Межзвездная газодинамика. Межзвездная среда

По всейвероятности, первыми внеземными объектами, которые привлекли внимание человекаеще в глубокой древности, были Солн­це и Луна. Вопреки известной шутке о том,что Луна полезнее Солнца потому, что светит ночью, а днем и без того светло,перво­степенная роль Солнца была отмечена людьми еще в первобытную эпоху, и этонашло отражение в мифах и легендах почти всех народов.

Вопрос о том, какова природазвезд, возник, очевидно, гораздо позже. Заметив блуждающие звезды - планеты,люди, быть может, впервые сделали попытку проанализировать взаимосвязьразличных явлений, хотя возникшая таким путем астрология подменила знаниясуевериями. Любопытно, что астрономия, одна из наиболее обобщаю­щих наук оприроде, свои первые шаги совершала по зыбкой почве заблуждений, отголоскикоторых дошли даже до наших дней.

Причину этих заблужденийлегко понять, если учесть, что пер­вый этап развития науки о небе в буквальномсмысле слова был основан на созерцании и абстрактном мышлении, когдапрактически отсутствовали какие-либо астрономические инструменты. Тем болеепоразительно, что этот этап блестяще завершился, бессмертным творениемКоперника - первой и важнейшей революцией в астро­номии. До этого казалосьочевидным, что наблюдаемое, видимое совпадает с действительным, реальносуществующим, копирует его. Коперник впервые доказал, что действительное можетрадикально и принципиально отличаться от видимого.

Следующий столь же решительный шаг сделан великимГалилеем, сумевшим увидеть то, что не заметил даже такой тонкий наблюдатель,как Аристотель. Именно Галилей впервые понял, что, вопреки очевидному, процессдвижения тела вовсе не означает постоянного воздействия на него другого тела.Открытый Галилеем принцип инерциипозволил затем Ньютону сформулировать законы динамики, которые послужилифундаментом современной физики.

Если самое гениальное своеоткрытие Галилей сделал в области механики - и это в дальнейшем принеслоогромную пользу астроно­мии, - то непосредственно наука о небе обязана емуначалом новой эпохи в своем развитии - эпохи телескопических наблюдений.

Применение телескопа вастрономии прежде всего неизмеримо увеличило число объектов, доступныхисследованиям. Еще Джорда­но Бруно говорил о бесчисленных мирах солнц. Оноказался прав: звезды - самые важные объекты во Вселенной, в них сконцентри­рованопочти все космическое вещество. Но звезды - это не просто резервуары дляхранения массы и энергии. Они являются тер­моядерными котлами, где происходитпроцесс образования атомов тяжелых элементов, без которых невозможны были бынаиболее сложные этапы эволюции материи, приведшие на Земле к возникно­вениюфлоры, фауны, человека и наконец человеческой цивилизации.

По мере совершенствованиятелескопов и методов регистрации электромагнитного излучения астрономы получаютвозможность проникать во все более удаленные уголки космического простран­ства.И это не только расширяет геометрический горизонт извест­ного нам мира: болеедалекие объекты отличаются и по возрасту, так что в известной нам частиВселенной, которую принято называть Метагалактикой, содержится богатаяинформация об истории раз­вития, иными словами, об эволюции Вселенной.Современная астро­номия обогатилась учением о развитии миров, подобно тому какбиология в свое время обогатилась учением Дарвина. Это уже бо­лее высокаяступень перехода -от видимого к действительному, ибо по тому, что видносегодня, мы познаем суть явлений в далеком прошлом и можем предвидеть будущее!

В последнее время в астрономии наметился еще один важный переход отнаблюдаемого к действительному. Само по себе наблю­даемое теперь оказалосьдостоянием многих ученых-астрономов, вооруженных самой современной техникой,которая использует малейшие возможности, скрытые в тайниках физических законови позволяющие вырывать у природы ее тайны. Но проникновение в неведомую еще намреальность - это не просто представление о том, что вокруг чего обращается, идаже не то, что является причиной движения или как выглядели те или иные тела внезапамятные времена, а нечто гораздо большее. Это – познание свойств пространстваи времени в целом, в масштабах, не доступных нашему непосредственномувосприятию и созерцанию.

Пространство между звёздами, за ис­ключениемотдельных туманностей, выглядит пустым. На самом же деле всё межзвёздноепространство за­полнено веществом. К такому заклю­чению учёные пришли послетого, как в начале XX в. швейцарский аст­роном Роберт Трюмплер открыл по­глощение(ослабление) света звёзд на пути к земному наблюдателю. Причём степень егоослабления зависит от цвета звезды. Свет от голубых звёзд поглощается болееинтенсивно, чем от красных. Таким образом, если звезда излучает в голубых икрасных лучах одинаковое количество энер­гии, то в результате поглощения све­таголубые лучи ослабляются сильнее красных и с Земли звезда кажется красноватой.

Вещество, поглощающее свет, рас­пределено в пространстве не равно­мерно,а имеет клочковатую структу­ру и концентрируется к Млечному Пути. Тёмныетуманности, такие, как Угольный Мешок и Конская Голова, являются местомповышенной плот­ности поглощающего межзвёздного

вещества.А состоит оно из мельчай­ших частиц - пылинок. Физические свойства пылинок кнастоящему вре­мени изучены достаточно хорошо.

Помимо пыли между звёздами имеется большое количество невиди­могохолодного газа. Масса его поч­ти в сто раз превосходит массу пыли. Как же сталоизвестно о существова­нии этого газа? Оказалось, что атомы водорода излучаютрадиоволны с длиной волны 21 см. Большую часть информации о межзвёздном вещест­веполучают с помощью радиотеле­скопов. Так были открыты облака атомарного нейтрального водорода.

Типичное облако атомарного ней­трального водорода имеет температу­руоколо 70 К (-200 °С) и невысокую плотность (несколько десятков ато­мов вкубическом сантиметре про­странства). Хотя такая среда и счита­ется облаком, дляземлянина это глубокий вакуум, в миллиард раз раз­реженнее, чем вакуум,создаваемый, например, в кинескопе телевизора. Размеры облаков водорода - от 10до 100 пк (для сравнения: звёзды в среднем находятся друг от друга на рас­стоянии1 пк).

Впоследствии были обнаружены ещё более холодные и плотные обла­камолекулярного водорода, совер­шенно непрозрачные для видимого света. Именно вних сосредоточена большая часть холодного межзвёзд­ного газа и пыли. Поразмерам эти облака примерно такие же, как и об­ласти атомарного водорода, ноплот­ность их в сотни и тысячи раз выше. Поэтому в больших молекулярных облакахможет содержаться огромная масса вещества, достигающая сотен тысяч и дажемиллионов масс Солн­ца. В молекулярных облаках, состоя­щих в основном из водорода,присут­ствуют и многие более сложные молекулы, в том числе простейшиеорганические соединения. Некоторая часть межзвёздного ве­щества нагрета доочень высоких температур и «светится» в ультрафи­олетовых и рентгеновскихлучах. В рентгеновском диапазоне излучает самый горячий газ, имеющий темпе­ратуруоколо миллиона градусов. Это - короналъный газ, названный так поаналогии с разогретым газом в солнечной короне. Корональный газ отличаетсяочень низкой плотностью: примерно один атом на кубический дециметрпространства.

Горячий разреженный газ образу­ется в результате мощных взрывов -вспышек сверхновых звёзд. От места взрыва в межзвёздном газе распро­страняетсяударная волна и нагрева­ет газ до высокой температуры, при которой онстановится источником рентгеновского излучения. Корональ­ный газ обнаружентакже в простран­стве между галактиками.

Итак, основным компонентом меж­звёздной среды является газ, состоя­щийиз атомов и молекул. Он переме­шан с пылью, содержащей около 1% массымежзвёздного вещества, и про­низывается быстрыми потоками эле­ментарных частиц- космическими лучами - и электромагнитным излу­чением, которые также можносчитать составляющими межзвёздной среды. Кроме того, межзвёздная средаоказалась слегка намагниченной.

Магнитные поля связаны с облака­мимежзвёздного газа и движутся вместе с ними. Эти поля примерно в 100 тыс. разслабее магнитного по­ля Земли. Межзвёздные магнитные поля способствуютобразованию наиболее плотных и холодных обла­ков газа, из которых конденсируют­сязвёзды. Частицы космических лу­чей также реагируют на межзвёздное магнитноеполе: они перемещаются вдоль его силовых линий по спи­ральным траекториям, какбы нави­ваясь на них. При этом электроны, входящие в состав космических лу­чей,излучают радиоволны. Это так называемое синхротронное излуче­ние рождается вмежзвёздном про­странстве и уверенно наблюдается в радиодиапазоне.

ГАЗОВЫЕТУМАННОСТИ

Наблюденияс помощью телескопов позволили обнаружить на небе боль­шое количествослабосветящихся пя­тен - светлых туманностей. Систе­матическое изучениетуманностей начал в XVIII в. Уильям Гершель. Он разделял их на белые изеленоватые. Подавляющее большинство белых туманностей образовано множест­вомзвёзд - это звёздные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными смежзвёздной пылью, которая отражает свет близко распо­ложенных звёзд, - этоотражатель­ные туманности. Как правило, в цен­тре такой туманности видна яркаязвезда. А вот зеленоватые туманно­сти - не что иное, как свечение меж­звёздногогаза.

Самая яркая на небе газовая туман­ность - Большая туманность Орио­на.Она видна в бинокль, а при хоро­шем зрении её можно заметить и невооружённымглазом - чуть ниже трёх звёзд, расположенных в одну ли­нию, которые образуютПояс Орио­на. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет.

Что заставляет светитьсямежзвёзд­ный газ? Ведь привычный нам воздух прозрачен и не излучает света. Голу­боенебо над головой светится рассе­янным на молекулах воздуха светом Солнца. Ночьюнебо становится тём­ным. Впрочем, иногда всё же можно увидеть свечение воздуха,например во время грозы, когда под действием электрического разряда возникаетмолния. В северных широтах и в Ан­тарктиде часто наблюдаются поляр­ные сияния -разноцветные полосы и сполохи на небе. В обоих случаях воздух излучает свет несам по себе, а под действием потока быстрых час­тиц. Поток электронов порождаетвспышку молнии, а попадание в атмо­сферу Земли энергичных частиц израдиационных поясов, существую­щих в околоземном космическом пространстве, -полярные сияния.

Подобным образом возникает из­лучение в неоновых и других газовыхлампах: поток электронов бомбардирует атомы газа и заставляет их све­титься. Взависимости от того, какой газ находится в лампе, от его давле­ния иэлектрического напряжения, приложенного к лампе, изменяется цвет излучаемогосвета.

В межзвёздном газе также проис­ходят процессы, приводящие к излу­чениюсвета, однако они не всегда связаны с бомбардировкой газа бы­стрыми частицами.

Объяснить, как возникает свечение межзвёздного газа,можно на приме­ре атомарного водорода. Атом водоро­да состоит из ядра(протона), имею­щего положительный электрический заряд, и вращающегося вокругнего от­рицательно заряженного электрона. Они связаны между собой электриче­скимпритяжением. Затратив опреде­лённую энергию, их можно разделить. Такоеразделение приводит к иони­зации атома. Но электроны и ядра могут вновьсоединиться друг с дру­гом. При каждом объединении частиц будет выделятьсяэнергия. Она излучается в виде порции (кванта) света оп­ределённого цвета,соответствующего данной энергии.

Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизовать атомы, изкоторых он состоит. Это может про­изойти в результате столкновений с другимиатомами, но чаще ионизация возникает, когда атомы газа поглоща­ют квантыультрафиолетового излуче­ния, например от ближайшей звезды.

Если вблизи облака нейтрально­го водорода вспыхнет голубая горя­чаязвезда, то при условии, что обла­ко достаточно большое и массивное, почти всеультрафиолетовые кванты от звезды поглотятся атомами об­лака. Вокруг звездыскладывается область ионизованного водорода. Освободившиеся электроны обра­зуютэлектронный газ температу­рой около 10 тыс. градусов. Обрат­ный процессрекомбинации, когда свободный электрон захватывается протоном, сопровождаетсяпереиз­лучением освободившейся энергии в виде квантов света.

Светизлучается не только водоро­дом. Как считалось в XIX в., цвет зе­леноватыхтуманностей определяет­ся излучением некоего «небесного» химического элемента,который на­звали небулием (от лат. nebula- «ту­манность»). Новпоследствии выясни­лось, что зелёным цветом светится кислород. Часть энергиидвижения частиц электронного газа расходует­ся на возбуждение атомов кислорода,т. е. на перевод электрона в атоме на более далёкую от ядра орбиту. Привозвращении электрона на устойчи­вую орбиту атом кислорода должен испуститьквант зелёного света. В земных условиях он не успевает это­го сделать:плотность газа слишком высока и частые столкновения «раз­ряжают» возбуждённыйатом. А в крайне разреженной межзвёздной среде от одного столкновения додругого проходит достаточно много времени, чтобы электрон успел со­вершить этотзапрещённый переход и атом кислорода послал в простран­ство квант зелёногосвета. Аналогич­ным образом возникает излучение азота, серы и некоторых другихэле­ментов.

Таким образом, область ионизо­ванного газа вокруг горячих звёзд можнопредставить в виде «машины», которая перерабатывает ультрафио­летовое излучениезвезды в очень интенсивное излучение, спектр кото­рого содержит линии различныххи­мических элементов. И цвет газовых туманностей, как выяснилось позд­нее,различен: они бывают зелено­ватые, розовые и других цветов и оттенков - взависимости от темпе­ратуры, плотности и химического со­става газа.

Некоторые звезды назаключительных стадиях эволюции постепенно сбрасывают внешние слои, которые,медленно расширяясь, образуют светящиеся туманности. При наблюдении в телескопы эти туманностинапоминают диски планет, поэтому они получили название планетарных. В центренекоторых из них можно увидеть небольшие очень горячие звезды. Расширяющиесягазовые туманности также возникают в конце жизни некоторых массивных звезд,когда они взрываются как сверхновые; при этом звезды полностью разрушаются,рассеивая свое вещество в межзвездное пространство. Это вещество богатотяжелыми элементами, образовавшихся в ядерных реакциях, протекавших внутризвезды, и в дальнейшем служит материалом для звезд новых поколений и планет.

Что происходит в центре нашей Галактики?

Центральная область Млечного Пути приковывалавнимание астрономов на протяжении многих десятилетий. От нее до Земли всего 25тыс. световых лет, тогда как от центров других галактик нас отделяют миллионысветовых лет, поэтому есть все основания надеяться, что именно центр нашейГалактики удастся изучить более подробно. Однако в течение длительного времени непосредственно наблюдать этуобласть было невозможно, поскольку она скрыта большими плотными облаками газа ипыли. Хотя открытия, сделанные при наблюдениях рентгеновского игамма-излучения, безусловно важны, наиболее обширные и ценные спект­роскопическиеисследования центра Галактики были проведены в инфра­красном и радиодиапазонах,в кото­рых он впервые наблюдался. Доволь­но подробно изучалось радиоизлуче­ниеатомарного водорода с длиной волны 21 см. Водород - наиболее распространенныйэлемент во Все­ленной, что компенсирует слабость его излучения. В тех областяхМлеч­ного Пути, где облака межзвездного газа не слишком плотны и где ультра­фиолетовоеизлучение не очень интен­сивно, водород присутствует глав­ным образом в видеизолированных электрически нейтральных атомов; именно хорошо различимые радио­сигналы атомарного водорода де­тальнокартировались для установле­ния структуры нашей Галактики.

На расстояниях более 1000 св.лет от центра Галактики излучение ато­марного водорода дает надежные данные овращении Галактики и структуре ее спиральных рукавов. Из него нельзя получитьмного информа­ции об условиях вблизи центра Галак­тики, поскольку там водородпреиму­щественно объединен в молекулы или ионизован (расщеплен на протон иэлектрон).

Мощные облака молекулярногово­дорода скрывают центр Галактики и наиболее удаленные объекты, находя­щиеся вплоскости Галактики. Однако микроволновые и инфракрасные теле­скопы позволяютнаблюдать и эти облака, и то, что находится сзади них в галактическом центре.Кроме моле­кулярного водорода облака содержат много стабильных молекул окиси(монооксида) углерода (СО), для ко­торых наибольшая характеристиче­ская длинаволны излучения составля­ет 3 мм. Это излучение проходит че­рез земнуюатмосферу и может быть зарегистрировано наземными прием­никами; особенно многоокиси угле­рода в темных пылевых облаках, по­этому она играет полезную роль дляопределения их размеров и плотно­сти. Измеряя доплеровский сдвиг (из­менениечастоты и длины волны сиг­нала, вызываемое движением источ­ника вперед илиназад относительно наблюдателя), можно определить и скорости движения облаков.

Обычно темные облака довольнохолодные - с температурой около 15 К(-260°С), поэтому окись углеро­да в нихнаходится в низких энергети­ческих состояниях и излучает на отно­сительнонизких частотах - в милли­метровом диапазоне. Часть вещества вблизи центраГалактики явно более теплая. С помощью Койперовской астрономическойобсерватории исследова­телями из Калифорнийского универ­ситета в Берклизарегистрировали бо­лее энергичное излучение окиси угле­рода в дальнейинфракрасной обла­сти, указывающее на температуру га­за около 400 К, чтоприблизительно соответствует точке кипения воды. Этот газ нагревается подвоздействи­ем идущего из центра Галактики уль­трафиолетового излучения и, воз­можно,ударных волн, которые воз­никают при столкновениях облаков, движущихся вокругцентра.

В других местах вокруг центраокись углерода несколько холоднее и большая часть ее излучения прихо­дится наболее длинные волны - око­ло 1 мм. Но даже здесь температура газа составляетнесколько сотен кельвинов, т. е. близка к температуре у поверхности Земли и гораздо выше, чем внутрибольшинства межзвезд­ных облаков. "К другим детально изу­ченным молекуламотносятся цианис­тый водород (HCN), гидроксил(ОН), моносульфид углерода (CS) и аммиак (NH^). Карта излучения HCN высо­кого разрешения былаполучена на ра­диоинтерферометре Калифорнийско­го университета. Карта указыва­етна существование разбитого на от­дельные сгустки, неоднородного дис­ка изтеплых молекулярных облаков, окружающего «полость» шириной около 10 св. лет вцентре Галак­тики. Поскольку диск наклонен от­носительно линии наблюдения сЗемли, эта круглая полость кажет­ся эллиптической (см. рис. внизу).

Атомы углерода и кислорода, часть которых ионизованаультрафи­олетом, перемешаны в диске с моле­кулярным газом. Карты инфракрас­ногои радиоизлучений, соответству­ющих линиям испускания ионов, ато­мов и разныхмолекул, показывают, что газовый диск вращается вокруг центра Галактики соскоростью око­ло 110 км/с, а также, что этот газ теп­лый и собран в отдельныесгустки. Измерения обнаружили и некоторые облака, движения которых совершен­ноне соответствуют этой общей схе­ме циркуляции; возможно, это веще­ство упалосюда с некоторого рассто­яния. Ультрафиолетовое излучение центральной области«ударяет» по внешнему краю облачного диска, со­здавая почти непрерывное кольцоионизованного вещества. Ионизован­ные стримеры и сгустки газа имеются также вцентральной полости.

Некоторые достаточно распро­страненные ионизованныеэлементы, включая неон, лишенный одного электрона, аргон без двух электронов исеру без трех электронов, имеют яр­киелинии излучения вблизи 10 мкм - в той части инфракрасного спектра, для которогоземная атмосфера про­зрачна. Было такжеобнаружено, что из всех элементов вблизи центра преобладает однозарядныйионизованный неон, тогда как трехза­рядный ион серы там практически от­сутствует.Чтобы отобрать три элек­трона у атома серы, нужно затратить гораздо большеэнергии, чем для то­го, чтобы отобрать один электрон у атома неона; наблюдаемыйсостав ве­щества указывает на то, что в цент­ральной области поток ультрафиоле­товогоизлучения велик, но его энер­гия не очень большая. Отсюда следу­ет, что этоизлучение, по-видимому, создается горячими звездами с темпе­ратурой от 30 до 35тыс. Кельвинов, и звезды с температурой, существенно больше указанной,отсутствуют.

Спектроскопический анализизлуче­ния ионов дал также подробную ин­формацию о скоростях разреженноговещества внутри

полости диаметром 10 св. лет, окружающейцентр. В неко­торых частях полости скорости

близ­ки к скорости вращения кольца моле­кулярногогаза - около 110 км/с. Часть облаков внутри этой области движется значительнобыстрее - при­мерно со скоростью 250 км/с, а неко­торые имеют скорости до 400км/с.

В самом центре обнаружено ионизованное веще­ство,движущееся со скоростями до 1000 км/с. Это вещество ассоцииро­вано с интереснымнабором объектов вблизи центра полости, известным как IRS16, который был обнаружен Беклином и Негебауэром во время по­искаисточников коротковолнового инфракрасного излучения. Большин­ство найденных имиочень небольших источников - это, вероятно, одиноч­ные массивные звезды, но IRS16 (16-й в их списке инфракрасный источник) представляет собой нечто иное: по­следующиеизмерения выявили в нем.пять ярких необычных компонентов. Вся эта центральная область - как теплыйгазовый диск, так и внутрен­няя полость - является, по-видимо­му, сценой, гдесовсем недавно разы­гралось какое-то бурное действие. Кольцо или диск газа,вращающиеся вокруг центра Галактики, должны постепенно превратиться в однород­нуюструктуру в результате столкно­вений между быстро и медленно дви­жущимисясгустками вещества. Из­мерения доплеровского сдвига пока­зывают, что разницамежду скоростя­ми отдельных сгустков в кольце моле­кулярного газа достигаетдесятков ки­лометров в секунду. Эти сгустки дол­жны сталкиваться, а ихраспределе­ние сглаживаться в масштабах време­ни порядка 100 тыс. лет, т. е. заодин-два оборота вокруг центра. Отсюда следует, что в течение этого проме­жуткавремени газ подвергся сильно­му возмущению, возможно, в резуль­тате выделенияэнергии из центра или падения вещества с некоторого рас­стояния извне, истолкновения между сгустками должны быть еще доста­точно сильными, чтобы в газевозни­кали ударные волны. Справедливость этих выводов может быть проверенапутем поиска «следов» таких волн.

Ударные волны могут быть иден­тифицированыпо спектральным ли­ниям горячих сильно возбужденных молекул. Такие молекулыбыли обна­ружены при наблюдениях с Койперовской астрономической обсервато­рии;к ним относятся радикалы гидроксила - электрически заряженные фрагменты молекулводы, которые были с силой разорваны на части. За­регистрировано такжекоротковолно­вое инфракрасное излучение горячих молекул водорода; оноуказывает, что в некоторых местах температура облаков молекулярного газадостига­ет 2000 К - именно такая температу­ра может создаваться ударными вол­нами.Каков источник плотных моле­кулярных пылевых облаков вблизи центра? Веществосодержит тяжелые элементы; это указывает на то, что оно было образовано внедрах звезд, где в результате элементы, такие как углерод, кислород и азот.Старые звезды расширяются и испускают огромное количество вещества, а в не­которыхслучаях взрываются как сверхновые. В любом случае тяжелые элементывыбрасываются в меж­звездное пространство. Вещество об­лаков, находящихсявблизи центра Галактики, было, по-видимому, бо­лее основательно «обработано»внут­ри звезд, чем вещество, расположен­ное дальше от центра, поскольку вблизицентра особенно много неко­торых редких изотопов, образующих­ся только внутризвезд.

Не все это вещество былосоздано ранее существовавшими звездами в непосредственной близости от цент­ра.Возможно, часть облаков была притянута извне. Под влиянием тре­ния и магнитныхполей вещество по­степенно стягивается по направлению к центру, поэтому в этойобласти оно должно скапливаться..

Газ в Большом МагеллановомОблаке.

Светящиеся газовыетуманности- одни из наиболее красивых и впечатляющих объектов во Вселенной.Туманность 30 Золотой Рыбы является самой яркой и большой из газовыхтуманностей трех десятков галактик местной группы, включая нашу Галактику. Онаимеет неправильную форму и огромные размеры. В то время как Большая туманностьв созвездии Ориона видна невооруженным глазом в виде звезды с размытымизображением. Туманность 30 Золотой Рыбы занимает на небе площадь, сравнимую сдиском солнца или полной луны, несмотря на то что она находится от нас в 100 слишним раз дальше туманности Ориона. Ее диаметр составляет около 1000 световыхлет, а туманности Ориона – всего три световых года. Газ туманности взначительной степени ионизирован: большая часть атомов потеряла по крайней мерепо одному электрону. Оказывается, туманность 30 Золотой Рыбы содержитионизированного газа в 1500 раз больше, чем туманность Ориона. Ионизация газапроисходит под действием ультрафиолетового излучения, испускаемого массивнымигорячими молодыми звездами, находящимися в туманности.

Двадцатый век породил удивительные науку и технику, они позволяют человеческой мысли проникать в глубиныВселенной, поистине за пределы известного мира. Наш кругозор и горизонтывидимого мира расширились на столько, что человеческий разум, пытающийсясбросить с себя оковы земных предрассудков, едва способен овладеть им. Ученые,работающие в различных областях науки, пытаясь с помощью физических законовобъяснить загадочные объекты, обнаруженные в наше время, убеждаются в том, чтоудивительная Вселенная, в которой мы живём, в основном ещё нам не известна.Если же какая-либо информация о Вселенной становится доступной, то часто дажесамый дерзновенный ум оказывается не подготовленным к её восприятию в тойформе, в какой её преподносит природа. Поражаясь необычности вновьоткрытых небесных объектов, следуетпомнить, что за всю историю человечества, ни одна наука не достигала стольфеноменально быстрого развития, как наукаоб этих уникальных объектах. И всё это буквально за последние десятилетия. Утоляя присущую человеку неистощимую жажду познания, астрофизикинеутомимо изучают природу этих небесных объектов, бросающих вызов человеческомуразуму.

1.С.Данлоп «Азбуказвёздного неба» (1990 г.)

2.И.Левитт «За пределами известного мира» (1978 г.)

3.Джон С. Матис «Объект необычайно высокой светимости в Большом Магелановом Облаке» (Вмире науки. Октябрь 1984 г.)

4.Чарлз Г. Таунс, Рейнгард Гензел «Что происходит в центре нашей Галактики?» (Вмире науки. Июнь 1990 г.)

5.Аванта плюс. Астрономия.

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

Распределение ионизованного водорода в галактической межзвездной среде, которая видна из северного полушария Земли.

На межзвездный газ, при кажущейся пустоте незаполненного пространства Вселенной, приходится почти 99% от совокупной массы всех космических объектов.

Вселенские просторы, в которых светила занимают ничтожно малую часть, далеко не так пустынны, как считалось долгое время. Хотя и в небольших количествах, но везде присутствует межзвездный газ, наполняя собой все уголки мирозданья. В его концентрация снижена, в иррегулярных, наоборот, повышена. Он смешан с межзвездной пылью и активно участвует в процессах образования новых звезд, которые в конце своего возвращают Вселенной этот строительный материал. Таким образом происходит своеобразный обмен веществом между светилами и межзвездным газом. Цикличность этих процессов постепенно приводит к уменьшению его количества в космосе, при увеличении объемов содержания тяжелых элементов в его структуре. Но для существенных изменений в этой области требуются миллиарды лет. По приблизительным оценкам, ежегодное количество газа, задействованное в Галактике при формировании звезд, равняется 5 солнечным массам.

Состав, структура и протекающие процессы

Объект Хербига-Аро 110 выбрасывает газ в межзвездное пространство

Плотные и холодные формы межзвездного газа, содержащие водород, гелий и минимальные объемы тяжелых элементов (железо, алюминий, никель, титан, кальций), находятся в молекулярном состоянии, соединяясь в обширные облачные поля. Если же в составе вещества доминируют ионизированные или нейтральные атомы водорода, оно участвует в образовании светящихся , окружающих горячие звезды. Температурные характеристики межзвездного молекулярного газа лежат в диапазоне от -269 до -167°С, а его излучение охватывает довольно широкий спектр, включающий и жесткие гамма-лучи, и длинные радиоволны. Средняя плотность имеет ничтожный показатель – на 1 см куб. приходится менее одного атома вещества. Но есть и исключения, в тысячи раз превосходящие эти параметры. Обычно в составе межзвездного газа элементы распределены следующим образом: водород – 89%, гелий – 9%, углерод, кислород, азот – ок. 0,2-0,3%.

Газопылевое облако IRAS 20324+4057 из межзвездного газа и пыли длиной в 1 световой год, похожее на головастика, в котором скрывается растущая звезда.

В обширных областях разряженного и горячего газа температура среды достигает 1,5 млн. градусов Цельсия, сопровождаясь рентгеновским излучением. Такие газовые объекты участвуют в формировании звезд-гигантов, провоцируют взрывы сверхновых, радикально влияют на межзвездную среду, заставляя ее расширяться. Планетарные или эмиссионные туманности из межзвездного газа светятся благодаря находящемуся в их центре или рядом с ним ядру стареющей звезды или горячим молодым светилам.

В результате исследований ученые обнаружили факт хаотичности скоростей в движении подобных образований. Облака межзвездного газа могут не только упорядоченно вращаться вокруг галактических центров, но и обладать нестабильным ускорением. В течение нескольких десятков миллионов лет они догоняют друг друга и сталкиваются, образуя комплексы из пыли и газа. Такие объекты имеют достаточную плотность, чтобы защитить свои глубины от проникающего космического излучения. Этим объясняются более низкие температуры внутри газопылевых комплексов по сравнению с межзвездными облаками. Гравитационная неустойчивость объектов постоянно влияет на процесс молекулярных преобразований в их составе и со временем приводит к формированию протозвезд.

Расположение в нашей Галактике

Максимальная концентрация межзвездного газа в нашей Галактике наблюдается в районах, удаленных от ее центральной части на 5 кпк. Его процентное содержание в общем объеме ее массы равняется 2. Толщина слоя максимальна на периферии, уменьшаясь к центру. Около половины массы межзвездного газа приходится на огромные молекулярные облака, находящиеся на расстоянии 4-8 кпк от галактической оси. Самые плотные образования составляют туманности, которые наиболее заметны и доступны для исследований. Размеры облаков из межзвездного газа могут достигать значений около 2 тыс. световых лет.

Наблюдение и его методы

Вояджер-1 — первый искусственный объект достигший межзвездной среды

Межзвездный газ, обладая высокой разреженностью и широким температурным диапазоном, изучается с помощью нескольких способов. Особый интерес в этом плане представляют светлые газовые и газопылевые туманности, так как их визуальные характеристики значительно упрощают процесс оптических наблюдений. В число методов, позволяющих получить разнообразную информацию о состоянии и структуре межзвездного газа, входят исследования:

• непрерывного радиоизлучения;
• межзвездных оптических и УФ линий;
• пространственного распределения молекул;
• рентгеновского, ИК и гамма излучений;
• параметров межзвездного ветра;
• пульсаров.

Комплексный подход к изучению межзвездного газа позволил определить многие его свойства и параметры. К объектам, дающим оптимальную возможность наблюдать МГ на нашем небосводе, относится Ориона, где находится эмиссионная М42.

• Галактический газовый диск изогнут на периферии.
• Основной объем межзвездного газа сосредоточен в спиральных рукавах, один из коридоров которых расположен рядом с Солнечной системой.
• В разреженном МГ, подвергаемом действию космических излучений, обнаружена зависимость показателей температуры, давления и объема электронов от плотности концентрации водорода.
• К самым мощным факторам, влияющим на структурные процессы в межзвездной газовой среде, относятся спиральные ударные волны.
• Энергия вспышки сверхновой способна пробить пространство галактического диска, вызвав тем самым отток МГ в свободное пространство Вселенной.
• В теории молекулярные газовые облака за период в чуть более 100 лет должны превращаться в звезды. Но на практике существует множество факторов, замедляющих этот процесс.

Межзвездная среда - это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри Галактики. Основная масса межзвездного вещества приходится на разреженный межзвездный газ и пыль. Вся межзвездная среда пронизывается магнитными полями, космическими лучами, электромагнитным излучением.

Основной компонент межзвездной среды - межзвездный газ , который состоит из водорода (70 % массы) и гелия (28 %). Остальную часть массы межзвездного газа составляют более тяжелые химические элементы (О, С, N, Ne, S, Аг, Fe и др.). Масса межзвездного вещества нашей Галактики (не считая короны) оценивается в 2 % от общей массы всей Галактики. В зависимости от температурных условий и плотности межзвездный газ наблюдается в трех состояниях: ионизированнном, атомарном и молекулярном.

Внеатмосферные наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне обнаружили очень горячий газ (водород) с температурой 10 6 К, который заполняет большую часть объема Галактики. Такой горячий газ с низкой плотностью возникает в результате взрывов сверхновых звезд и потери вещества горячими гигантами в виде горячего звездного ветра. Плотность такого газа составляет 1,6 · 10 -3 частиц в 1 см 3 .

Основные данные о межзвездном газе получены радиоастрономическими методами, после того как в 1951 г. было обнаружено радиоизлучение нейтрального атомарного водорода на волне 21 см. Основная часть межзвездного газа сосредоточена в спиральных ветвях Галактики. В них газ распределен неравномерно: он собран в клочковатые образования размерами в десятки и сотни парсек. Около половины массы межзвездного газа содержится в гигантских молекулярных облаках со средней массой 10 5 масс Солнца и диаметром около 40 пк.

Межзвездная пыль - это мелкие твердые частицы неправильной формы размером от 0,01 до 1 мкм. Они состоят из тугоплавкого ядра и оболочки из летучих соединений. Пыль играет значительную роль и активно участвует в протекающих во Вселенной процессах.

Кроме разреженного газа и пыли в межзвездном пространстве с огромными скоростями, близкими к световой, движется большое количество элементарных частиц и ядер различных атомов (электроны, ядра гелия и более тяжелых элементов). Потоки этих частиц называют космическими лучами . На площадь в 1м 2 в среднем ежесекундно попадает около 10 тыс. различных частиц.

Не все частицы, образующие космические лучи, приходят к нам из глубин Вселенной. Многие из них имеют солнечное происхождение - они рождаются при вспышках на Солнце. Основными источниками космических лучей в Галактике являются остатки сверхновых звезд и пульсары.

Наблюдения показывают, что радиоизлучение приходит к нам и из областей межзвездного пространства, где нет остатков сверхновых звезд. Следовательно, магнитное поле существует и в межзвездном пространстве.