Рассмотрим другие составляющие Галактики. Пространство между звездами заполняет газ различной плотности и температуры и формирует то, что мы называем межзвездной средой. По большей части газ состоит из водорода – самого простого, легкого и распространенного элемента во Вселенной, атом которого состоит из одного протона и одного электрона, связанных вместе. Межзвездный газ пребывает в трех состояниях: атомарном (образуется соединением отдельных атомов), молекулярном (образуется соединением двух и более атомов, связанных вместе за счет молекулярного взаимодействия), и, наконец, ионизированном (возникает, когда столкновения между атомами из-за повышения температуры или значения напряжения внутреннего электрического поля привели к отрыву электронов от атомов газа). Хотя бо́льшую часть межзвездной среды составляет водород, в ней присутствуют и другие микроэлементы, например углерод и кислород. Этих веществ еще не было на этапе зарождения нашей Вселенной – они сформировались позже в ходе эволюции галактик, в частности благодаря участию газа в круговороте материи при звездообразовании.

На диске нашей Галактики более молодые звезды рассредоточены в местах скопления газа. Звезды формируются в гигантских облаках молекулярного водорода; одно такое облако может дать жизнь целому поколению звезд. Из-за воздействия гравитации частицы газа сближаются и образуют скопления, что приводит к возникновению островов звездообразования по всему диску Галактики, особенно внутри спиральных рукавов, где плотность газа выше всего. Звезда зажигается, когда гравитационный коллапс сжимает достаточное количество газа для образования холодного молекулярного ядра. Когда плотность достигает нужного уровня, атомы ядра начинают сталкиваться друг с другом, выделяя при этом огромное количество энергии. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в основном в тепло и излучение, и объект нагревается. Когда температура в центре достигает 15–20 млн кельвинов (К), запускаются термоядерные реакции, и сжатие прекращается.

Объект становится полноценной звездой. В процессе коллапса облака, если его фрагменты случайно распадутся из-за воздействия турбулентности или других изменений плотности газа внутри него, может одномоментно образоваться множество звезд. Рожденные рядом звезды из такого выводка становятся скоплением, элементы которого дрейфуют в пространстве и со временем удаляются друг от друга.

Это увеличенное изображение центральной части Млечного Пути, на заднем плане которого ясно видно затемнение звездного пространства межзвездной пылью, сгущающейся на плоскости диска. Местами мы можем увидеть пятна диффузного излучения: синего цвета – от свечения молодых звезд, рассеянного и отраженного частицами газа и пыли, и красно-розового – от свечения ионизированного водорода (HII) в местах зарождения новых звезд

После того как звезды зажглись, в их ядре запускаются термоядерные реакции, результатом которых становится выброс энергии в форме ультрафиолетовых и видимых лучей света. Эта радиация мгновенно воздействует на несгоревший газ, оставшийся в околозвездном диске: она заряжает его высокоэнергетическими протонами исоздает пузыри ионизированного газа, заставляя его светиться. Такое свечение туманности с головой выдает места формирования звезд в любой галактике. Ионизация – это процесс, в ходе которого достаточно заряженный протон отрывает электрон от атома (или молекулы). В определенный момент этот электрон может вернуться к своему или любому другому атому, утратившему электрон, но для этого ему придется высвободить всю полученную при отрыве энергию, испустив фотон. Однако есть одна особенность: такое «повторное излучение» приводит к высвобождению фотонов с крайне специфической энергией, что обусловлено квантово-механическими причинами. Мы можем представить электроны сидящими на абстрактных энергетических уровнях вокруг атомов, примерно как на ступеньках лестницы, где разница в ступеньках – это разница в энергетических уровнях. Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, которую мы воспринимаем как цвет. Поэтому когда новые звезды освещают свои родные облака водорода, каждое облако светится своим специфическим цветом. Мы называем этот свет H-альфа: он имеет темно-красный цвет с длиной волны 656,28 нм, а эти светящиеся облака – областями HII, или областями ионизированного водорода (HI – символ нейтрального неионизированного водорода, а HII – ионизированного). На протяжении книги мы будем возвращаться и к другим газовым компонентам галактик.

Не все звездные скопления глобулярные. Изображенный на снимке открытый звездный кластер в нашей Галактике называется NGC 3603. На дисках галактик, подобных нашей, звезды рождаются в гигантских облаках молекулярного газа, которые в процессе гравитационного коллапса могут породить сразу множество звезд, что приводит к возникновению подобных кластеров (хотя не все звезды рождаются скоплениями). Вокруг скопления можно заметить свечение от межзвездного газа (его испускают элементы водорода, серы и железа), заряженного радиацией, которую излучают молодые массивные звезды. Детальное понимание физических процессов звездообразования, основанное на изучении регионов активного звездного роста в нашей Галактике, дает нам жизненно важные данные для понимания процесса развития звездообразующих галактик дальней (и ранней) Вселенной

В астрономии все элементы, кроме водорода и гелия (точнее говоря, дейтерия и лития), обозначаются удобным названием «металлы». Металличность региона – это показатель концентрации в нем других элементов, которые тяжелее изначальных водорода и гелия, и измеряется она, как правило, в единицах сопоставления с металличностью Солнца. Но как появляются металлы? Уже давно стало расхожим клише утверждение, что Земля и все на ней, включая нас, есть «звездная пыль» – в том смысле, что все мы являемся результатом мириад мутаций и трансфигураций праха давно умерших звезд. Конечно, это правда, и она прекрасно подчеркивает фундаментальные космические процессы. Звезды – алхимики Вселенной; это фабрики, на которых из базовых элементов – водорода и гелия – образуются более сложные формы; этот процесс называется нуклеосинтезом. Все известные нам элементы сформированы либо в ходе термоядерного синтеза, являющегося источником энергии звезд в течение всей их жизни, либо (если это любые элементы тяжелее нашего железа) в ходе взрывного ядерного синтеза – экстремальных условий, возникающих во время гибели звезд, которые мы называем сверхновыми. Золото вашего кольца сформировалось во время взрыва одной или, скорее, даже нескольких звезд, а бриллиант, который его украшает, выкован в самом сердце звезды. У вас нет бриллиантового кольца? Ну что же, железо в вашей крови образовалось точно так же.

«Звездные ясли» нашей Галактики называются IC 2944. Красный цвет, который доминирует на этой фотографии, – результат свечения ионизированного водорода. Каждый раз, когда электрон воссоединяется с ионизированным атомом (то есть атомом, у которого «оторвало» электрон при поглощении им высокоэнергетического протона, испущенного, скажем, близлежащей юной, массивной и яркой звездой), испускается свет с определенной длиной волны. Ее точная длина зависит от энергии перехода: правила квантовой механики говорят нам, что различные возможные энергетические переходы электронов в атомах различаются, как ступени на лестнице. Один из самых частых переходов в астрофизической среде, насыщенной водородом и ультрафиолетовым изучением, – H-альфа. Это изображение показывает яркие, молодые звезды, излучающие H-альфа, и темные сгустки, силуэт которых вырисовывается на красном фоне. Это глобулы Теккерея – плотные облака пыли и газа. Видимому свету туманности, которая подсвечивает глобулы, не так-то легко пройти сквозь них, поэтому они кажутся темными. Постепенно глобулы испаряются: они плещутся в океане интенсивной радиации, излучаемой этими горячими молодыми звездами, которые сжигают их пыль и рассеивают газ