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.
Газодинамика - раздел физики, который изучает законы движения газа. С вопросами газодинамики мы часто сталкиваемся и в обыденной жизни - это и звуковые волны, и обтекание быстро движущихся тел, и ударные волны, которые в век сверхзвуковых скоростей хорошо всем известны. Но условия межзвездной среды существенно меняют законы движения газа.
Начнем со звуковых волн. Как читатель, вероятно, знает, звуковые волны представляют собой распространяющуюся в среде последовательность сжатий и разрежений газа. Если слегка сжать газ в некотором объеме, а затем предоставить ему возможность вернуться в первоначальное состояние, то по инерции он затем немного расширится, сожмет соседние с этим объемом слои газа, а потом опять сам сожмется. Возникнут колебания, которые будут передаваться и соседним слоям, а от них - еще дальше. Это и есть распространение звуковых волн. Их скорость зависит только от температуры газа. Скорость звуковых волн в воздухе при температуре 300 К хорошо известна - 330 м/с, а с ростом температуры она увеличивается пропорционально (Т ) 1/2 .
Но такие звуковые волны являются адиабатическими, т. е. предполагается, что сжатие и разрежение газа в звуковых волнах происходит без потери тепла. В межзвездном пространстве это не так. При увеличении плотности заметно увеличиваются и потери на излучение. Поэтому межзвездные звуковые волны отнюдь не адиабатические. В первом приближении их можно еще считать изотермическими, т. е. предположить, что при сжатии и расширении газа температура в волне вообще не меняется. Тогда скорость звуковых волн будет несколько меньше (в воздухе - на 20%) и ее можно вычислить по формуле: с s = (RT /мю) 1/2 , где R - универсальная газовая постоянная, a мю - молекулярный вес. Любопытно, что еще Ньютон, который первым вычислил скорость звуковой волны, предполагал ее изотермической, и поэтому долгое время было непонятным, почему в воздухе скорость звука оказалась больше вычисленной. Однако для межзвездных звуковых волн эта формула, полученная Ньютоном, вполне применима.
Следующее важное явление, которое в межзвездных условиях также меняет свои свойства, - это ударные волны. Для того чтобы его пояснить, рассмотрим случай, изображенный на рис. 16. Пусть в закрытую с одного конца длинную трубу втекает газ с концентрацией п 1 и скоростью v . Налетая на стенку, он должен остановиться. Образуется область неподвижного газа, которая должна все время увеличиваться по мере втекания все новых порций газа. Между покоящимся и движущимся газом образуется граница (пунктир на рис. 16), которая перемещается по трубе навстречу потоку газа.
Обозначим концентрацию газа за этой границей как п 2 . Оказывается, если скорость v очень велика (много больше скорости звука), то эта граница резкая (ударная волна), а скачок концентрации, т. е. величина п 2 /п 1 , оказывается ограниченным (например, в одноатомном газе п 2 /п 1 <4, в двухатомном п 2 /п 1 <6). Объясняется это просто. Кинетическая энергия налетающего газа не только сжимает, но и нагревает остановившийся газ. В неподвижной области, таким образом, возникает большое газовое давление, которое и препятствует дальнейшему сжатию.
Но в межзвездном пространстве этого может не быть. Как только газ сожмется, резко возрастет его излучение и температура уже не будет подниматься. Газовое давление остается небольшим, и оно не препятствует дальнейшему сжатию газа. В результате, в межзвездных ударных волнах, которые лучше называть «скачками уплотнения», могут возникнуть очень большие скачки концентрации. Величину скачка п 2 /п 1 можно определить, если сравнить газовое давление в сжатой области (т. е. величину, пропорциональную n 2 RT ) с динамическим давлением налетающего потока газа, пропорциональным п 1 v 2 . Таким образом, получаем, что скачок концентрации в межзвездной ударной волне характеризуется величиной n 2 /п 1 ~мю v 2 / RT ~ v 2 / c s 2 , где Т - обычная температура межзвездного газа (около 10 4 К в зонах НII и много меньше, 10-20 К, в молекулярных облаках). Читатель может легко убедиться, что даже при небольших скоростях движения газа (например, при скорости 7-8 км/с, - обычной скорости межзвездных облаков) можно получить (при их столкновении друг с другом) скачки уплотнения в десятки и даже сотни раз меняющейся концентрации.
Конечно, случай, изображенный на рис. 16, есть идеализация - в межзвездном пространстве труб нет, но общие особенности движения там именно таковы.
Один из важных случаев динамики межзвездной среды изображен на рис. 17 - падение межзвездного газа под действием собственной силы тяжести к центру облака. Это падение создает в центре облака область сжатия, окруженную распространяющимся от центра сферическим скачком уплотнения. Очевидно, что и здесь может быть очень сильное сжатие вещества, но уже в реальном объекте, т. е. данное явление очень возможно при формировании звезд.
Третья особенность межзвездной газодинамики - существенная роль магнитных полей. Рассмотрим эту особенность на примере, знакомом читателю из курса школьной физики. Если через магнитное поле перемещать проводник, то в нем индуцируется электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. В результате взаимодействия этих полей возникает сила, тормозящая перемещение проводника (правило Ленца). Когда электрическое сопротивление проводника велико, индуцированные токи и магнитные поля оказываются слабыми и проводники легко перемещаются в магнитном поле. Но если электрическое сопротивление проводника очень мало, то возникают довольно сильные индуцированные токи, и сила сопротивления перемещению проводника существенно возрастает - проводник «застревает». Известно, например, что сверхпроводник вообще невозможно втолкнуть в область, занятую магнитным полем. (Напоминаем, что если проводник движется вдоль магнитного поля, то в нем вообще не возникает ток и сопротивления такому движению нет.)
А теперь вернемся к межзвездному газу. Здесь, как мы знаем, много свободных электронов, и поэтому электропроводность межзвездного газа достаточно велика (даже лучше, чем электропроводность меди). Поэтому перемещение такого газа через межзвездное магнитное поле вполне можно уподобить перемещению хорошего металлического проводника в этом же поле. Здесь нужно еще учесть, что огромные размеры межзвездных облаков делают эффект их торможения в магнитном поле очень заметным.
Таким образом, межзвездное магнитное поле должно тормозить движение межзвездных облаков поперек направления поля и не препятствовать их движению вдоль поля. Можно ожидать, что потоки межзвездного газа направлены преимущественно вдоль магнитных силовых линий. Этот вывод подтверждается наблюдениями: действительно, газ чаще всего движется параллельно плоскости Галактики, причем и магнитное поле имеет примерно то же направление.
Однако, если межзвездное магнитное поле слабое, так что оно уже не может остановить движение газа поперек силовых линий, то тогда уже газ начинает увлекать с собой и магнитное поле. Иными словами, движущиеся потоки газа будут как бы тянуть за собой магнитные силовые линии, вытягивая и закручивая их. В этом случае говорят, что магнитные силовые линии «вморожены» в межзвездный газ (или межзвездный газ «приклеен» к магнитным силовым линиям).
Из определения понятия силовых линий магнитного поля известно, что напряженность магнитного поля Я (или магнитная индукция В) пропорциональна числу силовых линий, проходящих через единичную площадку. Когда движение газа вытягивает и «запутывает» магнитные силовые линии, то оно тем самым увеличивает Н (и В). Можно сказать, что здесь кинетическая энергия газа переходит в магнитную энергию. Рост магнитного поля при движении газа приостанавливается тогда, когда эти энергии оказываются одного порядка: pv 2 /2~ B 2 /8п (здесь р - плотность газа; слева стоит плотность кинетической энергии, справа - плотность магнитной энергии). Особенно заметно усиление магнитного поля в упомянутых выше скачках плотности. Увеличение плотности сопровождается, в силу принципа «вмороженности» поля, пропорциональным увеличением величины В.
Четвертой особенностью межзвездной газодинамики является существование ионизационных фронтов - движущихся границ между зонами НII и областями HI. Они появляются вследствие того, что газовое давление в зонах НИ обычно Много больше, чем газовое давление в областях HI. В самом деле, рассматривая межзвездную термодинамику, мы убедились, что в двухкомпонентной системе, состоящей из облаков и межоблачной среды, величина давления (а точнее, произведение пТ ) не больше 3 10 3 К/см 3 . С другой стороны, в зоне НИ, где Т =10 4 К, эта величина при «стандартном» значении концентрации протонов и электронов (п~с м -3) больше, а при больших концентрациях различие еще более заметно.
Таким образом, зоны НII должны расширяться в окружающее пространство. Но при расширении плотность газа внутри зоны падает, уменьшается число рекомбинаций, и в результате в этой зоне остается часть «неиспользованных» ионизирующих квантов. Они проходят через границу первоначальной массы зоны НII и ионизируют новые атомы водорода. Таким образом, весь процесс состоит не только из расширения вещества самой зоны НII, но и из еще более быстрого продвижения границы между областями ионизованного и неионизированного водорода - зона НII растет как по своим размерам, так и по величине своей массы.
Такое перемещение границы зоны НII называется движением ионизационного фронта, скорость перемещения которого можно сравнить со скоростью звука в области HI. Если скорость ионизационного фронта больше скорости звука в том же газе, то говорят о фронте R -типа. Здесь при переходе через этот фронт газ ионизируется и уплотняется.
Наоборот, если скорость фронта меньше соответствующей скорости звука, то на ионизационном фронте (называемом фронтом D -типа) происходит уменьшение концентрации. Чтобы обеспечить это уменьшение, фронт D -типа часто «посылает» перед собой ударную волну, которая предварительно «поджимает» газ в области HI.
Как только в области HI образуется новая горячая звезда, она сначала создает маленькую зону НII, которая быстро расширяется как ионизационный фронт R — типа. Затем скорость расширенной зоны НII уменьшается, вперед посылается ударная волна, за которой на близком расстоянии следует ионизационный фронт D -типа.
Знание свойств межзвездной газодинамики совершенно необходимо для понимания процессов конденсации звезд из межзвездной среды - ведь эта конденсация есть не что иное, как движение межзвездного газа. И как мы увидим ниже, особенности межзвездной газодинамики проявляются в различных аспектах проблемы формирования звезд.
Межзвёздный газ
Межзвёздный газ - это разрежённая газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или несколько процентов суммарной массы всех звёзд нашей Галактики. Средняя концентрация атомов межзвёздного газа составляет менее 1 атома в см³. Основная его масса заключена вблизи плоскости Галактики в слое толщиной несколько сотен парсек. Плотность газа в среднем составляет около 10 −21 кг/м³. Химический состав примерно такой же, как и у большинства звёзд: он состоит из водорода и гелия (90 % и 10 % по числу атомов, соответственно) с небольшой примесью более тяжёлых элементов. В зависимости от температуры и плотности межзвёздный газ пребывает в молекулярном, атомарном или ионизованном состояниях. Наблюдаются холодные молекулярные облака, разреженный межоблачный газ, облака ионизованного водорода с температурой около 10 тыс. К. (Туманность Ориона), и обширные области разреженного и очень горячего газа с температурой около миллиона К. Ультрафиолетовые лучи, в отличие от лучей видимого света, поглощаются газом и отдают ему свою энергию. Благодаря этому горячие звёзды своим ультрафиолетовым излучением нагревают окружающий газ до температуры примерно 10 000 К. Нагретый газ начинает сам излучать свет, и мы наблюдаем его как светлую газовую туманность. Более холодный, «невидимый» газ наблюдают радиоастрономическими методами. Атомы водорода в разреженной среде излучают радиоволны на длине волны около 21 см. Поэтому от областей межзвёздного газа непрерывно распространяются потоки радиоволн. Принимая и анализируя это излучение, учёные узнают о плотности, температуре и движении межзвёздного газа в космическом пространстве.
| Межзвёздная среда | ||
|---|---|---|
| Составляющие | Межзвёздный газ · Межзвёздная пыль · Межзвёздное облако · Космические лучи · Магнитное поле |  |
| Туманности | Диффузная (светлая) туманность · Тёмная туманность · Эмиссионная туманность · Отражательная туманность · Остаток сверхновой · Планетарная туманность · Протопланетарная туманность | |
| Области звездообразования | Молекулярное облако · Глобула · Область H II | |
| Околозвёздные образования | Аккреционный диск · Протопланетный диск · Полярные струйные течения · Объект Хербига - Аро | |
| Излучение | Звёздный ветер · Реликтовое излучение | |
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Межзвёздный газ" в других словарях:
Осн. компонент межзвездной среды, составляющий ок. 99% её массы. M. г. заполняет практически весь объём галактик. Наиб, изучен M. г. в Галактике. M. г. характеризуется большим разнообразием возникающих в нём структур, физ. условий и протекающих… … Физическая энциклопедия
Одна из основных составляющих межзвёздной среды (См. Межзвёздная среда). Состоит в основном из водорода и гелия; общая масса других элементов меньше 3 % …
Материя, заполняющая пространство между звёздами внутри галактик. Материя в пространстве между галактиками наз. межгалактич. средой (см. Скопления галактик. Межгалактический газ). Газ в оболочках вокруг звёзд (околозвёздные оболочки) часто… … Физическая энциклопедия
Межзвёздная пыль твёрдые микроскопические частицы, наряду с межзвёздным газом заполняющие пространство между звёзд. В настоящее время считается что пылинки имеют тугоплавкое ядро, окруженное органическим веществом или ледяной оболочкой.… … Википедия
Карта местного межзвёздного облака Межзвёздная среда (МЗС) вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик … Википедия
Разреженное вещество, межзвёздный газ и мельчайшие пылевые частицы, заполняющие пространство между звёздами в нашей и других Галактиках. В состав М. с. входят, кроме того, Космические лучи, межзвёздные магнитные поля (См. Межзвёздное… … Большая советская энциклопедия
Карта местного межзвездного облака Межзвёздная среда (МЗС) это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик. Состав: межзвёздный газ, пыль(1 % от массы газа), межзвёздные магнитные поля,космические лучи, а также… … Википедия
Более 200 новообразованных звёзд внутри облака известного как NGC 604 в галактике Треугольника. Звёзды облучают газ высокоэнергетически … Википедия
Карта межзвездного газа в нашей Галактике Межзвёздный газ это разреженная газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или… … Википедия
Звёздный ветер процесс истечения вещества из звёзд в межзвёздное пространство. Содержание 1 Определение 2 Источники энергии … Википедия
По всей вероятности, первыми внеземными объектами, которые привлекли внимание человека еще 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 это нашло отражение в мифах и легендах почти всех народов. Вопрос о том, какова природа звезд, возник, очевидно, гораздо позже. Заметив блуждающие звезды - планеты, люди, быть может, впервые сделали попытку проанализировать взаимосвязь различных явлений, хотя возникшая таким путем астрология подменила знания суевериями. Любопытно, что астрономия, одна из наиболее обобщающих наук о природе, свои первые шаги совершала по зыбкой почве заблуждений, отголоски которых дошли даже до наших дней. Причину этих заблуждений легко понять, если учесть, что первый этап развития науки о небе в буквальном смысле слова был основан на созерцании и абстрактном мышлении, когда практически отсутствовали какие-либо астрономические инструменты. Тем более поразительно, что этот этап блестяще завершился, бессмертным творением Коперника - первой и важнейшей революцией в астрономии. До этого казалось очевидным, что наблюдаемое, видимое совпадает с действительным, реально существующим, копирует его. Коперник впервые доказал, что действительное может радикально и принципиально отличаться от видимого. Следующий столь же решительный шаг сделан великим Галилеем, сумевшим увидеть то, что не заметил даже такой тонкий наблюдатель, как Аристотель. Именно Галилей впервые понял, что, вопреки очевидному, процесс движения тела вовсе не означает постоянного воздействия на него другого тела. Открытый Галилеем принцип инерции позволил затем Ньютону сформулировать законы динамики, которые послужили фундаментом современной физики. Если самое гениальное свое открытие Галилей сделал в области механики - и это в дальнейшем принесло огромную пользу астрономии, - то непосредственно наука о небе обязана ему началом новой эпохи в своем развитии - эпохи телескопических наблюдений. Применение телескопа в астрономии прежде всего неизмеримо увеличило число объектов, доступных исследованиям. Еще Джордано Бруно говорил о бесчисленных мирах солнц. Он оказался прав: звезды - самые важные объекты во Вселенной, в них сконцентрировано почти все космическое вещество. Но звезды - это не просто резервуары для хранения массы и энергии. Они являются термоядерными котлами, где происходит процесс образования атомов тяжелых элементов, без которых невозможны были бы наиболее сложные этапы эволюции материи, приведшие на Земле к возникновению флоры, фауны, человека и наконец человеческой цивилизации. По мере совершенствования телескопов и методов регистрации электромагнитного излучения астрономы получают возможность проникать во все более удаленные уголки космического пространства. И это не только расширяет геометрический горизонт известного нам мира: более далекие объекты отличаются и по возрасту, так что в известной нам части Вселенной, которую принято называть Метагалактикой, содержится богатая информация об истории развития, иными словами, об эволюции Вселенной. Современная астрономия обогатилась учением о развитии миров, подобно тому как биология в свое время обогатилась учением Дарвина. Это уже более высокая ступень перехода -от видимого к действительному, ибо по тому, что видно сегодня, мы познаем суть явлений в далеком прошлом и можем предвидеть будущее! В последнее время в астрономии наметился еще один важный переход от наблюдаемого к действительному. Само по себе наблюдаемое теперь оказалось достоянием многих ученых-астрономов, вооруженных самой современной техникой, которая использует малейшие возможности, скрытые в тайниках физических законов и позволяющие вырывать у природы ее тайны. Но проникновение в неведомую еще нам реальность - это не просто представление о том, что вокруг чего обращается, и даже не то, что является причиной движения или как выглядели те или иные тела в незапамятные времена, а нечто гораздо большее. Это – познание свойств пространства и времени в целом, в масштабах, не доступных нашему непосредственному восприятию и созерцанию. Пространство между звёздами, за исключением отдельных туманностей, выглядит пустым. На самом же деле всё межзвёздное пространство заполнено веществом. К такому заключению учёные пришли после того, как в начале XX в. швейцарский астроном Роберт Трюмплер открыл поглощение (ослабление) света звёзд на пути к земному наблюдателю. Причём степень его ослабления зависит от цвета звезды. Свет от голубых звёзд поглощается более интенсивно, чем от красных. Таким образом, если звезда излучает в голубых и красных лучах одинаковое количество энергии, то в результате поглощения света голубые 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. Тёмные туманности, такие, как Угольный Мешок и Конская Голова, являются местом повышенной плотности поглощающего межзвёздного вещества. А состоит оно из мельчайших частиц - пылинок. Физические свойства пылинок к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Помимо пыли между звёздами 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 длиной волны 21 см. Большую часть информации о межзвёздном веществе получают с помощью радиотелескопов. Так были открыты облака атомарного нейтрального водорода. Типичное облако атомарного нейтрального водорода имеет температуру около 70 К (-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: звёзды в среднем находятся друг от друга на расстоянии 1 пк). Впоследствии были обнаружены ещё более холодные и плотные облака молекулярного водорода, совершенно непрозрачные для видимого света. Именно в них сосредоточена большая часть холодного межзвёздного 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 межзвёздного 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 - короналъный 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 звёзд. От места взрыва в межзвёздном 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 межзвёздной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, содержащей около 1% массы межзвёздного вещества, и пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц - космическими лучами - и электромагнитным излучением, которые также можно считать составляющими межзвёздной среды. Кроме того, межзвёздная среда оказалась слегка намагниченной. Магнитные поля связаны с облаками межзвёздного газа и движутся вместе с ними. Эти поля примерно в 100 тыс. раз слабее магнитного поля Земли. Межзвёздные магнитные поля способствуют образованию наиболее плотных и холодных облаков газа, из которых конденсируются звёзды. Частицы космических лучей также реагируют на межзвёздное 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 межзвёздном 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 звёзд - это звёздные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными с межзвёздной пылью, которая отражает свет близко расположенных звёзд, - это отражательные туманности. Как правило, в центре такой туманности видна яркая звезда. А вот зеленоватые туманности - не что иное, как свечение межзвёздного газа. Самая яркая на небе газовая туманность - Большая туманность Ориона. Она видна в бинокль, а при хорошем зрении её можно заметить и невооружённым глазом - чуть ниже трёх звёзд, расположенных в одну линию, которые образуют Пояс Ориона. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет. Что заставляет светиться межзвёздный газ? Ведь привычный нам воздух прозрачен и не излучает света. Голубое небо над головой светится рассеянным на молекулах воздуха светом Солнца. Ночью небо становится тёмным. Впрочем, иногда всё же можно увидеть свечение воздуха, например во время грозы, когда под действием электрического разряда возникает молния. В северных широтах и в Антарктиде часто наблюдаются полярные сияния - разноцветные полосы и сполохи на небе. В обоих случаях воздух излучает свет не сам по себе, а под действием потока быстрых частиц. Поток электронов порождает вспышку молнии, а попадание в атмосферу Земли энергичных частиц из радиационных поясов, существующих в околоземном космическом пространстве, - полярные сияния. Подобным образом возникает излучение в неоновых и других газовых лампах: поток электронов бомбардирует атомы газа и заставляет их светиться. В зависимости от того, какой газ находится в лампе, от его давления и электрического напряжения, приложенного к лампе, изменяется цвет излучаемого света. В межзвёздном газе также происходят процессы, приводящие к излучению света, 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 вокруг него отрицательно заряженного электрона. Они связаны между собой электрическим притяжением. Затратив определённую 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 определённого цвета, соответствующего данной энергии. Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизовать атомы, из которых он состоит. Это может произойти в результате столкновений 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 ионизованного 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 (от лат. nebula - «туманность»). Но впоследствии выяснилось, что зелёным цветом светится кислород. Часть энергии движения частиц электронного газа расходуется на возбуждение атомов кислорода, т. е. на перевод электрона в атоме на более далёкую от ядра орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту атом кислорода должен испустить квант зелёного света. В земных условиях он не успевает этого сделать: плотность газа слишком высока и частые столкновения «разряжают» возбуждённый атом. А в крайне разреженной межзвёздной среде от одного столкновения до другого проходит достаточно много времени, чтобы электрон успел совершить этот запрещённый переход и атом кислорода послал в пространство квант зелёного света. Аналогичным образом возникает излучение азота, серы и некоторых других элементов. Таким образом, область ионизованного газа вокруг горячих звёзд 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. Некоторые звезды на заключительных стадиях эволюции постепенно сбрасывают внешние слои, которые, медленно расширяясь, образуют светящиеся туманности. При наблюдении в телескопы эти туманности напоминают диски планет, поэтому они получили название планетарных. В центре некоторых из них можно увидеть небольшие очень горячие звезды. Расширяющиеся газовые 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 богато тяжелыми элементами, образовавшихся в ядерных реакциях, протекавших внутри звезды, и в дальнейшем служит материалом для звезд новых поколений и планет. Что происходит в центре нашей Галактики? Центральная область Млечного Пути приковывала внимание астрономов на протяжении многих десятилетий. От нее до Земли всего 25 тыс. световых лет, тогда как от центров других галактик нас отделяют миллионы световых лет, поэтому есть все основания надеяться, что именно центр нашей Галактики удастся изучить более подробно. Однако в течение длительного времени непосредственно наблюдать эту область было невозможно, поскольку она скрыта большими плотными облаками газа и пыли. Хотя открытия, сделанные при наблюдениях рентгеновского и гамма-излучения, безусловно важны, наиболее обширные и ценные спектроскопические исследования центра Галактики были проведены в инфракрасном и радиодиапазонах, в которых он впервые наблюдался. Довольно подробно изучалось радиоизлучение атомарного водорода с длиной волны 21 см. Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной, что компенсирует слабость его излучения. В тех областях Млечного Пути, где облака межзвездного газа не слишком плотны и где ультрафиолетовое излучение не очень интенсивно, водород присутствует главным образом в виде изолированных электрически нейтральных атомов; именно хорошо различимые радиосигналы атомарного водорода детально картировались для установления структуры нашей Галактики. На расстояниях более 1000 св. лет от центра Галактики излучение атомарного водорода дает надежные данные о вращении Галактики и структуре ее спиральных рукавов. Из него нельзя получить много информации об условиях вблизи центра Галактики, поскольку там водород преимущественно объединен в молекулы или ионизован (расщеплен на протон и электрон). Мощные облака молекулярного водорода скрывают центр Галактики и наиболее удаленные объекты, находящиеся в плоскости Галактики. Однако микроволновые и инфракрасные телескопы позволяют наблюдать 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 длина волны излучения составляет 3 мм. Это излучение проходит через земную атмосферу и может быть зарегистрировано наземными приемниками; особенно много окиси углерода в темных пылевых облаках, поэтому она играет полезную роль для определения их размеров и плотности. Измеряя доплеровский сдвиг (изменение частоты и длины волны сигнала, вызываемое движением источника вперед или назад относительно наблюдателя), можно определить и скорости движения облаков. Обычно темные облака довольно холодные - с температурой около 15 К(-260°С), поэтому окись углерода в них находится в низких энергетических состояниях и излучает на относительно низких частотах - в миллиметровом диапазоне. Часть вещества вблизи центра Галактики явно более теплая. С помощью Койперовской астрономической обсерватории исследователями из Калифорнийского университета в Беркли зарегистрировали более энергичное излучение окиси углерода в дальней инфракрасной области, указывающее на температуру газа около 400 К, что приблизительно соответствует точке кипения воды. Этот газ нагревается под воздействием идущего из центра Галактики ультрафиолетового излучения и, возможно, ударных волн, которые возникают при столкновениях облаков, движущихся вокруг центра. В других местах вокруг центра окись углерода несколько холоднее и большая часть ее излучения приходится на более длинные волны - около 1 мм. Но даже здесь температура газа составляет несколько сотен кельвинов, т. е. близка к температуре у поверхности Земли и гораздо выше, чем внутри большинства межзвездных облаков. "К другим детально изученным молекулам относятся цианистый водород (HCN), гидроксил (ОН), моносульфид углерода (CS) и аммиак (NH^). Карта излучения HCN высокого разрешения была получена на радиоинтерферометре Калифорнийского университета. Карта указывает на существование разбитого на отдельные сгустки, неоднородного диска из теплых молекулярных облаков, окружающего «полость» шириной около 10 св. лет в центре Галактики. Поскольку диск наклонен относительно линии наблюдения с Земли, эта круглая полость кажется эллиптической (см. рис. внизу). Атомы углерода и кислорода, часть которых ионизована ультрафиолетом, перемешаны в диске с молекулярным газом. Карты инфракрасного и радиоизлучений, соответствующих линиям испускания ионов, атомов и разных молекул, показывают, что газовый диск вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 110 км/с, а также, что этот газ теплый и собран в отдельные сгустки. Измерения обнаружили и некоторые облака, движения которых совершенно не соответствуют этой общей схеме циркуляции; возможно, это вещество упало сюда с некоторого расстояния. Ультрафиолетовое излучение центральной области «ударяет» по внешнему краю облачного диска, создавая почти непрерывное кольцо ионизованного вещества. Ионизованные стримеры и сгустки газа имеются также в центральной полости. Некоторые достаточно распространенные ионизованные элементы, включая неон, лишенный одного электрона, аргон без двух электронов и серу без трех электронов, имеют яркие линии излучения вблизи 10 мкм - в той части инфракрасного спектра, для которого земная атмосфера прозрачна. Было также обнаружено, что из всех элементов вблизи центра преобладает однозарядный ионизованный неон, тогда как трехзарядный ион серы там практически отсутствует. Чтобы отобрать три электрона у атома серы, нужно затратить гораздо больше энергии, чем для того, чтобы отобрать один электрон у атома неона; наблюдаемый состав вещества указывает на то, что в центральной области поток ультрафиолетового излучения велик, но его энергия не очень большая. Отсюда следует, что это излучение, по-видимому, создается горячими звездами с температурой от 30 до 35 тыс. Кельвинов, и звезды с температурой, существенно больше указанной, отсутствуют. Спектроскопический анализ излучения ионов дал также подробную информацию о скоростях разреженного вещества внутри полости диаметром 10 св. лет, окружающей центр. В некоторых частях полости скорости близки к скорости вращения кольца молекулярного газа - около 110 км/с. Часть облаков внутри этой области движется значительно быстрее - примерно со скоростью 250 км/с, а некоторые имеют скорости до 400 км/с. В самом центре обнаружено ионизованное вещество, движущееся со скоростями до 1000 км/с. Это вещество ассоциировано с интересным набором объектов вблизи центра полости, известным как IRS 16, который был обнаружен Беклином и Негебауэром во время поиска источников коротковолнового инфракрасного излучения. Большинство найденных ими очень небольших источников - это, вероятно, одиночные массивные звезды, но IRS 16 (16-й в их списке инфракрасный источник) представляет собой нечто иное: последующие измерения выявили в нем.пять ярких необычных компонентов. Вся эта центральная область - как теплый газовый диск, так и внутренняя полость - является, по- видимому, сценой, где совсем недавно разыгралось какое-то бурное действие. Кольцо или диск газа, вращающиеся вокруг центра Галактики, должны постепенно превратиться в однородную структуру в результате столкновений между быстро и медленно движущимися сгустками вещества. Измерения доплеровского сдвига показывают, что разница между скоростями отдельных сгустков в кольце молекулярного газа достигает десятков километров в секунду. Эти сгустки должны сталкиваться, а их распределение сглаживаться в масштабах времени порядка 100 тыс. лет, т. е. за один-два оборота вокруг центра. Отсюда следует, что в течение этого промежутка времени газ подвергся сильному возмущению, возможно, в результате выделения энергии из центра или падения вещества с некоторого расстояния извне, и столкновения между сгустками должны быть еще достаточно сильными, чтобы в газе возникали ударные волны. Справедливость этих выводов может быть проверена путем поиска «следов» таких волн. Ударные волны могут быть идентифицированы по спектральным линиям горячих сильно возбужденных молекул. Такие молекулы были обнаружены при наблюдениях с Койперовской астрономической обсерватории; к ним относятся радикалы гидроксила - электрически заряженные фрагменты молекул воды, которые были с силой разорваны на части. Зарегистрировано также коротковолновое инфракрасное излучение горячих молекул водорода; оно указывает, что в некоторых местах температура облаков молекулярного газа достигает 2000 К - именно такая температура может создаваться ударными волнами. Каков источник плотных молекулярных пылевых облаков вблизи центра? Вещество содержит тяжелые элементы; это указывает на то, что оно было образовано в недрах звезд, где в результате элементы, такие как углерод, кислород и азот. Старые звезды расширяются и испускают огромное количество вещества, а в некоторых случаях взрываются как сверхновые. В любом случае тяжелые элементы выбрасываются в межзвездное пространство. Вещество облаков, находящихся вблизи центра Галактики, было, по-видимому, более основательно «обработано» внутри звезд, чем вещество, расположенное дальше от центра, поскольку вблизи центра особенно много некоторых редких изотопов, образующихся только внутри звезд. Не все это вещество было создано ранее существовавшими звездами в непосредственной близости от центра. Возможно, часть облаков была притянута извне. Под влиянием трения и магнитных полей вещество постепенно стягивается по направлению к центру, поэтому в этой области оно должно скапливаться.. Газ в Большом Магеллановом Облаке. Светящиеся газовые туманности- одни из наиболее красивых и впечатляющих объектов во Вселенной. Туманность 30 Золотой Рыбы является самой яркой и большой из газовых туманностей трех десятков галактик местной группы, включая нашу Галактику. Она имеет неправильную форму и огромные размеры. В то время как Большая туманность в созвездии Ориона видна невооруженным глазом в виде звезды с размытым изображением. Туманность 30 Золотой Рыбы занимает на небе площадь, сравнимую с диском солнца или полной луны, несмотря на то что она находится от нас в 100 с лишним раз дальше туманности Ориона. Ее диаметр составляет около 1000 световых лет, а туманности Ориона – всего три световых года. Газ туманности в значительной степени ионизирован: большая часть атомов потеряла по крайней мере по одному электрону. Оказывается, туманность 30 Золотой Рыбы содержит ионизированного газа в 1500 раз больше, чем туманность Ориона. Ионизация газа происходит под действием ультрафиолетового излучения, испускаемого массивными горячими молодыми звездами, находящимися в туманности. Двадцатый век породил удивительные науку и технику, они позволяют человеческой мысли проникать в глубины Вселенной, поистине за пределы известного мира. Наш кругозор и горизонты видимого мира расширились на столько, что человеческий разум, пытающийся сбросить с себя оковы земных предрассудков, едва способен овладеть им. Ученые, работающие в различных областях науки, пытаясь с помощью физических законов объяснить загадочные объекты, обнаруженные в наше время, убеждаются в том, что удивительная Вселенная, в которой мы живём, в основном ещё нам не известна. Если же какая-либо информация о Вселенной становится доступной, то часто даже самый дерзновенный ум оказывается не подготовленным к её восприятию в той форме, в какой её преподносит природа. Поражаясь необычности вновь открытых небесных объектов, следует помнить, что за всю историю человечества, ни одна наука не достигала столь феноменально быстрого развития, как наука об этих уникальных объектах. И всё это буквально за последние десятилетия. Утоляя присущую человеку неистощимую жажду познания, астрофизики неутомимо изучают природу этих небесных объектов, бросающих вызов человеческому разуму. 1.С.Данлоп «Азбука звёздного неба» (1990 г.) 2.И.Левитт «За пределами известного мира» (1978 г.) 3.Джон С. Матис «Объект необычайно высокой светимости в Большом Магелановом Облаке» (В мире науки. Октябрь 1984 г.) 4.Чарлз Г. Таунс, Рейнгард Гензел «Что происходит в центре нашей Галактики?» (В мире науки. Июнь 1990 г.) 5.Аванта плюс. Астрономия.