если газовая туманность имеет волокнистую структуру значит в межзвездном пространстве
Газовые туманности и межзвездный газ
Безвоздушность, «пустота» межзвездного пространства относительна. Это пространство заполнено не только полями тяготения, магнитными полями, лучами света и тепла, несущими энергию. Там носятся мельчайшие пылинки, молекулы и атомы газа. Этот невидимый газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. Ведь на большом протяжении даже такой разреженный газ поглощает определенные лучи из света звезд, который его пронизывает. Возникновение радиоастрономии позволило обнаружить этот невидимый газ и изучать его движение по тем радиоволнам, которые он излучает.
Радиотелескопы позволяют прощупывать облака межзвездного газа на таких далеких от нас расстояниях, где в обычные телескопы звезды уже не видны из-за поглощения их света межзвездной пылью. Для радиоволн эта пыль почти прозрачна. Для них прозрачны и облака, через которые мы не видим звездного неба. Для радиоастрономов погода всегда ясная.
Радиотелескопы каждую ночь шарят по небу и обнаруживают радиоизлучение, идущее либо от облаков межзвездного газа, либо от остатков сверхновой звезды, или еще от чего-либо. Замечательны возможности современной науки!
Посмотрите в ясную безлунную зимнюю ночь на прекрасное созвездие Ориона, блещущее в южной стороне неба. Под тремя яркими звездами пояса этого мифического охотника найдите три слабые звездочки, образующие короткую вертикальную линию — меч Ориона. Вокруг средней из них в бинокль видно слабое туманное мерцание. Это знаменитая газовая диффузная (бесформенная) туманность Ориона. Она представляет собой громадное облако газа, в которое погружено много звезд. 
Только фотография способна выявить всю красоту и всю сложность структуры этого газа, охваченного медленными вихревыми движениями, как клубы табачного дыма. Из газа, содержащегося в этой Светлой газовой туманности (к которой примешана и пыль), можно было бы «изготовить» сотни солнц. Да они и в самом деле, наверно, где-то возникают из газа. Только своим возникновением они обязаны не кому-то, а силам всемирного тяготения, которое конденсирует разреженный газ в уплотненные газовые шары-звезды. Но образовавшиеся из газа звезды светятся уже сами, за счет содержащихся в их недрах источников энергии, которая выделяется в результате атомных превращений. Газовые же туманности светятся лишь тогда, когда в них или поблизости есть очень горячие голубоватые звезды. Их мощное ультрафиолетовое излучение (к нему относятся и рентгеновские лучи, которыми пользуются в медицине для просвечивания больных) заставляет газ светиться. Это свечение газа несколько сходно с тем свечением, какое происходит в трубках с разреженным газом, через который пропускают электрический разряд. Если нет поблизости горячей звезды, то и облако газа остается невидимым. Газовые туманности, как и звезды, в основном состоят из водорода. Кроме него, в них есть другие легкие газы —гелий, азот, кислород — и частицы более тяжелых химических элементов.
Лучшие насосы, откачивающие воздух в земных лабораториях, не могут создать такого вакуума, такого разрежения газа, какой существует в газовых туманностях. Разница в плотности газа в туманности и в лучших земных вакуумах такая же, как в плотности свинца и земного вакуума. Свечение газов в туманности мы видим потому, что толща ее громадна: от одного края газовой туманности до другого свет идет несколько лет, а общая масса туманности обычно составляет десятки, сотни, а иногда и десятки тысяч масс Солнца.
Какие красивые и причудливые формы принимают газовые диффузные туманности! Какие нежнейшие рисунки и сплетения образуют их волокна! В созвездии Лебедя находятся туманности, прозванные за свой вид: Пеликан, Северная Америка, Рыбачья сеть. В созвездии Единорога есть туманность Розетка.
Наряду с большими клочковатыми, размытыми или волокнистыми диффузными туманностями существуют очень маленькие, правильной округлой формы — планетарные. Их назвали так за внешнее сходство с дисками планет (так выглядят самые далекие планеты в телескоп).
В центре каждой планетарной туманности есть очень слабенькая звездочка — ядро. Это самые горячие из звезд. Их температура доходит до 100 и более тысяч градусов. От их излучения и светится планетарная туманность. Планетарные туманности, очевидно, недолговечные образования и могут быть видимыми около 10 тыс. лет. Они медленно, со скоростью нескольких километров в секунду, расширяются в пространстве и со временем рассеются. Несомненно, такие туманности образуются за счет газов, выделяемых звездой, но не с такой бешеной скоростью, как это бывает у новых звезд, сбрасывающих свои оболочки.
Масса планетарных туманностей мала — она составляет всего лишь сотые доли массы Солнца. Химический состав их такой же, как у диффузных туманностей и у звездных атмосфер.
У планетарных туманностей наблюдаются интересные формы. Многие из них кольцеобразны, как, например, туманность в созвездии Лиры. Есть туманности, которые за их форму названы Совой, Сатурном, Гимнастической гирей. Всего планетарных туманностей известно уже свыше 500; примерно столько же известно и диффузных туманностей.
Газ, собранный в облаке-туманности, как светящийся, так и несветящийся, концентрируется в полосе Млечного Пути, где имеется и много рассеянных звездных скоплений. Некоторые из них целиком погружены в газовые туманности. Откуда берется в мировом пространстве столько газа?
Часть его может являться остатком тех газов, из которых когда-то возникли звезды. Вероятно, они возникают из него и сейчас. Например, недавно наблюдался случай, когда в очень маленькой туманности появилась очень слабая звездочка, которой раньше тут никогда не видели.
Но часть газа, как это показал автор данной статьи, возникает и теперь. Ведь мы видим, что в мировое пространство все время рассеивается газ, выброшенный новыми и сверхновыми звездами, ядрами планетарных туманностей и даже обычными звездами. Подсчет показывает, что этого газа ежегодно поступает из звезд в окружающее их пространство очень много.
Газовая туманность
Газовая туманность в космосе – это удивительная вещь. Названные в честь латинского слова «облако», туманности – это не только массивные облака пыли, водорода, гелия и плазмы; они также часто являются «звездными питомниками» – то есть местом, где рождаются звезды.
Откуда во Вселенной берутся газовые туманности?
В течение некоторого времени ученые и астрономы осознавали, что космос в действительности не является полным вакуумом. Фактически, он состоит из частиц газа и пыли, известных под общим названием Межзвездная среда (ISM). Приблизительно 99% ISM состоит из газа, в то время как около 75% его массы принимает форму водорода, а остальные 25% – гелия.
Межзвездный газ состоит частично из нейтральных атомов и молекул, а также из заряженных частиц (или плазмы), таких как ионы и электроны. Этот газ чрезвычайно разрежен, со средней плотностью около 1 атома на кубический сантиметр. Напротив, атмосфера Земли имеет плотность приблизительно 30 квинтиллионных молекул на кубический сантиметр (3,0 x 10 19 на см³) на уровне моря.
Несмотря на то, что межзвездный газ очень рассеян, некоторое количество вещества скапливается на огромных расстояниях между звездами. И в конечном итоге, при достаточном гравитационном притяжении, эта материя может объединяться и разрушаться, образуя звезды и планетные системы.
Формирование туманности
По сути, туманность образуется, когда части межзвездной среды подвергаются гравитационному коллапсу. Взаимное гравитационное притяжение заставляет молекулы слипаться, образуя области все большей и большей плотности. Из-за этого в центре коллапсирующего материала могут образовываться звезды, ультрафиолетовое ионизирующее излучение, которых делает видимым окружающий газ на оптических длинах волн.
Большинство туманностей имеют огромные размеры, их диаметр достигает нескольких сотен световых лет. Хотя они и плотнее окружающего их пространства, большинство туманностей гораздо менее плотно, чем любой вакуум, созданный в земной среде. Фактически, туманность, подобная по размеру Земле, будет иметь массу всего несколько килограммов.
Форма газовых туманностей
Газовая туманность может принимать разную форму. Некоторые выглядят как кольцо со звездочкой в центре (планетарные туманности). Некоторые выглядят как светящиеся волокна. Многие туманности имеет совсем разнообразную форму, даже в форме кляксы бывают. Другие, при наблюдении через светофильтр, выглядят как отдельные волокна. Такова известная Крабовидная туманность.
Классификация туманностей
Диффузные туманности
Большинство туманностей попадают в категорию диффузных туманностей, что означает, что они не имеют четко определенных границ.
Их можно разделить на две дополнительные категории в зависимости от их поведения с видимым светом – «эмиссионные туманности» и «отражательные туманности» (или газово – пылевые туманности).
Эмиссионные (газовые) туманности – это те, которые испускают излучение спектральной линии от ионизированного газа, и их часто называют областями HII, потому что они, в основном, состоят из ионизованного водорода. Напротив, отражающие диффузные газовые туманности не испускают значительного количества видимого света, но все еще светятся, потому что они отражают свет от соседних звезд.
Темные туманности
Существуют также так называемые темные туманности (темная газовая туманность), непрозрачные облака, которые не испускают видимого излучения и не освещаются звездами, но блокируют свет от светящихся объектов позади них. Подобно туманностям эмиссии и отражения, темно – газовые туманности в астрономии являются источниками инфракрасного излучения, главным образом из-за присутствия в них пыли. В тех частях туманностей, которые полупрозрачны в оптическом диапазоне, хорошо заметна волокнистая структура.
Остатки сверхновых
Планетарные туманности
Другие туманности могут образовываться в виде планетарных туманностей, в которые входит звезда малой массы, вступающая в заключительную стадию своей жизни. В этом сценарии звезды входят в фазу Красного Гиганта, медленно теряя свои внешние слои из-за вспышек гелия внутри. Когда звезда потеряла достаточно материала, ее температура возрастает, и излучаемое ею ультрафиолетовое излучение ионизирует окружающий ее материал.
История наблюдения туманностей
Многие туманные объекты были замечены астрономами в ночном небе во времена античности и средневековья.
В своей книге «Неподвижные звезды», написанной в 964 году н. э. Персидский астроном Абдуррахман ас-Суфи сделал первое наблюдение настоящей туманности.
К 17 веку улучшения в телескопах привели к первым подтвержденным наблюдениям туманностей. Это началось в 1610 году, когда французский астроном Николя-Клод Фабри де Пейреск сделал первое зарегистрированное наблюдение туманности Ориона.
В 1746 году французский астроном Жан-Филипп де Шезо составил список из 20 туманностей, в том числе восемь, которые ранее не были известны. А в 1781 году Шарль Мессье составил свой каталог из 103 «туманностей» (теперь называемых объектами Мессье), хотя некоторые из них были галактиками и кометами.
Начиная с 1864 года английский астроном Уильям Хаггинс начал дифференцировать туманности на основе их спектров. Примерно треть из них имела спектр излучения газа (т.е. эмиссионные туманности). К 1922 стало ясно, что многие из ранее наблюдавшихся туманностей на самом деле были далекими спиральными галактиками.
В том же году Эдвин Хаббл объявил, что почти все туманности связаны со звездами и что их освещение исходит от звездного света. С тех пор число истинных туманностей (в отличие от звездных скоплений и далеких галактик) значительно возросло, и их классификация была усовершенствована.
Вы можете обсудить статью на тему газовая туманность на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.
Туманности
Смотрящие из глубин космоса загадочные объекты давным-давно привлекали интерес людей, наблюдающих за небом. Еще древнегреческий ученый Гиппарх в своем каталоге отметил наличие в ночном небе нескольких туманных объектов. Его коллега Птолемей пополнил список еще пятью туманностями. В XVII веке Галилей изобрел телескоп и с его помощью смог увидеть туманности Ориона и Андромеды. С тех пор по мере совершенствования телескопов и других приборов начались новые открытия в космическом пространстве. А туманности отнесли к отдельному классу звездных объектов.
Со временем известных туманностей стало очень много. Они начали мешать ученым и астрономам в поисках новых объектов. В конце XVIII века, изучая определенные объекты – кометы, Шарль Мессье составил «каталог диффузных неподвижных объектов», которые были похожи на кометы. Но из-за отсутствия достаточной технической поддержки в этот каталог вошли как туманности, так и галактики вместе с шаровыми звездными скоплениями.
Так же, как совершенствовались телескопы, развивалась и сама астрономия. Понятие «туманность» обретало все новые краски и постоянно уточнялось. Некоторые виды туманностей идентифицировали в звездные скопления, некоторые отнесли к поглощающим, а в 20-х годах прошлого века Хаббл смог установить природу туманностей и выделить области галактик.
Портал Kvant.Space расскажет о теориях возникновения туманностей, их примерном количестве, типах и удаленности от нашей планеты. Портал оперируется сугубо научно-проверенными фактами и самыми популярными идеями.
Классификация и типы туманностей на портале Kvant.Space
Первоначальный принцип, по которому квалифицируют туманности, заключается в поглощении или рассеивании (излучении) ими света. Данный критерий делит туманности на светлые и темные. Излучение светлых зависит от их происхождения. А источники энергии, которые возбуждают их излучение, зависят от собственной природы. Очень часто в туманности могут действовать не один, а два механизма излучения. Темные можно увидеть только благодаря поглощению расположенных за ними источников излучения.
Но если первый принцип классификации точный, то второй (деление туманностей на пылевые и газовые), является условным принципом. Каждая туманность содержит пыль и газ. Это деление обусловлено разными механизмами излучения и способами наблюдения. Наличие пыли лучше всего наблюдается при процессе поглощения излучения темными туманностями, которые размещены за источниками. Собственное излучение газовых компонентов туманности просматривается при ее ионизации ультрафиолетом или при нагревании межзвездной среды. Последний процесс возможен после удара в нее волны, которая образовалась после взрыва сверхновой звезды.
Темная туманность представлена в виде плотного, чаще всего молекулярного облака межзвездной пыли и газа. Поглощая свет, облако становится непрозрачным. Чаще всего темные туманности видны на фоне светлых. Крайне редко ученые замечают их на фоне Млечного Пути. Их называют гигантскими глобулами.
Поглощение света Av у темных колеблется в больших пределах. Может достигать показателей: от 1–10 m до 10–100 m. Строение туманностей с большим поглощением можно изучить только благодаря методам субмиллиметровой астрономии и радиоастрономии, при наблюдениях по инфракрасному излучению и по молекулярным радиолиниям. Часто в самой туманности обнаруживаются отдельные уплотнения, имеющие показатель Av до 10000 m. По теориям передовых астрофизиков там формируются звезды.
В полупрозрачных частях туманностей в оптическом диапазоне отлично видно волокнистую структуру. Общая вытянутость и волокна связаны с присутствием магнитных полей, которые затрудняют перемещение вещества поперек магнитогидродинамических неустойчивостей и силовых линий. Эта связь происходит из-за того, что пылинки заряжены электричеством.
Еще одним ярким типом туманностей является отражательная туманность. Это газово-пылевые облака, подсвеченные звездами. Если звезды расположены в межзвездном облаке или возле него, но не сильно горячи, чтобы уменьшить вокруг себя количество водорода, то главным источником оптического излучения самой туманности становится рассеиваемый межзвездной пылью свет звезд. Яркий пример подобного явления находится вокруг звезд Плеяды.
Большая часть отражательных туманностей находится поблизости плоскости Млечного Пути. В некоторых случаях наблюдается наличие таких туманностей на высоких галактических широтах. Эти молекулярные облака имеют разные размеры, форму, плотность и массу и подсвечиваются совместным излучением звезд Млечного Пути. Их трудно изучить, поскольку поверхностная яркость очень низкая. Иногда, появляясь на изображениях галактик, на фотографиях видны несуществующие детали – перемычки, хвосты и т. п.
Небольшая часть отражательных туманностей имеет кометообразный вид. Их называют кометарными. В заглавии такой туманности, как правило, находится переменная звезда по типу Тельца. Она освещает туманность. Они переменны в яркости и имеют маленькие размеры примерно сотые доли парсека.
Световое эхо – самая редкая разновидность отражательной туманности. Яркий пример – образовавшаяся вспышка Новой звезды в созвездии Персея. Эта вспышка подсветила пыль, в результате чего образовавшаяся туманность просматривалась несколько лет. И при этом в космосе она двигалась со скоростью света. Помимо светового эха после таких происшествий образуются газовые туманности.
Большинство отражательных туманностей располагает тонковолокнистой структурой, то есть системой практически параллельных волокон. Их толщина может достигать нескольких сотых долей парсека. Данные волокна происходят в результате проникания магнитным полем в желобковую неустойчивость туманности. Волокна пыли и газа раздвигают силовые линии в магнитном поле и просачиваются между ними.
Такие свойства пыли, как альбедо, форма, ориентация пылинок, индикатор рассеивания и размер дали ученым и астронавтам возможность изучить распределение поляризации света и его яркости по поверхности отражательных туманностей.
Ионизованные излучением туманности – это участки межзвездного газа, которые сильно ионизованы излучением звезд. Это излучение также может появляться и из других источников. Более всего подобные туманности изучаются в областях ионизованного водорода, как правило, это зона Н II. В таких зонах вещество полностью ионизовано. Его температура составляет около 104 К. Нагревается из-за внутреннего ультрафиолетового излучения. Внутри зон Н II звездное излучение в Лаймановском континууме превращается в субординантно-серийное излучение (соответствуя теореме Росселанда). Из-за этого в спектре туманностей находятся яркие линии серии Бельмера и линии Лайман-альфа.
К таким туманностям относятся также зоны ионизированного углерода – С II. Углерод в них полностью ионизован светом звезд. Зоны С II, как правило, расположены вокруг зон Н II. Они получаются из-за низкого потенциала ионизации углерода в сравнении с водородом. Также они могут образоваться вокруг звезд с высоким спектральным классом в плотностях межзвездной среды. Ионизованные излучением туманности возникают еще вокруг сильных рентгеновских источников. У них более высокие температуры, нежели в зонах Н II, и сравнительно большая степень ионизации.
Самой распространенной разновидностью эмиссионных туманностей считаются планетарные туманности. Они созданы истекающими верхними слоями атмосфер звезд. Такая туманность светится и расширяется в оптическом диапазоне. Впервые их открыл в XVII веке Гершель и именовал их так из-за внешнего сходства с дисками планет. Но не все планетарные туманности представляют форму диска, некоторые имеют округлую форму кольца. Внутри таких туманностей наблюдается тонкого типа структура в виде спиралей, струй и мелких глобул. Такие туманности расширяются со скоростью 20 км/с, а масса их равна 0,1 массы Солнца. Живут они около 10 тысяч лет.
Портал Kvant.Space подает только проверенную и свежую информацию. Мы перенесем Вас в таинственный мир космоса. И благодаря астрономам и астрофизикам туманности уже не являются такой огромной загадкой, как были ранее.
Помимо обычных, долгоживущих, туманных образований существуют кратковременные, созданные ударными волнами. Они исчезают тогда, когда исчезает кинетическая энергия движущегося газа. Существует несколько источников для возникновения таких ударных волн. Чаще всего – это результат взрыва звезды. Реже – звездный ветер, вспышки новых и сверхновых звезд. В любом случае присутствует один источник выброса подобного вещества – звезда. Туманности такого происхождения имеют форму расширяющейся оболочки или форму сферы. Вещество, которое выбросилось в результате взрыва, может иметь различные скорости от сотен до тысяч км/с, из-за этого температура газа за ударной волной достигает не миллионов, а миллиардов градусов.
Нагретый до огромных температур газ излучается в рентгеновском диапазоне как в спектральных линиях, так и в непрерывном спектре. В спектральных оптических линиях он слабо светится. При встрече с неоднородностью межзвездной среды ударная волна огибает уплотнения. Внутри самого уплотнения распространяется собственная ударная волна. Она же вызывает излучение в линиях спектра оптического диапазона. В результате создаются яркие волокна, которые отлично просматриваются на фотографиях.
Самые яркие туманности, возникшие после ударных волн, созданы взрывами сверхновых звезд. Их называют остатками вспышек звезд. Они играют далеко не последнюю роль в формировании формы межзвездного газа. Они характеризуются малогабаритностью, слабостью и недолговечностью.
Существует еще один тип туманностей. Этот тип также создан впоследствии возникновения ударной волны. Но основная причина заключается в звездном ветре от звезд Вольфа – Райе. Звезды Вольфа имеют довольно мощный ветровой поток массы и скорость истечения. Они образуют туманности средних размеров с очень яркими волокнами. Сравнивая их с остатками вспышек сверхновых звезд, ученные утверждают, что радиоизлучение таких туманностей обладает тепловой природой. Туманности, которые расположены вокруг звезд Вольфа, живут недолго. Их существование напрямую зависит от продолжительности присутствия звезды в стадии звезды Вольфа – Райе.
Абсолютно аналогичные туманности находятся вокруг О-звезд. Это очень яркие горячие звезды, которые относятся к спектральному классу О. Они обладают сильным звездным ветром. В отличие от туманностей, расположенных вокруг звезд Вольфа – Райе, туманности О-звезд менее яркие, но имеют намного большие размеры и продолжительность существования.
Самые распространенные туманности находятся в областях звездообразования. Мало-скоростные ударные волны создаются в областях межзвездной среды. Именно в них происходит звездообразование. Такой процесс влечет за собой нагрев газа до сотен и даже тысяч градусов, частичное разрушение молекул, нагрев самой пыли, возбуждение молекулярных уровней. Подобные ударные волны имеют вид вытянутых туманностей и, как правило, светятся в инфракрасном диапазоне. Яркий пример подобного явления просматривается в созвездии Ориона.
Газовые туманности, образование звезд (3 фото)
Межзвездная среда
В разделе «Большой взрыв» были рассмотрены основные составляющие нашей Вселенной (сверхскопления, галактики, темная материя), а в этом разделе рассматриваются основные составляющие галактик — звезды, туманности и т.д.
Пространство между звездами, за исключением отдельных туманностей, выглядит пустым. На самом же деле все межзвездное пространство заполнено веществом. К такому заключению ученые пришли после того, как в начале XX в. швейцарский астроном Роберт Трюмплер открыл поглощение (ослабление) света звезд на пути к земному наблюдателю. Причем степень его ослабления зависит от цвета звезды. Свет от голубых звезд поглощается более интенсивно, чем от красных. Таким образом, если звезда излучает в голубых и красных лучах одинаковое количество энергии, то в результате поглощения света голубые лучи ослабляются сильнее красных и с Земли звезда кажется красноватой.
Вещество, поглощающее свет, распределено в пространстве не равномерно, а имеет клочковатую структуру и концентрируется к Млечному Пути. Темные туманности, такие, как Угольный Мешок и Конская Голова, являются местом повышенной плотности поглощающего межзвездного вещества. А состоит оно из мельчайших частиц — пылинок. Физические свойства пылинок к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Помимо пыли между звездами имеется большое количество невидимого холодного газа. Масса его почти в сто раз превосходит массу пыли. Как же стало известно о существовании этого газа? Оказалось,
Откуда берет энергию туманность Сердце? Огромная эмиссионная туманность, обозначенная в каталоге как IC 1805, своими очертаниями напоминает человеческое сердце. Излучение самого распространенного элемента — водорода — обеспечивает яркое красное свечение туманности. Свечение и форма туманности создаются небольшой группой звезд около ее центра. На показанном здесь изображении, можно увидеть крупным планом область размером около 30 световых лет, в которой находится большая часть этих звезд.
что атомы водорода излучают радиоволны с длинной волны 21 см. Большую часть информации о межзвездном веществе получают с помощью радиотелескопов. Так были открыты облака атомарного нейтрального водорода.
Типичное облако атомарного нейтрального водорода имеет температуру около 70К (-200 С) и невысокую плотность (несколько десятков атомов в кубическом сантиметре пространства). Хотя такая среда и считается облаком, для землянина это глубокий вакуум, в миллиард раз разреженнее, чем вакуум, создаваемый, например, в кинескопе телевизора. Размеры облаков водорода — от 10 до 100 пк (для сравнения: звезды в среднем находятся друг от друга на расстоянии 1 пк). Впоследствии были обнаружены еще более холодные и плотные области молекулярного водорода, совершенно непрозрачные для видимого света. Именно в них сосредоточена большая часть холодного межзвездного газа и пыли. По размерам эти облака примерно такие же, как и области атомарного водорода, но плотность их в сотни и тысячи раз выше. Поэтому в больших молекулярных облаках может содержаться огромная масса вещества, достигающая сотен тысяч и даже миллионов масс Солнца. В молекулярных облаках, состоящих в основном из водорода, присутствуют и многие более сложные молекулы, в том числе простейшие органические соединения. Некоторая часть межзвездного вещества нагрета до очень высоких температур и «светится» в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. В рентгеновском диапазоне излучает самый горячий газ, имеющий температуру около миллиона градусов. Это — корональный газ, названный так по аналогии с разогретым газом в солнечной короне. Корональный газ отличается очень низкой плотностью: примерно один атом на кубический дециметр пространства.
Горячий разреженный газ образуется в результате мощных взрывов — вспышек сверхновых звезд. От места взрыва в межзвездном газе распространяется ударная волна и нагревает газ до высокой температуры, при которой он становится источником рентгеновского излучения. Корональный газ обнаружен также в пространстве между галактиками. Итак, основным компонентом межзвездной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, содержащей около 1% массы межзвездного вещества, и пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц — космическими лучами — и электромагнитным излучением, которые также можно считать составляющими межзвездной среды. Кроме того, межзвездная среда оказалась слегка намагниченной. Магнитные поля связаны с облаками межзвездного газа и движутся вместе с ними. Эти поля примерно в 100 тыс. раз слабее магнитного поля Земли. Межзвездные магнитные поля способствуют образованию наиболее плотных и холодных облаков газа, из которых конденсируются звезды. Частицы космических лучей также реагируют на межзвездное магнитное поле: они перемещаются вдоль его силовых линий по спиральным траекториям, как бы навиваясь на них. При этом электроны, входящие в состав космических лучей, излучают радиоволны. Это так называемое синхротронное излучение рождается в межзвездном пространстве и уверенно наблюдается в радиодиапазоне.
Газовые туманности
Наблюдения с помощью телескопов позволили обнаружить на небе большое количество слабосветящихся пятен — светлых туманностей. Систематическое изучение туманностей начал в XVIII в. Уильям Гершель. Он разделял их на белые и зеленоватые. Подавляющее большинство белых туманностей образовано множеством звезд — это звездные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными с межзвездной пылью, которая отражает свет близко расположенных звезд, — это отражательные туманности. Как правило, в центре такой туманности видна яркая звезда. А вот зеленоватые туманности — не что иное, как свечение межзвездного газа. Самая яркая на небе газовая туманность — Большая туманность Ориона. Она видна в бинокль, а при хорошем зрении ее можно заметить и невооруженным глазом — чуть ниже трех звезд, расположенных в одну линию, которые образуют Пояс Ориона. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет.
Что заставляет светиться межзвездный газ? В межзвездном газе происходят процессы, приводящие к излучению света, однако они не всегда связаны с бомбардировкой газа быстрыми частицами. Объяснить, как возникает свечение межзвездного газа, можно на примере атомарного водорода. Атом водорода состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и вращающегося вокруг него
Большая Туманность Ориона представляет собой весьма живописное зрелище. Невооруженным глазом она видна в созвездии Ориона как туманное пятнышко. На изображениях, подобных этому, полученных с помощью длительных экспозиций и обработанных цифровым методом, туманность Ориона представляется скоплением молодых звезд, горячего газа и темной пыли.
отрицательно заряженного электрона. Они связаны между собой электрическим притяжением. Затратив определенную энергию, их можно разделить. Такое разделение приводит к ионизации атома. Но электроны и ядра могут вновь соединиться друг с другом. При каждом объединении частиц будет выделяться энергия. Она излучается в виде порции (кванта) света определенного цвета, соответствующего данной энергии. Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизировать атомы, из которых он состоит. Это может произойти в результате столкновения с другими атомами, но чаще ионизация возникает, когда атомы газа поглощают кванты ультрафиолетового излучения, например от ближайшей звезды. Если вблизи облака нейтрального водорода вспыхнет голубая горячая звезда, то при условии, что облако достаточно большое и массивное, почти все ультрафиолетовые кванты от звезды поглотятся атомами облака. Вокруг звезды складывается область ионизированного водорода. Освободившиеся электроны образуют электронный газ температурой около 10 тыс. градусов. Обратный процесс рекомбинации, когда свободный электрон захватывается протоном, сопровождается переизлучением освободившейся энергии в виде квантов света.
Свет излучается не только водородом. Как считалось в XIX в., цвет зеленоватых туманностей определяется излучением некоего «небесного» химического элемента, который назвали небулием («туманность»). Но впоследствии выяснилось, что зеленым цветом светится кислород. Часть энергии движения частиц электронного газа расходуется на возбуждение атомов кислорода, т.е. на перевод электрона в атоме на более далекую от ядра орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту атом кислорода должен испустить квант зеленого света. В земных условиях он не успевает этого сделать: плотность газа слишком высока и частые столкновения «разряжают» возбужденный атом. А в крайне разреженной межзвездной среде от одного столкновения до другого проходит достаточно много времени, чтобы электрон успел совершить этот запрещенный переход и атом кислорода послал в пространство квант зеленого света. Аналогичным образом возникает излучение азота, серы и некоторых других элементов.
Таким образом, область ионизированного газа вокруг горячих звезд можно представить в виде «машины», которая перерабатывает ультрафиолетовое излучение звезды в очень интенсивное излучение, спектр которого содержит линии различных химических элементов. И цвет газовых туманностей, как выяснилось позднее, различен: они бывают зеленоватые, розовые и других цветов и оттенков — в зависимости от температуры, плотности и химического состава газа. Газовые туманности бывают разной формы. Одни имеют форму кольца, в центре которого видна звездочка, — это планетарные туманности. Другие состоят из отдельных светящихся волокон газа. Многие туманности неправильной формы: они напоминают обыкновенную кляксу. Некоторые из них при наблюдении через светофильтр оказываются состоящими из отдельных волокн. Такова известная Крабовидная туманность. Это — наиболее широко изученный пример остатка взорвавшейся звезды (сверхновая).
Межзвездная пыль
Если взглянуть на Млечный Путь в ясную безлунную ночь, то даже невооруженным глазом видно, что эта светлая полоса, пересекающая все небо, не является сплошной. На ее фоне выделяются многочисленные темные пятна и полосы. Одно из самых заметных таких пятен в созвездии Стрельца издавна известно под названием Угольный Мешок. Уже два столетия назад выдвигались гипотезы, что «дырки» в небе представляют собой облака поглощающей свет материи. Развитие наблюдательной астрономической техники подкрепило эти предположения вескими доказательствами. О природе поглощающей материи первоначально не было единого мнения. Считалось, например, что это маленькие метеоритные частицы, образующиеся при разрушении крупных астероидов. Исследование свойств межзвездного поглощения света позволило установить, что оно вызывается мельчайшими пылинками, которые заполняют космическое пространство. Размеры этих пылинок — порядка одной стотысячной доли сантиметра. Пылевые частицы в нашей Галактике сильно концентрируются к плоскости галактического диска, поэтому большая часть темных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути. Межзвездная пыль полностью закрывает от нас ядро нашей Галактики. Межзвездная пыль предстает перед наблюдателями не только в виде темных туманностей. Если вблизи пылевого облака находится звезда, которая его освещает, то это облако будет видно уже как светлая туманность. В таком случает ее называют отражательной туманностью.
В первое время после того, как было обнаружено существование межзвездной пыли, она рассматривалась лишь как досадная помеха астрономическим исследованиям. Пыль задерживает почти половину суммарного излучения всех звезд Галактики. В некоторых более плотных областях доля поглощенного света превышает 90%, а в молекулярных облаках, где образуются молодые звезды, достигает практически 100%. Плотность пыли в космосе ничтожно мала даже по сравнению с разреженным межзвездным газом. Так, в окрестностях Солнца в кубическом сантиметре пространства содержится в среднем один атом газа и на каждые сто миллиардов атомов приходится всего одна пылинка! Иными словами, расстояние между пылинками измеряется десятками метров. Масса же пыли в Галактике составляет приблизительно одну сотую от массы газа и одну десятитысячную от полной массы Галактики. Однако этого количества пыли достаточно для того, чтобы значительно ослаблять свет.
Сильнее всего поглощаются синие лучи. При переходе к красным и инфракрасным лучам поглощение постепенно ослабевает. Но свет некоторых избранных цветов поглощается сильнее других. Это связано с тем, что отдельные вещества особенно эффективно поглощают излучение с определенными длинами волн. Исследование свойств поглощения света на различных длинах волн показало, что в состав межзвездных пылинок входят соединения углерода, кремния, замерзшие газы, водяной лед, а также различные органические вещества. Изучать свойства космической пыли помогает поляризация света. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, т.е. излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли.
Сопоставление наблюдательных данных показало, что межзвездная пыль состоит из двух видов частиц: графитовых (углеродных) и силикатных (т.е. содержащих соединения кремния). Размеры пылинок неодинаковы, причем мелких частиц значительно больше, чем крупных. В целом размер пылинок колеблется от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Графитовые и силикатные частицы образуются во внешних оболочках старых холодных звезд. Понятие «холодная звезда», конечно, весьма условно. Вблизи звезды температура оболочки еще достаточно высока и все вещества находятся в газообразном состоянии. По мере старения звезда теряет массу. Вещество, истекающее из ее оболочки, удаляется от звезды и остывает. Когда температура газа опускается ниже температуры плавления вещества пылинки, составляющие газ молекулы начинают слипаться в группы, образуя зародыши пылинок. Сначала они растут медленно, но с уменьшением температуры их рост ускоряется. Этот процесс продолжается несколько десятков лет. При дальнейшем расширении вещества, теряемого звездой, постепенно падает не только его температура, но и плотность. Когда газ становится сильно разреженным, рост пылинок прекращается.
На скорость образования и разрушения пылевых частиц во многом влияют температура и плотность того вещества, в котором они находятся. Но межзвездное пространство крайне неоднородно. Газ и пыль конденсируются в облака, плотность которых может в миллионы раз превышать плотность межоблачного пространства. Давление излучения звезд и течение газа в Галактике могут переместить пылинку в области, где создаются благоприятные условия для ее роста или разрушения. Химический состав пылинок зависит от того, какого элемента больше содержится в оболочке звезды — кислорода или углерода. Дело в том, что при охлаждении вещества оболочки углерод и кислород образуют очень прочные молекулы окиси углерода (угарный газ). Если после этого остался избыток углерода, в звезде будут формироваться графитовые частицы. В противном случае весь углерод войдет в состав окиси углерода, а избыточный кислород начнет соединяться с кремнием, образуя молекулы окиси кремния, из которых затем возникают силикатные пылинки.
Структура «новорожденной» пылинки довольно проста. Она однородна по химическому составу и строению. Условия в межоблачной среде таковы, что структура пылинки не может существенно измениться. Иначе обстоит дело в областях межзвездного газа, плотность которого достигает тысяч атомов на кубический сантиметр. Низкая температура и высокая плотность обеспечивают необходимые условия для образования на поверхности графитовой или силикатной пылинки мантии из более легкоплавких веществ, таких, как замерзшая вода, формальдегид и аммиак. Смесь этих соединений часто обозначают одним словом «лед». Молекулы льда неустойчивы. Воздействие внешнего излучения и столкновения пылинок друг с другом приводят к преобразованию его в более устойчивые органические соединения, которые обволакивают поверхность пылинки своеобразной пленкой.
В очень плотных молекулярных облаках, куда не проникает излучение звезд, лед на поверхности пылевых частиц уже не разрушается. Таким образом, в недрах этих облаков пылинки могут иметь трехслойную структуру: тугоплавкое ядро, оболочка из органических соединений и ледяная мантия. Предполагается, что из таких пылинок, слипшихся в большие комья, состоят ядра комет — реликты, сохранившиеся от тех времен, когда наша Солнечная система сама была плотным непрозрачным облаком. С помощью больших радиотелескопов ученые обнаружили, что в молекулярных облаках помимо обычных для межзвездного газа одиночных атомов водорода, гелия и некоторых других химических элементов содержится большое количество достаточно сложных молекул. Молекулы в космическом пространстве образуются в ходе бесчисленных химических реакций. Но главная среди них, без которой все другие были бы невозможны, — образование молекул водорода — эффективно протекает только на поверхности пылинок. Без участия межзвездной пыли процесс формирования молекулярных облаков и звезд шел бы по-иному. Благодаря совершенствованию наблюдательной техники и активному использованию космических телескопов теперь
Межзвездный газ и пыль. Парад газовых туманностей
1 — IC 418: туманность Спирограф. Несколько тысяч лет назад IC 418 была обычным красным гигантом. 2 — NGC 3132: Туманность 8 вспышек. В центре NGC 3132, необычной и красивой планетарной туманности, находится двойная звезда. 3 — NGC 6369: туманность Маленькое Привидение. Планетарная туманность. Они образуются, когда в конце жизни звезды, похожей на Солнце, ее внешние слои расширяются, а ядро звезды сжимается и становится белым карликом. Белый карлик, который виден около центра, является мощным источником ультрафиолетового излучения и дает энергию для свечения расширяющейся туманности. 4 — Туманность Гантель в линиях водорода и кислорода. 5 — Холодный ветер из туманности Бумеранг. В туманности Бумеранг из центральной звезды дует холодный звездный ветер. 6 — «Щупальца» туманности Тарантул. 7 — Туманность Ориона в телескоп CFHT. Одна из ближайших областей звездообразования, туманность Ориона. 8 — Трехраздельная туманность. В созвездии Стрельца много туманностей. Одна из них — красивая Трехраздельная туманность (Trifid Nebula, aka M20) на расстоянии 5 000 световых лет от Солнца. 9 — Триплет туманностей в Стрельце. 10 — Наблюдения туманности Улитка на телескопах Бланко и Хаббл. 11 — Звезды и пыль в туманности Лагуна. 12 — Туманность Орла: снимок на канадско-французско-гавайском телескопе. 13 — Туманность Конская Голова в Орионе. 14 — Крабовидная туманность: вид в телескоп VLT. 15 — Внутри Туманности Орла. 16 — В центре туманности Омега. Изображение получено космическим телескопом им. Хаббла.
можно наблюдать пыль не только в нашей Галактике, но и в ее ближних и дальних соседях, и прежде всего в спиральных галактиках, галактиках с активными ядрами и квазарах. Наблюдения показывают, что свойства пыли во Вселенной мало чем отличаются от свойств пылинок Млечного Пути. В спиральных галактиках, как и у нас, концентрируются вблизи плоскости симметрии этих звездных систем, перечеркивая яркие изображения галактик узкими темными полосами.
Ушли в прошлое представления о пыли как только о занавесе, скрывающем многие тайны Вселенной. Теперь ясно, что пыль играет активную роль и участвует как существенный компонент в протекающих во Вселенной физических процессах.
Круговорот газа и пыли во Вселенной
В межзвездном пространстве газ и вместе с ним пыль распределены крайне неравномерно, концентрируясь в облака и сверхоблака. Размеры сверхоблаков — несколько сот парсек, а типичная масса — несколько миллионов масс Солнца. В основном это протяженные области атомарного нейтрального водорода. В них вкраплены более плотные гигантские молекулярные облака, где сосредоточен практически весь молекулярный газ, т.е. около половины всего межзвездного газа в Галактике (2 млрд масс Солнца).
Межзвездный газ служит материалом, из которого формируются новые звезды. В газовом облаке под действием сил тяготения образуются плотные сгустки — зародыши будущих звезд. Сгусток продолжает сжиматься до тех пор, пока в его центре температура и плотность не повысятся до такой степени, что начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. С этого момента сгусток газа становится звездой. Межзвездная пыль также принимает активное участие в процессе образования звезд. Пыль способствует более быстрому остыванию газа. Она поглощает энергию, выделяющуюся при коллапсе (сжатии) протозвездного облака, переизлучает ее в других спектральных диапазонах, существенно влияя на обмен энергией между рождающейся звездой и окружающим пространством. От характера такого обмена, т.е. от свойств и количества пыли в облаке, зависит, образуется ли из него одна звезда или несколько и какова их масса.
Если в какой-либо части плотного молекулярного облака образовались звезды, то их воздействие на газ может ускорить конденсацию соседних газовых облаков и вызвать формирование звезд в них, — протекает цепная реакция звездообразования. Звездообразование в молекулярных облаках можно сравнить с пожаром. Оно начинается в одной части облака и постепенно перекидывается на другие его части, на примыкающие облака, пожирая межзвездный газ и превращая его в звезды.
Рано или поздно весь водород в центре звезды «сгорает», превращаясь в гелий. Как только ядерные реакции горения водорода затухают, ядро звезды начинает сжиматься, а внешние слои — расширяться. На определенной стадии эволюции звезда сбрасывает свою внешнюю оболочку или даже взрывается как сверхновая, возвращая в межзвездную среду газ, затраченный на ее формирование.
Разлетающаяся оболочка сгребает межзвездный газ и повышает его температуру до сотен тысяч градусов. Охлаждаясь, этот газ образует волокнистые туманности, которые расширяются со скоростью сотни километров в секунду. Через сотни тысяч лет остаток этого вещества тормозится и рассеивается в межзвездной среде, а со временем опять может войти в состав какой-либо молодой звезды.
Первоначальный газ не содержал пыли. Она появилась по мере старения массивных звезд с холодной оболочкой — красных гигантов. Температура поверхности таких звезд всего 2-4 тыс. градусов. При этой температуре в атмосфере звезды образуются пылинки. Излучение звезды оказывает на них давление и выдувает пылинки в межзвездное пространство, где они смешиваются с межзвездным газом. Красный гигант «чадит», подобно пламени свечи, и «загрязняет» космос пылью. Так происходит круговорот газа и пыли в пределах одной галактики.