Рисунки звезд, которые видели древние жители Земли складывались в различные причудливые картины, которым присваивались звучные эпические имена. Туманность Андромеды, созвездие Кассиопеи, Большая Медведица и Гидра – это только малая часть названий, позволяющих судить о том, какие ассоциации вызывали сверкающие на темном полотне небосклона далекие удивительные светила. Считалось, что судьбы людей неразрывно связаны с взаиморасположением звезд, которые способны принести рожденному под ними как богатство, счастье и удачу, так и горечь, беды и разочарования.
С развитием цивилизации мистико-поэтические представления о строении небесного свода существенно видоизменились и систематизировались, приобретя гораздо более рациональные очертания, но исторические звучные названия сохранились. Оказалось, что кажущиеся близкорасположенными звезды могут в реальности находиться далеко друг от друга и наоборот. Поэтому возникла необходимость создать звездную иерархию, соответствующую современным представлениям о мироздании. Так, в астрономической классификации появился термин «звездные скопления», объединяющий группу звезд, движущихся в своей галактике как одно целое.
Эти образования чрезвычайно интересны тем, что входящие в них светила, были образованы примерно одновременно и располагаются по космическим меркам на одном расстоянии от земного наблюдателя, что дает дополнительные возможности, позволяя сравнивать излучение от различных источников одного скопления без соответствующих поправок. Сигналы, поступающие от них, искажаются одинаково, что существенно облегчает работу астрофизиков, изучающих структуру и эволюцию звездных систем и Вселенной в целом, принципы формирования галактик, процессы звездообразования и их разрушения, а также многое другое.
Звездные скопления принято делить на две большие группы: шаровые и рассеянные. Но время от времени эту классификацию пытаются дополнить, так как далеко не все выявляемые космические образования строго подходят под ту или иную категорию.
Шаровые скопления, а их в некоторых галактиках насчитывается более десяти тысяч, – это старые даже по вселенским меркам образования, имеющие возраст свыше 10 миллиардов лет. Являясь, скорее всего, ровесниками Вселенной они могут многое рассказать ученым, сумевшим прочитать излучаемую ими информацию. Эти скопления имеют форму, близкую к сфере или эллипсоиду, и состоят из десятков тысяч звезд различной размерности – от древних красных карликов до молодых голубых гигантов, зарождающихся в самом скоплении при столкновениях населяющих его звезд.
Рассеянные скопления гораздо моложе шаровых – возраст таких звездных конгломератов обычно оценивается в сотни миллионов лет. Обнаружить их можно только в галактиках спиральной или неправильной формы, которые склонны к продолжению процессов звездообразования, в отличие, например, от эллиптических. Рассеянные скопления значительно беднее звездами, чем шаровые, зато при их наблюдении можно разглядеть каждое светило в отдельности, так как они расположены на значительном расстоянии друг от друга и не сливаются на общем небосводе.
По аналогии с политической и экономической сферами жизни небесные светила также способны создавать временные объединения, получившие в астрономии название «звездные ассоциации». Эти образования считаются самыми молодыми во Вселенной и имеют возраст не более десятков миллионов лет. Гравитационные связи в них очень слабы и недостаточны для длительного поддержания устойчивости системы, а потому они должны неминуемо распасться за довольно короткое время.
Считается, что ассоциации не могли возникнуть путем гравитационного захвата пролетающих мимо звезд, а значит, последние родились вместе с ней и имеют примерно такой же возраст. По сравнению со скоплениями численность «ассоциированных членов» не велико и измеряется десятками, а расстояние между ними составляет до нескольких сотен световых лет. С научной точки зрения открытие подобных новообразований подтверждает теорию продолжения во Вселенной процессов зарождения новых звезд, причем не поодиночке, а целыми группами.
До последнего времени считалось, что шаровые скопления – самые старые звездные образования, которые ввиду возраста должны были утратить динамику внутренних вращательных движений и их можно рассматривать как простые системы. Однако в 2014 году исследователи из Института внеземной физики общества Макса Планка, возглавляемые Максимилианом Фабрициусом, в результате длительных наблюдений за 11 шаровыми скоплениями Млечного Пути установили, что их центральная часть продолжает вращаться.
Большинство современных теорий дать объяснение этому факту не в состоянии, а это означает, что если информация подтвердится, то возможны изменения как в теоретических аспектах знаний, так и в прикладных математических моделях, описывающих движение шаровых ассоциаций.
Рассеянные звездные скопления называют так, потому что отдельные звезды можно легко разрешить. Например, Плеяды и Гиады настолько близки, что отдельные звезды без проблем удается рассмотреть невооруженным глазом. Иногда их называют галактическими скоплениями, так как они расположены в пыльных спиральных рукавах. Звезды в открытом скоплении обладают общим происхождением (сформировались и одного и того же начального молекулярного облака). Обычно в скоплении вмещается несколько сотен звезд (могут достигать нескольких тысяч). Звезды связаны гравитацией, но она довольно слабая. Скопление вращается вокруг галактики и на финальной стадии рассеивается из-за гравитационного контакта с более сильными объектами.
Полагают, что Солнце появилось в открытом скоплении, которого сейчас уже нет. Поэтому это всегда молодые объекты. В Плеядах все еще заметна туманность, намекающая на недавнее формирование.
Открытые скопления наполнены звездами населения I – молодые и с высоким уровнем металличности. В ширине охватывают от 2 до 20 парсеков.
Шаровые скопления вмещают от пары тысяч до миллиона звезд, расположенных в сферической гравитационной системе. Они находятся в ореоле и представляют собою наиболее древние звезды – население II (развитые, но низкая металличность). Скопления настолько старые, что любая звезда (выше G или F класса) уже перешагнула главную последовательность. В шаровом скоплении мало пыли и газа, потому что там не формируются новые звезды. Плотность во внутренних областях намного выше, чем на участках возле Солнца.
В шаровых скоплениях звезды также разделяют общее происхождение. Но этот тип прочно удерживает объекты гравитацией (звезды не рассеиваются). Во Млечном Пути находится примерно 200 шаровых скоплений. Среди них можно вспомнить 47 Тукана, М4 и Омега Центавра. Хотя насчет последнего есть предположения, что это может быть карликовая сфероидальная галактика.
У звезд открытых скоплений единое происхождение, поэтому у них сходится уровень металличности, а значит, все члены будут одинаково проходить по эволюционным этапам. Кроме того, они расположены на одном расстоянии, что также позволяет вывести абсолютную величину. Если же вы видите выделяющиеся яркие звезды, значит они намного светлее, чем их более слабые соседи.
Некоторые звезды входят в состав целой группы звезд. Большинство из них являются двойными системами, где две звезды вращаются вокруг их общего центра масс. Некоторые входят в состав тройной звездной системы. А часть звезд одновременно является частью более многочисленной группы звезд, которая носит название «звездное скопление». Такие скопления можно наблюдать на ночном небе невооруженным взглядом.
Открытые скопления или рассеянные скопления обычно включают в себя от 12 до нескольких тысяч звезд. Они держатся вместе благодаря взаимному гравитационному притяжению и имеют общий центр масс. Открытые звездные скопления состоят из горячих и относительно молодых звезд. Таких скоплений очень много в спиралевидных рукавах нашего Млечного Пути. Подсчитано, что в нашей галактике содержится около 20000 открытых звездных скоплений. Открытые скопления формируются, когда одновременно образуются сразу несколько звезд из одного облака пыли и газа. Наше Солнце тоже является частью открытого скопления, в которое также входят ближайшие к нам звезды – Альфа Центавра и Звезда Барнарда. Мы знаем, что звезды входящие в состав открытых скоплений молодые, благодаря тому, что их спектры указывают на наличие большого количества тяжелых химических элементов. Эти элементы формируются на протяжении длительного времени, которое уходит на рождение и смерть звезды.Открытые скопления такие молодые, потому что они живут не очень долго. Гравитационные взаимодействия между звездами и другими космическими объектами со временем приводят к рассеиванию таких скоплений.
Шаровые звездные скопления намного старше открытых скоплений и обычно содержат от десяти тысяч до миллиона звезд. Эти звезды образуют сферу, в центре которой наблюдается наибольшая концентрация звезд. Шаровые скопления есть совсем неподалеку от нашей галактики. Они вращаются по очень вытянутым эллиптическим орбитам вокруг центра галактики, с приближением к которому их концентрация постепенно возрастает. В данный момент известно 200 шаровых скоплений, окружающих нашу галактику. Спектроскопические исследования показывают, что звезды в шаровых скоплениях содержат гораздо меньше тяжелых химических элементов, чем такие звезды как Солнце. Это значит, что они намного старше нашей звезды. Считается, что большинству шаровых скоплений насчитывается от 14 до 16 миллионов лет. Ученые предполагают, что они образовались из той же древнейшей материи, из которой появились галактики.
Некоторые звездные скопления, такие как открытое скопление Плеяды, уже давно известны человечеству. Другие были открыты лишь с появлением телескопа. До его изобретения звездные скопления виделись людям, наблюдавшим за звездным небом, как размытые точки в небе. Некоторые из них даже время от времени путали с кометами. Шарль Мессье был одним из первых астрономов, который наблюдал за звездными скоплениями и составил каталог, в котором содержались самые яркие и большие звездные скопления, которые можно было видеть на небосводе. Всего в каталог вошло 51 звездное скопление.
Звездные скопления – один из самых удобных объектов для наблюдения. Многие из них, например, Плеяды и Гиады, видно невооруженным глазом. Если направить бинокль в центр нашей галактики, неподалеку от созвездия Стрельца вы увидите огромное количество шаровых скоплений. Ну а телескоп откроет для вас целый новый мир звездных скоплений, истинную красоту которых не сможет передать ни одна фотография, ведь из-за атмосферная турбулентности большинство фотографий получаются нечеткими. А наблюдая за звездными скоплениями в телескоп в темную безоблачную ночь, вы сможете насладиться их серебристым сиянием на черном бархате неба.
Звезды, как и люди, не любят одиночества. Астрономы хорошо знают, что большинство звезд образуют семьи. Это могут быть небольшие семьи – двойные, тройные, кратные звезды – или огромные скопления. Галактики можно считать гигантскими семьями или «звездными городами».
Некоторые созвездия очень хорошо выделяются на небе. Например, созвездие Ориона. Многие люди думают, что это звезды, которые как-то связаны друг с другом. Но это не так – по крайней мере, для большинства созвездий. В этом основное отличие созвездий от звездных скоплений. В скоплениях звезды соединяет главенствующая сила во Вселенной – сила гравитации, которая не позволяет звездам уходить далеко от той области, которую они занимают. Астрономы говорят, что звезды скопления гравитационно связаны. Гравитация – всюду проникающая сила. Она руководит рождением, жизнью и эволюцией звезд. Она же создает звездные скопления, кратные звезды и управляет их жизнью.
Согласно современной теории, звезды и их скопления рождаются в холодных плотных облаках молекулярного газа. В нашей галактике такой газ сосредоточен в тонком слое, в котором находится и Солнечная система. Если газ холодный, сила его давления не может уравновесить его тяготение, и облако может сжиматься. Облака газа очень клочковатые. В них есть места с более высокой и более низкой температурой. Области с самой низкой температурой являются зародышами, из которых рождаются звезды.
Благодаря сжатию или коллапсу облака, одновременно возникает все скопление и отдельные звезды в нем. Маломассивные звезды рождаются из самой холодной среды, температура которой составляет десятки кельвинов (минус 260-250 градусов Цельсия). Чем больше температура, тем более массивны рождающиеся звезды.
От массы звезд зависит количество энергии, которое они испускают. Горячие массивные звезды сразу после рождения начинают разгонять родительское газовое облако своим мощным потоком излучения. Когда масса облака сильно уменьшается, многие звезды, которые двигались с достаточно большими скоростями, покидают область, в которой родились. Но в каких-то местах первичного газового облака остается группа звезд, которая становится звездным скоплением.
Плеяды, Гиады, Ясли – хорошо известные и видимые невооруженным глазом звездные скопления. Скопления были открыты давно. Уильям Гершель, его сын Джон Гершель и другие астрономы активно открывали звездные скопления в нашей галактике и заносили их в свои каталоги. Один из французских астрономов Шарль Мессье – известный ловец комет – создал каталог объектов, которые были похожи на кометы, но ими не являются. В его каталоге очень много рассеянных и шаровых звездных скоплений.
Шаровые скопления видны глазу или в телескоп как яркие шары, состоящие из звезд с ярким свечением в центральной области. Они очень массивны – содержат многие тысячи или даже миллионы звезд. Рассеянные скопления – например, Плеяды – небольшие группы звезд. Французский астроном Лакайль когда-то посчитал вероятность увидеть в небольшой области неба семь ярчайших звезд Плеяд. Вероятность оказалась ничтожной, и он решил, что это реально связанные между собой объекты (хотя еще не понимал, что они связаны гравитацией).
Внешний вид – не главное различие между шаровыми и рассеянными скоплениями. Они различны по происхождению, химическому составу звезд, возрасту, пространственному распределению и по орбитам скоплений. Рассеянные скопления населяют тонкий диск галактики. В каталогах их содержится около четырех тысяч. Большей части мы не видим из-за обилия пыли. Астрономы оценивают полное число скоплений в диске примерно в 50 или в 100 тысяч объектов.
Шаровых скоплений в нашей галактике известно 160, а общее их число вряд ли превосходит 200. Они населяют огромное гало, окружающее тонкий диск. Это наиболее древние объекты галактики, возраст которых превышает десять миллиардов лет. Скорее всего, они образовались на самых ранних стадиях первичного коллапса протогалактики, поскольку в атмосферах их звезд мы не видим химических элементов тяжелее гелия. Они практически полностью состоят из первичного вещества – водорода и гелия – с небольшой примесью тяжелых элементов.
Рассеянные скопления образовывались из вещества обогащенного тяжелыми элементами при вспышках сверхновых. Их возрасты меняются в широких пределах. Возраст скоплений, которые рождаются на наших глазах – сотни тысяч, миллионы лет. Возраст самых старых приближается к возрасту шаровых скоплений.
Рассеянные и шаровые скопления движутся по разным орбитам. Рассеянные принимают участие в общем вращении галактического диска со скоростями больше двухсот километров в секунду. Орбиты шаровых ориентированы хаотически. Они огибают галактическое ядро и уходят на большие расстояния.
Звезды скопления возникают из одного молекулярного облака. Следовательно, они имеют одинаковый возраст, почти одинаковый химический состав и располагаются примерно на одном расстоянии от нас. Все наблюдаемые различия – по цвету, по видимому блеску – связаны с различием их масс. По ярчайшим звездам мы можем что-то судить о возрасте скоплений.
Принципы определения возраста скоплений очень просты. Массивные звезды излучают огромную энергию и быстро умирают, потому что запасы энергии пропорциональны массе, а полная светимость пропорциональна кубу массы. Поделив запасы энергии на энерговыделение, мы получаем время жизни. Время жизни падает обратно пропорционально квадрату массы. В молодых скоплениях мы можем видеть яркие, массивные, горячие звезды, а в старых такие звезды давно умерли. По наличию или отсутствию ярких горячих звезд мы можем сделать достаточно точный вывод о возрасте скопления. Это касается и шаровых скоплений, в которых самые яркие и горячие звезды – менее массивные, чем Солнце, красные гиганты.
Возможность определения возраста делает скопления летописцами истории галактики. Связав воедино возрасты скоплений, их пространственное распределение и скорости, химический состав звезд, который мы умеем определять спектроскопическими методами, мы можем восстановить историю нашей галактики. Как, где, когда, в каком количестве рождались звезды, каково было содержание тяжелых элементов в газе, из которого они формировались.
Не так давно были обнаружены немногочисленные сверхскопления. Первое было обнаружено в туманности Тарантул, которая находится в Большом Магеллановом Облаке – крупном спутнике нашей галактики. В докосмическую эру это скопление считалось одиночной звездой, потому что телескопы того времени не были способны различить много звезд, сосредоточенных в малом объеме, на расстоянии в 150 тысяч световых лет. С появлением крупных телескопов, в том числе космических, удалось разрешить это скопление на звезды. Это оказалось очень массивное, плотное и компактное молодое скопление со звездами в 10 миллионов раз ярче нашего Солнца. Такие звезды в 200 раз превосходят Солнце по массе и не встречаются в нашей галактике.
Но по крайней мере два сверхскопления в нашей галактике обнаружены. Они закрыты очень толстым и плотным слоем галактической пыли, который не позволяет наблюдать их в оптическом диапазоне. Однако в инфракрасном диапазоне пыль почти прозрачна.
Во многих галактиках есть ядерные звездные скопления. В самом центре нашей галактики расположено скопление из миллионов звезд возрастом в несколько миллионов лет. В его центре расположена сверхмассивная черная дыра, масса которой более чем в четыре миллиона раз превосходит солнечную. Звезды в этой области движутся с очень высокими скоростями, достигающими тысяч километров в секунду.
Звездные скопления – типичное население галактик – и эллиптических, и спиральных. В эллиптических галактиках известны десятки тысяч шаровых скоплений – особенно в гигантских, вроде Мессье 87. Это главная гигантская эллиптическая галактика, центр сверхскопления галактик, к которому принадлежит и наша. Скопления есть и в небольших галактиках. В Магеллановом Облаке их тысячи. Возможность определять возрасты звездных скоплений используется для выявления истории образования звезд и в других галактиках. С этой точки зрения звездные скопления крайне важны для современной астрономии.
Звездных скоплений известно мало (около 4-х тысяч рассеянных), и для многих плохо определены характеристики. Их важно исследовать, поскольку мы считаем скопления летописцами галактики. Однако есть серьезная помеха. На область неба, в которой мы видим скопление, проецируются звезды ближнего и дальнего фона. Чтобы определить характеристики скопления, необходимо точно знать, какие звезды расположены там, где находится скопление. Это сложная наблюдательная задача, над которой ведутся работы.
Несколько групп астрономов по всему миру занимаются систематическим открытием новых скоплений, опираясь на инфракрасные наблюдения. Наша галактика гораздо прозрачнее в инфракрасном диапазоне, благодаря чему удалось открыть сотни новых рассеянных скоплений, около десятка шаровых и несколько карликовых спутников галактики.
Звездные скопления формируются в недрах гигантских облаков межзвёздного вещества из-за его гравитационной неустойчивости. Как правило, это происходит в наиболее плотной и холодной части облака – в его ядре. После того, как в формирующемся звездном скоплении появляются массивные звёзды, они разогревают окружающее облако и разрушают его. Вместе с остатками газа молодое звездное скопление покидают и наиболее быстро движущиеся звёзды, образуя звёздную ассоциацию. Остальные звёзды, сохранившие гравитационную связь друг с другом, образуют сравнительно долгоживущее звёздное скопление.
Под действием внешних и внутр. сил происходит динамичная эволюция звездных скоплений. Сближения между звёздами в ядрах скоплений приводят к взаимному обмену энергией их движения. В результате некоторые звёзды получают избыточную энергию и сразу покидают скопление или переходят в область короны, откуда позднее «испаряются» под действием гравитационных возмущений со стороны Галактики. Процесс разрушения звездных скоплений усиливается под влиянием гравитационных «толчков» со стороны пролетающих мимо них массивных облаков межзвёздного вещества.
Ученые Астрономического института Аргеландера, Бонн, Германия (Argelander Institute for Astronomy at the University of Bonn) построили модель развития звездных скоплений из облаков межзвездного газа.
Звезды и звездные скопления формируются при коллапсе (сжатии) облака межзвездного газа. В пределах этих все более и более плотных облаков, появляются отдельные «сгустки», которые под действием гравитации притягиваются все ближе друг к другу и, наконец, становятся звездами. После этого звезды «выдувают» мощные потоки заряженных частиц, аналогичные «солнечному ветру». Эти потоки буквально выметают оставшийся межзвездный газ из скопления. В дальнейшем звезды, образующие скопление могут постепенно удаляться друг от друга, и тогда скопление распадается.
Ученые считают, что Солнце возникло в небольшом звездном скоплении, которое достаточно быстро распалось. Как говорят астрофизики, если бы это было не так, близкая звезда могла разрушить формирующуюся планетную систему.
Большое внимание исследователи обратили на связь массы звездного скопления и его время жизни. Астрономы пришли к выводу, что скопления чья масса ниже определенной границы разрушаются очень быстро. А вот тяжелые звездные скопления могут существовать практически неограниченно долго.
Один из авторов исследования профессор Павел Кропа (Pavel Kroupa) сказал: «Мы считаем, что когда рождалась Вселенная, далеко не все скопления были огромными шаровидными, но существовало неисчислимое количество мини-скоплений. И вопрос к астрономам: а где же следы этого бесчисленного количества небольших скоплений?». Немецкие астрофизики считают, что построенная ими модель позволяет указать эффективные методы поиска этих следов мини-скоплений во Вселенной.
Ученые уже давно обратили внимание на одну интересную особенность шаровых звездных скоплений: количество звезд в них примерно совпадает, в то время как молодые звездные скопления в близлежащих галактиках могут содержать практически любое количество светил – от нескольких десятков до нескольких тысяч. По мнению исследователей, такая разница объясняется тем, что процессы образования таких скоплений на ранних этапах эволюции галактик происходят при различных условиях.
Так, недавно космическому телескопу «Хаббл» удалось сфотографировать карликовую галактику NGC 4214, расположенную в созвездии Гончих Псов на относительно небольшом расстоянии от Земли – примерно 13 миллионов световых лет. Она примечательна тем, что содержит скопления старых красных сверхгигантов – очень крупных звезд, находящихся на поздней стадии развития. Кроме того, здесь бурно идут процессы образования новых звездных скоплений из межзвездного газа и пыли.
Полученные «Хабблом» снимки ценны тем, что на них можно наблюдать разные этапы эволюции звезд. Так, большую их часть занимают тусклые звезды – они самые старые, им несколько миллиардов лет. Молодые звездные скопления окружены облаками светящегося газа. В центре изображения видна своеобразная «полость», внутри которой находится скопление массивных молодых звезд. Их температура колеблется от 10 до 50 тысяч градусов Цельсия.
Вблизи центра галактики лежит скопление сотен голубых звезд-сверхгигантов, каждая из которых светит в десять тысяч раз ярче, чем Солнце. Скопление окружено огромным пузырем в форме сердечка, расширяющегося по мере того, как самые массивные звезды внутри него взрываются, превращаясь в сверхновые.
Как утверждают астрофизики, новые звезды в центральном пузыре образовываться уже не могут, так как плотные облака там рассеяны и горячий газ плохо сжимается. На тех. же участках галактики, где газ способен сжиматься, будут появляться новые звездные скопления. Так что NGC 4214 представляет собой своего рода естественную лабораторию, где мы можем проследить, как рождаются и умирают светила.
Также астрономы из Торонтского университета (Канада) зафиксировали на расстоянии 32 тысяч световых лет от Земли, в созвездии Южного Креста, крупное скопление молодых звезд, отнесенное экспертами к категории так называемых OB-ассоциаций, под которыми понимают группы массивных звезд, принадлежащих к спектральных классам O и B. По массе это скопление превышает большинство других известных подобных объектов Млечного Пути.
Исследователи смоделировали «поведение» изолированных и сталкивающихся галактик, в которых происходило формирование и разрушение звездных скоплений. Оказалось, что при столкновениях галактик часто создаются активные области звездообразования. Соответственно, там образуется большое количество новых звездных скоплений. Поэтому всегда считалось, что такие столкновения ведут к увеличению общего числа скоплений. Тем не менее, моделирование показало совершенно противоположный результат. Выяснилось, что тогда, как очень яркие и большие звездные скопления действительно в состоянии пережить столкновение благодаря гравитации, которая удерживает светила вместе, мелкие группы звезд довольно быстро выбывают из игры из-за резкого изменения гравитационного расклада. Смоделировав вспышку звездообразования, длившуюся около двух миллиардов лет, астрономы обнаружили, что выжить удалось лишь самым крупным скоплениям.
Авторы исследования пришли к выводу, что большинство молодых звездных кластеров уничтожается вскоре после формирования из-за враждебности галактической среды. Между тем, гигантские шаровые скопления спокойно живут и по сей день.
| 
