. Вначале она излучает теплый красноватый свет. Чтобы стать молодой звездой, ей нужно набраться терпения и подождать еще 30 миллионов лет. За это время из-за огромного давления температура поднимется до нескольких миллионов градусов – и в какой-то момент начнется ядерный синтез. Тогда водород начнет превращаться в гелий, в точности как в нашем Солнце. В конце концов родится новая звезда, похожая на тысячи звезд, сияющих сейчас на небе.

Комочки становятся планетами

В этих космических облаках образуются не только звезды. Исходя из данных наших сегодняшних наблюдений, мы также можем представить, как формировались и развивались целые планетные системы. Когда облака сжимаются, пыль собирается в большие диски, медленно вращающиеся вокруг звездного зародыша. Чем ближе к центру оказывается материя, тем быстрее она движется.

Мы все знакомы с этим эффектом по пируэту фигуристов: когда их руки вытянуты, спортсмены медленно вращаются на месте, а когда прижаты к телу, скорость вращения увеличивается. Физики описывают этот процесс в скучных научных терминах следующим образом: угловой момент равен произведению массы на радиус и на скорость, и он остается постоянным. Если радиус уменьшается, скорость должна увеличиться. То же самое и с пылевыми облаками в космосе, которые вращаются вокруг молодых звезд или даже полностью их обволакивают. Чем больше они сжимаются, тем быстрее вращаются, и тогда из материи начинают формироваться диски.

По сути, процесс, происходящий при образовании планет, точно такой же, как тот, что происходит при звездообразовании: внутри диска начинают формироваться небольшие комочки. Разница только в том, что теперь из комков пыли образуются не звезды, а планеты. Я бы сравнил этот процесс с приготовлением в сотейнике соуса из порошка: если, всыпав его в воду, вы перемешиваете смесь недостаточно быстро, то вместо загустевшей однородной массы – настоящего соуса – у вас получатся комочки, плавающие в жидкости. Эти протопланеты никогда не нагреваются настолько, чтобы внутри их ядер начался ядерный синтез, поскольку их масса слишком мала, а давление слишком низко. Планеты растут и, по мере движения по своим орбитам, всасывают пыль и проделывают борозды в пылевых дисках вокруг молодой звезды. На изображениях, полученных телескопом ALMA, вы можете увидеть такие диски с прорезанными вокруг протозвезд бороздами: они выглядят, как гигантские кольца Сатурна[61].

Вращение дисков также объясняет формирование орбит наших планет. Все планеты образовались внутри первичного пылевого диска, вращавшегося вокруг Солнца. Породила нашу планетную систему медленно нагревающаяся протозвезда, которая вначале была ледяной принцессой, а позже стала Солнцем.