Объекты Хербига-Аро, джеты, фуоры и прочее...

История развития современных представлений о том, как рождаются звезды, интересна и поучительна. По своей занимательности, хитросплетению интриги и неожиданности поворотов сюжета она не уступит добротному детективному роману, отличаясь от него лишь тем, что конца у этой истории пока нет и не похоже, чтобы он появился в ближайшем будущем. Рассказ об объектах Хербига-Аро — лишь небольшая глава в ней, но без нее картина не может быть полной.

Более сорока лет назад, в 1954 году, просматривая негативы южной части Туманности Ориона, Джордж Хербиг в США и Гильермо Аро в Мексике независимо и практически одновременно обратили внимание на маленькие, порядка десятка угловых секунд, размытые пятнышки. Заинтересовавшись этими необычными объектами, ученые провели их спектральные исследования. Оказалось, что спектр этих образований характерен для разреженных газовых туманностей, нагреваемых излучением близлежащих горячих звезд. Однако, никаких горячих звезд по соседству с этими туманностями видно не было! Стало ясно, что вновь открытые объекты должны иметь другую природу, выяснением которой и занялись астрономы.

В том же 1954 году В. А. Амбарцумян выдвинул гипотезу о том, что причиной свечения объектов Хербига-Аро (НН), как он предложил называть эти загадочные мини-туманности, служит скрытая внутри них звезда, а вернее, даже не звезда, а ее зародыш — протозвезда (пользуясь современной терминологией). Иными словами, им было выдвинуто предположение о том, что объекты Хербига-Аро представляют собой нечто среднее между исходным облаком межзвездного газа и будущей звездой, точнее, так называемым объектом типа Т Тельца.

Последние представляют собой холодные звезды, которые были открыты астрономами еще в начале нашего века в окрестностях некоторых темных туманностей. Они отличаются от аналогичных звезд главной последовательности наличием в спектре интенсивных эмиссионных линий водорода и ряда других атомов и ионов. В 1945 году американский астрофизик А. Джой предположил, что эти объекты (он назвал их звездами типа Т Тельца) столь же молоды, как и располагающиеся неподалеку горячие звезды, но имеют меньшую массу — порядка солнечной.


Как и их горячие собратья, звезды типа Т Тельца образуют на небе сравнительно компактные группировки (Т ассоциации), исследования динамики которых подтвердили, что они образовались не более нескольких миллионов лет тому назад. Но если массивные, с массой в пять и более масс Солнца, звезды с таким возрастом — это уже "настоящие" звезды, светимость которых поддерживается за счет ядерных реакций, то звезды с меньшей массой, порядка солнечной, в этот период находятся на промежуточной стадии превращения газопылевого облака в звезду. И значит, их светимость обусловлена выделением тепла при сжатии, то есть не в результате ядерных реакций, а в результате работы сил гравитации. Возможность проследить за тем, как происходит формирование звезд, а в перспективе и планет, настолько заинтересовала астрономов, что в конце сороковых годов они приложили немало усилий, чтобы выявить как можно больше звезд типа Т Тельца. И к началу 50-х годов их удалось обнаружить уже более сотни.

Но вернемся к объектам Херби-га-Аро. Гипотеза о том, что они представляют нечто среднее между исходным облаком межзвездного газа и будущей звездой, завоевала настолько широкое признание, что излагалась в учебниках по астрономии и научно-популярных изданиях вплоть до середины 80-х годов. Однако, на самом деле уже к началу семидесятых специалисты поняли, что она не верна.

Так, уже с самого начала ученые обратили внимание на тенденцию открытых Хербигом и Аро загадочных туманностей группироваться в небольшие скопления. Более того, впоследствии оказалось, что ряд из этих объектов, казавшихся ранее единым целым, на самом деле представляют собой несколько плотных пятен, образующих как бы группу мелких объектов, погруженных в более разреженную туманность. Из сравнения фотографий, сделанных с интервалом в несколько лет, выяснилось, что некоторые из них могут менять свою форму и даже вовсе исчезать или, наоборот, появляться. Закончилась неудачей и попытка мексиканского астронома Е. Мендозы обнаружить инфракрасное излучение у объектов Хербига-Аро, которое непременно должно было быть, если бы в их центре находился холодный сжимающийся объект. Все эти факты никак не укладывались в рамки гипотезы о сжимающемся облаке.


К тому времени уже было известно около сорока объектов Хербига-Аро, сведения о которых Хербиг опубликовал в виде каталога, присвоив каждому из объектов порядковый номер (впоследствии по мере обнаружения новых объектов им присваивались номера, продолжающие список Хербига). Однако, тут стоит упомянуть, что с именем Хербига также связано обнаружение более массивны х, чем звезды Т Тельца, молодых звезд, тоже находящихся на стадии сжатия. Их теперь называют Ае/Ве звезды Хербига.

Луч света в понимании природы объектов Хербига-Аро забрезжил тогда, когда стало известно, что линии в спектрах этих необычных туманностей смещены относительно лабораторных значений, что указывало на их движение относительно Земли вдоль луча зрения. Вскоре удалось заметить и перемещение некоторых из них по небу, то есть движение перпендикулярно лучу зрения.

Тщательное исследование кинематики различных объектов Хербига-Аро, расположенных неподалеку друг от друга, показало, что их полная скорость в пространстве может достигать порядка 300 км/сек, причем движутся они так, как будто разлетаются от некоторого общего для данной группы центра. В одних случаях в этом центре наблюдалась звезда типа Т Тельца или Ае/Ве Хербига, а в других — источник инфракрасного излучения, не видимый в оптическом диапазоне. Таким образом, стало ясно, что объекты Хербига-Аро представляют собой не протозвезды, а нечто другое, более косвенным образом связанное с процессом формирования звезд из газопылевых облаков.

Дальнейший прогресс в изучении природы объектов Хербига-Аро связан с именем американского астронома Р. Шварца. Во-первых, он сам обнаружил несколько новых компактных туманностей в областях звездообразования, а во-вторых, в 1975 году он обратил внимание на то, что спектры этих небесных объектов больше похожи на спектры остатков сверхновых, чем на спектры областей ионизованного водорода вокруг звезд ранних спектральных классов.


Как раз в этот период астрономами активно обсуждалась идея об истечении вещества из звезд типа Т Тельца наподобие солнечного ветра. Поэтому Шварц предположил, что объекты Хербига-Аро представляют собой сгустки газа, нагретого ударными волнами, которые возникают, когда "дующий" во все стороны от молодой звезды звездный ветер наталкивается на неоднородности межзвездной среды и обтекает их.

В рамках гипотезы Шварца ударная волна, а следовательно, и объекты Хербига-Аро должны иметь форму, напоминающую параболоид вращения, обращенный выпуклой стороной навстречу набегающему газовому потоку (в газодинамике эту конфигурацию принято называть головной ударной волной). И хотя Шварц нашел несколько подобных туманных пятен, все равно объекты Хербига-Аро имели, как правило, либо неправильную форму, либо форму дуги,, выгнутой в противоположном направлении.

Поэтому в конце семидесятых годов различными авторами были предложены другие гипотезы, связанные с действием ударных волн. Однако, все они были отвергнуты, так как ни одна из них в конечном итоге не смогла одновременно объяснить: почему объекты Хербига-Аро встречаются группами; почему в более чем половине случаев неподалеку друг от друга располагаются группировки объектов, движущихся в противоположные стороны; почему объекты Хербига-Аро движутся в пространстве со скоростями порядка 300 км/сек; и так далее, и так далее.

Вопросов, которые поставили перед астрономами эти объекты, оказалось немало. Но тут на помощь пришла радиоастрономия. В конце семидесятых годов радиоастрономы начали активно осваивать миллиметровый диапазон электромагнитных волн в надежде обнаружить излучение различного рода молекул межзвездной среды. Для исследователей объектов Хербига-Аро результаты изучения областей звездообразования в радиолиниях молекулы окиси углерода СО оказались особенно интересными: в 1980 году группа ученых во главе с Р. Снеллом обнаружила в окрестностях некоторых молодых звезд и протозвезд движение холодного, порядка 30°К, газа со скоростью около 10 км/сек. Оказалось, что это движение представляет собой разлет молекулярного газа в противоположных направлениях от центрального источника, грубо говоря, в виде двух конусов с углом раствора порядка нескольких десятков градусов и протяженностью до нескольких парсек. У некоторых формирующихся звезд темп истечения вещества превышал 10^-5 М_☉ в год, причем интенсивный выброс вещества был обнаружен даже у протозвезд с возрастом не более десяти тысяч лет. Таким образом, стало ясно, что истечение вещества является составной и, по-видимому, весьма важной частью процесса звездообразования.


В этот же период в оптической астрономии также происходила "тихая революция": появились телескопы нового поколения, а на смену фотопластинкам пришли на порядок более чувствительные электронно-вакуумные, а затем и твердотельные приемники излучения. Стало возможным получать высококачественные спектры сла-босветящихся туманностей, а также их прямые изображения с помощью узкополосных фильтров, центрированных на линию водорода На или на запрещенные линии кислорода, серы и других элементов. Потеря света в последнем случае с лихвой компенсировалась повышением контрастности, что позволило открыть много новых компактных эмиссионных туманностей и более детально изучить структуру и кинематику уже известных объектов.

И вот в 1982 году М. Допита, Р. Шварц и И. Ивенс обнаружили, что отдельные структурные образования комплекса объектов НН 46 и НН 47 как бы трассируют две узкие противоположно направленные струи горячего, около 10000°К, газа, вылетающие из общей точки, в которой позже был открыт источник инфракрасного излучения. Более того, оказалось, что отдельные яркие детали комплекса НН 46-НН 47 связаны "мостиками" слабо-светящегося газа. После было найдено еще несколько подобного рода образований, и вскоре ученые пришли к выводу, что все объекты Хербига-Аро представляют собой наиболее яркие участки газовых струй или, иначе говоря, джетов, истекающих из молодых звезд.

На сегодняшний день джеты обнаружены примерно у тридцати звезд типа Т Тельца и Ае/Ве Хербига. Типичная длина джетов — порядка 0.1 пк, а уносимая ими масса по последним оценкам варьируется в диапазоне от 10^-8 до 106 М_☉ в год в зависимости от светимости центрального источника. Скорее всего, основную массу вещества джета составляет нейтральный водород, а на долю ионизированного газа приходится не более 10%. В тех случаях, когда у формирующейся звезды одновременно наблюдаются джет и молекулярные потоки, горячая струя, а стало быть, и объекты Хербига-Аро, располагаются вдоль оси конуса летящего холодного газа.

Естественно встал вопрос: а не являются ли молекулярные потоки вторичными образованиями, порожденными взаимодействием джетов с остатками родительского облака? По этому поводу шли серьезные споры, и в последние годы специалисты склоняются к мнению, что так оно и есть.

Теперь стало ясно, что объекты Хербига-Аро, расположенные на концах джетов, представляют собой головную ударную волну, возникающую при столкновении газовой струи с окружающей средой. Более того, теория предсказывает наличие в области столкновения не одной, а двух располагающихся неподалеку друг от друга ударных волн, и последние наблюдения подтверждают это предсказание. Наблюдаемая в ряде случаев "кружевная" структура данных объектов отчасти обусловлена неоднородностями окружающей среды, а отчасти связана с различного рода неустойчивостями. Нет сейчас и противоречий между теоретическими и наблюдаемыми спектрами этих туманностей.

А вот вопрос о природе объектов Хербига-Аро, располагающихся в средней части джетов, оказался более сложным, хотя, безусловно, и они обязаны своим существованием ударным волнам. Несколько лет тому назад было обнаружено, что эти светящиеся уплотнения удаляются от центральной звезды со скоростью, сравнимой со скоростью самого джета. Однако, их наблюдаемый спектр соответствует теоретическому при гораздо меньших значениях скорости фронта ударной волны. Многие сейчас полагают, что это объясняется тем, что выброс вещества из центрального источника происходит не непрерывным, а дискретным образом, причем с разной скоростью. В этом случае скорость фронта ударной волны относительно выброшенного ранее газа определяется разностью скоростей данного и предыдущего выбросов, что, вроде бы, позволяет снять данное противоречие. В настоящее время сразу несколько групп теоретиков пытаются путем численного моделирования подтвердить эту гипотезу.

Сторонники идеи о многократном выбросе вещества ссылаются на примеры джетов, у которых на каждом из концов наблюдаются две или даже несколько пространственно разнесенных головных ударных волн. Известны также примеры бурных изменений в поведении молодых звезд — речь идет, прежде всего, о фуорах, названных так по имени звезды FU Ориона. Это молодые звезды, у которых за несколько месяцев светимость выросла более чем в сто раз, а затем очень медленно стала ослабевать. Естественно предположить, что подобного рода нестационарные процессы сопровождаются выбросом джетов, однако прямого подтверждения этой гипотезы пока получить не удалось.

Как известно, джеты обнаружены также у симбиотических звезд, рентгеновских пульсаров, у знаменитого источника SS 433 и, наконец, у активных галактик. Все эти объекты, несмотря на кажущуюся разнородность, объединяет одно общее: по той или иной причине у них, по-видимому, имеется газовый диск, вещество которого падает на центральный источник под действием силы гравитации. Сейчас накопилось много фактов, свидетельствующих о том, что активность молодых звезд также обусловлена дисковой аккрецией остатков родительского облака, а недавно с Космического телескопа им. Хаббла были получены прямые изображения дисковидных оболочек вокруг некоторых молодых звезд. Все это свидетельствует о том, что падение вещества на центральный объект в экваториальной плоскости и выброс газовых струй в перпендикулярном направлении — весьма распространенное явление во Вселенной. Однако, до сих пор теоретикам не удалось придти к единому мнению, как именно происходит "перекачка" вещества из диска в джеты? Поэтому молодые звезды, в особенности ближайшие к Земле, вызывают пристальное внимание ученых. В этом контексте исследования объектов Хербига-Аро приобретают особый интерес, поскольку они открывают возможность получить информацию не только о текущих параметрах джетов, но и о событиях, происшедших в прошлом.

В январе будущего года во Франции должна состояться первая крупная конференция, специально посвященная объектам Хербига-Аро, и можно надеяться, что... Впрочем, подождем — увидим.