Туманности, межзвездная среда, связь с рождением звезд

Наше место в этом мире
Круговорот газа и пыли во вселенной
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, 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.

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.

ТУМАННОСТИ

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 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.

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.

ТУМАННОСТИ

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.
    В результате термоядерных реакций в недрах массивной звезды образуется не только гелий, но и другие химические элементы. Вместе с разлетающейся оболочкой они попадают в межзвездный газ. Поэтому газ, прошедший через ядерный котел звезды, обогащен химическими элементами. В Галактике звезды рождались и умирали на протяжении многих миллиардов лет. И практически весь газ, который сейчас наблюдается в межзвездной среде, уже не раз прошел через ядерный котел.
    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.