Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Вселенная и Солнечная система
 Солнце - звезда
История системы
Страница: История системы, Родственники Солнца;
Наше место в этом мире

Звездное скопление - место образования нашего Солнца

    Если бы вы жили в эпоху молодости Солнечной системы, то могли бы читать при свете ночного неба. В области размером несколько световых лет сформировались тысячи звезд из того же межзвездного облака, что и Солнце. Солнце родилось в семействе звезд. Что стало с ними? Люди часто ищут уединения ночью под звездным небом, и это действительно подходящее место. Ночью темно, поскольку наше Солнце и семейство его планет в космическом смысле очень одиноки. Ближайшие звезды так далеки, что выглядят крохотными искорками, а свет более далеких звезд сливается в бледный туман. Самые быстрые из наших космических зондов долетят до ближайшей звезды лишь за десятки тысяч лет. Мы затеряны в космосе, как маленький островок в океане.

    Но не все звезды так одиноки. Примерно каждая десятая входит в состав скопления, содержащего от сотен до десятков тысяч звезд в области диаметром несколько световых лет. Фактически большинство звезд родилось в таких группах, которые обычно распадаются за миллиарды лет, а звезды разбредаются по всей Галактике, Что же наше Солнце? Может быть, и оно родилось в звездном скоплении? Если так, то наше положение в Галактике не всегда было таким одиноким. Оно стало таким лишь после распада скопления.

ЗВЕЗДНОЕ СКОПЛЕНИЕ

    Все больше доказательств свидетельствуют вот о чем. Хотя обычно считается, что Солнце было единственным «ребенком», многие астрономы сейчас думают, что вместе с ним почти одновременно родилось около тысячи его «братьев и сестер». Живи мы на заре эволюции Солнечной системы, космос вокруг нас не выглядел бы таким пустым. В ту эпоху ночное небо было заполнено яркими звездами, причем некоторые сияли как полная Луна, а иные были видны даже днем. Глядя на них, можно было бы повредить зрение. Скопление, в котором, по-видимому, родилось Солнце, давно уже разрушилось. Я собрал доступные данные и на их основе попытался реконструировать его параметры. Это позволило мне рассчитать возможные галактические траектории его бывших членов, чтобы оценить, где они могут быть сейчас. Хотя они рассеялись и затерялись среди миллионов других звезд, их можно будет заметить с помощью европейского астрометрического спутника GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), запущенного в 2011 г. Узнать их помогут орбиты и состав, подобный солнечному. Если бы вы жили в эпоху молодости Солнечной системы, то могли бы читать при свете ночного неба. В области размером несколько световых лет сформировались тысячи звезд из того же межзвездного облака, что и Солнце.

Основные положения

    > Солнце - одиночная звезда, поэтому астрономы предполагали, что и сформировалось оно в одиночестве. Но большинство звезд формируются в скоплениях, и факты, полученные при изучении метеоритов и орбит комет, указывают, что наше Солнце тоже не было исключением.

    > Скопление, где родилось Солнце, содержало от 1,5 тыс. до 3,5 тыс. звезд в области диаметром десять световых лет — большое, но не дружное семейство, в котором сильные обижали слабых, и которое распалось вскоре после образования Солнечной системы.

    > Хотя «братья и сестры» Солнца давно уже разбрелись по Галактике, такие обсерватории, как европейский спутник GAIA, смогут заняться их поиском. Свойства этих звезд должны заполнить белые пятна древней истории Солнечной системы.

Воспоминания о нашем рождении

    Воссоединение с нашими давно потерянными звездными родственниками должно помочь астрономам реконструировать условия, при которых бесформенное газово-пылевое облако породило Солнечную систему.
    Самое неопровержимое свидетельство того, что у Солнца были родственники, нашлось в 2003 г., когда Шого Тачибана (Shogo Tachibana), ныне из Токийского университета, и Гэри Хасс (Gary R. Huss), ныне из Гавайского университета в Маноа, изучили два примитивных метеорита, которые, по-видимому, сохранились неизменными с эпохи формирования Солнечной системы. В них обнаружился никель-60, продукт радиоактивного распада железа-60, в химическом соединении, куда по правилам должно входить железо. Похоже, что в метеорите имел место химический вариант игры «заманить и подменить»: исходное соединение сформировалось с железом, затем железо превратилось в никель, который оказался там заперт, как вечный пленник.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА
    Несколько доказательств, подтверждающих, что Солнце родилось в скоплении:

    > В древних метеоритах содержатся продукты распада короткоживущих радионуклидов, таких как железо-60 и алюминий-26. Источник этих изотопов (по-видимому, сверхновая) должен был располагаться очень близко, а значит, молодое Солнце не было одиноким.
    > Содержание тяжелых элементов на Солнце выше, чем можно было бы ожидать, основываясь на его положении в Галактике. Это указывает на обогащение веществом от близкой сверхновой.
    > Уран и Нептун значительно меньше Юпитера и Сатурна. Одной из причин может быть излучение близкой звезды, испарившее их внешние слои. Более близкие к Солнцу планеты избежали этой участи, поскольку их защитили остатки межпланетного газа.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

    Железо-60 должно было успеть синтезироваться, внедриться в Солнечную систему и войти в состав метеоритов за время своего радиоактивного полураспада, которое составляет 2,6 млн лет. Для космоса это миг. Поэтому железо должно было возникнуть где-то рядом: самый вероятный его источник-взрыв сверхновой. На основе этих и других измерений изотопов Лесли Луни (Leslie Looney) из Иллинойского университета и его соавторы утвервдали в 2006 г., что сверхновая вспыхнула на расстоянии не более пяти световых лет, когда Солнцу едва исполнилось 1,8 млн лет. Эта сверхновая могла быть даже на расстоянии 0,07 световых лет.
    Если Солнце было таким же уединенным, как сейчас, то оказаться рядом со сверхновой в момент ее взрыва оно могло случайно. Быть может, массивная звезда просто проходила рядом, когда решила взорваться? Но ни одна другая сверхновая никогда не взрывалась так близко от нас; если бы это случилось, то, скорее всего, уничтожило бы жизнь на Земле. Гораздо более вероятно, что новорожденное Солнце и взорвавшаяся звезда были членами одного скопления. Когда звезды упакованы так плотно, близкая вспышка сверхновой вполне возможна.

Сияние звездных скоплений

    Мысль о том, что Солнце родилось в звездном скоплении, не согласуется с классическим представлением о скоплениях, как оно дается в учебниках. Традиционно астрономы делят скопления на два типа: так называемые галактические, или рассеянные скопления и шаровые скопления. Первые из них молоды, содержат не очень много звезд и располагаются вблизи плоскости Галактики. Примером служит скопление Ясли (М44), которое было одним из первых объектов, обнаруженных Галилеем в его телескоп 400 лет назад, в 1609 г. То, что выглядело как пятнышко света, оказалось группой звезд - более 350 светил, родившихся около 700 млн лет назад.
    Иное дело - шаровые скопления. Они очень старые, густонаселенные и распределены по всей Галактике, а не только вблизи ее плоскости. Первое было открыто в 1746 г. итальянским астрономом Джованни Маральди (Giovanni Maraldi) и сейчас известно как М15. В нем около миллиона звезд возрастом около 12 млрд лет.
    Проблема в том, что ни один из этих двух типов скоплений не годится для Солнца. Его солидный возраст 4,6 млрд лет указывает, что оно могло родиться в шаровом скоплении, но его расположение в диске Галактики говорит в пользу рассеянного скопления. Однако за последние два десятилетия мы поняли, что не все скопления в точности соответствуют одному из этих двух типов.
    На наши представления о звездных скоплениях сильно повлияло скопление R136, находящееся в галактике Большое Магелланово Облако - одном из небольших спутников нашей Галактики. Впервые описанное в 1960 году, R136 сначала было принято за одиночную гигантскую звезду в 2 тыс. раз массивнее Солнца и в 100 млн раз ярче него. Но в 1985 г. Герд Вей-гельд (Gerd Weigelt) и Герхард Байер (Gerhard Baier), работавшие тогда в Университете Эрлангена и Нюрнберга, с помощью новой камеры высокого разрешения обнаружили, что на самом деле R136 - это скопление примерно 10 тыс. звезд возрастом несколько миллионов лет. Оно такое же плотное, как шаровое, но столь же молодое, как рассеянное скопление. Имея характеристики обоих типов, R136 стало связующим звеном между ними. С тех пор астрономы обнаружили и в нашей Галактике несколько скоплений, похожих на R136. А в некоторых галактиках, таких как Антенны, их сотни, если не тысячи.

Звездное скопление R136, расположенное в области под названием Туманность Тарантула, похоже на то скопление, в котором родилось Солнце, но значительно плотнее него.
ЗВЕЗДНОЕ СКОПЛЕНИЕ

    Это было поразительное открытие: звезды продолжают формироваться в таких плотных скоплениях, которые можно принять за отдельную звезду! Теоретиков это привело в замешательство. С одной стороны, новые данные нас успокоили, поскольку мы не могли объяснить R136 как отдельную сверхзвезду. С другой стороны, мы вынуждены были пересмотреть все, что, как нам казалось, мы знаем о звездных скоплениях. Теперь мы считаем, что все звезды, включая Солнце, родились в плотных скоплениях, таких как R136. Скопление формируется из отдельного межзвездного газового облака и со временем эволюционирует в рассеянное или шаровое скопление в зависимости от своей массы и окружающих условий.

Грезы о наших звездных предках

    Члены скопления имеют разнообразные массы - у немногих звезд масса велика, у большинства она существенно меньше. Самые распространенные звезды раз в десять легче Солнца. С увеличением массы в десять раз количество звезд уменьшается раз в 20.
    На каждую звезду с массой от 15 до 25 солнечных масс - именно такая взорвалась как сверхновая рядом с новорожденным Солнцем - в скоплении содержится около 1,5 тыс. менее массивных звезд. Это дает нам минимальную оценку массы того скопления, в котором родилось Солнце. А максимальная оценка следует из того факта, что чем крупнее скопление, тем больше времени требуется массивным звездам, чтобы опуститься к центру, где они имеют большую вероятность влиять на своих менее массивных собратьев. Расчеты показывают, что это скопление, вероятно, содержало не более 3,5 тыс. звезд. Звезда с массой в 15-25 солнечных масс живет 6-12 млн лет до момента взрыва. Значит, она должна настолько же раньше сформироваться, чем Солнце. Изучая некоторые скопления, например знаменитое скопление Трапеция в Туманности Ориона, астрономы обнаружили, что массивные звезды обычно формируются первыми, а звезды типа Солнца зарождаются на несколько миллионов лет позже.

    На основе наблюдений звездных скоплений и выведенных свойств того скопления, в котором родилось Солнце, Джеф Хестер (J. Jeff Hester) и Стивен Деш (Steven J, Desch) из Аризонского университета с коллегами реконструировали события, предшествовавшие формированию Солнца.

    1. Гигантское облако молекулярного газа собралось и начало сжиматься под собственным весом
    2. Одна или несколько массивных звезд сформировались в наиболее плотных областях этого облака
    3. Каждая массивная звезда испускает ультрафиолетовое излучение, ионизуя окружающий газ и возбуждая ударную волну, которая расширяется со скоростью несколько километров в секунду.
    4. Спустя несколько миллионов лет фронт ударной волны достиг ближайших газовых уплотнений и сжал их. Они сколлапсирооали и образовали звезды, в том числе и наше Солнце.
    5. Примерно через 100 тыс. лет ионизационный фронт достиг новорожденного Солнца и начал «выпаривать» окружавший Солнце газ. Возможно, между Солнцем и молекулярным облаком протянулся газовый «палец»
РОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОГО СКОПЛЕНИЯ

    Скопление такой массы, как мы оценили, слишком мало, чтобы стать шаровым скоплением. Оно рассеялось примерно за 100-200 млн лет. Массивные звезды в его центре выбрасывали газ в виде звездного ветра (похожего на солнечный ветер, но гораздо более сильного), а в конце жизни взорвались, уменьшив этим плотность вещества в скоплении и тем самым ослабив его гравитационное поле. В результате скопление расширилось и могло развалиться. Но даже если оно пережило эту раннюю дегазацию, влияние на движение его звезд со стороны гравитационного приливного поля Галактики вызвало его медленный распад.

    Скопление, в котором родилось Солнце, в конце концов распалось, но до этого оно помогло оформиться Солнечной системе. Излучение окружающих звезд сработало как кухонный нож, обрезав края протопланетного диска; Слизкая сверхновая «приперчила» растущие планеты радиоактивными изотопами, а притяжение пролетающих звезд «взболтало» орбиты комет.

    1. За 10 тыс. лет окружающий газ окончательно рассеялся. Ультрафиолетовое излучение стало непосредственно падать на протопланетиый диск, окружавший Солнца.
    2. За следующие примерно 10 тыс. лет это излучение разрушило диск за пределом 50 астрономических единиц от его центра.
    3. Примерно через 2 млн лет взорвалась массивная звезда, и в Солнечную систему попало ее вещество, в том числе свежие радиоактивные изотопы. Они вошли в состав допланетных тел и стали источником энергии для ранней геологической активности.
    4. В течение следующих примерно 100 млн лет другая звезда этого скопления прошла на расстоянии нескольких тысяч астрономических единиц от Солнца, перемешав кометы на периферии Солнечной системы и переведя их на наклонные орбиты.
    5. Из-за саморазрушения наиболее массивных звезд гравитация в скоплении ослабла и оно рассеялось примерно за 100-200 млн лет. Солнце и другие члены скопления медленноудалились друг от друга.
СМЕРТЬ СОЛНЕЧНОГО СКОПЛЕНИЯ

    До того как скопление разрушилось, его звезды были упакованы так плотно, что одна из них легко могла пролететь через Солнечную систему. Тесное сближение звезд должно было сместить планеты, кометы и астероиды с их исходных круговых орбит, лежавших в одной плоскости, и перевести на высокоэллиптические, разнообразно наклоненные орбиты. Многие кометы за орбитой Плутона, на расстояниях более 50 астрономических единиц (а.е.) от Солнца, имеют сильно вытянутые орбиты. Столь необычные орбиты, по-видимому, невозможно объяснить внутренней динамикой Солнечной системы, поскольку эти тела находятся даже вне зоны гравитационного влияния Юпитера. Скорее всего, их «перемешала» звезда, прошедшая на расстоянии 1000 а.е. Но большие планеты движутся по регулярным орбитам, доказывая этим, что чужая звезда никогда не приближалась к Солнцу менее чем на 100 а.е.
    Исходя из этого, я оценил размер скопления. Чтобы с высокой вероятностью за время жизни скопления звезда прошла на расстоянии 1000 а.е. от Солнца, диаметр скопления должен быть не более десяти световых лет. С другой стороны, чтобы звезда не прошла ближе 100 а.е., скопление должно быть более трех световых лет в диаметре. Короче, скопление, в котором родилось Солнце, было похожим на R136, но значительно менее плотным, так что звезды в нем были достаточно удалены друг от друга и не мешали формированию планет.

Генеалогия Солнца

    Теоретики могут пойти еще дальше и спросить - а где именно в Галактике сформировалось наше родительское скопление? Солнечная система обращается вокруг центра Галактики по почти круговой орбите, не удаляясь заметно от диска. В настоящее время мы находимся на расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра и в 15 световых годах от плоскости диска, двигаясь по орбите со скоростью 234 км в секунду. С момента своего рождения Солнце совершило 27 галактических оборотов. Орбита у него не замкнутая; ее более сложная форма определяется гравитационным полем Галактики, параметры которого астрономы определяют по движению звезд и межзвездных облаков газа.
    Предположив, что это гравитационное поле не изменилось за последние 4,6 млрд лет, я рассчитал орбиту обратно во времени и выяснил, что Солнце родилось на расстоянии 33 тыс. световых лет от центра и 200 световых лет от галактической плоскости. Загадочным это положение делает тот факт, что внешние области Галактики беднее тяжелыми элементами, чем внутренние. В самых далеких областях может быть недостаточно вещества для формирования планет, не говоря уже о жизни. Хотя предполагаемое место рождения Солнца не настолько бедное, там все еще меньше тяжелых элементов, чем на Солнце. Исходя только из содержания тяжелых элементов, астрономы могли бы предположить, что Солнце родилось на 9 тыс. световых лет ближе к центру.

Сейчас Солнце находится примерно в 30 тыс. световых лет от центра нашей Галактики. Астрономам известно только 11 других звезд в пределах десяти световых лет от Солнца. До распада солнечного скопления в этом же объеме было более тысячи звезд.
НАШИ СОСЕДИ

    Может быть, та же сверхновая, что обогатила метеориты железом-60, добавила Солнцу тяжелых элементов? А возможно, мои расчеты орбиты не вполне верны, поскольку гравитационное поле Галактики изменилось, или потому что орбитальное движение Солнца было немного нарушено притяжением близких звезд или облаков газа. В этом случае Солнце могло родиться ближе к центру, чем дают мои оценки, и тогда его состав не так уж аномален.
    Бывшие члены солнечной семьи тоже должны обращаться вокруг центра Галактики со скоростью более 200 км/с. Но их относительные скорости, которые определялись гравитационным полем исходного скопления, составляли лишь несколько километров в секунду. Как группа автомобилей на шоссе, эти звезды движутся рядом, хотя и не связаны уже взаимным притяжением. Их исходный рой очень медленно растягивался в дугу. После 27 оборотов он должен растянуться примерно на пол-оборота вокруг центра.
    Мои вычисления показали, что около 50 «братьев и сестер» Солнца должны быть сейчас в пределах 300 световых лет от нас и около 400 звезд - в пределах 3 тыс. световых лет. В зависимости от начальной взаимной скорости звезд и очередности их вылета из скопления либо Солнце движется по орбите вслед за ними, либо они за нами.

    Рассчитав возможные орбиты родственников Солнца, теоретики могут оценить, где эти звезды сейчас находятся, а это поможет наблюдателям в их поиске, Обнаружение даже одной из них важно для воссоздания картины рождения Солнечной системы.

    1. 200 МЛН ЛЕТ ПОСЛЕ РОЖДЕНИЯ СОЛНЦА
    Солнце и его родственники расходятся с относительными скоростями несколько километров в секунду, продолжая двигаться вокруг центра Галактики со скоростью более 200 км/с.
    2. 250 МЛН ЛЕТ
    Совершив четверть оборота вокруг центра Галактики, эти звезды рассеялись всего лишь на 100 световых лет или немного больше.
    3. 4,6 МЛРД ЛЕТ (НАША ЭПОХА)
    Сделав 27 полных оборотов, звезды растянулись в шеренгу длиной в десятки тысяч световых лет. Несколько процентов из них все еще находятся не далее 300 световых лет от Солнца.
НАШИ СОСЕДИ

    Наилучшее место для поиска этих звезд лежит в плоскости Галактики в направлении движения Солнечной системы либо в диаметрально противоположном направлении. Один из моих студентов сейчас ищет их в каталоге звезд, исследованных европейским спутником Hipparcos в начале 1990-х гг., но данные спутника, по-видимому, недостаточно точны, чтобы их обнаружить. В этом деле мы надеемся на спутник GAIA. У него есть в наличии два телескопа, которые за пять лет смогут измерить все три координаты и скорость примерно миллиарда звезд, создав таким образом практически полную перепись звезд в пределах нескольких тысяч световых лет от Солнца. По этим данным мы сможем поискать звезды, лежащие вблизи солнечной орбиты. По составу они должны быть похожи на Солнце, поскольку та сверхновая, которая «загрязнила» юную Солнечную систему, должна была сделать то же самое и с другими звездами скопления.
    Обнаружение даже одного родственника Солнца даст очень важную информацию о самых первых этапах жизни Солнечной системы, которые, казалось бы, давно уже канули в Лету. Теоретики смогут более точно вычислить место рождения Солнца и определить, например, сильно ли изменилось гравитационное поле Галактики. К тому же окрестности родственников Солнца станут отличным местом для поиска пригодных для жизни планет. Хотя мы выглядим очень одинокими в Галактике, так было не всегда. Многие особенности Солнца - хотя бы то, что оно взрастило жизнь, - могут стать более понятными при знакомстве с его семьей.
Автор материала: СИМОН ПОРТЕГИС ЦВАРТ 

Джубга все включено отель
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru