3. Планетарные туманности

В числе туманностей наблюдаются немногочисленные так называемые планетарные туманности. Внутри каждой из них, в центре, всегда есть одна очень горячая звезда. Такие туманности состоят из разреженного газа, который удаляется во все стороны от центральной звезды со скоростью десятков километров в секунду. Если газовая оболочка вокруг звезды внутри полая, то туманность имеет вид кольца, как, например, туманность в созвездии Лиры.

Рис. 17. Планетарная туманность М 57 "Кольцо" в созвездии Лира.

Туманность "Кольцо" (М57) является, пожалуй, наиболее известным небесным кольцом. Видимое довольно правильное кольцо - всего лишь обман зрения, связанный с проекцией; на самом деле, облако газа, окружающее умирающую центральную звезду, имеет бочкообразную форму, мы же, глядя на него с Земли, видим кольцо, поскольку ось "бочки" параллельна лучу зрения. Это поразительно четкое изображение было подготовлено на основе наблюдений космического телескопа им. Хаббла, и в нем использованы естественные цвета, для представления температуры окутывающего центральную звезду газа. Энергии жестких ультрафиолетовых фотонов достаточно, чтобы ионизовать большую часть сброшенных внешних слоев, а также возбудить их излучение, которое мы и видим от туманности. Горячий голубой газ вблизи старого ядра звезды (рождающегося белого карлика), служащей источником энергии, постепенно уступает место более холодному зеленому и желтому газу, находящемуся на большем расстоянии от звезды, а затем и самому холодному красному газу внешней оболочки. Около края туманности видны также темные вытянутые структуры. Туманность "Кольцо" имеет в поперечнике около одного светового года и удалена от нас на 2000 световых лет.

Туманность "Кошачий глаз" (NGC 6543) – это одна из самых известных и красивых планетарных туманностей на небе, имеющих сложную структуру. Ее запоминающиеся симметричные формы видны в центральной части изображения в искусственных цветах, специально обработанного для того, чтобы показать огромное, но очень слабое гало из газообразного вещества, имеющего диаметр около трех световых лет, которое вероятно сформировались из вещества, выброшенного во время ранних, активных стадий эволюции звезд. Потрясающее оптическое изображение в условных цветах, полученное в 1995 году на Космическом телескопе имени Хаббла, позволило подробно рассмотреть вихреобразные структуры этой светящейся туманности, которая представляет собой газовую оболочку, сброшенную на расстоянии около 3000 световых лет от Земли умирающей звездой типа Солнца.

На левой фотографии видны области необычно яркого рентгеновского излучения, свидетельствующие о наличии там разогретого до огромных температур газа.

Рис.18. Планетарная туманность "Кошачий глаз". Слева – фотография с обсерватории "Чандра" в рентгеновском дисапазоне. Слева – фотография HST.

Хорошо видно, что центральная звезда туманности погружена в светящееся в рентгеновском диапазоне облако газа с температурой в несколько миллионов градусов. Другие области раскаленного до рентгена газа окружены более холодными газовыми облаками, которые ярко светятся в оптическом диапазоне – явное свидетельство того, что своими видимыми волокнами и структурами "Кошачий глаз" обязан расширяющемуся горячему газу. Возраст туманности оценивается в 1000 лет. Туманность является проявлением динамики и последних этапов эволюции умирающей звезды. Предварительно предполагается, что звезда является двойной. Динамические эффекты, возникающие при обращении одной звезды вокруг другой, легко объясняют запутанную структуру. Два компонента этой двойной системы располагаются слишком близко, чтобы телескоп Хаббла мог увидеть их отдельно, поэтому мы видим одну точку в центре туманности. В рамках этой модели, быстрый звездный ветер, истекающий от главной звезды, создает протяженную оболочку плотного светящегося газа. В эту оболочку изнутри вделаны два больших газовых "уха", выдуваемых звездой, находящейся на более ранней стадии эволюции. В 1995 году космическим телескопом им. Хаббла был получен снимок туманности "Песочных часов".

Рис.19. Планетарная туманность "Песочные часы".

Данная подробная фотография выявила вихреобразные структуры этой светящейся туманности, которая представляет собой газовую оболочку, сброшенную на расстоянии около 3000 световых лет от Земли умирающей звездой типа Солнца. Эти "уши" сдавливаются за счет кольца более плотного газа, видимо, выброшенным в плоскости орбиты компаньона. Ученые заподозрили наличие второго компаньона звезды, который может быть также ответственным за пару высокоскоростных джетов газа, расположенных справа от экваториального кольца. Когда компаньон движется через вещество от соседней звезды, рождаются джеты, которые распространяются вдоль оси вращения компаньона. С помощью этих джетов можно объяснить некоторые загадочные особенности на периферии газовых "ушей". На переднем фронте джета сжимается газ, образующий причудливый узор и яркие арки на внешнем крае газовых полостей. В настоящее время два джета направлены уже не на эти детали. Возможно, что джеты прецессируют, и тем самым случайно "включаются" и "выключаются".

Изображение молодой планетарной туманности MyCn18, расположенной приблизительно на расстоянии 8 тыс. св. лет было получено Широкоугольной планетарной Камерой 2 на борту космического телескопа. Тонкие разноцветные кольца светящегося газа – азотно-красные, водородно-зеленые и кислородно-синие – очерчивают разреженные стенки "песочных часов". Беспрецедентная резкость изображений, получаемых HST, позволяет рассмотреть удивительные подробности процесса рождения туманности, и может помочь в объяснении, сложности формы и симметрии этой планетарной туманности. Центральная звезда, еще недавно похожей на наше Солнце, этой планетарной туманности, напоминающей по форме песочные часы, находится на последней стадии своей эволюции. Теперь запасы ядерного топлива истощились, и в жизни этой звезды наступила короткая, но захватывающая заключительная фаза, когда ее внешние слои сброшены, а ядро, постепенно охлаждаясь, превращается в белый карлик. Согласно одной из теорий, образование такой формы связано с быстрым звездным ветром внутри медленно расширяющегося облака, которое имеет плотность, большую у полюсов, чем у экватора. Космический телескоп обнаружил также другие новые неожиданные свойства в структуре данной туманности. Например, есть пара пересеченных колец в центральной области и многочисленные дуги. Эти особенности могут быть удовлетворительно объяснены наличием невидимой звезды-компаньона.

Рис. 20. Планетарная туманность IC 418.

Планетарная туманность IC 418, прозванная Туманностью Спирографа за ее сходство с кривыми, полученными при вращении одной окружности вдоль другой, отличается весьма необычной структурой, происхождение которой до сих пор в значительной степени остается неразгаданным. Вероятно, своей причудливой формой туманность, обязана хаотическому ветру, исходящему от центральной переменной звезды, блеск которой меняется непредсказуемым образом на интервалах времени всего в несколько часов. При этом согласно имеющимся данным всего несколько миллионов лет назад IC 418 была, по-видимому, простой звездой подобной нашему Солнцу. Каких-нибудь несколько тысяч лет назад IC 418 была обычным красным гигантом.

Однако, после исчерпания запасов ядерного горючего, внешняя оболочка звезды начала расширяться, оставляя после себя горячее ядро, которому судьба уготовила превратиться в звезду белый карлик, расположенную в центре снимка. Излучение центрального ядра возбуждает атомы в туманности , заставляя их светиться. IC 418 находится от нас на расстоянии около 2000 световых лет, а ее диаметр составляет 0.3 световых года. На этом изображении в условных цветах, полученном недавно на Космическом телескопе имени Хаббла хорошо видны необычные детали структуры туманности.

Рис. 21.Планетарная туманность NGC 7027.

Туманность NGC 7027 является одной из самых маленьких планетарных туманностей. Но, несмотря на свои размеры она примерно в 14000 раз больше, чем наше Солнце. На снимке показаны детали процессов, происходящих в планетарной туманности NGC 7027, где умирает звезда подобная Солнцу. Новые особенности изображения состоят в наличие слабо-голубых концентрических оболочек, окружающих туманность, обширной красной сети облаков пыли повсюду во внутренней области туманности и горячего белого карлика, видимого в центре, как белая точка. В конце своей эволюции звезды подобные Солнцу, расширяясь в 50 раз больше своего первоначального диаметра, проходят стадию красного гиганта. В этот период их внешние слои выбрасываются в пространство, оголяя маленькое и очень горячее ядро звезды, которое охлаждаясь, превращается в белый карлик. Хотя звезды подобные Солнцу живут приблизительно 10 миллиардов лет до начала стадии красного гиганта и образования туманности, сам этот процесс занимает всего несколько тысяч лет. Туманность является заключительной стадией в жизни звезды. Первоначально эта стадия начинается с образования красного гиганта и сферического истечения вещества его внешних слоев. Данная фотография говорит о том, что начальная потеря вещества была эпизодической, что привело к образованию концентрически выделенных оболочек. A на более поздних стадиях истечение было несферическим, о чем свидетельствуют облака пыли, сжатые выброшенным веществом. Туманность NGC 7027 расположена приблизительно в 3000 св. лет от Земли в направлении летнего созвездия Лебедь.

Рис. 22. Планетарная туманность "Эскимос".

Планетарная туманность "Эскимос" NGC 2392 напоминает голову человека в парке с капюшоном. В 2000 г. Космический телескоп Хаббла получил изображения туманности Эскимос. На этом изображении видна такая сложная структура газовых облаков, что ее пока не удается объяснить. Туманность Эскимос – это планетарная туманность, и весь наблюдаемый газ еще 10000 лет назад находился во внешних слоях похожей на Солнце звезды. Внутренние волокна, которые видны на изображении, выбрасываются сильным ветром центральной звезды, состоящим из частиц. Во внешнем диске находятся необычные оранжевые волокна длиной около светового года. Туманность Эскимос находится на расстоянии около 5000 световых лет и видна в небольшой телескоп в созвездии Близнецы.

NGC 2346 является так называемой "планетарной туманностью", которая истекает из звезд солнечного типа на последних этапах их жизни. NGC 2346 замечательна потому, что ее центральная звезда является фактически очень тесной парой звезд, обращающихся вокруг друг друга с периодом 16 дней. Предполагается, что двойная звезда была первоначально более широко разделена. Однако, когда один компонентов двойной в ходе эволюции увеличился в размере и стал красным гигантом, он буквально проглотил звезду-спутник.

Рис.23. Туманность NGC 2346.

При этом спутник стал по спирали падать внутрь красного гиганта, и изрыгать газ, образовавший кольцо вокруг двойной системы. Позже, когда обнажилось горячее ядро красного гиганта, оно породило более быстрый звездный ветер, который стал истекать перпендикулярно к кольцу и раздувать два огромных "пузыря". Этот двухступенчатый процесс, по-видимому, и привел к форме туманности, похожей на бабочку. NGC 2346 лежит приблизительно в 2000 световых годах от нас, а ее размер - около одной трети светового года.

Рис.24. Планетарная туманность 2440.

NGC 2440 - еще одна планетарная туманность, истекшая из умирающей звезды, но она имеет намного более хаотическую структуру, чем NGC 2346. Центральная звезда NGC 2440 – одна из самых горячих известных звезд, с поверхностной температурой около 200000 градусов Цельсия. Сложное строение окружающей туманности позволяет предположить, что в прошлом имелись периоды противоположно направленного истечения из центральной звезды, отчасти подобные в NGC 2346, но в случае NGC 2440 эти оттоки случались эпизодически, и были разнонаправленными в каждом эпизоде. Туманность богата и облаками пыли, некоторые из них образуют длинные, темные полосы, направленные прочь от центральной звезды. Помимо яркой туманности, которая сияет из-за флюоресценции ультрафиолетового излучения горячей звезды, NGC 2440 окружена намного большим облаком более холодного газа, невидимым в обычном свете, но оно может быть обнаружено инфракрасными телескопами. NGC 2440 лежит приблизительно в 4000 световых лет от Земли в направлении созвездия Кормы. Туманность "Гантель" (Dumbbell Nebula) открыл в 1764 г. французский астроном Шарль Мессье (Charles Messier) и занес ее в свой одноименный каталог под номером 27, поэтому она теперь имеет официальное наименование Messier 27 (M27). Она находится в нашей галактике Млечный Путь на расстоянии немногим более 1200 световых лет от нас в созвездии Лисичек. Планетарная туманность M27 была первой обнаруженной планетарной туманностью. Она имеет замечательную форму, т.е. мы смотрим по ее экваториальной плоскости. Внутренняя структура, однако, является сложной. Сине-белый газ центральной звезды, был изгнан в недавнем прошлом. Оценено, что газовое облако было сформировано более чем 10000 лет назад. Центральная звезда имеет видимую звездную +14m.

рис. 25. Планетарная туманность М 27.

Планетарная туманность M27 имеет размер 8x4 квадратных угловых минут и обладает очень высокой поверхностной яркостью, поэтому ее можно легко найти даже в маленькие телескопы. Высокая поверхностная яркость обеспечивается за счет большого количества ионизованного газа.

Планетарная туманность М 6751 имеет собственное название – "Фейерверк ". NGC Планетарная туманность М6751 – "Фейерверк" или "Огни в небе" и подобна гигантскому космическому фейерверку. Она является сложной планетарной туманностью. Синие области показывают самый горячий раскаленный газ, который формирует кольцо вокруг остатков звезды. Температура центральной звезды оценена в 140,000 K. Желтый и красный цвет показывает холодный газ, находящегося в шлейфах, исходящих далеко от центральной звезды. Форма этих шлейфов предполагает, что радиация и звездное притяжение воздействуют на них. NGC 6751 находится на расстоянии в 6,500 световых лет и имеет диаметр в 0.8 световых лет, т.е в 600 раз больше диаметра нашей собственной солнечной системы.

рис. 26. Планетарная туманность М 6751.

Рис. 27. Планетарная туманность М 97 "Сова".

Планетарная туманность M97 в созвездии Б.Медведица – сложная планетарная туманность, которая похожа на лицо совы. Ее структура просматриваемая под таким углом, что концы цилиндра соответствуют глазам совы. Туманность имеет массу приблизительно 0.15 М Солнца, а остаточная звезда, имеет 0.7 М Солнца.

Обобщая вышеперечисленное, можно сказать, что все планетарные туманности светятся за счет энергии горячей центральной звезды. Спектр такой звезды напоминает спектр звезд типа Вольфа-Райе W-R, звезд класса О. В спектрах самих туманностей видны яркие эмиссионные линии ионизованного кислорода, азота. По смещениям линий спектра обнаружено, что данные планетарные туманности расширяются в среднем со скоростями в несколько десятков километров в секунду. Поэтому можно говорить, что планетарные туманности - это сброшенные звездные оболочки.

Рис.28. Планетарная туманность "Южные Кольца" (NGC 3132).

Туманность Южных Колец (Southern Ring) – NGC 3132 – превосходный пример планетарной туманности. Она находится на расстоянии приблизительно в 2,000 световых лет и имеет диаметр в половину светового года. Газы в туманности распрастраняются со скоростью 14 км в секунду. НА изображении видны две звезды. Более слабая из этих двух звезд ответствена за туманность и теперь меньше Солнца. Интенсивное ультрафиолетовое излучение от ее поверхности делает свечение газов. Более яркая звезда – находится на более ранней ступени звездного развития и кажется, несвязанной с туманностью. Цвета показывают температуру газов. Синий – самый горячий газ, красный самый холодный.

Рис.29. Планетарная туманность "Бабочка".

Цветное изображение туманности "Бабочки" с качеством изображения лучше 0.6? (угловых секунд). Туманность "Бабочки" – биполярная туманность, что явно показывает это изображение. Центральная звезда затенена темным, пыльным диском.