Tag Archives: звезди

Астрономия, статия на деня: преброяване на дивите звезди или ретрофутуризъм от Едвин Солпетер, от 1955 година


В янаурския брой на Astrophysical Jouranl от 1955 година излиза една статия (http://adsabs.harvard.edu/abs/1955ApJ…121..161S), която за следващите шест десетилетия събира над пет хиляди цитата. Към днешна дата тя е осемнадасетата най-цитирана научна публикация в астрономията.

Трябва да обясня, че броят цитати е опит да се измери ефекта от едно научно изследване. Той е базиран на достатъчно обоснованото – поне според мен – предоложение, че ако резутатите от една работа са важни, те ще бъдат използвани в други работи, и че цитирането на първоизточника е задължително. Броят цитати не разграничава изследванията, които водят до по-дълбоко разбиране на същността на света от обикновени каталози (преоизведени например от обзори на небето или каталози с някакъв вид стандарти), но бързам да добавя, че каталозите също са необходими на науката.

Статията на Едвин Солпетер е онези, които носят разбиране на света. Авторът ѝ за пръв път построява разпределение на звездите по маси (казано с други думи – хистограма на звездните маси), параметризира го с прост степенен закон (със степен, обикновенно означавана с гръцката буква гама, равна на -2.35; тя е отрицателна, което означава, че масивните звезди се срещат по-рядко от малко масивните си събратя), и го интерпретира като ново наблюдателно ограничение, с което теориите за образуване на звездите трябва да се съобразяват.

Солпетер (https://en.wikipedia.org/wiki/Edwin_Ernest_Salpeter), по това време професор в Австралийския национален университет в Канбера (Австралия) и в Корнел (САЩ), е роден през 1924 година във виенско еврейско семсйство, което по-късно емигрира в Австралия, спасявайки се от Хитлер. Той завършва аспирантура през 1948 година в Бирмингам (Великобритания). Освен с историческата си статия от 1955 година, той е известен с това, че в средата на 60-те години заедно с Яков Зелдович определя акрецията на материал върху свръхмасивна черна дупка като източник на енергията в квазарите.

* * *

Работа на Солпетер за звездните маси не идва на празно място – предшестват я векове от изследвания на звездите – образуването им и звездната еволюция са основни дялове от астрономията.

Всичко започва с каталозите на звездите, които правят още древните гърци. Може би най-известни сред авторите на каталози са Аристил и Тимохарис, работили в Александрия около 300 г. пр. н.е. Идеята, че звездите са просто други слънца се появява през Средновековието в Арабския свят. В Европа неин защитник е Джордано Бруно. През 1718 Едмунд Халей (https://en.wikipedia.org/wiki/Edmond_Halley; същият, който открива Халеевата комета) забелязва, че звездите не са неподвижно „заковани“ на небесната сфера, а се движат по небето (https://en.wikipedia.org/wiki/Proper_motion), макар и бавно – шампионите сред тях изминават изминават 5-10 ъглови секунди на година.

Йозеф Фраунхофер (https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_von_Fraunhofer), за когото писах по-рано, е баща на звездната спектроскопия – в самото начало на 19 век, скоро след първите спектроскопски наблюдения на слънцето, той поставя спектрографа си на телескоп и получава спектри на ярки звезди като Сириус и Бетелгейзе. Спектрите и последвалата идентификация на лиите на поглъщане в тях правят възможни изследванията на химическия състав на звездите и спектралната им класификация по температура.

През 1838 г. Фридрих Бесел измерва за пръв път разстоянието до една от близките звезди по геометричен начин (по метода на паралакса: https://en.wikipedia.org/wiki/Parallax).

Механизмът на производство на енергия в звездите дълго остава загадка. Първите заподозрени са химическата енергия и гравитацията, но те не могат да осигурят достатъчно дълъг живот на звездите – ако Слънцето светеше за сметка на химическа или гравитационна енергия, то щеше да бъде по-младо от Земята. Второто предположение, направено от Уйлам Томпсън (по-известен като лорд Келвин; https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin) и Херман фон Хелмхолц (https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_von_Helmholtz) по-късно се оказва истина, но само за кафявите джуджета. Едва през 1920 година, в една своя лекция Артър Едингтон (https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Eddington) предлага ядрените реакции като източник на Слънчевата енергия, и трява да измине повече от едно десетилетие преди Ханс Бете (https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Bethe), Георги Гамов (https://en.wikipedia.org/wiki/George_Gamow) и Карл фон Вайсзекер (https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Friedrich_von_Weizs%C3%A4cker) да разработят теорията в детайли.

Процесът на образуване на звездите се оказва не по-малко костелив орех и до днес много негови елементи си остават загадка за нас. Ясно е, че звездите се образуват в плътни молекулни газово-прахови облаци, но по някаква загадъчна причина много от облаците в нашата Галактика не образуват звезди. Нещо им пречи, и най-често споменаваните кандидати за тази роля са магнитните полета и турбулентността на материала в облаците, които не им позволяват да се свият под действието на собствената си гравитация, и да образуват звезди.

Предполага се, че звездообразуването не е спонтанно, а се предизвиква от някакъв тригер, например избухване на близка свръхнова, преминавване на молекулния облак през галактичен спирален ръкав, звезден вятър от активно галактично ядро или сблъсък на галактики. Общото между тези толкова различни явления е, че те предизвикват в молекулярния облак вълна на плътността, която свива газово-праховия материал.

Другото забележително откритие на последните десетилетия беше, че звездите са „колективисти“ – болшинството от тях се обрзуват заедно, в купове (един чудесен обзор по темата може да се види тук: http://adsabs.harvard.edu/abs/2003ARA%26A..41…57L). Повечето то куповете впоследствие се разпадат и звездите се „реазейват“ из Галактиката.

Пряко следствие от звездния колективизъм е наличието на обратна връзка – в момента, в който се образуват по-масивни звезди, те нагряват молекулните облаци и по-високата температура води до по-голямо газово налягане, което спира свиването на облаците и образуването на нови звезди. Други фактори, които може да влияят на звездообразуването са металичността на материала в облака (защото облаците се охлаждат главно чрез излъчване в метални емисионни линии; освен това температурите на звездите и съответно силата на обратната връзка зависи от металичността им), средата (дали около облака има други звезди; колко е голяма галактиката, в която ооблакът се намира), магнитните полета (които могат да предотвратят свиването на облака) и пр.

За съжаление е много трудно да се наблюдава непосредствено звездообразуването, защото праховите частици в молекулните облаци поглъщат светлината. Една възможност да се андникне в самата светая светих са инфрачервените и събмилиметровите наблюдения, защото фотоните с подобни дължини на вълните се поглъщат по-слабо от праха. Космическите телескопи WISE (https://en.wikipedia.org/wiki/Wide-field_Infrared_Survey_Explorer) и Spitzer (https://en.wikipedia.org/wiki/Spitzer_Space_Telescope) много помогнаха за изследванията на ранните стадии на звездообразуване.

* * *

Статията на Солпетер с неговото разпределение на звездите по маси е важна за разбиране на звездообразуването по две причини. Първо, разпределението може да се определи след като звездите са излезли от най-плътната част на молекулните облаци и се виждат ясно. Наистина, трябва да се правят корекции заради по-късия живот на най-масивните звезди, но за звездите с маси под няколко слънчеви маси обикновено няма такава нужда – те просто трябва да се преброят.

Втората причина е, че различните модели на звездообразуване предсказват различни разпределения по маса и следователно поне на теория Солпетер е отворил вратата за използване на ново наблюдателно ограничение спрямо тези теории.

На практика картината е сложна. Преди двадесет години се смяташе за аксиома, че функцията на масите е универсална, даже в далечните галактики. Последните наблюдения говорят за отклонения в двата края на функцията – при много масивните звезди и при малко масивните звезди:

(1) В гигантскигте звездни купове в центъра на нашата и в някой други галактики се наблюдава „свръхпроизводство“ на масивни звезди.

(2) В различни области на звездообразуване в нашата Галактика се наблюдават разлики в процента на звезди в диапазона от 0.1 до 0.5 слънчеви маси – например в добре известната област на звездообразуване в съзвездието Телец има много повече масивни звезди отколкото в областта известна под името IC 348.

По-подробно за тези разлики може да се прочете в обзора на Нейт Бастиен и неговите съавтори, достъпен свободно тук: http://arxiv.org/abs/1001.2965 (вижте например Фиг. 3).

* * *

Със своята работа от 1955 година Солпетер създава чудесен нов (за времето си) инструмент за изследване на звездите, който широко се използва и днес. Но Солпетер ще остане в историята на астрономията и като един от последните „ренесансови“ универсалисти. За съжаление аз нямах щастието да го срещна, но пък той се е погрижил да ни остави един кратък мемоар: http://adsabs.harvard.edu/abs/2002ARA%26A..40….1S

написан с прекрасно чувство зьа хумор и много мъдрост.

Advertisements

Leave a comment

Filed under astronomy, астрономия, наука, science