Структура хмар постійно змінюється під дією взаємних сутичок, нагрівання зоряним випромінюванням, тиску міжзоряних магнітних полів. У різних частинах хмари щільність газу відрізняється в тисячу разів (у стільки ж разів вода щільніша кімнатного повітря). Коли щільність хмари (або окремої його частини) стає настільки великою, що гравітація переборює газовий тиск, хмара починає нестримно колапсувати. Розмір його зменшується усе швидше і швидше, а щільність росте. Невеличкі неоднорідності щільності в процесі колапсу посилюються, і в результаті хмара фрагментує, тобто розпадається на частини, кожна з яких продовжує самостійний стиск.
При колапсі зростають температура і тиск газу, що перешкоджає подальшому збільшенню щільності. Але поки хмара залишається прозорою для випромінювання, вона легко охолоджується і стиск не припиняється. Велику роль надалі грає космічна пилюка. Хоча по масі вона складає усього 1% міжзоряної речовини, це дуже важливий його компонент. У темних хмарах порошини поглинають енергію газу і переробляють її в інфрачервоне випромінювання, що легко покидає хмару, забираючи надлишки тепла. Нарешті через збільшення щільності окремих фрагментів хмари газ стає менше прозорим. Охолодження затруднюється, і зростаючий тиск зупиняє колапс. У майбутньому з кожного фрагмента утвориться зірка, а усе разом вони складуть групу молодих зірок у надрах молекулярної хмари.
Колапс щільної частини хмари в зірку, а частіше - у групу зірок продовжується декілька мільйонів років (порівняно швидко по космічних масштабах). Новонароджені зірки розігрівають навколишній газ, і під дією високого тиску залишки хмари розлітаються. Саме цей етап ми бачимо в туманності Оріона. Але по сусідству з ній продовжується формування майбутніх поколінь зірок. Для світла ці області цілком непрозорі і спостерігаються тільки за допомогою інфрачервоних і радіотелескопів.
Хмара стає зіркою
Народження зірки триває мільйони років і сховане від нас у надрах темних хмар, так що цей процес практично недоступний прямому спостереженню. Астрофізики намагаються досліджувати його теоретично, за допомогою комп'ютерного моделювання. Перетворення фрагмента хмари в зірку супроводжується гігантською зміною фізичних умов: температура речовини зростає приблизно в 106 разів, а щільність - у 1020 разів. Колосальні зміни всіх характеристик зірки, що формується, складають головну трудність теоретичного розгляду її еволюції. На стадії подібних змін вихідний об'єкт уже не хмара, але ще і не зірка. Тому його називають протозіркою).
Загалом еволюцію протозірки можна розділити на три етапи, або фази. Перший етап - відокремлення фрагмента хмари і його ущільнення - ми вже проглянули. Слідом за ним наступає етап швидкого стиску. У його початку радіус протозірки приблизно в мільйон разом більше сонячного. Вона цілком непрозора для видимого світла, але прозора для інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі більше 10 мкм. Випромінювання відносить надлишки тепла, що виділяється при стиску, так що температура не підвищується і тиск газу не перешкоджає колапсу. Відбувається швидкий стиск, практично вільне падіння речовини до центру хмари.
Проте в міру стиску протозірка робиться усе менше прозорою, що затруднює вихід випромінювання і призводить до росту температури газу. У визначений момент протозірка стає практично непрозорою для власного теплового випромінювання. Температура, а разом із нею і тиск газу швидко зростають, стиск сповільнюється.
Підвищення температури викликає значні зміни властивостей речовини. При температурі в декілька тисяч градусів молекули розпадаються на окремі атоми, а при температурі біля 10 тис. градусів атоми іонізуються, тобто руйнуються їхні електронні оболонки. Ці енергоємні процеси на якийсь час затримують ріст температури, але потім він відновляється. Протозірка швидко досягає стана, коли сила ваги практично урівноважена внутрішнім тиском газу. Але оскільки тепло усе ж потрохи іде назовні, а інших джерел енергії, крім стиску, у протозірки немає, вона продовжує потихеньку стискуватися і температура в її надрах усе збільшується.
Нарешті температура в центрі протозірки досягає декількох мільйонів градусів і починаються термоядерні реакції. При цьому тепло, яке виділяється, цілком компенсує охолодження протозірки з поверхні. Стиск припиняється. Протозірка стає зіркою.
"Перший крик" новонародженої зірки
Зірки, що формуються і дуже молоді зірки часто оточені газовою оболонкою - залишками речовини, що не встигнули ще впасти на зірку. Оболонка не випускає зсередини світло і цілком переробляє його в інфрачервоне випромінювання. Тому наймолодші зірки звичайно виявляють себе лише як інфрачервоні джерела.
На початковому етапі життя «поводження» зірки дуже сильно залежить від її маси. Низька світність маломасивних зірок дозволяє їм надовго затриматися на стадії повільного стиску, "харчуючись" тільки гравітаційною енергією. За цей час оболонка встигає частково осісти на зірку, а також сформувати навкругизірковий газовий диск. Еволюція ж масивної зірки протікає так швидко, що зірка проживає велику частину життя, оточена залишками своєї протозіркової оболонки, що часто називають газовим коконом.
Прикладом зірки-кокона служить об'єкт Бекліна - Нейгебауера в туманності Оріона. Він знаходиться в центрі компактного і дуже щільного скупчення протозірок. З них він найбільше масивний: зірка усередині кокона має масу порядку восьми сонячних. Її світність близька до 2 тис. сонячних, а температура випромінювання кокона біля 600 К. Тому об'єкт Бекліна - Нейгебауера був відкритий двома астрономами, імена яких він носить, у 1966 р. як потужне інфрачервоне джерело. Зараз відомо вже більш 250 об'єктів такого типу. Температура їхніх пильних коконів 300 - 600 К. Деякі з них своїм випромінюванням уже майже зруйнували кокони: спостереження показують, що їхня речовина розширюється зі швидкістю 10 - 15 км/с. Класичний приклад такої зірки – понадгигант h Киля на відстані біля 3 кпк від нас, занурений у щільну пилову туманність Гомункулус.
Які зірки народжуються
Молекулярні хмари, ці «фабрики по виробництву зірок», виготовляють зірки всіляких типів. Діапазон мас новонароджених зірок простирається від декількох сотих долей до 100 мас Сонця, причому маленькі зірки утворяться значно частіше, чим значні. У середньому в Галактиці щорічно народжується приблизно десяток зірок із загальною масою біля п'ятьох мас Сонця.
Приблизно половина зірок народжуються одиночними; інші утворять подвійні, потрійні і більш складні системи. Чим більше компонентів, тим рідше зустрічаються такі системи. Відомі зірки, що містять до семи компонентів, більш складні поки не виявлені.
Причини появи подвійних і кратних зірок цілком зрозумілі: вихідне обертання газової хмари не дозволяє йому стиснутися в одну компактну зірку. Чим більше стискується хмара, тим швидше воно обертається (відомий «ефект фігуристки», що є слідством закону збереження моменту кількості руху). Наростаючі при стиску відцентрові сили спочатку роблять хмару плоскою, як ватрушка, а потім витягають у «диню» і розривають навпіл. Кожна з половин зіщулюючись далі, продовжує рухатися по орбіті навколо загального центру мас. Якщо подальший стиск не розриває її на частини, то утвориться подвійна зірка, а якщо розподіл продовжується - народжується більш складна кратна система.
Молоді зоряні колективи
Великий інтерес подають не тільки індивідуальні і кратні молоді зірки, але і їхні колективи. Молоді зірки сконцентровані поблизу екваторіальної площини Галактики, що зовсім не дивовижно: саме там знаходиться прошарок міжзоряного газу. На нашому небокраю молоді зірки великої світності і нагріті ними газові хмари розташувались смугою Чумацького Шляху. Але якщо темної літньої ночі уважно подивитися на небо, можна зауважити, що в Чумацькому Шляху виділяються окремі «зоряні хмари». Наскільки вони реальні і який ступінь в еволюції речовини відображають? Ці великі угруповання молодих зірок одержали назву зоряні комплекси. Їхні характерні розміри - декілька сот парсек.
Історично першими були виявлені і досліджувані більш компактні групи молодих зірок - розсіяні скупчення подібні Плеядам. Ці порівняно щільні групи з декількох сотень або тисяч зірок, пов'язаних взаємною гравітацією, успішно протистоять руйнуючому впливу гравітаційного поля Галактики. Їхнє походження не викликає суперечок: предками таких скупчень є щільні ядра міжзоряних молекулярних хмар. Розсіяні скупчення потроху втрачають свої зірки, але усе ж живуть досить довго: у середньому біля 500 млн років, а іноді і декілька мільярдів.
Часто молоді щільні скупчення оточені розрідженою короною з таких же молодих зірок. Нерідко подібні корони зустрічаються і самі по собі, без центрального скупчення. Їх називають зоряними асоціаціями.
Звичайно на фоні Чумацького Шляху виділяються лише самі масивні і яскраві члени асоціації - зірки спектральних класів О и В. Тому такі угруповання іменуються ОВ-асоціаціями. У деяких із них помічені ознаки розширення зі швидкістю 5 - 10 км/с, що почалося із самого народження зірок. Причина розширення, мабуть, у тому, що масивні гарячі зірки відразу після своєї появи розігрівають навколишній газ і виганяють його з області зіркоутворення. З відходом газу ці області позбавляються 70 - 95% своєї маси і вже не можуть утримати зірки, що швидко рухаються, які слідом за газом покидають місце свого народження.
Асоціації недовговічні: через 10 - 20 млн років вони розширюються до розміру більш 100 пк і їх уже неможливо виділити серед зірок фона. Це створює ілюзію, що асоціації - рідкісні угруповання зірок. У дійсності вони народжуються не рідше скупчень, просто руйнуються швидше.
* * *
Процес формування зірок дуже складний і багато в чому ще до кінця не вивчений. Відомі галактики, що багаті міжзоряною речовиною, але майже позбавлені молодих зірок. А в інших системах формування зірок відбувається так інтенсивно, що нагадує вибух. Зрозуміти, які причини стимулюють зіркоутворення або, навпаки, заглушають його, ще тільки має бути.