Статистико-механические методы изучения звёздных систем

В научных трудах раннего периода В. А. Амбарцумяна особое место заняли работы по звёздной астрономии, в частности по динамике звёздных систем. Амбарцумян постоянно и упорно искал закономерности, проливающие свет на катастрофические явления в туманностях, звёздах, звёздных агрегатах, во внегалактических объектах — галактиках, квазарах и квазизвёздных объектах, находящихся в состоянии неустойчивости. Он считал, что суть физических процессов в звёздах и галактиках наилучшим образом выявляется в экстремальные, поворотные, быть может, даже в катастрофические моменты их жизнедеятельности. Но общепонятный физический смысл нестационарности небесных тел нужно было сформулировать в строго математических терминах. Амбарцумян прежде всего пишет руководство — «Статистико-механические методы изучения звёздных систем». К сожалению, рукопись осталась неопубликованной, но на её основе в 1930-х годах он читал в Ленинградском университете лекции по звёздной динамике. Она послужила основой многочисленных трудов для него и других астрономов, его коллег и учеников.

Первым неоспоримым успехом приложения разработанной Амбарцумяном статистической механики звёздных систем явилось получение в 1936 году очень важной формулы для потенциальной энергии самогравитирующей сферической системы. Соответствующая статья была опубликована, однако осталась незамеченной, и в 1954 году эту формулу независимо вывел Шварцшильд, которому она была приписана в «Пулковском курсе астрофизики и звёздной астрономии». Из этой формулы непосредственно следует знаменитая формула Кинга для гравитационного потенциала.

Затем последовало решение вопроса о рассеянии открытых звёздных скоплений в Галактике.

В 1930-х годах С. Росселанд исследовал рассеяние звёздных скоплений Галактики. Он, естественно, заметил, что когда дисперсии скоростей звёзд скопления и поля сравниваются, то скопление «расплывается». Он оценил характерное время такого процесса, которое можно считать верхним пределом возраста скоплений. Оказалось, что для рассеянных звёздных скоплений возраст не превосходит 1010 лет. В 1934 году Б. Бок обратил внимание на значительную роль приливных сил в эволюции звёздных скоплений, однако при математическом анализе своих упрощённых моделей он сделал несколько ошибок, исправление которых, как показал Л. П. Осипков, не повлияло на выводы качественного характера.

Редактируя русский перевод книги Росселанда, Амбарцумян заметил, что существует механизм разрушения плотных звёздных скоплений более эффективный, чем рассмотренный Росселандом, — это испарение, точнее самоиспарение, или диссипация звёзд, вследствие их сближения друг с другом. Члены звёздного скопления, двигаясь, иногда сближаются друг с другом и обмениваются при этом энергиями. В результате таких обменов отдельные звёзды приобретают столь большие кинетические энергии, что безвозвратно покидают скопление. Таким образом, Амбарцумяном было установлено, что причиной диссипации является взаимодействие звёзд при сближениях, когда энергия некоторых звёзд становится выше, чем энергия отрыва. Это объясняется тем, что из-за отсутствия потенциального барьера на границе звёздных систем некоторые из звёзд приобретают в результате взаимодействия между собой скорости, превышающие параболическую скорость, и улетают из системы. С течением времени так должно испариться всё скопление.

Отсюда следовало, что открытые звёздные скопления, являющиеся существенными составными образованиями в Галактике, не могут существовать больше 109—1010 лет.

Таким образом, стало ясно и то, что скопления не возникают из независимых друг от друга звёзд общего звёздного поля Галактики, а наоборот, разрушаясь, как бы становятся источником, питающим это общее поле. Стало ясно, что звёзды каждого скопления возникли совместно и имеют общее происхождение.

Сложность проблемы и заслуга Амбарцумяна заключается в том, что он сумел точно оценить время испарения членов звёздной системы и сравнить его со временем её релаксации, достижения статистического равновесия.

Надо заметить, что этот механизм разрушения был известен Пуанкаре и Эддингтону, но до Амбарцумяна никто не пытался оценить время такого разрушения.

Полемика с Джеймсом Джинсом

Далее Амбарцумяну удалось уточнить возраст нашей Галактики.

Чтобы определить возраст нашей Галактики, необходимо было точно выяснить, насколько «успокоилась» наша гигантская звёздная система после её образования, в какой степени наступило статистическое равновесие в динамике двойных звёзд.

В эти годы господствовала идея «длинной» шкалы галактической эволюции, наиболее авторитетными приверженцами которой были Дж. Джинс и А. Эддингтон. Согласно Джинсу, все звёзды Галактики образовались более или менее одновременно 1012—1013 лет назад. За это время звёзды успели в достаточной степени провзаимодействовать между собой, что привело к их равномерному распределению по кинетической энергии. По Джинсу, «длинная» шкала подтверждалась статистическим анализом орбит в двойных системах, указывающим на существование диссоциативного равновесия между процессами образования и разрушения двойных звёзд в Галактике — статистического закона равновесия Больцмана.

Джинс утверждал, что распределение эксцентриситетов орбит двойных звёзд является доказательством правильности долгой шкалы времени эволюции.

На самом деле, как показал Амбарцумян, это утверждение оказалось ошибочным. Проанализировав статистику Джинса двойных звёзд, Амбарцумян показал, что «долгая шкала времени» — результат неправильной интерпретации наблюдательных данных об элементах орбит двойных звёзд.

Амбарцумян выполнил корректный статистический анализ с использованием богатых и полных данных каталога Эйткена визуально двойных звёзд. Он отказался от статистически равновесного закона распределения Больцмана, который давал сильное расхождение с наблюденным законом. Амбарцумян показал, и это самое главное, что равновесное состояние в двойных звёздах нашей Галактики ещё не наступило!

В результате получилось убедительное доказательство другой, «короткой шкалы времени эволюции». Она оказалась равной 1010 лет, то есть в тысячу раз короче «длинной шкалы». Таким образом, выяснилось, что наша Галактика в тысячу раз моложе, чем думали современники Амбарцумяна.

Начавшаяся кратковременная полемика между Джинсом и Амбарцумяном вскоре завершилась в пользу Амбарцумяна.

В последних из современных работ, проведённых с использованием других методов и большого количества статистического наблюдательного материала, определена величина возраста Галактики: (1,3÷1,4)·1010 лет. Совсем недавно, с помощью крупнейшего телескопа (VLT) в Чили получен последний результат оценки возраста Галактики: 1,36·1010 ± 800·106 лет.

Таким образом, на основе изучения нестационарных процессов и темпов установления равновесного распределения элементов орбит двойных звёзд была доказана справедливость короткой шкалы звёздной эволюции. Этот результат вызывает восхищение теорией звёздной динамики, разработанной Амбарцумяном 70 лет тому назад.

Следующим, ещё более существенным шагом использования этой теории явилось исследование устойчивости или нестабильности больших звёздных систем. Был получен важнейший вывод, что рассеянные скопления недалеко продвинулись по эволюционному пути и являются молодыми объектами. Это обстоятельство в дальнейшем дало Амбарцумяну возможность, в частности, обнаружить новый класс звёздных скоплений — звёздных ассоциаций.

Спустя почти 60 лет, в 1995 году, коллеги в России присудили В. А. Амбарцумяну — гражданину другого государства, Армении — Государственную премию России по науке за выдающийся труд Виктора Амазасповича 1936 года «Статистические методы изучения звёздных систем», выдержавший строгое испытание временем. Нетрудно представить себе степень благодарности учёного русским коллегам.