Межзвездное пространство

Вселенский хладагент

В общей массе космического вещества собственно пыли, то есть объединенных в твердые частицы атомов углерода, кремния и некоторых других элементов, настолько мало, что их, во всяком случае, как строительный материал для звезд, казалось бы, можно и не принимать во внимание. Однако на самом деле их роль велика именно они охлаждают горячий межзвездный газ, превращая его в то самое холодное плотное облако, из которого потом получаются звезды

Дело в том, что сам по себе межзвездный газ охладиться не может. Электронная структура атома водорода такова, что избыток энергии, если таковой есть, он может отдать, излучая свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, но не в инфракрасном диапазоне. Образно говоря, водород не умеет излучать тепло. Чтобы как следует остыть, ему нужен «холодильник», роль которого как раз и играют частицы межзвездной пыли.

Во время столкновения с пылинками на большой скорости в отличие от более тяжелых и медленных пылинок молекулы газа летают быстро они теряют скорость и их кинетическая энергия передается пылинке. Так же нагревается и отдает это избыточное тепло в окружающее пространство, в том числе в виде ИК-излучения, а сама при этом остывает. Так, принимая на себя тепло межзвездных молекул, пыль действует как своеобразный радиатор, охлаждая облако газа. По массе ее не много около 1% от массы всего вещества облака, но этого достаточно, чтобы за миллионы лет отвести избыток тепла.

Когда же температура облака падает, падает и давление, облако конденсируется и из него уже могут родиться звезды. Остатки же материала, из которого родилась звезда, являются в свою очередь исходным для образования планет. Вот в их состав пылинки уже входят, причем в большем количестве. Потому что, родившись, звезда нагревает и разгоняет вокруг себя весь газ, а пыль остается летать поблизости. Ведь она способна охлаждаться и притягивается к новой звезде гораздо сильнее, чем отдельные молекулы газа. В конце концов рядом с новорожденной звездой оказывается пылевое облако, а на периферии насыщенный пылью газ.

Там рождаются газовые планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун. Ну а вблизи звезды появляются твердые планеты. У нас это Марс, Земля, Венера и Меркурий. Получается довольно четкое разделение на две зоны: газовые планеты и твердые. Так что Земля в значительной степени оказалась сделанной именно из межзвездных пылинок. Металлические пылинки вошли в состав ядра планеты, и сейчас у Земли огромное железное ядро.

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

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 = m0c2 (здесь m0 – масса покоя частицы, с – скорость света), и обычно находится в пределах 1010 – 1019 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.

Жизненный цикл и классификация

Происхождение

Часть туманности Тарантул, огромной области H II в Большом Магеллановом Облаке.

Предшественник области H II — гигантское молекулярное облако. Это очень холодное (10—20 ° K) и плотное облако, состоящее, в основном, из молекулярного водорода. Такие объекты могут находиться в стабильном, «замершем» состоянии на протяжении долгого времени, но ударные волны от взрыва сверхновых, «столкновения» облаков и магнитные воздействия могут привести к коллапсу части облака. В свою очередь, это даёт начало процессу образования звёзд в облаке. Дальнейшее развитие области можно подразделить на две фазы: стадию формирования и стадию расширения.

На стадии формирования наиболее массивные звёзды внутри области достигают высоких температур, их жёсткое излучение начинает ионизировать окружающий газ. Высокоэнергетические фотоны распространяются сквозь окружающее вещество со сверхзвуковой скоростью, образуя фронт ионизации. По мере удаления от звезды этот фронт замедляется из-за геометрического ослабления и процессов рекомбинации в ионизированном газе. Через некоторое время его скорость уменьшается до скорости, примерно в два раза большей звуковой. В этот момент объём горячего ионизированного газа достигает радиуса Стрёмгрена и под собственным давлением начинает расширяться.

Расширение порождает сверхзвуковую ударную волну, которая сжимает вещество туманности. Так как скорость фронта ионизации продолжает уменьшаться, в некоторый момент ударная волна его обгоняет; и между двумя фронтами, имеющими сферическую форму, образуется зазор, наполненный нейтральным газом. Так рождается область ионизированного водорода.

Время жизни области H II — порядка нескольких миллионов лет. Световое давление звёзд рано или поздно «выдувает» бо́льшую часть газа туманности. Весь процесс очень «неэффективен»: менее 10 % газа туманности успеют породить звёзды, пока остальной газ не «выветрится». Процессу потери газа способствуют также взрывы сверхновых среди наиболее массивных звёзд, которые начинаются уже через несколько миллионов лет после образования туманности или ещё раньше.

Морфология

В простейшем случае, отдельно взятая звезда внутри туманности ионизирует почти сферическую область окружающего газа, которая называется сферой Стрёмгрена. Но в реальных условиях взаимодействие ионизированных областей от множества звёзд, а также распространение разогретого газа в окружающее пространство с острым градиентом плотности (например, за границу молекулярного облака) определяют сложную форму туманности. На её очертания оказывают также влияние и взрывы сверхновых. В некоторых случаях формирование большого звёздного скопления внутри зоны H II приводит к «опустошению» её изнутри. Такое явление, наблюдается, например, в случае NGC 604, гигантской области H II в Галактике Треугольника.

Чем заполнена межзвездная Среда?

Чем
заполнена межпланетная среда?

Что
находится между звездами? Этот простой
вопрос как бы автоматически подразумевает
простой ответ — между звездами находится
пустота. Именно этот наивный ответ типичен,
когда мы разглядываем Млечный путь и видим,
что яркие области на ночном небе
соседствуют с темными областями.

Долгое
время астрономы считали, что эта простая и
наивная интерпретация соответствует
действительности, пока В.Я.Струве (1793-1864 гг.)
не высказал предположение о том, что
пустоты в Млечном пути есть не что иное, как
гигантские облака пыли, поглощающие свет от
звезд. Лишь спустя столетие гипотеза Струве
была подтверждена экспериментально. Уже в
наше время, изучая радиоизлучение
Вселенной, американский спутник СОВЕ
получил изображение Млечного Пути, на
котором отчетливо виден характер
распределения межзвездной пыли в нашей
Галактике. Под действием излучения звезд
крупинки пыли в космическом пространстве
разогреваются, особенно вблизи очень
горячих звезд, и переизлучают кванты света
в инфракрасном диапазоне.

Однако,
межзвездное пространство заполненно не
только пылью. Астрономам хорошо известно,
что самым распространенным в космосе
веществом является. Атом водорода — это,
пожалуй, один из самых простых по своему
устройству атомов, содержащий всего один
электрон. Иногда, под воздействием внешнего
излучения, этот электрон может переходить
на очень высокие орбиты. Возврат электрона
сопровождается излучением в космическое
пространство радиоволн с длиной 21 см.
Фиксируя это радиоизлучение, можно судить о
характере распределения водорода как в
Млечном Пути, так и в других галактиках.

Водородные
облака могут находиться вблизи ярких звезд.
Поглощая свет от звезды, они высвечивают
избыток энергии и тогда мы видим
феерическое зрелище типа «Тройной
туманности». Если же облако окажется
слишком холодным, оно будет
преимущественно поглощать свет от звезд,
как это видно на примере туманности Конская
голова. Но самые большие объекты Млечного
Пути — это гиганские облака молекулярного
водорода, превосходящие по массе наше
Солнце в сотни тысяч и даже миллионы раз.
Одним из представителей этого класса
объектов является Туманность Ориона, в
глубинах которой обнаружены молекулы воды,
аммиака, спирта, муравьиной и синильной
кислот. Многие из этих молекул содержат
углерод — основу всего живого на Земле. Не в
недрах ли космоса следует искать ответы на
вопрос — откуда мы и как зародилась жизнь во
Вселенной?

Типы молекулярных облаков

Гигантские молекулярные облака

Обширные области молекулярного газа с массами 104—106 солнечных масс называется гигантскими молекулярными облаками (ГМО). Облака могут достигнуть десятков парсек в диаметре и иметь среднюю плотность 10²—10³ частиц в кубическом сантиметре (средняя плотность вблизи Солнца — одна частица в кубическом сантиметре). Подструктура в пределах этих облаков состоит из сложных переплетений нитей, листов, пузырей, и нерегулярных глыб.

Самые плотные части нитей и глыб называют «молекулярными ядрами», а молекулярные ядра с максимальной плотностью (больше 104—106 частиц в кубическом сантиметре), соответственно, «плотными молекулярными ядрами». При наблюдениях молекулярные ядра связывают с угарным газом, а плотные ядра — с аммиаком. Концентрация пыли в пределах молекулярных ядер обычно достаточна, чтобы поглощать свет от дальних звёзд таким образом, чтобы они выглядели как тёмные туманности.

ГМО настолько огромны, что локально они могут закрывать значительную часть созвездия, в связи с чем на них ссылаются с упоминанием этого созвездия, например, Облако Ориона или Облако Тельца. Эти локальные ГМО выстраиваются в кольцо вокруг солнца, называемого поясом Гулда. Самая массивная коллекция молекулярных облаков в галактике, комплекс Стрелец B2, формирует кольцо вокруг галактического центра в радиусе 120 парсек. Область созвездия Стрельца богата химическими элементами и часто используется астрономами, ищущими новые молекулы в межзвёздном пространстве, как образец.

Маленькие молекулярные облака

Изолированные гравитационно связанные маленькие молекулярные облака с массами меньше чем несколько сотен масс Солнца называют глобулой Бока. Самые плотные части маленьких молекулярных облаков эквивалентны молекулярным ядрам, найденным в гигантских молекулярных облаках и часто включаются в те же самые исследования.

Высокоширотные диффузные молекулярные облака

В 1984 году космический телескоп “IRAS” идентифицировал новый тип диффузного молекулярного облака. Они были диффузными волокнистыми облаками, которые видимы при высокой галактической широте (выглядывающий из плоскости галактического диска). У этих облаков была типичная плотность 30 частиц в кубическом сантиметре.

Область H I

Область H I — межзвёздное облако, состоящее из атомарного водорода (H I). Эти области являются неизлучающими, за исключением эмиссии на длине волны 21 см (1 420 МГц) (Линия водорода). У этой линии очень низкая вероятность перехода, поэтому требуется большое количество водородного газа для того, чтобы её заметить. Области H I становятся намного ярче на фронтах ионизации, где они (области) сталкиваются с расширяющимся ионизированным газом (например, из областей H II). Степень ионизации в области H I очень мала — в пределах 10−4 (то есть одна частица на 10 000).

Если наносить на карту излучения областей H I, полученные с помощью радиотелескопов, можно определять структуру спиральных галактик. Этот метод используется также для нанесения на карту гравитационных возмущений между галактиками. Когда две галактики сталкиваются, вещество из них выталкивается в виде нитей, позволяя астрономам определить, по какому пути перемещались галактики.

Область H II

Область (зона) H II, или область ионизированного водорода (разновидность эмиссионной туманности) — это облако горячей плазмы, достигающее нескольких сотен световых лет в поперечнике, являющееся областью активного звездообразования. В этой области рождаются молодые горячие голубовато-белые звёзды, которые обильно излучают ультрафиолетовый свет, тем самым ионизируя окружающую туманность.

Области H II могут рождать тысячи звёзд за период всего в несколько миллионов лет. В конце концов, взрывы сверхновых и мощный звёздный ветер, исходящий от наиболее массивных звёзд в образовавшемся звёздном скоплении, рассеивают газы этой области, и она превращается в группу наподобие Плеяд.

Эти области получили своё название из-за большого количества ионизированного атомарного водорода, обозначаемого астрономами как H II (область H I — зона нейтрального водорода, а H2 обозначает молекулярный водород)

Их можно заметить на значительных расстояниях по всей Вселенной, и изучение таких областей, находящихся в других галактиках, важно для определения расстояния до последних, а также их химического состава

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 3·1019 молекул в см3, 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.