80. Звёзды как газ

На горе Маунт-Вилсон в Калифорнии молодой астроном Харлоу Шепли с секундомером в руке засекал, как быстро бегут муравьи по своим тропам. В жару они бежали быстрее, в прохладу медленнее, и так исправно, что по их скорости он узнавал температуру воздуха с точностью до градуса. И напечатал об этом серьёзную статью. Ночами тот же Шепли снимал на телескопе шаровые скопления, тугие шары из сотен тысяч звёзд. Занятия выглядят никак не связанными. Но у звёзд в таком шаре тоже есть «температура», и она тоже про скорость бега.

Скопление собрано из звёзд и облака газа, в котором они родились. В Солнечной системе порядок задавала одна тяжёлая звезда в центре, и дорожки планет вокруг неё можно было рассчитать. В скоплении центрального солнца нет: звёзды сравнимой массы тянут друг друга все сразу, и путь каждой быстро запутывается в клубок. Хаос, который у планет только ставил предел предсказаниям, здесь берётся за работу: он перемешивает.

Звёзды при этом почти никогда не сталкиваются. Молекулы газа обмениваются скоростями, ударяясь друг о друга, а звёзды делают это на расстоянии: каждая встречная чуть тянет и чуть отклоняет. Толчки слабые, но их миллионы, и в конце концов скорости перемешиваются так же, как у молекул воздуха: немного быстрых, немного медленных, больше всего средних. Большинство шаровых скоплений живёт во много раз дольше, чем длится это перемешивание, и поэтому они успели стать газом. Разброс скоростей звёзд и есть их «температура». Ничего при этом не греется: это мера того, насколько по-разному мечутся звёзды.

Цифры у этого газа непривычные. В центре обычного шарового скопления звёзды носятся друг относительно друга со скоростями около десяти километров в секунду, в сорок раз быстрее пассажирского самолёта. И это прохладный газ: такой суеты едва хватает, чтобы шар не упал сам в себя. В самых плотных ядрах звёзды упакованы так тесно, что ближайшая соседка была бы примерно в сто раз ближе, чем к нам Проксима Центавра, ближайшая к Солнцу звезда. На планете у такой звезды не бывало бы тёмной ночи.

У этого газа есть и испарение, как у воды в блюдце. После череды встреч звезда иногда набирает скорость больше той, что нужна, чтобы вырваться, и уходит навсегда, унося энергию. Во встречах тяжёлые звёзды отдают энергию лёгким и оседают к центру, а лёгкие выталкиваются на окраины, где их забирает прилив Галактики. Это родня предела Роша: у Юпитера прилив разорвал комету на цепочку обломков, здесь прилив Галактики отрывает от скопления звёзды. Так старые скопления и худеют, снаружи и начиная с самых лёгких.

Дальше газ из звёзд делает то, чего не умеет ни один газ в стакане. Когда из чашки чая улетают самые быстрые молекулы, чай остывает. Скопление, теряя энергию, нагревается: оставшиеся звёзды стягиваются к центру и бегут быстрее. Так же ведёт себя спутник, которого тормозит верхний край атмосферы: он теряет энергию, опускается ниже и летит быстрее. Ядро скопления горячее окраин, и встречи понемногу выносят его тепло наружу. Отдав тепло, ядро сжимается, горячеет ещё сильнее, отдаёт ещё больше, и сжатие разгоняет само себя. Ленинградский астроном Вадим Антонов нашёл эту неустойчивость в 1962 году, а Линден-Белл и Вуд в Англии через шесть лет объяснили её смысл и дали ей имя: гравотермальная катастрофа.

Катастрофу останавливает то, чего нет ни у одной звезды по отдельности. В плотном ядре есть тесные двойные звёзды, пары, которые кружат друг вокруг друга. Когда к паре подлетает третья, она забирает часть энергии пары и уносится быстрее, а пара становится ещё теснее. Каждая встреча подбрасывает в ядро тепло, как полено в печку, только печка от этого не прогорает, а сжимается плотнее. Сжатие сменяется отскоком, и ядро может качаться туда и обратно. Примерно каждое пятое шаровое скопление нашей Галактики уже прошло через такое сжатие и теперь греется печкой из пар.

Крупнейшее шаровое скопление Галактики, Омега Центавра, собрало около десяти миллионов звёзд, чуть меньше, чем людей в Москве. В 2024 году астрономы нашли в её центре семь звёзд, которые несутся так быстро, что давно бы улетели, если бы их не держала невидимая гиря в тысячи солнц. Это сильный довод в пользу чёрной дыры, но спор не закрыт: раньше те же движения объясняли роем небольших чёрных дыр, оставшихся от звёзд. Возможно, и сама Омега не просто скопление, а ядро карликовой галактики, которую когда-то съел Млечный Путь. За это говорят звёзды разного возраста и разной химии внутри неё, но прямого доказательства нет.

Шаровые скопления послужили и измерительным прибором. Генриетта Ливитт, разбиравшая в Гарварде фотопластинки, заметила, что у некоторых мигающих звёзд ритм мигания выдаёт их истинную яркость. А зная истинную яркость и видимую, можно вычислить расстояние, как до фонаря известной силы. В 1918 году Шепли измерил так расстояния до шаровых скоплений и нанёс их на карту. Они окружили не Солнце, а точку далеко в созвездии Стрельца, и Шепли решил, что там центр Галактики, а мы живём вдали от него.

Масштаб он сильно завысил: не знал, что межзвёздная пыль гасит свет и что мигающие звёзды бывают двух сортов, а в скоплениях живут более тусклые. Фонарь в тумане кажется дальше, чем он есть. Но направление он указал верно, и в середину мира Солнце уже не вернулось.

Рядом со старыми шаровыми скоплениями живут молодые и рыхлые, их называют рассеянными. Плеяды, маленький ковшик на зимнем небе, — одно из них, и звёзд в них гораздо больше, чем видит глаз. Такое скопление рождается внутри облака, и поначалу большую часть его массы составляет газ: его тяготение и держит звёзды вместе, как вода держит песочный замок. Когда первые массивные звёзды выдувают газ, замок высыхает, и большинство скоплений рассыпается, а выживших потом растаскивают прилив Галактики и встречи с облаками. Солнце, вероятно, тоже родилось в таком замке, который давно рассыпался.

Скопление — тупик дерева, причём тупик обратимый: рассыпавшись, оно возвращает звёзды Галактике, и те живут дальше поодиночке. Шаровые скопления облаком окружают середину Галактики, закрытую пылью, и по ним эту середину нашли. Сама Галактика устроена иначе. Скопление, выдув свой газ, больше звёзд не делает, а Галактика делает их снова и снова, из газа, который уже побывал в звёздах.