Межзвездное пространство. Что будет с «Вояджером» в межзвездном пространстве? Туманности, поглощающие свет
«Вояджер-2» прошел невероятную веху в своем исследовании Cолнечной системы, войдя в межзвездное пространство, но ни его путешествие, ни научные исследования на этом не заканчиваются.
Во время пресс-конференции на ежегодном собрании Американского геофизического союза 10 декабря ученые и инженеры заявили, что, хотя они взволнованы пересечением границы, «Вояджер-2» и его собрат «Вояджер-1» еще достаточно работоспособны. Собранные ими данные помогут пролить свет на то, как частицы, исходящие от Солнца, сталкиваются с частицами в межзвездном ветре за его пределами.
«Вояджеры» - это первые на сегодняшний день космические корабли, которые люди отправили на границу Солнечной системы, называемую гелиопаузой. Если все пойдет хорошо, оба корабля будут продолжать путешествовать долгие годы.
Ключевой проблемой для «Вояджера-2» является преодоление постепенной потери тепла и энергии. В настоящее время корабль работает при температуре около 3,6 °C, и за каждый год производительность электроэнергии падает на 4 Вт. Это означает, что в конечном счете команде придется отключить инструменты.
По оценкам, аппараты проработают еще как минимум 5–10 лет, но количество научных данных будут постепенно сокращаться. Хотя «Вояджер-1» первым преодолел гелиопаузу, «Вояджер-2» предлагает несколько новых возможностей. Он имеет работающий детектор плазмы, в то время как у его предшественника этот инструмент прекратил работу десятилетия назад. И из-за текущей стадии солнечного цикла «Вояджер-2» может снова оказаться в гелиопаузе, когда солнечный пузырь расширится.
Даже когда гелиосфера окажется позади «Вояджера-2», он сможет рассказать ученым о потоке межзвездного ветра, влияющего на гелиопаузу, и о местном пузыре, окружающем гелиосферу. С его помощью ученые смогут зафиксировать галактические космические лучи, высоконергетические атомы и целый ряд элементов, которые движутся по всей Вселенной почти со скоростью света.
«Галактическое космическое излучение действует как посланник наших местных галактических окрестностей. И теперь мы можем взглянуть на галактику сквозь затуманенную линзу нашей гелиосферы», - заявил астрофизик из НАСА Джордж Денольфо.
«Вояджер-2» может не только рассказать нам о наших собственных окрестностях, но и сформировать понимание экзопланет. Каждая солнечная система расположена в своем эквиваленте гелиосферы, соприкасаясь со своим локальным межзвездным пространством. Этот пограничный баланс определяет, насколько эти планеты пригодны для жизни.
Хотя инструменты «Вояджеров» не вечны, оба космических корабля будут продолжать свой путь. В течение примерно 300 лет они достигнут внутреннего края Облака Оорта - сферы комет, окружающей Солнечную систему. Переход через это поле займет около 30 000 лет. Как только зонды полностью покинут нашу систему, они выйдут на длинную орбиту вокруг сердца Млечного Пути, на которой будут кружить миллионы, если не миллиарды лет, став первыми посланниками человечества на таком расстоянии.
Лишь сравнительно недавно удалось доказать, что звезды существуют не в абсолютной пустоте и что космическое пространство не вполне прозрачно. Тем не менее такие предположения высказывались давно. Еще в середине 19 в. российский астроном В.Струве пытался (правда, без особого успеха) научными методами найти непреложные свидетельства того, что пространство не пустое, и в нем происходит поглощение света далеких звезд.
Наличие поглощающей разреженной среды было убедительно показано менее ста лет назад, в первой половине 20 в., путем сравнения наблюдаемых свойств далеких звездных скоплений на различных расстояниях от нас. Это было сделано независимо американским астрономом Робертом Трюмплером (1896–1956) и советским астрономом Б.А.Воронцовым-Вельяминовым (1904–1994), вернее, так была обнаружена одна из составляющих межзвездной среды – мелкая пыль, из-за которой межзвездная среда оказывается не вполне прозрачной, особенно в направлениях, близких к направлению на Млечный Путь . Присутствие пыли означало, что и видимая яркость, и наблюдаемый цвет далеких звезд искажены, и чтобы узнать их истинные значения, нужен довольно сложный учет поглощения. Пыль, таким образом, была воспринята астрономами как досадная помеха, мешающая исследованию далеких объектов. Но одновременно возник интерес и к изучению пыли как физической среды – ученые стали выяснять, как пылинки возникают и разрушаются, как реагирует пыль на излучение, какую роль играет пыль в образовании звезд.
С развитием радиоастрономии во второй половине 20 в. появилась возможность исследовать межзвездную среду по ее радиоизлучению. В результате целенаправленных поисков было обнаружено излучение атомов нейтрального водорода в межзвездном пространстве на частоте 1420 МГц (что соответствует длине волны 21 см). Излучение на этой частоте (или, как говорят, в радиолинии) предсказал голландский астроном Хендрик ван де Хюлст в 1944 на основании квантовой механики, а обнаружено оно было в 1951 г. после расчета ее ожидаемой интенсивности советским астрофизиком И.С.Шкловским . Шкловский же указал и на возможность наблюдения излучения различных молекул в радиодиапазоне, которое, действительно, было позднее обнаружено. Масса межзвездного газа, состоящего из нейтральных атомов и очень холодного молекулярного газа, оказалось примерно в сто раз большей, чем масса разреженной пыли. Но газ совершенно прозрачен для видимого света, поэтому его нельзя было обнаружить теми же методами, какими была открыта пыль.
С появлением рентгеновских телескопов, устанавливаемых на космических обсерваториях, был обнаружен еще один, наиболее горячий компонент межзвездной среды – очень разреженный газ с температурой в миллионы и десятки миллионов градусов. Ни по оптическим наблюдениям, ни по наблюдениям в радиолиниях этот газ «увидеть» невозможно – среда слишком разрежена и полностью ионизована, но, тем не менее, он заполняет существенную долю объема всей нашей Галактики.
Быстрое развитие астрофизики, изучающей взаимодействие вещества и излучения в космическом пространстве, как и появление новых возможностей наблюдений, позволило детально исследовать физические процессы в межзвездной среде. Возникли целые научные направления – космическая газодинамика и космическая электродинамика, изучающие свойства разреженных космических сред. Астрономы научились определять расстояния до газовых облаков, измерять температуру, плотность и давление газа, его химический состав, оценивать скорости движения вещества. Во второй половине 20 в. выявилась сложная картина пространственного распределения межзвездной среды и ее взаимодействия со звездами. Оказалось, что от плотности и количества межзвездного газа и пыли зависит возможность зарождения звезд, а звезды (прежде всего, наиболее массивные из них), в свою очередь, меняют свойства окружающей межзвездной среды – нагревают ее, поддерживают непрестанное движение газа, пополняют среду своим веществом, меняют ее химический состав. Изучение такой сложной системы как «звезды – межзвездная среда» оказалось очень сложной астрофизической задачей, особенно если учесть, что общая масса межзвездной среды в Галактике и ее химический состав медленно изменяются под действием различных факторов. Поэтому можно сказать, что в межзвездной среде отражена вся история нашей звездной системы продолжительностью в миллиарды лет.
Эмиссионные газовые туманности.
Большая часть межзвездной среды не доступна наблюдениям ни в какие оптические телескопы. Наиболее яркое исключение из этого правила – газовые эмиссионные туманности, наблюдавшиеся еще с самыми примитивными оптическими средствами. Самая известная из них – Большая туманность Ориона, которая видна даже невооруженным глазом (при условии очень хорошего зрения) и особенно красива при наблюдении в сильный бинокль или небольшой телескоп.
Известны многие сотни газовых туманностей на различных расстояниях от нас, причем почти все они сосредоточены вблизи полосы Млечного Пути – там, где чаще всего встречаются молодые горячие звезды.
В эмиссионных туманностях плотность газа значительно выше, чем в окружающем их пространстве, но и в них концентрация частиц составляет лишь десятки или сотни атомов в кубическом сантиметре. Такая среда по «земным» меркам не отличима от полного вакуума (для сравнения: концентрация частиц воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет в среднем 3·10 19 молекул в см 3 , и даже наиболее мощные вакуумные насосы не создадут такой низкой плотности, какая существует в газовых туманностях). Туманность Ориона имеет сравнительно небольшой линейный размер (20–30 световых лет). Поскольку диаметры некоторых туманностей превышают 100 св. лет, полная масса газа в них может достигать десятков тысяч масс Солнца.
Эмиссионные туманности светятся потому, что внутри них или рядом с ними находятся звезды редкого типа – горячие голубые звезды-сверхгиганты. Правильнее эти звезды следовало бы назвать ультрафиолетовыми, поскольку их основное излучение происходит в жестком ультрафиолетовом диапазоне спектра. Излучение с длиной волны короче 91,2 нм очень эффективно поглощается межзвездными атомами водорода и ионизует их, т.е. разрывает в них связи между электронами и ядрами атомов – протонами. Этот процесс (ионизация) сбалансирован противоположным процессом (рекомбинация), в результате которого под действием взаимного притяжения электроны вновь объединяются с протонами в нейтральные атомы. Такой процесс сопровождается излучением электромагнитных квантов. Но обычно электрон, соединяясь с протоном в нейтральный атом, не сразу попадает на нижний энергетический уровень атома, а задерживается на нескольких промежуточных, и каждый раз при переходе между уровнями атом излучает фотон, энергия которого меньше, чем у того фотона, который ионизовал атом. В результате, один ультрафиолетовый фотон, ионизовавший атом, «дробится» на несколько оптических. Так газ преобразует не видимое глазом ультрафиолетовое излучение звезды в оптическое излучение, благодаря которому мы видим туманность.
Эмиссионные туманности типа Туманности Ориона – это газ, нагреваемый ультрафиолетовыми звездами. Ту же природу имеют и планетарные туманности, состоящие из газа, сбрасываемого стареющими звездами.
Но наблюдаются и светящиеся газовые туманности несколько иной природы, которые возникают при взрывных процессах в звездах. Прежде всего, это остатки взорвавшихся сверхновых звезд , примером которых может служить Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Такие туманности нестационарны, их отличает быстрое расширение.
Внутри газовых остатков сверхновых звезд нет ярких ультрафиолетовых источников. Энергия их свечения – это преобразованная энергия газа, разлетающегося после взрыва звезды, плюс энергия, выделяемая сохранившимся остатком Сверхновой. В случае Крабовидной туманности таким остатком является компактная и быстро вращающаяся нейтронная звезда, непрерывно выбрасывающая в окружающее пространство потоки высокоэнергичных элементарных частиц. Через десятки тысяч лет подобные туманности, расширяясь, постепенно растворяются в межзвездной среде.
Межзвездная пыль.
Даже беглый взгляд на изображение любой эмиссионной туманности достаточно большого размера позволяет увидеть на ее фоне резкие темные детали – пятна, струи, причудливые «заливы». Это – проектирующиеся на светлую туманность расположенные недалеко от нее небольшие и более плотные облака, непрозрачные вследствие того, что к газу всегда примешена межзвездная пыль, поглощающая свет.
Присутствует пыль и вне газовых облаков, заполняя (вместе с очень разреженным газом) все пространство между ними. Такая распределенная в пространстве пыль приводит к трудно учитываемому ослаблению света далеких звезд. Свет частично поглощается, а частично – рассеивается мелкими твердыми пылинками. Наиболее сильное ослабление наблюдается в направлениях, близких к направлению на Млечный Путь (на плоскость галактического диска). В этих направлениях, пройдя тысячу световых лет, видимый свет ослабляется примерно на 40 процентов. Если учесть, что протяженность нашей Галактики – десятки тысяч световых лет, то становится ясно, что мы можем исследовать звезды галактического диска лишь в небольшой его части. Чем короче длина волны излучения, тем сильнее поглощается свет, в результате чего далекие звезды кажутся покрасневшими. Поэтому межзвездное пространство прозрачнее всего для длинноволнового инфракрасного излучения. Лишь наиболее плотные газопылевые облака остаются непрозрачными даже для инфракрасного света.
Следы космической пыли можно увидеть и без телескопа. В безлунную летнюю или осеннюю ночь хорошо видно «раздвоение» полосы Млечного Пути в области созвездия Лебедя. Оно связано с близкими пылевыми облаками, слой которых закрывает лежащие позади них яркие области Млечного Пути. Можно найти темные участки и в других областях Млечного Пути. Наиболее плотные газопылевые облака, проектируясь на области неба, богатые звездами, выглядят темными пятнами даже в инфракрасном свете.
Иногда вблизи холодных газо-пылевых облаков располагаются яркие звезды. Тогда их свет рассеивается на пылинках и видна «отражательная туманность».
В отличие от эмиссионных туманностей, они имеют непрерывный спектр, как и спектр освещающих их звезд.
Изучая отраженный или прошедший сквозь облако свет звезд, можно многое узнать о частицах пыли. Например, поляризация света говорит о вытянутой форме пылинок, которые приобретают определенную ориентацию под действием межзвездного магнитного поля. Твердые частицы космической пыли имеют размер порядка 0,1–1 мкм. Вероятно, у них железо-силикатное или графитовое ядрышко, покрытое ледяной «шубой» из легких элементов. Графитовые и силикатные ядрышки пылинок, по-видимому, образуются в относительно прохладных атмосферах звезд-гигантов и выбрасываются затем в межзвездное пространство, где остывают и покрываются шубой из летучих элементов.
Полная масса пыли в Галактике составляет не более 1% от массы межзвездного газа, но и это немало, поскольку эквивалентно массе десятков миллионов таких звезд как Солнце.
Поглощая световую энергию звезд, пыль нагревается до небольшой температуры (обычно – на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля), а излучает поглощенную энергию в форме очень длинноволнового инфракрасного излучения, которое на шкале электромагнитных волн занимает промежуточное положение между оптическим и радио диапазонами (длина волны – десятки и сотни микрометров). Это излучение, принимаемое телескопами, установленными на специализированных космических аппаратах, дает неоценимую информацию о массе пыли и источниках ее нагрева в нашей и других галактиках.
Атомарный, молекулярный и горячий газ.
Межзвездный газ – это, в основном, смесь водорода (около 70%) и гелия (около 28%) с очень небольшой примесью более тяжелых химических элементов. Средняя концентрация частиц газа в межзвездном пространстве чрезвычайно мала и не превышает одной частицы на 1–2 кубических см. В объеме, равном объему земного шара, содержится около 1 кг межзвездного газа, но это только в среднем. Газ очень неоднороден как по плотности, так и по температуре.
Температура основной массы газа не превышает нескольких тысяч градусов – недостаточно высокой для того, чтобы водород или гелий был ионизован. Такой газ называют атомарным, поскольку он состоит из нейтральных атомов. Холодный атомарный газ практически не излучает в оптическом диапазоне, поэтому долгое время о нем почти ничего не было известно.
Самый распространенный атомарный газ – водород (условное обозначение – HI) – наблюдается по радиоизлучению на длине волны около 21 см. Радионаблюдения показали, что газ образует облака неправильной формы с температурой в несколько сотен кельвинов и более разреженную и горячую межоблачную среду. Полная масса атомарного газа в галактике достигает нескольких миллиардов масс Солнца.
В наиболее плотных облаках газ охлаждается, отдельные атомы объединяются в молекулы, и газ становится молекулярным. Самая распространенная молекула – Н 2 – не излучает ни в радио, ни в оптическом диапазоне (хотя у этих молекул есть линии поглощения в ультрафиолетовой области), и обнаружить молекулярный водород чрезвычайно трудно. К счастью, вместе с молекулярным водородом возникают десятки других молекул, содержащих более тяжелые элементы – такие как углерод, азот и кислород. По их радиоизлучению на определенных, хорошо известных частотах оценивается масса молекулярного газа. Пыль делает молекулярные облака непрозрачными для света, и именно они видны как темные пятна (прожилки) на более светлом фоне эмиссионных туманностей.
Радиоастрономические наблюдения позволили обнаружить в межзвездном пространстве довольно сложные молекулы: гидроксил OH; пары воды H 2 O и аммиака NH, формальдегид H 2 CO, окись углерода CO, метанол (древесный спирт) CH 3 OH, этиловый (винный) спирт CH 3 CH 2 OH и еще десятки других, даже более сложных молекул. Все они найдены в плотных и холодных газопылевых облаках, пыль в которых защищает хрупкие молекулы от разрушающего влияния ультрафиолетового излучения горячих звезд. Вероятно, поверхность холодных пылинок служит как раз тем местом, где образуются сложные молекулы из налипших на пылинку отдельных атомов. Чем плотнее и массивнее облако, тем большее разнообразие молекул в нем обнаруживается.
Молекулярные облака очень разнообразны.
Некоторые небольшие облачка мы видим интенсивно «испаряющимися» под действием света близких звезд. Существуют, однако, и гигантские очень холодные облака с массой, превышающей миллион масс Солнца (подобных образований в нашей Галактике больше сотни). Такие облака называются гигантскими молекулярными облаками. Для них существенным является собственное гравитационное поле, удерживающее газ от расширения. Температура в их недрах лишь на несколько кельвинов выше абсолютного нуля.
Молодые горячие звезды могут своим коротковолновым излучением нагревать и разрушать молекулярные облака. Особенно много энергии выделяется и сообщается межзвездному газу при взрывах сверхновых, а также веществом, интенсивно истекающим из атмосфер горячих звезд большой светимости (звездным ветром массивных звезд). Газ расширяется и нагревается до миллиона и более градусов. Эта горячая разреженная среда образует гигантские «пузыри» в более холодном межзвездном газе, размеры которых иногда составляют сотни световых лет. Такой газ часто называют «корональным» – по аналогии с газом горячей солнечной короны, хотя межзвездный горячий газ на несколько порядков разреженнее, чем газ короны. Наблюдается такой горячий газ по слабому тепловому рентгеновскому излучению или по ультрафиолетовым линиям, принадлежащим некоторым частично ионизованным элементам.
Космические лучи.
Помимо газа и пыли, межзвездное пространство заполнено также очень энергичными частицами «космических лучей», имеющими электрический заряд – электронами, протонами и ядрами некоторых элементов. Эти частицы летят практически со скоростью света по всем возможным направлениям. Их основным (но не единственным) источником служат взрывы сверхновых звезд. Энергия частиц космических лучей на много порядков превышает их энергию покоя Е = m 0c 2 (здесь m 0 – масса покоя частицы, с – скорость света), и обычно находится в пределах 10 10 – 10 19 эВ (1 эВ = 1,6 ґ 10 –19 Дж), в очень редких случаях достигая и более высоких значений. Частицы движутся в слабом магнитном поле межзвездного пространства, индукция которого примерно в сто тысяч раз меньше, чем у магнитного поля Земли. Межзвездное магнитное поле, действуя на заряженные частицы с силой, зависящей от их энергии, «запутывает» траектории частиц, и они непрерывно меняют направление своего движения в Галактике. Лишь наиболее высокоэнергичные космические лучи движутся по слабо искривленным путям и по этому не удерживаются в Галактике, уходя в межгалактическое пространство.
Частицы космических лучей, достигающие нашей планеты, сталкиваются с атомами воздуха и, разбивая их, рождают новые многочисленные элементарные частицы, которые образуют настоящие «ливни», выпадая на земную поверхность. Эти частицы (их называют вторичными космическими лучами) удается непосредственно регистрировать лабораторными приборами. Первичные же космические лучи до поверхности Земли практически не доходят, их можно регистрировать за пределами атмосферы. Но о наличии быстрых частиц в межзвездном пространстве удается узнать и по косвенным признакам – по характерному излучению, которое они производят при своем движении.
Заряженные частицы, летящие в межзвездном магнитном поле, отклоняются от прямых траекторий под действием силы Лоренца. Их траектории словно «наматываются» на линии магнитной индукции. Но любое не-прямолинейное движение заряженных частиц, как известно из физики, приводит к излучению электромагнитных волн и постепенной потере энергии частицами. Длина волны излучения космических частиц соответствует радиодиапазону. Особенно эффективно излучают легкие электроны, на движение которых межзвездное магнитное поле влияет сильнее всего из-за их очень малой массы. Это излучение названо синхротронным, поскольку в физических лабораториях оно тоже наблюдается, когда электроны разгоняют в магнитных полях в специальных установках – синхротронах, используемых для получения высокоэнергичных электронов.
Радиотелескопы (см . РАДИОАСТРОНОМИЯ) принимают синхротронное излучение не только от всех областей Млечного Пути, но и от других галактик. Это доказывает наличие там магнитных полей и космических лучей. Синхротронное излучение заметно усилено в спиральных рукавах галактик, где больше плотность межзвездной среды, интенсивнее магнитное поле и чаще происходят взрывы сверхновых – источники космических лучей. Характерной особенностью синхротронного излучения служит его спектр, не похожий на спектр излучения нагретых сред, и сильная поляризация, связанная с направленностью магнитного поля.
Крупномасштабное распределение межзвездной среды.
Основная масса газа и пыли концентрируется вблизи плоскости нашей Галактики. Именно там сосредоточены наблюдаемые эмиссионные туманности, облака атомарного и молекулярного газа. Аналогичная картина наблюдается и в других галактиках, похожих на нашу. Когда далекая галактика развернута к нам так, что ее звездный диск виден «с ребра», диск кажется пересеченным темной полосой. Темная полоса – это слой межзвездной среды, непрозрачный из-за наличия пылевых частиц.
Толщина слоя межзвездного газа и пыли обычно составляет несколько сотен св. лет, а диаметр – десятки и сотни тысяч св. лет, поэтому такой слой можно считать сравнительно тонким. Объяснение концентрации межзвездной среды в тонкий диск достаточно простое и кроется в свойствах атомов газа (и облаков газа) терять энергию при столкновении друг с другом, которые непрерывно происходят в межзвездном пространстве. Благодаря этому газ скапливается там, где его полная (кинетическая + потенциальная) энергия минимальна – в плоскости звездного диска, притягивающего газ. Именно притяжение звезд не дает газу далеко отойти от плоскости диска.
Но и внутри диска Галактики газ распределен неравномерно. В центре Галактики выделяется молекулярный диск размером несколько сотен св. лет. Дальше от центра плотность газа падает, но быстро возрастает вновь, образуя гигантское газовое кольцо радиусом более 10 тыс. св. лет и шириной в несколько тысяч св. лет. Солнце находится за его пределами. В окрестностях Солнца средние плотности молекулярного и атомарного газа сопоставимы, а на еще больших расстояниях от центра преобладает атомарный газ. Внутри слоя межзвездной среды наибольшая плотность газа и пыли достигается в спиральных рукавах Галактики. Там особенно часто встречаются молекулярные облака и эмиссионные туманности, и рождаются звезды.
Рождение звезд.
Когда астрономы научились измерять возраст звезд и выделять короткоживущие молодые звезды, было выявлено, что образование звезд происходит чаще всего там, где концентрируется межзвездная газопылевая среда – вблизи плоскости нашей Галактики, в ее спиральных ветвях. Ближайшие к нам области звездообразования связаны с комплексом молекулярных облаков в Тельце и Змееносце. Немногим дальше расположен огромный комплекс облаков в Орионе, где наблюдается большое количество недавно родившихся звезд, в том числе массивных и очень горячих, и несколько сравнительно крупных эмиссионных туманностей. Именно ультрафиолетовым излучением горячей звезды нагрета часть одного из облаков, которую мы видим как Большую туманность Ориона. Эмиссионные туманности той же природы, что и Туманность Ориона, всегда служат надежным индикатором тех областей Галактики, где рождаются звезды.
Звезды зарождаются в недрах холодных молекулярных облаков, где из-за сравнительно высокой плотности и очень низкой температуры газа силы тяготения играют очень важную роль и в состоянии вызвать сжатие отдельных уплотнений среды. Они сжимаются под действием сил собственного тяготения и постепенно разогреваются до образования горячих газовых шаров – молодых звезд. Наблюдать развитие этого процесса очень трудно, поскольку он может продолжаться миллионы лет и происходит в мало прозрачной (из-за пыли) среде.
Формирование звезд может происходить не только в крупных молекулярных облаках, но и в сравнительно небольших, но плотных. Их называют глобулами. Они видны на фоне неба как компактные и абсолютно непрозрачные объекты. Типичный размер глобул – от десятых долей до нескольких св. лет, масса – десятки и сотни масс Солнца.
В общих чертах процесс формирования звезд понятен. Пыль во внешних слоях облака задерживает свет звезд, расположенных снаружи, поэтому облако оказывается лишенным внешнего подогрева. В результате внутренняя часть облака сильно охлаждается, давление газа в нем падает, и газ уже не может сопротивляться взаимному притяжению своих частей – происходит сжатие. Быстрее всего сжимаются наиболее плотные части облака, там и образуются звезды. Они возникают всегда группами. Сначала это медленно вращающиеся и медленно сжимающиеся сравнительно холодные газовые шары различной массы, но когда температура в их недрах достигает миллионов градусов, в центре звезд начинаются термоядерные реакции, при которых выделяется большое количество энергии. Упругость горячего газа останавливает сжатие, возникает стационарная звезда, излучающая как большое нагретое тело.
Очень молодые звезды часто окружены пылевой оболочкой – остатками вещества, не успевшими еще упасть на звезду. Эта оболочка не выпускает изнутри звездный свет и полностью преобразует его в инфракрасное излучение. Поэтому самые молодые звезды обычно проявляют себя лишь как инфракрасные источники в недрах газовых облаков. И лишь позднее пространство вокруг молодой звезды расчищается и ее лучи прорываются в межзвездное пространство. Часть вещества, окружавшего формирующуюся звезду, может образовать вокруг нее вращающийся газопылевой диск, в котором со временем возникнут планеты.
Звезды типа Солнца после своего возникновения мало влияют на окружающую межзвездную среду. Но часть рождающихся звезд имеет очень большую массу – в десять и более раз больше, чем у Солнца. Мощное ультрафиолетовое излучение таких звезд и интенсивный звездный ветер сообщают тепловую и кинетическую энергию большим массам окружающего газа. Часть звезд взрывается как сверхновые, выбрасывая с большими скоростями гигантскую массу вещества в межзвездную среду. Поэтому звезды не только образуются из газа, но и во многом определяют его физические свойства. Звезды и газ можно рассматривать как единую систему со сложными внутренними связями. Однако в деталях процесс формирования звезд очень сложен и не до конца еще изучен. Известны физические процессы, которые стимулируют сжатие газа и рождение звезд, как и процессы, которые тормозят его. По этой причине связь между плотностью межзвездной среды в данной области Галактики и интенсивностью звездообразования в ней не однозначна
Анатолий Засов
Круговорот газа и пыли во вселенной
Межзвездная среда
|
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.
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.
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).
|
Хотя основная доля видимого вещества Вселенной сконцентрирована в звездах, астрономы проявляют все больший интерес и уважение к межзвездному пространству, содержащему вещество в разнообразных и, возможно, неизвестных пока формах. Прежде чем вещество становится звездой, оно последовательно проходит все круги физико-химических превращений: от кварков и элементарных частиц к молекулам и вновь к атомам и частицам; от релятивистских энергий к абсолютному нулю температуры и вновь к состоянию плазмы; от безумных плотностей к глубочайшему вакууму и вновь к плотностям, недостижимым в физических лабораториях (рис. 8.1).
В современной Галактике пространство между звездами заполнено разреженным веществом, излучением и магнитным полем, взаимодействующими друг с другом на равных, поскольку в среднем равны плотности их энергии (~10 -12 эрг/см 3). Игра сил гравитации, газового и магнитного давления приводит к тому, что из разреженного вещества формируются гораздо более плотные звезды. Поэтому история проникновения в загадку рождения звезд есть, по существу, история изучения межзвездной материи. В отличие от звездной астрономии, имеющей "славные традиции", астрономия межзвездной среды пока еще только обозревает свои владения. За последние два десятилетия открыты самая горячая и объемная, а также самая холодная, плотная и массивная компоненты межзвездного вещества. Не исключено, что в ближайшие годы будут сделаны не менее фундаментальные открытия в области межзвездной среды, поскольку существует проблема невидимого вещества в галактическом гало. Но чтобы оценить сегодняшнее состояние дела, давайте немного заглянем в историю.
Интуитивные представления о межзвездной среде можно встретить даже у античных философов ("Природа не терпит пустоты"!), однако наблюдениями они подтверждены не были. Даже у Г. Галилея, изучавшего небо в телескоп, рассуждения о межзвездной среде были довольно отвлеченными: "...мы отказываемся от твердых небесных сфер, в существование которых верили раньше, и предполагаем, что очень тонкая эфирная материя развеяна по обширным областям Вселенной, по которым блуждают твердые мировые тела, наделенные собственными мировыми движениями" .
И. Кеплер соглашался с Галилеем, но рассуждал более конкретно: "К сильным сторонам твоего доказательства я отношу необычайную легкость небесной субстанции, следующей также и из моей "Оптики"... Это приводит к тому, что от наших глаз, когда они вооружены твоим инструментом, не ускользают даже самые мелкие частицы сферы звезд..., и что в одной единственной частице линзы между глазом и предметом втиснуто гораздо больше (и гораздо более плотной) материи, чем во всем нескончаемом пути сквозь эфир, причем материя в линзе вызывает легкое потемнение, а эфир его не вызывает. Поэтому и создается видимость, будто все необъятное пространство пусто" . Удивительно, но в том, что касается видимых звезд, Кеплер оказался совершенно прав: на пути их светового луча в линзе встречается в сотни раз больше атомов, чем в межзвездной среде.
Таким образом, астрономы XVII столетия верили в существование межзвездной субстанции, но считали ее чрезвычайно разреженной и практически невидимой, не подозревая о том, что сама эта субстанция делает для нас невидимой в некоторых направлениях существенную часть Галактики и всей внегалактической Вселенной. В XVIII веке с помощью светосильных телескопов кометоискателей трудами Э. Галлея, Н. Лакайля, Ш. Мессье и П. Мешена были открыты десятки светящихся туманностей. А великий В. Гершель подвел итог этому столетию, обнаружив с помощью своих гигантских инструментов 2,5 тыс. туманных объектов, многие из которых оказались облаками горячего газа. Как мы уже знаем, Гершель обнаружил и пустоты в распределении звезд, но решил, что это "отверстия в небесах", вызванные гравитационной неустойчивостью и скучиванием звезд в отдельные "облака".
В середине XIX в. Анджело Секки, доверяя своей интуиции, утверждал, что черные пустоты в Млечном Пути суть гигантские облака темных газов, проецирующиеся на светлый фон далеких звезд. Однако и в начале XX в. многие астрономы склонны были разделять взгляды Гершеля и находили "гипотезу Секки" маловероятной.
Но совершенствовалась техника наблюдении, накапливались новые данные. На рубеже веков американский астроном-самоучка Э. Барнард (1857-1923) начал систематическое фотографирование неба на Ликской обсерватории, положив тем самым начало широкому применению фотографии в астрономии. В 1913 г. Барнард публикует отдельные фотографии Млечного Пути, а в 1927 г. в свет вышел великолепный фотографический "Атлас Млечного Пути", при подготовке которого Барнард обнаружил и описал 349 светлых и темных туманностей. Отдельно он составил каталог 182 темных туманностей в Млечном Пути и выразил убеждение в том, что это облака поглощающей свет материи, а не промежутки между звездными облаками, как считал Гершель.
Действительно, многие темные пятна в Млечном Пути были окаймлены светлой туманностью, что безусловно указывало на их связь с межзвездным газом, но не доказывало ее. Прямая регистрация холодных фракций межзвездного газа стала возможной лишь десятки лет спустя. А в первой половине XX века оптическая спектроскопия позволила изучить горячий межзвездный газ и обнаружить отражающие звездный свет пылинки - крохотные твердые частицы межзвездной среды. Скопления пыли кажутся светлыми только в том случае, если рядом находится освещающая их звезда. Если же звезда находится за облаком пыли, то свет ее ослабевает иногда настолько, что ее невозможно заметить. Именно поглощение света пылью стало первым индикатором холодного межзвездного вещества.
Дж. Джинс писал в 1930 г.: "...непрозрачностью газа объясняются... темные пятна, которые встречаются на небе среди звездных полей. ...Темное пятно, которое на первый взгляд кажется дырой в звездной системе, картинно обозначается термином "угольный мешок". Однако эти темные пятна не могут быть в действительности пустотами, ибо нельзя представить себе существования столь большого числа пустых туннелей, идущих сквозь толщу звезд и притом направленных прямо к Земле. Поэтому мы должны видеть в них завесы затемняющей материи, которая ослабляет или даже совершенно гасит свет лежащих за ней звезд" .
Именно ослабление света звезд помогло в эти годы Р. Трюмплеру надежно доказать существование пылевых облаков. Это был первый и, по-видимому, последний случай в истории звездной астрономии, когда межзвездное поглощение света сыграло конструктивную роль в научных исследованиях. С тех пор астрономы постоянно озабочены ослаблением света и изменением цвета звезд, вызванными влиянием космической пыли. Изучение этой пыли как физического объекта стало сейчас самостоятельной ветвью астрономии. До сих пор нет единого мнения о химическом составе, форме и размере пылинок, о местах их формирования. Ясно лишь, что в них сосредоточены относительно тяжелые химические элементы вплоть до железа, что размер пылинок ~(10 -5 -10 -6) см, и что в темных облаках наряду с пылью всегда присутствует значительно большее количество газа.
В начале 40-х годов Л. Спитцер и Ф. Уиппл первыми пытались доказать, что звезды и звездные скопления могут рождаться в наше время из пылевых облаков. Но особой поддержки среди астрономов эти взгляды в то время не получили. Нужны были наблюдательные факты. В конце 40-х и в 50-е годы большой вклад в эту работу внесли советские ученые Г. А. Шайн, В. Ф. Газе, В. Г. Фесенков, Д. А. Рожковский, А. В. Курчаков и Дж. Ш. Хавтаси. Они создали атласы и каталоги диффузных, отражательных и темных туманностей Млечного Пути. Например, каталог грузинского астронома Дж. Ш. Хавтаси, составленный на основе фотографических атласов Барнарда и Роса - Кальверт, содержал описание 797 темных туманностей.
В конце 40-х годов связь молодых звезд с облаками горячего газа уже не вызывала сомнений: на это указывало их сходное распределение в пространстве. Однако ясно было и то, что разреженный горячий газ не может быть непосредственным предшественником звезд, а скорее всего возник вместе с ними или под их влиянием в процессе звездообразования. Наконец, в 1947 г. американские астрономы Б. Бок (1906-1983) и Э. Рейли обнаружили на фоне светлых туманностей NGC 2237 в созвездии Единорог и NGC 6611 в созвездии Щит небольшие черные круглые пятна, названные ими глобулами (рис. 8.2). Размеры этих плотных конденсаций от 0,05 до 0,25 пк, они содержат от 0,1 до 100 М газа и пыли и ослабляют проходящий сквозь них свет в десятки и сотни раз. Эти объекты сразу стали интерпретировать как предшественников звезд - протозвезды.
Но в том же 1947 г. В. А. Амбарцумян указал на ассоциации как объекты современного звездообразования, и стало ясно, что звезды формируются большими группами. Значит, и производящее их вещество должно быть объединено в крупные фрагменты. Облачная структура межзвездной среды получала таким образом независимое обоснование. Наблюдатели обнаружили газовые облака в межзвездном пространстве довольно давно. Начиная с 1904 г. астрономы регистрировали в спектрах звезд узкие линии поглощения некоторых элементов и простейших молекул (Na, Са, К, Ti, CN, СН), которые жили как бы своей, независимой от звезд жизнью, например, имели доплеровское смещение, отличное от смещения всех остальных линий в спектре. К середине 20-х годов, благодаря теоретическим работам А. Эддингтона, было окончательно доказано, что эти линии образуются, когда свет звезды проходит сквозь полупрозрачные облака межзвездного газа. К началу 50-х годов изучение межзвездных линий поглощения позволило установить, что облака имеют размер порядка 10 пк, и что вблизи плоскости Галактики на луче зрения длиной в 1 кпк обычно встречается 9-10 таких облаков.
В 1951 г. радиоастрономы зафиксировали излучение нейтрального водорода на волне 21 см и сообщили о существовании водородных облаков с массами в сотни раз больше солнечной. Это открытие привлекло внимание специалистов по звездной динамике. Дело в том, что распределение пространственных скоростей звезд указывает на существование эффективного механизма перемешивания звездных траекторий; влияния взаимного притяжения звезд для этого явно недостаточно. Когда были обнаружены водородные облака, американские астрономы Л. Спитцер и М. Шварцшильд высказали гипотезу о существовании в Галактике нескольких тысяч газовых облаков с массами 10 5 -10 6 М, которые могли бы играть роль "ложки", перемешивающей своим притяжением орбиты звезд. Через четверть века их предсказание блестяще подтвердилось: облака именно такой массы и в указанном количестве действительно были обнаружены и получили название гигантских молекулярных облаков . Они, как мы увидим, не только влияют на движение звезд, но и являются их главными "родильными домами".
Межзвездные облака сейчас разделяют, по крайней мере, на три типа в соответствии с их температурой и плотностью: диффузные (10 2 -10 3 К, 1-10 2 см -3), темные (10-10 2 К, 10 2 -10 4 см -3) и молекулярные (5-50 К, 10 3 -10 6 см -3) облака. В особую группу выделяют компактные газопылевые глобулы из-за их малой массы и резко очерченной формы. Гигантские молекулярные облака также выделяют в особую группу в связи с их фундаментальной ролью в процессе звездообразования и эволюции молодых звезд. Но вполне очевидно, что границы между различными типами облаков достаточно условны, а сами облака часто имеют иерархическую структуру и взаимно проникают друг в друга.
В поисках причины, удерживающей облака от расширения, Л. Спитцер еще 40 лет назад предложил двухкомпонентную модель межзвездной среды, в которой относительно холодные плотные облака удерживаются от расширения давлением окружающего их разреженного горячего газа. Эта идея подтвердилась и получила развитие. Радиоастрономы обнаружили не только излучение относительно холодного атомарного водорода в линии 21 см, но и непрерывное излучение разреженного ионизованного газа.
До 1970 г. астрофизиков вполне удовлетворяло представление о межзвездном веществе как о двухкомпонентной среде: в пространстве, заполненном горячим газом с температурой Т ~ 10 4 К, плавают холодные облака (Т ~ 100 К). На этом основном фоне происходили некоторые скоротечные и в целом незначительные явления: одни звезды теряли вещество в виде разреженного и очень горячего (Т ~ 10 6 К) звездного ветра, другие теряли его в виде плотных и не очень горячих планетарных туманностей. Холодные облака частично испарялись при взаимных столкновениях или от близкого соседства с горячими звездами, частично же - остывали и сжимались, порождая новые поколения звезд. Но в целом состояние межзвездной среды характеризовалось стабильным балансом межоблачного газа и облаков размером (0,1 - 50) пк и массой (0,1-10 4) M.
Но в начале 70-х годов представление о межзвездной среде стало быстро меняться. В связи с развитием коротковолновой радиоастрономии в космическом пространстве были открыты достаточно сложные молекулы, содержащие до семи атомов; такие молекулы могли образоваться и жить лишь в очень плотных и холодных облаках. К середине 70-х годов появились первые массовые обзоры этих облаков, подтвердившие их огромную плотность и массу. Правда, наблюдения главного компонента этих облаков - молекулярного водорода (Н 2) крайне затруднены, поскольку эта молекула не излучает в радиодиапазоне. Но излучение других молекул, в особенности молекулы СО, позволило довольно подробно изучить гигантские холодные облака.
В те же годы с помощью космических УФ телескопов был обнаружен чрезвычайно горячий, так называемый "корональный" межзвездный газ низкой плотности (Т ~ 10 6 К, n ~ 10 -3 см -3), возникающий в результате взрывов сверхновых звезд. Оказалось, что этот газ заполняет не только большую долю галактического диска, но и простирается высоко в гало Галактики, образуя восходящие горячие потоки и возвращаясь к диску в виде охлажденных облаков. Структура межзвездной среды теперь представляется многокомпонентной, многофазной (табл. 8.1), а процессы в ней - значительно более сложными и интересными, чем 20 лет назад.
- звездообразование
Загрузка...