§ 28. Межзвёздная среда

Фрагмент туманности IC 410 с объектом с права “Головастики”

1. Межзвёздный газ. Звёздное небо содержит много туманных объектов. Они бывают светящиеся и тёмные, поглощающие свет.

Широкое применение фотографии в астрономии позволило тщательно исследовать, описать и составить каталоги тёмных туманностей.

На фоне светлых областей Млечного Пути отчётливо выделяются тёмные пятна неправильной формы и различных угловых размеров. Эти тёмные пятна и области доказывают существование вблизи галактической плоскости холодной разреженной материи.

Межзвёздная среда — это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри Галактики. Большая часть массы межзвёздного вещества приходится на разреженный газ и пыль. Вся межзвёздная среда пронизывается магнитными полями, космическими лучами, электромагнитным излучением. Основной компонент межзвёздной среды — межзвёздный газ, который состоит из водорода (70 % массы) и гелия (28 %). Остальная часть массы межзвёздного вещества приходится на более тяжёлые химические элементы (О, С, N, Ne, S, Ar, Fe и др.).

Общая масса межзвёздного вещества нашей Галактики (не считая короны) оценивается в 2 % от общей массы всей Галактики. В зависимости от температурных условий и плотности межзвёздный газ может находиться в трёх различных состояниях: ионизированном, атомарном и молекулярном.

Молекулярные облака Sh2-239 и LDN 1551 в созвездии Телец.

Молекулярные облака LBN 1228 и LBN 552 в созвездии Цефея.

Основные данные о межзвёздном газе получены радиоастрономическими методами, после того как в 1951 г. было обнаружено радиоизлучение нейтрального атомарного водорода на волне 21 см. Оказалось, что атомарный водород, имеющий температуру 100 К, образует в диске Галактики тонкий слой толщиной 200—300 пк, увеличивающийся до нескольких килопарсек на расстоянии 15—20 кпк от её центра.

Основная часть межзвёздного газа сосредоточена в спиральных ветвях Галактики, где он распределён также неравномерно: собран в клочковатые образования размерами в десятки и сотни парсек со средней концентрацией частиц несколько атомов в 1 см3. Около половины массы межзвёздного газа содержится в гигантских молекулярных облаках со средней массой 105 масс Солнца и диаметром около 40 пк. Из-за низкой температуры (около 10 К) и повышенной плотности (до 103 частиц в 1 см3) водород и другие элементы в этих облаках объединены в молекулы. Таких молекулярных облаков в Галактике насчитывается около 4000.

Области ионизированного водорода с температурой 8000—10 000 К проявляют себя в оптическом диапазоне как светлые диффузные туманности. Их свечение возбуждается ультрафиолетовым излучением близкорасположенных горячих звёзд (спектральных классов В и О).

Рисунок 149 — Большая туманность Ориона

Рисунок 148 — Туманность излучает свет, если её освещает близлежащая звезда

Светлая туманность излучает свет, если её освещает близлежащая звезда (рис. 148). Звёзды класса W, O, B способны вызвать ионизацию атомов водорода на расстоянии примерно 500 световых лет.

Светлые диффузные туманности, имеющие неправильную, клочковатую форму, достигают размеров до 10 пк, а их плотность колеблется от 10-17 до 10-20 кг/м3. Распределяются области такого ионизированного водорода в плоской подсистеме Галактики, являясь также указателями мест протекающего в настоящее время звездообразования. Так, в Большой туманности Ориона (рис. 149) с помощью космического телескопа Хаббла обнаружены протозвёзды, окружённые протопланетными дисками. Большая туманность Ориона — самая яркая газовая туманность на ночном небе. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет.

Рисунок 150 — Туманность светит отражённым светом близлежащей звезды

Крабовидная туманность в созвездии Тельца

При наблюдении через фильтр можно увидеть, что некоторые из туманностей состоят из отдельных волокон. Например, известная Крабовидная туманность в созвездии Тельца, являющаяся остатком взорвавшейся сверхновой звезды.

Если близлежащие звёзды не столь горячи и не могут ионизировать водород, то туманность светится за счёт отражения звёздного света (рис. 150). Данные туманности содержат много пыли. Примером такой светлой туманности является туманность в скоплении Плеяды в созвездии Тельца.

Особым типом туманностей являются планетарные туманности, которые выглядят как слабо светящиеся диски или кольца, напоминающие диски планет. Их насчитывается более 1200. Планетарные туманности представляют собой светящуюся расширяющуюся оболочку ионизированного газа, сброшенного красным гигантом на конечной стадии своей эволюции.

Рисунок 151 — Планетарная туманность Песочные Часы и дугие.

В центре планетарной туманности находится остаток погибшего красного гиганта — горячий белый карлик или нейтронная звезда. Под действием внутреннего давления газа планетарная туманность расширяется примерно со скоростью 20—40 км/с, при этом плотность газа падает. Эти объекты обогащают межзвёздную среду веществом. Планетарная туманность Песочные Часы (рис. 151) показывает, какие сложные процессы могут происходить на последней стадии эволюции звезды.

Рисунок 152 — Облака межзвёздной пыли в направлении на центр Галактики

Рисунок 153 — Тёмная туманность заслоняет свет звёзд, находящихся на большом расстоянии от Земли

2. Межзвёздная пыль. В межзвёздном пространстве рассеяны мелкие твёрдые частицы (металлические, силикатные или графитовые) размерами от 0,01 до 1 мкм. Тугоплавкие частички образуются и поставляются в межзвёздную среду за счёт расширения оболочек новых и сверхновых звёзд, планетарных туманностей, холодных красных гигантов и сверхгигантов. В межзвёздном пространстве пыль везде сопутствует газу. На её долю приходится около 1 % от массы газа.

Межзвёздная пыль, как и межзвёздный газ, концентрируется в галактической плоскости, образуя газопылевые облака клочковатой структуры. В межзвёздных облаках мелкие пылинки быстро обрастают оболочками из наиболее распространённых элементов (Н, С, N, O). За миллионы лет даже при низкой температуре в оболочках происходят сложные химические процессы с образованием молекул воды, этилена, синильной кислоты, этилового спирта и др. Зарегистрировано около 90 типов молекул, некоторые из них содержат до 13 атомов.

Из-за пыли самые плотные газовые образования — молекулярные облака — практически непрозрачны и выглядят на небе как тёмные области, почти лишённые звёзд (рис. 152). Такие газопылевые образования называются тёмными диффузными туманностями (рис. 153).

Благодаря развитию внеатмосферной астрономии появилась возможность наблюдать межзвёздную пыль в инфракрасном диапазоне, что позволяет рассмотреть новые детали (рис. 154).

Рисунок 154 — Туманность Конская Голова в созвездии Ориона и другие.

3. Космические лучи и межзвёздное магнитное поле. Кроме разреженного газа и пыли, в межзвёздном пространстве с огромными скоростями, близкими к световой, движется большое количество элементарных частиц и ядер различных атомов. Потоки этих частиц называют космическими лучами. Они пронизывают всё межпланетное и межзвёздное пространство. На площадку в 1 м2 ежесекундно попадает в среднем около 10 тыс. различных частиц. В составе космических лучей присутствуют электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов, но в основном преобладают протоны (более 90 %), которые имеют среднюю энергию 1,6 •10-10 Дж.

Основными источниками космических лучей в Галактике служат остатки сверхновых звёзд и пульсары (см. § 26).

Первое свидетельство существования межзвёздного магнитного поля было получено итальянским физиком Энрико Ферми и американским учёным Эдвардом Теллером при изучении космических лучей.

Электроны, входящие в состав космических лучей, постепенно тормозятся в магнитном поле, теряя энергию на излучение радиоволн. Такое излучение называется синхротронным. Оно регистрируется радиотелескопами. Мощными источниками синхротронного излучения являются остатки сверхновых звёзд.

Главные выводы
1. Межзвёздная среда — это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри Галактики.
2. Большая часть массы межзвёздной среды приходится на разреженный газ и пыль, общая масса которых оценивается в 2 % от общей массы Галактики.

Контрольные вопросы и задания
1. Что понимают под межзвёздной средой? Чем она заполнена?
2. Какова масса межзвёздного вещества нашей галактики?
3. Что понимают под туманностями? назовите основные виды туманностей. Почему одни туманности светлые, а другие — тёмные?
4. Что собой представляет межзвёздная пыль?
5. Из каких наблюдений можно сделать вывод о существовании межзвёздной пыли?
6. Каково происхождение газопылевых туманностей и молекулярных облаков?
7. Что представляют собой космические лучи? Какими свойствами они обладают?

 

Проверь себя

Выбор тем