Очаги звездообразования во Вселенной
Ю.Н.Ефремов
 
(статья из журнала ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, том 70, N4, с. 314-323, 2000)
 
 
Ефремов Юрий Николаевич - д. ф.-м. н.,
зав. отд. Гос. астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ.

Самые заметные и красивые детали структуры галактик, такие как спиральные рукава, обрисованы звездными комплексами - очагами звездообразования, в которых сосредоточены молодые звезды высокой светимости. Некоторые изолированные звездные комплексы имеют странную дугообразную форму. Эти дуги уже давно открыты в галактиках, но лишь в 1998 г. было показано, что они, по всей видимости, возникли в результате самых мощных из известных во Вселенной взрывов, которые сопровождаются вспышками гамма-излучения. Эти сверхмощные взрывы оказывают глубокое воздействие на межзвездную среду, стимулируя процесс звездообразования. Исследования звездных дуг, инициированные автором публикуемой ниже статьи, помогают восстановить характеристики породивших их объектов. Получила подтверждение гипотеза, которая связывает эти объекты с черными дырами и нейтронными звездами.

В звездах заключена львиная доля видимой массы Вселенной, которая населена гигантскими системами - галактиками; на окраине одной из них расположена и наша звезда - Солнце. Бесконечное разнообразие наблюдаемых ныне форм галактик определяется разной историей звездообразования в них. В первом приближении галактики можно разделить на спиральные, неправильные и эллиптические. В дисках первых двух типов сохранилось еще много газа, в основном атомарного и молекулярного водорода, и продолжается рождение звезд. 

В невозмущенной газовой среде идет самопроизвольное, спонтанное звездообразование, которое обусловлено в конечном счете гравитационным коллапсом - сжатием газовых облаков и превращением их в звезды. Коллапс наступает под действием различного рода нестабильностей. Большое значение ранее придавалось тепловой и магнитно-гравитационной нестабильностям, но результаты последних исследований свидетельствуют, что спонтанное звездообразование в газовых дисках галактик определяется в основном двумя процессами: гравитационной нестабильностью и турбулентностью. Формирующиеся более плотные облака дают начало молодым звездам, затем молодые горячие звезды и взрывы сверхновых звезд уплотняют окружающий газ, стимулируя дальнейшее звездообразование. Но когда горячих звезд становится слишком много, газ нагревается и звездообразование прекращается. В звездно-газовой экосистеме развивается саморегулирующийся процесс перехода вещества из газовых облаков в звезды, при этом доля газа в галактике постепенно убывает. 

Турбулентные хаотические движения наблюдаются повсюду в межзвездном газе. В качестве возможного их источника рассматривается дифференциальное галактическое вращение, но, бесспорно, что большой, если не главный, вклад вносят горячие звезды и сверхновые, возмущающие окружающий газ. Накапливаются данные о том, что межзвездная среда представляет собой протяженную сеть турбулентного газа с иерархическим, фрактальным распределением плотности. Его характеристики близки к наблюдаемым в лабораторных процессах, связанных с турбулентностью, и в кучевых облаках. Когда мы любуемся нагромождениями белоснежных куполов на лазурном небе, мы смотрим, по всей вероятности, и на прообразы межзвездных облаков. 

ЗВЕЗДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СПИРАЛЬНЫЕ РУКАВА 

В межзвездной среде выделенного, характерного размера для облаков газа не существует, объекты меньшего размера представляют собой плотные участки более крупных облаков. Иерархия размеров начинается с плотных ядер молекулярных облаков размером в доли парсека и простирается до сверхоблаков, поперечник которых достигает 1 кпс, что соответствует толщине газового диска галактик. (1 пс = 3.259 световых года = 206 265 астрономических единиц. Астрономическая единица равна среднему расстоянию Земли от Солнца - 149.6 млн. км.) 
  
Звездообразование, идущее в газовых облаках разного масштаба, также должно быть иерархическим, приводящим к появлению вложенных друг в друга звездных группировок разного размера. Действительно, 90% группировок наиболее молодых звезд - ОВ-ассоциаций (их размеры в среднем 30-100 пс, возраст около 10 млн. лет) -находятся внутри гигантских звездных комплексов, имеющих возраст 100 млн. лет и размер до 1 кпс, а внутри самих ассоциаций выделяются меньшие области продолжающегося ныне звездообразования [1]. 

Иерархической структуре молодых звездных группировок, существование которой обнаружено нами около 20 лет назад, полное объяснение дает современная теория звездообразования в турбулентной фрактально структурированной газовой среде. Подтверждается эта теория и найденной недавно зависимостью между расстоянием друг от друга и различием возрастов молодых звездных скоплений в ближайшей к нам галактике - Большом Магеллановом Облаке. С увеличением взаимного расстояния между скоплениями растет различие их возрастов, которое можно рассматривать как длительность звездообразования в области размером, соответствующим расстоянию между скоплениями. Это отвечает теоретическим ожиданиям для звездообразования в турбулентном газе: в меньших облаках оно должно идти быстрее, чем в больших, ибо совершается во временной шкале, характерной для развития турбулентности в межзвездной среде. Сосредоточенные в звездных комплексах ОВ-ассоциаций также подчиняются этому закону, и более крупные ассоциации имеют больший возраст, звездообразование в них началось раньше. Кажущееся расширение звездных ассоциаций, признаки которого служили обоснованием странной идеи образования звезд при взрывном распаде невидимых сверхплотных тел, нашло естественное объяснение [2]. 

Звездные комплексы гравитационно не связаны, и на форме наибольших и самых старых из них сказывается дифференциальное вращение галактик, скорость которого увеличивается к центру звездной системы. Дифференциальное вращение вытягивает комплексы в короткие обрывки спиральных рукавов, обрисовываемых только достаточно молодыми звездами [1, 3]. Хаотическая структура из коротких обрывков рукавов наблюдается у большинства галактик, относимых к классу спиральных. (У неправильных концентрация массы к центру слабее и вращение ближе к твердотельному, поэтому в них и нет спиральной структуры, а округлые звездные комплексы хаотически разбросаны по галактике.) 

Особенно красивы галактики с регулярными длинными и симметричными относительно их центра рукавами. Существование таких звездных систем объясняется волновой теорией спиральной структуры, согласно которой рукава представляют собой волны повышенной плотности звезд и газа, вращающиеся как твердое тело вокруг центра галактики. Ближе к центру объекты галактики вращаются быстрее, чем волны плотности, и при набегании газовых облаков на уплотненный в спиральных волнах плотности газ создаются условия для стимулированного звездообразования. Из-за сжатия газа на кромке рукава происходит либо рождение новых облаков из разреженной среды, либо же быстрый коллапс уже существовавших, а затем рождение в них звезд. Возникающий при этом градиент возрастов звезд поперек рукава давно уже обнаружен автором в галактике Андромеды [1]. 

В соответствии с гравитационной теорией волновых спиральных рукавов в них должны концентрироваться не только газ и молодые звезды, но и достаточно старые объекты, притягиваемые в рукава повышенным гравитационным потенциалом. С 60-х годов считалось, что спиральные рукава нашей Галактики выделяются лишь по молодым звездным скоплениям. Конечно, можно было бы предположить, что в нашей звездной системе рукава не волновые, однако наблюдения в радиодиапазоне выявили по крайней мере один длинный спиральный рукав (рукав Киль-Стрелец), в котором сверхгигантские газовые облака располагаются через правильные промежутки. Такая регулярность характерна именно для волновых спиральных рукавов. В них газовые сверхоблака (эволюционирующие затем в звездные комплексы) рождаются вследствие крупномасштабной гравитационной неустойчивости, быстро развивающейся благодаря повышенной здесь плотности газа. В рукаве Киль-Стрелец концентрируются и цефеиды, и довольно старые скопления [4]. 

Таким образом, принадлежность нашей системы Млечного Пути к классу галактик с волновыми спиральными рукавами, управляемыми гравитацией, а не газодинамическими процессами, ныне можно считать доказанной. Гидродинамическая теория волновых спиральных рукавов не объясняет наблюдательные данные и для других галактик, в частности, концентрацию в рукавах старых звезд, обнаруженную практически во всех звездных системах с регулярной спиральной структурой. Впрочем, это было очевидно и раньше, ибо область коротации (одинаковой скорости вращения вещества галактики и ее спирального узора) всегда находится далеко от центра галактики, а не близ него, как предсказывала гидродинамическая теория на основе экспериментов по вращению сосудов с мелкой водой. 

ПРОБЛЕМА СВЕРХОБОЛОЧЕК 

Вопрос о том, являются ли волновые спиральные рукава областями стимулированного звездообразования, относится к числу спорных. Не исключено, что активное звездообразование идет в них просто потому, что в рукавах много газа, но в пересчете на единицу массы газа темп звездообразования здесь такой же, как и вне рукавов. Однако существуют звездно-газовые структуры, в которых заведомо происходит стимулированное звездообразование. Мы имеем в виду огромные (диаметр до 1 кпс и более) водородные пузыри -сфероидальные области пониженной плотности нейтрального водорода (HI), иногда окруженные более плотным газом и молодыми звездами. Они известны под названием сверхоболочек, в некоторых галактиках их насчитывают десятками. Круговая форма указывает, что сверхоболочки образовались в результате давления на окружающий газ источников, располагавшихся в их центрах. В областях меньшего размера, называемых просто оболочками, такой источник часто виден - это группа молодых звезд, самые массивные из которых уже взорвались как сверхновые или же воздействовали на газ своим звездным ветром. 

Вопрос о происхождении сверхоболочек остается открытым. В нашей Галактике К. Хейлес обнаружил II гигантских сверхоболочек без видимых звездных группировок внутри. Он заключил, что "хотя они и могли быть образованы взрывами большого количества сверхновых II типа, отсутствие корреляции с распределением крайних объектов населения I (молодых и массивных звезд - прародителей этих сверхновых. - Ю. Е.) явно говорит против этой возможности... Агент, ответственный за их происхождение, может быть неизвестным видом астрономических объектов" [5, с. 544]. Большинство теоретиков до последнего времени полагало, что для таких заявлений нет оснований. Даже ассоциация, содержавшая несколько десятков массивных звезд, спустя 50-80 млн. лет (таков возраст гигантских сверхоболочек, оцениваемый по скорости их расширения) может стать малозаметной. 

По возрасту и размерам сверхоболочки можно судить о параметрах скопления, которое могло бы ее породить, и таким путем проверить "стандартную модель" происхождения сверхоболочек. Как это ни странно, проверка была осуществлена лишь недавно. К. Роуд с коллегами провели тщательные поиски скоплений внутри сверхоболочек нейтрального водорода в неправильной галактике Но II [6]. Только в шести из 44 сверхоболочек они нашли скопления, число звезд в которых и возраст соответствуют предположению, что они содержали в свое время достаточное количество массивных звезд, чтобы породить эти сверхоболочки. Не обнаружены скопления и внутри самых больших сверхоболочек, которые к тому же (как и сверхоболочки в нашей Галактике) находятся на периферии галактики, где вообще нет или очень мало молодых массивных звезд. 

В сверхоболочках многих других галактик скопления также отсутствуют. Чтобы объяснить происхождение таких сверхоболочек, давно уже была высказана идея о падении на диск галактик гигантских газовых облаков, при столкновении которых с газом в галактической плоскости выделяется достаточная энергия. Однако вблизи многих галактик гигантских газовых облаков нет. Высокоскоростные облака водорода вокруг нашей Галактики оказались очень протяженными (в среднем 25 кпс в поперечнике) и далекими объектами [7]. Облака, сравнимые по размеру с целой галактикой, не могут создать сверхоболочку размером в сотни парсек. 

Я задавал теоретикам вопрос: если сверхоболочки образуются под воздействием на межзвездную среду многих сверхновых и молодых горячих звезд, почему же вокруг множества скоплений, в которых эти объекты (судя по числу наблюдаемых ныне в скоплениях звезд и их возрасту), без сомнения, были, никаких сверхоболочек не наблюдается? Предлагавшееся объяснение состоит в том, что вокруг таких скоплений или ассоциаций нейтрального водорода либо нет совсем, либо плотность его очень высока, однако обе возможности не соответствуют наблюдательным данным. 

Все объясняют происхождение сверхоболочек, но проблема заключается и в том, чтобы объяснить их отсутствие! Думаю, остается в силе подзабытый вывод К. Хейлеса: происхождение сверхоболочек может быть не связано ни с какими обычными астрономическими объектами [5]. 

ГИГАНТСКИЕ ЗВЕЗДНЫЕ ДУГИ 

С проблемой сверхоболочек тесно связана проблема гигантских звездных дуг, образованных звездами высокой светимости и молодыми скоплениями. В Большом Магеллановом Облаке известны три или четыре гигантские дуги радиусом в 200-300 пс (рис. 1). Они находятся вблизи сверхоболочки нейтрального водорода LMC4, охватывающей наибольшую в галактике область пониженной плотности водорода. Б. Вестерлунд и Д. Матьюсон объяснили происхождение как этой области, так и водородной сверхоболочки взрывом гипотетической сверх-сверхновой звезды [8], о возможности существования которой писал И.С. Шкловский. 
  

Рис. 1. Большое Магелланово Облако (негативное изображение)   
Три или четыре гигантские звездные дуги видны на северо-востоке галактики. 
На этом и всех последующих изображениях север -вверху, восток - слева
 
Первым обратил внимание на то, что в этой области находятся еще две или три звездные дуги, П. Ходж, который предположил, что все они являются остатками сверх-сверхновой. В поисках других подобных объектов он нашел только одну систему кратных дуг в спиральной галактике NGC 6946 [9]. Надо сказать, что несколько раньше Р. Хайворд отметил в нескольких галактиках гигантские кольцевые структуры, связав их также с последствиями сверхвзрывов [10], но реальность этих структур остается сомнительной. Однако все эти работы были прочно позабыты. Область LMC4 (рис. 2) рассматривалась как образец стиму 
лированного самораспространяющегося звездообразования, происхождение звездных дуг при этом не обсуждалось. Между тем сообщения об открытии требуемого в этой модели градиента возрастов не подтвердились: внутри и на гребне сверхоболочки нейтрального водорода возраст звезд оказался примерно одинаковым, тогда как, согласно модели, более старые звезды внутри оболочки, воздействуя на окружающий газ, стимулируют рождение следующего поколения звезд. 
Рис. 2. Дугообразные звездные комплексы в области водородной сверхоболочки LMC4 на северо-востоке Большого Магелланова Облака. Эти дуги - части правильных окружностей, из чего следует, что они составляют части сферических оболочек, 
а не части кругов в плоскости галактики

Вспоминая о звездных кольцах, обнаруженных немецким астрономом И. Иссерштедтом, некоторые исследователи ставят под сомнение и физическую реальность звездных дуг. Однако она очевидна не только по морфологическим соображениям (эти гигантские структуры имеют идеально круговую форму, и плотность звезд в них очень высока), но и потому, что у входящих в состав дуги скоплений один и тот же возраст. Со временем звезды в дуге стареют, ее размеры увеличиваются и вся она расплывается в пространстве, вот тогда о реальности дуг можно спорить. 

С ними связан один из самых ярких примеров самообмана в астрономии. В 1968 г. на картах Паломарского атласа неба Иссерштедт обнаружил чуть ли не тысячу колец, содержащих по десятку-другому звезд. По нескольким наибольшим и самым близким кольцам он сделал вывод, что диаметры их всех одинаковы (7 пс) и, исходя из угловых размеров колец, определил их расстояния, получив изумительно четкую картину спиральных рукавов Галактики. Однако другие авторы находили совсем другие кольца и выяснилось, что в зависимости от галактической долготы на разных картах атласа Иссерштедт считал реальными кольца разного углового размера... 

Происхождение двух четко обрисованных дуг в области LMC4 было рассмотрено недавно автором совместно с американским астрономом Б. Эльмегрином [11]. Поразительно, что никто с 1967 г. не ставил вопрос о природе этих загадочных структур! Правильная круговая форма дуг была объяснена их образованием из газа, нагребенного давлением из центра, где были когда-то молодые горячие звезды и сверхновые. Об этом свидетельствует и одинаковый (в пределах ошибок) возраст скоплений в каждой из этих дуг, причем в меньшей скопления моложе. Близ ее центра найдено рассеянное звездное скопление, предположительно, более старое, чем звезды в самой дуге. Внутри большой дуги такого скопления нет, но близ ее центра выявлена группа из шести сверхгигантов класса А1 практически одинакового возраста - большего, чем у звезд в дуге. От десятка до полусотни сверхновых звезд в центральных группировках могли породить каждую из дуг. 

Однако остаются и нерешенные вопросы. В центре большой дуги не наблюдаются многочисленные звезды меньшей светимости и такого же возраста, как сверхгиганты. Приходится допустить аномальное распределение звезд по массам в этой группировке. Звездная дуга, сформировавшаяся из нагребенного газа, должна обрисовывать внешний край сверхоболочки, но большая дуга находится глубоко внутри нее, где плотность газа низкая. Вблизи меньшей дуги газа много, но он наблюдается и внутри нее, откуда должен быть выметен. Непонятно, как и в случае сверхоболочек, почему звездные дуги образовались вокруг бедных звездных группировок и почему их нет вокруг множества богатых скоплений подходящего возраста. Не очень ясно, почему это именно дуги, а не полные звездные кольца, и почему эти дуги находятся внутри или рядом с самой большей в галактике сверхоболочкой. И самое главное, остается совершенно непонятным, почему все звездные дуги, обнаруженные в Большом Магеллановом Облаке, сгруппировались в пределах 1 кпс друг от друга. 

ЗАГАДКА ГАММА-ВСПЛЕСКОВ 

В попытках найти ответы на эти вопросы автор обратился к старой идее о единичных сверхмощных взрывах, которая в 1998 г. получила поддержку с неожиданной стороны. 

С 1973 г. астрономов занимает природа кратковременных вспышек гамма-излучения, почти каждый день регистрируемых где-либо на небесной сфере. До этого в течение шести лет гамма-вспышки составляли глубокий секрет сотрудников Национальной лаборатории Лос-Аламос (США), которые регистрировали их с помощью четырех спутников "Вела" (от исп. velar - быть на страже), предназначенных для регистрации ядерных взрывов в атмосфере и космосе. Довольно скоро было установлено, что вспышки приходят из космоса, и наконец, побывавший с визитом в Лос-Аламосе известный физик Ф. Дайсон сказал своим коллегам, что даже Советам не под силу почти каждый день выводить в космос ракеты с водородными бомбами, и порекомендовал опубликовать сообщение о гамма-вспышках. 

Объяснить наблюдения оказалось непросто. Кратковременность явления (от долей до сотен секунд) указывала на то, что источники гамма-лучей - очень компактные объекты, такие как нейтронные звезды. Полная изотропность их расположения на небе, отсутствие концентрации к плоскости или к центру Галактики, а также к близким галактикам оставляла только две возможности: источники гамма-лучей находятся либо очень близко от нас, не дальше сотни парсек, либо очень далеко, и тогда гамма-вспышки - редчайшие события в далеких галактиках. 

Проблема мучила астрономов четверть века -дольше, чем какая-либо другая во второй половине XX столетия. (Напомню, что на принципиальное решение вопросов о природе квазаров или пульсаров ушло не более года.) Главная трудность состояла в том, что гамма-всплески ни в каком другом диапазоне спектра не обнаруживались. Как стало ясно в 1997 г., этому препятствовали кратковременность явления и отсутствие сколько-нибудь точных координат. 

Почти все гипотезы стали достоянием истории весной 1997 г. В конце февраля итало-голландский спутник BeppoSAX зарегистрировал гамма-вспышку GRB 970228 (Gamma-ray burster 28 февраля 1997), на месте которой был найден угасающий рентгеновский источник. Это позволило определить точные координаты, по которым на месте гамма-вспышки выявили слабую галактику. Затем было обнаружено оптическое "послесвечение" у гамма-всплеска GRB 970508 и слабая галактика на его месте. Удалось измерить красное смещение линий в ее спектре, оказавшееся равным 0.835, - гигантское, "космологическое", как часто говорят, расстояние. 

К концу 1999 г. "послесвечение" наблюдалось у двух десятков гамма-всплесков, и теперь мало кто сомневается, что они приходят с весьма далеких расстояний, в пределах которых достаточно много галактик. Это означает чудовищно огромную энергию вспышек - до 1053-1054 эрг, как у сотен и тысяч сверхновых звезд, вспыхнувших одновременно [12]. 

Сверхмощные взрывы должны оказывать сильное воздействие на межзвездную среду. С.И. Блинников и К.А. Постнов первыми отметили, что под действием выделяемой при таких вспышках энергии в межзвездном газе должны образовываться гигантские полости [13]. Совместно с Б. Эльмегрином и П. Хеджем автор рассмотрел эту возможность детально. Мы пришли к заключению, что при существующих оценках частоты вспышек гамма-излучения (одна вспышка в 10 тыс.-1 млн лет) и времени жизни сверхоболочки в десятки миллионов лет от 10 до 100 образованных таким путем сверхоболочек должно быть в каждой галактике, подобной нашей, что соответствует их наблюдаемому количеству [14]. 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗВЕЗДНЫХ ДУГ В БОЛЬШОМ МАГЕЛЛАНОВОМ ОБЛАКЕ 

Итак, энергия взрывов, порождающих гамма-всплески, может быть на три-четыре порядка больше, чем у обычных сверхновых звезд. Под действием таких взрывов могут образовываться сверхгигантские оболочки нейтрального водорода, на гребне которых затем формируются звездные скопления. И тогда естественным образом объясняется отсутствие центральных скоплений во многих сверхоболочках. Старая идея о сверхмощных взрывах, породивших звездные дуги, представляется теперь хорошо обоснованной. Остается лишь объяснить, почему все три гамма-вспышки за последние примерно 30 млн. лет (как о том говорит возраст скоплений в звездных дугах) происходили в Большом Магеллановом Облаке в одной и той же области, неподалеку друг от друга. 

Естественно предположить наличие здесь какого-то общего места рождения прогениторов гамма-вспышек - объектов, дальнейшая эволюция которых дает это явление. Согласно большинству гипотез, ими могут быть массивные, быстро вращающиеся звезды, а также тесные двойные системы, включающие нейтронные звезды или черные дыры [12]. Излучение гравитационных волн при орбитальном движении в звездной паре ведет к сближению, а затем к слиянию компонентов, что и вызывает гамма-вспышку. Естественно также предположить, что общим источником прогениторов гамма-всплесков может быть достаточно богатое звездное. скопление, в котором могли возникнуть звезды редкого типа, покинувшие позднее скопление. 

Если это наше предположение верно, неподалеку от звездных дуг должно находиться богатое и плотное скопление [15]. И такое скопление действительно расположено всего лишь в нескольких десятках минут дуги, то есть в нескольких сотнях парсек, от звездных дуг. Это NGC 1978, возраст которого около 2 млрд. лет. Оно самое яркое и, следовательно, самое богатое из всех скоплений такого возраста в Большом Магеллановом Облаке. По своему богатству, массе и плотности оно заслуживает название шарового, но классические шаровые скопления старше примерно на 10-12 млрд. лет. Скопления, подобные NGC 1978, - чрезвычайно редкие образования; в нашей Галактике, например, их нет совсем. 

Всего в 18 минутах дуги (2 см на рис. 1) от этого скопления находится еще один весьма необычный объект и заведомый родственник гамма-всплесков - SGR 0526-66 (Soft Gamma Repeater) - источник повторяющегося излучения в мягком гамма-диапазоне. Он был открыт 5 марта 1979 г. и после долгих споров признан объектом Большого Магелланова Облака. Решающую роль сыграло то обстоятельство, что объект расположен внутри яркого молодого остатка сверхновой (N49). В нашей Галактике известно пять или шесть подобных объектов, и все они связаны с молодыми остатками сверхновых. 

Итак, в Большом Магеллановом Облаке, в области с поперечником около 1.5 кпс находятся гигантская сверхоболочка, три или четыре звездные дуги, единственный в галактике "мягкий гамма-повторитель", рентгеновский миллисекундный пульсар (А0538-66), здесь же концентрируются двойные рентгеновские звезды. Практически все исследователи сходятся на том, что эти объекты -родственники и друг другу, и прогениторам гамма-излучения, если только сами ими не являются (см. например, [16]). В этой же области расположено скопление, необычное по богатству, возрасту и вытянутой эллиптической форме. Однако непосредственно вокруг него звездных дуг нет. Таким образом, объекты, породившие дуги, должны возникать в скоплении и уходить из него, прежде чем взорваться, на расстояния до нескольких сотен парсек. Казалось бы, несовместимые требования, и все же такие объекты существуют. 

В звездном скоплении рождаются, но неизбежно с течением времени покидают его тесные двойные системы, каждый из компонентов которых - компактные объекты, - нейтронные звезды или черные дыры. Такие системы образуются в плотных центральных частях скоплений в результате тройных звездных сближений. Согласно так называемому закону Хегги, сближение тесных двойных с другими членами скопления делают их более тесными за счет увеличения дисперсии скоростей в скоплении (тогда как более широкие пары сразу же разбиваются). Этот процесс эффективен в плотных центральных частях шаровых скоплений, куда массивные члены скопления попадают в результате динамической сегрегации по массам за время порядка 1 млрд. лет. При каждом новом сближении с третьей звездой тесная двойная система становится все более тесной. Уменьшение ее потенциальной энергии приводит к увеличению скорости движения в скоплении - двойная система, как говорят, приобретает все большую скорость отдачи, в конце концов достаточную для ухода из скопления. Для типичного шарового скопления эта скорость составляет около 40 км/с. 

С. Портегиес-Зварт и С. МакМиллан провели численные расчеты на суперкомпьютере GRAPE-4 и показали, что за несколько миллиардов лет из скопления выбрасывается 90% черных дыр, причем 30% из них - двойные черные дыры. Если родительские скопления были очень массивны (более 5 х 106 масс Солнца), то черные дыры выбрасываются, будучи уже очень тесными системами, и сливаются в результате излучения гравитационных волн спустя лишь несколько миллионов лет после выброса из скопления. Аналогичная ситуация должна иметь место и в парах, включающих нейтронные звезды. Слияние компонентов в такой паре сопровождается и вспышкой гамма-излучения. Это же должно происходить и в парах из черных дыр, поскольку они окружены аккреционными дисками. 

Б. Пачинский отмечает, что в соответствии с моделью слияния нейтронных звезд или черных дыр гамма-вспышки должны наблюдаться далеко от родительских галактик [18]. Между тем исследования "послесвечения" вспышек этот вывод не подтверждают. Однако пары компактных объектов, выброшенные из массивных скоплений, вспыхивают достаточно быстро, и эти события должны наблюдаться не так уж далеко от скоплений. Например, при скорости движения 40 км/с объект уйдет от места рождения на 400 нс за 10 млн. лет. В Большом Магеллановом Облаке расстояния центров звездных дуг от скопления NGC 1978 составляют в проекции 400 и 800 пс, реальные значения не могут быть намного больше, поскольку дуги находятся в плоскости галактики, а скопление, скорее всего, близ нее. 

По оценкам С. Портегиес-Зварта и С. МакМиллана, для образования и выброса двойных черных дыр из плотных звездных систем требуется несколько миллиардов лет. Следовательно, вокруг классических шаровых скоплений, возраст которых 12-15 млрд. лет, никаких следов вспышек или родственных им объектов не должно наблюдаться: выброшенные из них пары компактных двойных дали вспышку гамма-излучения очень давно. Уникальность звездных дуг в Большом Магеллановом Облаке объясняется тем, что их предшественники родились в богатом и плотном скоплении, возраст которого всего 2 млрд. лет. Не исключено, что необычная эллиптическая форма самого скопления как-то связана с возможностью ухода из него большого количества звезд. В плотном скоплении просто невозможно слияние компонентов в паре, состоящей из черных дыр, так как прежде чем расстояние между ними станет достаточно малым, пара будет выброшена из скопления. Сказанное, очевидно, относится и к паре нейтронных звезд. 

Именно богатые и плотные скопления должны быть источниками прогениторов гамма-вспышек. Наличие вблизи такого скопления уникальной системы кратных звездных дуг (для образования каждой из них нужен взрыв с энергией 1052 эрг) позволяет отождествить объекты, породившие дуги, с объектами, рождающими гамма-вспышки, хотя для стимулирования звездообразования вспышки гамма-излучения не нужны, важен лишь выброс энергии в межзвездную среду. Если четыре звездные дуги в сверхоболочке LMC4 (и, возможно, она сама) образованы под действием сверхмощных взрывов, наблюдаемых ныне как всплески гамма-излучения, то интервал возрастов дуг дает оценку частоты этих всплесков в 4 (или 5) за 30-50 млн. лет, что согласуется с теоретическими значениями [12]. 

Чтобы понять какое-либо явление, необходимо поставить его в ряд аналогичных. Еще одна система кратных звездных дуг находится в спиральной галактике NGC 6946. П. Ходж обнаружил и описал ее в той же статье, что и звездные дуги Большого Магелланова Облака [9], но прошло более 30 лет, прежде чем она вновь привлекла внимание [15]. 

Весной 1999 г. появилась работа С. Ларсена и Т. Рихтлера, в которой сообщались результаты поиска молодых массивных скоплений в 21 галактике [19]. Не зная о работе Ходжа, они переоткрыли систему кратных дуг в NGC 6946, описав ее как сферический комплекс звездных скоплений диаметром в 600 пс (рис. 3). Внутри него они нашли молодое шаровое скопление - самое яркое из всех молодых скоплений в изученных ими галактиках. Масса его может составлять 1 млн масс Солнца. 

Рис. 3. Спиральная галактика NGC 6946 и скопление звездных скоплений близ конца одного из рукавов (в рамке) 
Снимок получил С. Ларсен на 2.5-метровом Нордическом телескопе на острове Ла-Пальма; внизу - увеличенное изображение

Правильная круговая форма системы звездных скоплений и наличие внутри нескольких дуг, состоящих из скоплений примерно равного возраста, свидетельствуют о возникновении этих дуг из сверхоболочек, о стимулированном звездообразовании, но источника центрального давления здесь не видно. Им не может быть молодое шаровое скопление, поскольку по предварительным оценкам его возраст примерно такой же, как и других скоплений в этой системе. Если дальнейшие наблюдения покажут, что оно в действительности старше своих меньших соседей на 20-30 млн. лет, почти все будет в порядке. Почти - потому что центры двух или трех дуг скоплений находятся слишком далеко от шарового скопления (рис. 4). 

Рис. 4. Уникальное скопление звездных скоплений в галактике NGC 6946, включающее дуги скоплений и гигантское 
молодое скопление (слева от центра). Почти все объекты на снимке - молодые звездные скопления, а не отдельные звезды

Как и в случае звездных дуг в Большом Магеллановом Облаке, можно предположить, что их прародители ушли из этого шарового скопления и дали сверхмощные взрывы. Ими могут быть массивные звезды, способные покидать скопление на ранней стадии его динамической эволюции. В столь богатом скоплении были весьма массивные звезды, взрывы которых могут быть очень мощными и сопровождаться вспышкой гамма-излучения [18]. Судя по ряду косвенных данных, наблюдаются два типа гамма-всплесков: один может быть связан со взрывом очень массивных вращающихся звезд, другой - со слиянием компонентов в двойных системах компактных объектов [20]. 

Гипотезы о природе звездных дуг носят предварительный и спорный характер, но уже понятно, что надо делать для их проверки. Эти столь долго пренебрегаемые объекты могут послужить чем-то вроде Розеттского камня для объяснения природы сверхоболочек. Напомним, что Розеттский камень был наиболее ценной находкой Египетской экспедиции генерала Бонапарта: надпись на нем была выбита и иероглифами, и на греческом языке, что позволило затем Ж. Шампольону расшифровать иероглифическую письменность. Нам же предстоит данные о звездных скоплениях в дугах сопоставить с результатами исследований газовых сверхоболочек, из которых они возникают. 

Многое говорит о том, что дугообразные области звездообразования в галактиках являются реликтами единичных сверхмощных взрывов. Вполне вероятно, что мы их наблюдаем как вспышки гамма-излучения. Они часто наблюдаются в областях звездообразования, инициированного, в рамках нашей гипотезы, предыдущими сверхмощными вспышками объектов, рождавшимися поблизости. Современные теории сходятся в одном: какие бы объекты ни были прародителями гамма-всплесков, конечным продуктом является черная дыра, окруженная аккреционным диском. Изучение черных дыр, закрытых пока еще для физической теории окон в другие времена и пространства, - важнейшая задача астрофизики и физики вообще, с которой оказываются связанными исследования молодых звездных комплексов в галактиках. 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ефремов Ю.Н. Очаги звездообразования в галактиках: звездные комплексы и спиральные рукава. М.: Наука, 1989. 
  2. Efremov Yu.N., Elmegreen B.G. Hierarchical star formation from the time-space distribution of star clusters in the Large Magellanic Cloud // Mon. Not. RAS. 1998. V. 299. P. 588. 
  3. Elmegreen B.G., Efremov Yu.N. An extension of hierarchical star formation to galactic scales // Astroph. J. 1996. V. 466. P. 802. 
  4. Ефремов Ю.Н. О концентрации цефеид и скоплений к спиральным рукавам Галактики // Письма в астрономический журнал. 1997. Т. 23. С. 659. 
  5. Heiles С. HI shells and supershells // Astroph. J. V. 229. P. 533. 
  6. Rhode К., Salzer J.J., Westpfahl D.J., Radice LA. A test of the standard hypothesis for origin of the HI holes in Hoimberg II // Astron. J. 1999. V. 118. P. 323. 
  7. Blitz L., Spergel D.N., Teuben PJ. et al. High-velocity clouds: building blocks of the Local Group // Astroph. J. 1999. V. 514. P. 818. 
  8. Westerlund B.E., Mathewson D.S. Supernova remnants in the Large Magellanic Cloud // Mon. Not. RAS. 1966. V. 131. P. 371. 
  9. Hodge P.W. A possible "super-supernova" remnant in NGC 6946 // Publ. ASP. 1967. V. 79. P. 29. 
  10. Hayward R. Past explosions in the nearer galaxies // Pub. ASP. 1964. V. 76. P. 35. 
  11. Efremov Yu.N., Elmegreen B.G. Triggered star formation in the LMC4/Constellation III region of Large Magellanic Cloud//Mon. Not. RAS. 1998. V. 299. P. 643. 
  12. Постнов К.А. Космические гамма-всплески // Успехи физических наук. 1999. Т. 169. С. 545. 
  13. Blinnikov S.I., Postnov К.А. A mini-supernova model for optical afferglows for Gamma-ray bursts // Mon. Not. RAS. 1998. V. 293. P. L29. 
  14. Efremov Yu.N., Elmegreen B.C., Hodge P.W. Giant shells and stellar arcs as relics of gamma-ray burst explosions //Astroph. J. 1998. V. 501. P. L163. 
  15. Ефремов Ю.Н. Звездные дуги и вспышки гамма-излучения // Письма в астрономический журнал. 1999. Т. 25. С. 100. 
  16. Spruit Н.С. Gamma-ray bursts from X-ray binaries // Astron. and Astroph. 1999. V. 341. P. LI. 
  17. Portegies Zwart S., McMillan S.L.W. Black hole mergers in the Universe // Astroph. J. 2000. V. 528. P. LI 7. 
  18. Paczynski В. Gamma-ray burst - supernova connection // Preprint astro-ph/9909048. 2 Nov. 1999. 
  19. Larsen S.S., Richtler N. Young massive clusters in nearly galaxies //Astron. and Astroph. 1999. V. 345. P. 59. 
  20. Chevalier R. A., Li Z.-Y. Gamma-ray burst enviroments and progenitors // Astroph. J. 1999. V. 520. P. L29.
 
Цитируется по http://www.accessnet.ru/vivovoco/ 
 
 

 
vlad@ssl.nsu.ru