Еще в 1920 г., задолго до создания ядерной физики английский, астрофизик Артур Эддингтон указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звезд. Обсуждая проблему источников энергии звезд, он понял, что энергия звезды генерируется со скоростью, зависящей от температуры и плотности вещества звезды. Этот процесс должен саморегулироваться, чтобы звезда могла находиться в устойчивом состоянии. Эддингтона считают основоположником теоретических исследований физики звезд и межзвездной среды. По его мнению, мир открывается не только через наблюдения и логическое мышление, но и через религиозное постижение «невидимого мира», в который можно проникнуть только путем мистического опыта. Религиозный мистицизм не мешал ему быть естествоиспытателем. В науке издавна существовал обязательный принцип: «Не должно вводить Бога в научную теорию, даже если ты веруешь в него». Так поступали Лаплас, Ломоносов, Дарвин, Эддингтон, Хаббл.
В нашей Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд общей массой, равной примерно пяти массам Солнца. Возраст массивных звезд составляет примерно 10 млн. лет. По сравнению с другими объектами Галактики это небольшой возраст. Следовательно, эти звезды родились совсем недавно и не могли уйти далеко от места своего рождения. Одно из таких мест-скопление очень молодых звезд – туманность Ориона. На фоне Млечного Пути встречаются темные провалы. Здесь сосредоточены не только газы, но и мелкие твердые частицы–пылинки размером около 1 мкм (10-6 м) в количестве ~1% от массы всего газа. Детальное изучение Млечного Пути показало, что такие провалы (невидимые в оптический телескоп) встречаются в областях звездообразования, подобных туманности Ориона.
Известно, что межзвездный газ состоит на 67% по массе из водорода, на 28% из гелия и менее 5% приходится на все остальные элементы, включая кислород, углерод и азот. При относительно высокой плотности и низкой температуре, царящей в межзвездном газе, часть атомарного вещества должна была объединиться в молекулы. Молекулы объединялись в молекулярные облака. Газообразные молекулярные облака недоступны наблюдению в оптическом диапазоне, т.е. в диапазоне длин волн, воспринимаемых человеческим глазом. С помощью ракет и спутников удалось установить главную молекулу межзвездной среды – молекулу водорода Н2. При наблюдении межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены не только молекулы водорода, но и более сложные соединения. Среди них молекулы воды (Н2О), аммиака (NH3), формальдегида (Н2С=О), этилового спирта (С2Н5ОН) и даже простейшей аминокислоты – глицина.
Молекулярные облака являются центрами рождения звезд. Они имеют довольно сложное строение. Внутренняя часть молекулярного облака, состоящая почти полностью из молекулярного газа, покрыта слоем пыли, которая поглощает излучение близлежащих звезд. Снаружи слой пыли охвачен оболочкой, которая почти полностью состоит из слоя атомарного газа, поскольку проникающее в этот слой излучение звезд разрушает химические связи в молекулах, превращая молекулы в атомы. Еще в 1902 г. двадцатипятилетний английский физик-теоретик Д. Джинс (1877-1946) исследовал уравнения движения газа с учетом гравитации и установил, что они имеют два решения. Если масса газа мала и гравитационные силы невелики, а нагрет газ достаточно сильно, то в нем распространяется волна сжатия и разрежения – обычные звуковые колебания. Но если облако массивное и холодное, то тяготение побеждает газовое давление и облако начинает сжиматься, превращаясь в плотный газовый шар – звезду.
Джинс не ошибся. Именно эта модель образования звезд принята современной наукой. Когда плотность молекулярного облака при невысокой температуре становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо сжиматься. Известны молекулярные облака самых разнообразных размеров и масс. Например, темная туманность Угольный Мешок имеет диаметр 12 парсек и массу, равную массе 5 тысяч Солнц. Существуют молекулярные облака, масса которых достигает миллиона солнечных масс.
Когда молекулярное облако начинает сжиматься, то небольшие неоднородности плотности в процессе сжатия усиливаются, и оно разрывается на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие. При сжатии возрастает температура, и давление газа препятствует сжатию. Но пока облако прозрачно для излучения, оно теряет энергию, охлаждается и сжатие продолжается. Практически наблюдается свободное падение вещества к центру облака. Оно уменьшается в размерах, но еще в миллион раз превышает размеры Солнца. Облако переходит в стадию протозвезды (греч. protos-первый).
При сжатии протозвезды плотность настолько возрастает, что вещество уже не пропускает видимый свет. Но протозвезда еще остается прозрачной для инфракрасного излучения и теряет энергию при сжатии за счет инфракрасного излучения. Сжатие продолжается только потому, что давление и температура увеличиваются не настолько, чтобы препятствовать сжатию. Наступает момент, когда температура достигает нескольких тысяч градусов. Молекулы распадаются на атомы, а при повышении температуры до 10 тыс. градусов атомы распадаются на ядра и электроны. Силы гравитационного взаимодействия возрастают, и облако разогревается до нескольких миллионов градусов. Сжатие практически прекращается, т.к. начинается термоядерная реакция. Энергия термоядерного синтеза полностью компенсирует потери веществом энергии за счет излучения. Протозвезда становится звездой. Так зажигаются звезды. В табл.2 приведены характеристики протозвезды с массой, равной массе Солнца [24, с. 613].