Из чего состоит межзвездная среда. Межзвёздная среда: газ и пыль

Пространство между звездами заполняют разреженный газ, пыль, магнитные поля и космические лучи.

Межзвездный газ. Его полная масса довольно велика - несколько процентов суммарной массы всех звезд нашей Галактики. Плотность газа в среднем составляет около 10 -21 кг/м 3 . При такой плотности в 1-2 см 3 межзвездного пространства содержится всего один атом газа.

Химический состав межзвездного газа примерно такой же, как и у звезд: больше всего водорода, затем идет гелий и очень немного всех остальных химических элементов.

Межзвездный газ прозрачен. Поэтому сам он не виден ни в какие телескопы, за исключением тех случаев, когда находится вблизи горячих звезд. Ультрафиолетовые лучи, в отличие от лучей видимого света, поглощаются газом и отдают ему свою энергию. Благодаря этому горячие звезды 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 (см. Туманности).

Более холодный, «невидимый» газ наблюдают радиоастрономическими методами (см. Радиоастрономия). Атомы водорода в разреженной среде излучают радиоволны на длине волны около 21 см. Поэтому из областей межзвездного газа непрерывно распространяются потоки радиоволн. Принимая и анализируя это излучение, ученые узнают о плотности, температуре и движении межзвездного газа в космическом пространстве.

Оказалось, что он распределен в пространстве неравномерно. Существуют газовые облака размером от одного до нескольких сотен световых лет и с низкой температурой - от десятков до сотен градусов Кельвина. Пространство между облаками заполнено более горячим и разреженным межоблачным газом.

Вдали от горячих звезд газ нагревается главным образом рентгеновскими и космическими лучами, непрерывно пронизывающими во всех направлениях межзвездное пространство. До больших температур его могут разогреть и сверхзвуковые волны сжатия - ударные волны, распространяющиеся с огромной скоростью в газе. Они образуются при взрывах сверхновых звезд и при столкновениях быстро движущихся масс газа.

Чем выше плотность газа или чем массивнее газовое облако, тем больше энергии требуется, чтобы его нагреть. Поэтому в плотных облаках температура межзвездного газа очень мала: встречаются облака с температурой от нескольких единиц до нескольких десятков градусов Кельвина. В таких областях водород и другие химические элементы объединяются в молекулы. При этом слабеет радиоизлучение на волне 21 см, потому что водород из атомарного (Н) становится молекулярным (Н 2). Но зато появляются линии радиоизлучения различных молекул на длинах волн от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров. Эти линии наблюдаются, и по ним можно судить о физическом состоянии газа в холодных облаках, которые часто так и называют: молекулярные облака или молекулярные газовые комплексы.

Путем радионаблюдений в линиях излучения молекул в нашей Галактике было обнаружено большое число гигантских молекулярных облаков с массой не менее 100 тыс. масс Солнца. Полное количество газа, содержащегося в них, сопоставимо с количеством атомарного водорода в Галактике. Области с наиболее высокой плотностью молекулярного газа образуют в Галактике широкое кольцо вокруг центра с радиусом 5-7 кпс.

По линиям радиоизлучения в межзвездной среде астрономам удалось обнаружить несколько десятков типов молекул: от простых двухатомных молекул СН, СО, CN до таких, как молекула муравьиной кислоты, этилового или метилового спирта, и более сложных многоатомных молекул. Но самыми распространенными молекулами все же являются молекулы водорода Н 2 .

Плотность и температура молекулярных облаков таковы, что газ в них стремится сжаться и уплотниться под действием собственной гравитации. Этот процесс, по-видимому, приводит к образованию звезд. Действительно, холодные молекулярные облака очень часто соседствуют с молодыми звездами.

Из-за превращения межзвездного газа в звезды его запасы в Галактике постепенно истощаются. Но газ частично возвращается из звезд в межзвездную среду. Это происходит при вспышках новых и сверхновых звезд, при истечении вещества с поверхности звезд и при образовании звездами планетарных туманностей.

В нашей Галактике, как и в большинстве других, газ концентрируется к плоскости звездного диска, образуя слой толщиной примерно в 100 пс. К краю Галактики толщина этого слоя постепенно увеличивается. Наибольшей плотности газ достигает в ядре Галактики и на расстоянии 5÷7 кпс от него.

На большом расстоянии от диска Галактики пространство заполнено очень горячим (более миллиона градусов) и крайне разреженным газом, но его полная масса невелика по сравнению с массой межзвездного газа вблизи плоскости Галактики.

Межзвездная пыль. В межзвездном газе в качестве небольшой примеси к нему (около 1% по массе) содержится пыль. Присутствие пыли заметно, прежде всего, по поглощению и отражению света звезд. Из-за поглощения света пылью мы почти не видим в направлении на Млечный Путь тех звезд, которые расположены дальше, чем 3-4 тыс. световых лет от нас. Ослабление света особенно сильно в синей (коротковолновой) области спектра. Поэтому далекие звезды выглядят покрасневшими. Особенно непрозрачны из-за большой плотности пыли плотные газопылевые облака - глобулы.

Отдельные пылинки имеют очень маленький размер - несколько десятитысячных долей миллиметра. Они могут состоять из углерода, кремния и различных смерзшихся газов. Зародыши или ядра пылинок, скорее всего, образуются в атмосферах холодных звезд-гигантов. Оттуда они давлением света звезды «выдуваются» в межзвездное пространство, где на них «намерзают» молекулы водорода, воды, метана, аммиака и других газов.

Межзвездное магнитное поле. Межзвездная среда пронизана слабым магнитным полем. Оно примерно в 100 000 раз слабее магнитного поля Земли. Но межзвездное поле охватывает гигантские объемы космического пространства, и поэтому его полная энергия очень велика.

Межзвездное магнитное поле практически не оказывает никакого влияния на звезды или планеты, но оно активно взаимодействует с движущимися в межзвездном пространстве заряженными частицами - космическими лучами. Действуя на быстрые электроны, магнитное поле «заставляет» их излучать радиоволны. Магнитное поле ориентирует определенным образом межзвездные пылинки, имеющие вытянутую форму, и свет далеких звезд, проходящий сквозь межзвездную пыль, приобретает новое свойство - становится поляризованным.

Очень большое влияние оказывает магнитное поле на движение межзвездного газа. Оно способно, например, затормозить вращение газовых облаков, воспрепятствовать сильному сжатию газа или таким образом направить движение газовых облаков, чтобы заставить их собраться в огромные газопылевые комплексы.

О космических лучах подробно рассказано в соответствующей статье.

Все четыре составляющие межзвездной среды тесно связаны друг с другом. Их взаимодействие сложно и еще не совсем ясно. При изучении межзвездной среды астрофизики опираются как на непосредственные наблюдения, так и на такие теоретические разделы физики, как физика плазмы, атомная физика и магнитная газодинамика.

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.

Часть вторая ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ

11. Условия, необходимые для возникновения и развития жизни на планетах

Часть третья РАЗУМНАЯ ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ

20. Радиосвязь между цивилизациями, находящимися на различных планетных системах

21. Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами

22. Связь с инопланетными цивилизациями с помощью автоматических зондов

23. Теоретико-вероятностный анализ межзвездной радиосвязи. Характер сигналов

24. О возможности прямых контактов между инопланетными цивилизациями

25. Замечания о темпах и характере технологического развития человечества

II. Возможна ли связь с разумными существами других планет?

Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ

3. Межзвездная среда Согласно современным представлениям, звезды образуются путем конденсации весьма разреженной межзвездной газопылевой среды. Поэтому, прежде чем рассказать о путях эволюции звезд, нам придется остановиться на свойствах межзвездной среды. Этот вопрос имеет также самостоятельное значение для интересующей нас проблемы. В частности, решение вопроса об установлении различных типов связи между цивилизациями, находящимися на различных планетных системах, зависит от свойств среды, заполняющей межзвездное пространство, разделяющее эти цивилизации. Межзвездный газ был обнаружен в самом начале текущего столетия благодаря поглощению в линиях ионизованного кальция, которое он производит в спектрах удаленных горячих звезд * . С тех пор методы изучения межзвездного газа непрерывно улучшались и достигли высокой степени совершенства. В итоге большой многолетней работы, проделанной астрономами, сейчас свойства межзвездного газа можно считать достаточно хорошо известными: Плотность межзвездной газовой среды ничтожна. В среднем в областях межзвездного пространства, расположенных недалеко от галактической плоскости, в 1 см 3 находится примерно 1 атом. Напомним, что в таком же объеме воздуха находится 2,7x10 19 молекул. Даже в самых совершенных вакуумных камерах концентрация атомов не меньше чем 10 3 см 3 . И все же межзвездную среду нельзя рассматривать как вакуум! Дело в том, что вакуумом, как известно, называется такая система, в которой длина свободного пробега атомов или молекул превышает характерные размеры этой системы. Однако в межзвездном пространстве средняя длина свободного пробега атомов в сотни раз меньше, чем расстояния между звездами. Поэтому мы вправе рассматривать межзвездный газ как сплошную, сжимаемую среду и применять к этой среде законы газовой динамики. Химический состав межзвездного газа довольно хорошо исследован. Он сходен с химическим составом наружных слоев звезд главной последовательности. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). Возможно, что значительная часть межзвездного газа находится в форме молекулярного водорода. Развитие внеатмосферной астрономии открыло возможность наблюдения линий молекулярного водорода в далекой ультрафиолетовой части спектра. Физические свойства межзвездного газа существенно зависят от того, находится ли он в сравнительной близости от горячих звезд или, напротив, достаточно удален от них. Дело в том, что ультрафиолетовое излучение горячих звезд, полностью ионизует водород на огромных расстояниях. Так, звезда класса 05 ионизует вокруг себя водород в гигантской области радиусом около 100 пк. Температура межзвездного газа в таких областях (определяемая как характеристика беспорядочных тепловых движений частиц) достигает 10 тыс. К. При этих условиях межзвездная среда излучает отдельные линии в видимой части спектра, в частности красную водородную линию. Эти области межзвездной среды носят название "зоны HII". Однако большая часть межзвёздной среды достаточно удалена от горячих звезд. Водород там не ионизован. Температура газа низкая, около 100 К или ниже. Именно здесь имеется значительное количество молекул водорода. Кроме газа, в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры таких пылинок составляют 10 -4 - 10 -5 см. Они являются причиной поглощения света в межзвездном пространстве, из-за которого мы не можем наблюдать объекты, находящиеся в галактической плоскости на расстояниях, больших 2-3 тыс. пк. К счастью, космическая пыль, так же как и связанный с ней межзвездный газ, сильно концентрируется к галактической плоскости. Толщина газопылевого слоя составляет всего лишь около 250 пк. Поэтому излучение от космических объектов, направления на которые составляют значительные углы с галактической плоскостью, поглощается незначительно. Межзвездные газ и пыль перемешаны. Отношение средних плотностей газа и пыли в межзвездном пространстве равно приблизительно 100:1. Наблюдения показывают, что пространственная плотность газопылевой межзвездной среды меняется весьма нерегулярно. Для этой среды характерно резко выраженное "клочковатое" распределение. Она существует в виде облаков (в которых плотность раз в 10 больше средней), разделенных областями, где плотность ничтожно мала. Эти газопылевые облака сосредоточены преимущественно в спиральных ветвях Галактики и участвуют в галактическом вращении. Отдельные облака имеют скорости в 6-8 км/с, о чем уже говорилось. Наиболее плотные из таких облаков наблюдаются как темные или светлые туманности. Значительное количество сведений о природе межзвездного газа было получено за последние три десятилетия благодаря весьма эффективному применению радиоастрономических методов. Особенно плодотворными были исследования межзвездного газа на волне 21 см. Что это за волна? Еще в сороковых годах теоретически было предсказано, что нейтральные атомы водорода в условиях межзвездного пространства должны излучать спектральную линию с длиной волны 21 см. Дело в том, что основное, самое "глубокое" квантовое состояние атома водорода состоит из двух очень близких уровней. Эти уровни различаются ориентациями магнитных моментов ядра атома водорода (протона) и вращающегося вокруг него электрона. Если моменты ориентированы параллельно, получается один уровень, если антипараллельно - другой. Энергия одного из этих уровней несколько больше другого (на величину, равную удвоенному значению энергии взаимодействия магнитных моментов электрона и протона). Согласно законам квантовой физики, время от времени должны самопроизвольно происходить переходы с уровня большей энергии на уровень меньшей энергии. При этом будет излучаться квант с частотой, пропорциональной разности энергий уровней. Так как последняя в нашем случае очень мала, то и частота излучения будет низкой. Соответствующая длина волны будет равна 21 см. Расчеты показывают, что такие переходы между уровнями атома водорода происходят чрезвычайно редко: в среднем для одного атома имеет место один переход в 11 млн лет! Чтобы почувствовать ничтожную величину вероятности таких процессов, достаточно сказать, что при излучении спектральных линий в оптическом диапазоне переходы происходят каждую стомиллионную долю секунды. И все же оказывается, что эта линия, излучаемая межзвездными атомами, имеет вполне наблюдаемую интенсивность. Так как межзвездные атомы имеют различные скорости по лучу зрения, то из-за эффекта Доплера излучение в линии 21 см будет "размазано" в некоторой полосе частот около 1420 МГц (эта частота соответствует длине волны 21 см). По распределению интенсивности в этой полосе (так называемому "профилю линии") можно изучить все движения, в которых участвуют межзвездные атомы водорода. Таким путем удалось исследовать особенности галактического вращения межзвездного газа, беспорядочные движения отдельных его облаков, а также его температуру. Кроме того, из этих наблюдений определяется количество атомов водорода в межзвездном пространстве. Мы видим, таким образом, что радиоастрономические исследования на волне 21 см являются мощнейшим методом изучения межзвездной среды и динамики Галактики. В последние годы этим методом изучаются другие галактики, например туманность Андромеды. По мере увеличения размеров радиотелескопов будут открываться все новые возможности изучения более удаленных галактик при помощи радиолинии водорода. В конце 1963 г. была обнаружена еще одна межзвездная радиолиния, принадлежащая молекулам гидроксила ОН, с длиной волны 18 см. Существование этой линии было теоретически предсказано автором этой книги еще в 1949 г. В направлении на галактический центр интенсивность этой линии (которая наблюдается в поглощении) оказалась очень высокой ** . Это подтверждает сделанный выше вывод, что в отдельных областях межзвездного пространства газ находится преимущественно в молекулярном состоянии. В 1967 г. была открыта радиолиния воды Н 2 О с длиной волны 1,35 см. Исследования газовых туманностей в линиях ОН и Н 2 О привели к открытию космических мазеров ( см. следующую главу). За последние 20 лет, протекшие после открытия межзвездной радиолинии ОН, было открыто много других радиолиний межзвездного происхождения, принадлежащих различным молекулам. Полное число обнаруженных таким образом молекул уже превышает 50. Среди них особенно большое значение имеет молекула СО, радиолиния которой с длиной волны 2,64 мм наблюдается почти во всех областях межзвездной среды. Есть молекулы, радиолинии от которых наблюдаются исключительно в плотных, холодных облаках межзвездной среды. Довольно неожиданным было обнаружение в таких облаках радиолиний весьма сложных многоатомных молекул, например, СН 3 НСО, CH 3 CN и др. Это открытие, возможно, имеет отношение к волнующей нас проблеме происхождения жизни во Вселенной. Если открытия будут и дальше делаться в таком темпе, кто знает, не будут ли обнаружены нашими приборами межзвездные молекулы ДНК и РНК? ( см. гл. 12). Весьма полезным является то обстоятельство, что соответствующие радиолинии, принадлежащие различным изотопам одной и той же молекулы, имеют довольно заметно различающиеся длины волн. Это позволяет исследовать изотопный состав межзвездной среды, что имеет большое значение для изучения проблемы эволюции вещества во Вселенной. В частности, раздельно наблюдаются такие изотопные комбинации окиси углерода: 12 С 16 О, 13 C 16 O, и 12 С 18 О. Области межзвездной среды, окружающей горячие звезды, где водород полностью ионизован ("зоны HII"), весьма успешно исследуются при помощи так называемых "рекомбинационных" радиолиний, существование которых было теоретически предсказано еще до их открытия советским астрономом Н.С.Кардашевым, много занимавшимся также проблемой связи с внеземными цивилизациями ( см. гл. 26). "Рекомбинационные" линии возникают при переходах между весьма высоко возбужденными атомами (например, между 108 и 107 уровнями атома водорода). Столь "высокие" уровни могут существовать в межзвездной среде только по причине ее чрезвычайно низкой плотности. Заметим, например, что в солнечной атмосфере могут существовать только первые 28 уровней атома водорода; более высокие уровни разрушаются благодаря взаимодействию с частицами окружающей плазмы. Уже сравнительно давно астрономы получили ряд косвенных доказательств наличия межзвездных магнитных полей. Эти магнитные поля связаны с облаками межзвездного газа и движутся вместе с ними. Напряженность таких полей около 10 -5 Э, т. е. в 100 тыс. раз меньше напряженности земного магнитного поля на поверхности нашей планеты. Общее направление магнитных силовых линий совпадает с направлением ветвей спиральной структуры Галактики. Можно сказать, что сами спиральные ветви представляют собой гигантских размеров магнитные силовые трубки. В конце 1962 г. факт существования межзвездных магнитных полей был установлен английскими, радиоастрономами путем прямых наблюдений. С этой целью исследовались весьма тонкие поляризационные эффекты в радиолинии 21 см, наблюдаемой в поглощении в спектре мощного источника радиоизлучения - Крабовидной туманности (об этом источнике см. гл. 5) *** . Если межзвездный газ находится в магнитном поле, можно ожидать расщепления линии 21 см на несколько компонент, отличающихся поляризацией. Так как величина магнитного поля очень мала, это расщепление будет совершенно ничтожным. Кроме того, ширина линии поглощения 21 см довольно значительна. Единственное, что можно ожидать в такой ситуации, - это небольшие систематические различия поляризации в пределах профиля линий поглощения. Поэтому уверенное обнаружение этого тонкого эффекта - замечательное достижение современной науки. Измеренное значение межзвездного магнитного поля оказалось в полном соответствии с теоретически ожидаемым согласно косвенным данным. Для исследований межзвездных магнитных полей применяется и радиоастрономический метод, основанный на изучении вращения плоскости поляризации радиоизлучения внегалактических источников **** при его прохождении через "намагниченную" межзвездную среду ("явление Фарадея"). Этим методом уже сейчас удалось получить ряд важных данных о структуре межзвездных магнитных полей. В последние годы в качестве источников поляризованного излучения для измерения межзвездного магнитного поля таким методом используются пульсары ( см. гл. 5). Межзвездные магнитные поля играют решающую роль при образовании плотных холодных газопылевых облаков межзвездной среды, из которых конденсируются звезды ( см. гл. 4). С межзвездными магнитными полями тесно связаны первичные космические лучи, заполняющие межзвездное пространство. Это частицы (протоны, ядра более тяжелых элементов, а также электроны), энергии которых превышают сотни миллионов электронвольт, доходя до 10 20 -10 21 эВ. Они движутся вдоль силовых линий магнитных полей по винтовым траекториям. Электроны первичных космических лучей, двигаясь в межзвездных магнитных полях, излучают радиоволны. Это излучение наблюдается нами как радиоизлучение Галактики (так называемое "синхротронное излучением). Таким образом, радиоастрономия открыла возможность изучать космические лучи в глубинах Галактики и даже далеко за ее пределами. Она впервые поставила проблему происхождения космических лучей на прочный научный фундамент. Исследователи, работавшие над проблемой происхождения жизни, до недавнего времени оставляли без внимания вопрос о первичных космических лучах. Между тем уровень жесткой радиации, вызывающей мутации, является, на наш взгляд, весьма существенным эволюционным фактором. Имеются все основания полагать, что ход эволюции жизни был бы совсем другим, если бы уровень жесткой радиации (который сейчас в значительной степени обусловлен первичными космическими лучами) был бы в десятки раз выше современного значения. Отсюда возникает важный вопрос: остается ли постоянным уровень космической радиации на какой-нибудь планете, на которой развивается жизнь? Речь идет о сроках, исчисляемых многими сотнями миллионов дет. Мы увидим в следующих главах этой книги, как современная астрофизика и радиоастрономия отвечают на этот вопрос. Масса межзвездного газа в нашей Галактике близка к миллиарду солнечных масс, что составляет немногим больше 1% от полной массы Галактики, обусловленной в основном звездами. В других звездных системах относительное содержание межзвездного газа меняется в довольно широких пределах. У эллиптических галактик оно очень мало, около 10 -4 и даже меньше, в то время как у неправильных звездных систем (типа Магеллановых Облаков) содержание межзвездного газа доходит до 20 и даже 50%. Это обстоятельство тесно связано с вопросом об эволюции звездных систем, о чем речь будет идти в гл. 6 .

* Собственные линии поглощения ионизованного кальция у таких звезд отсутствуют, ак как температуры их поверхностных слоев слишком высоки.
** Линия ОН состоит из четырех близких по частотам компонент (1612, 1665, 1667 и 1720 МГц).
*** Линия поглощения 21 см, обусловленная межзвездным водородом, образуется в радиоспектре какого-либо источника совершенно таким же образом, как линии межзвездного кальция в спектрах удаленных горячих звезд.
**** Радиоизлучение от мегагалактических источников линейно поляризовано, причем степень поляризации рбычно порядка нескольких процентов. Поляризация этого радиоизлучения объясняется его синхротроннои природой (см. ниже).

Природа межзвёздной среды привлекала внимание астрономов и ученых в течение столетий. Сам термин «Межзвёздная среда» впервые был использован Ф. Бэконом в г. . «О, Небеса между звёздами, они имеют так много общего со звёздами, вращаясь (вокруг Земли) также как любая другая звезда». Позднее натурфилософ Роберт Бойль в 1674 году возражал: «Межзвёздная область небес, как полагают некоторые современные эпикурейцы , должна быть пустой».

После создания современной электромагнитной теории некоторые физики постулировали, что невидимый светоносный эфир является средой для передачи световых волн. Они также полагали, что эфир заполняет межзвёздное пространство. Р. Паттерсон в 1862 году писал : «Это истечение является основой вибраций или колебательных движений в эфире, который заполняет межзвёздное пространство».

Применение глубоких фотографических обзоров ночного неба позволило Э. Барнарду получить первое изображение тёмной туманности , которое силуэтом выделялось на фоне звёзд галактики. Однако, первое открытие холодной диффузной материи было сделано Д. Гартманом в 1904 году после обнаружения неподвижного спектра поглощения в спектре излучения двойных звёзд , наблюдавшихся с целью проверки эффекта Доплера .

В своём историческом исследовании спектра Дельты Ориона Гартман изучал движение по орбите компаньонов системы Дельты Ориона и свет, приходящий от звезды и понял, что некоторая часть света поглощается на пути к Земле. Гартман писал, что «линия поглощения кальция очень слаба», а также, что «некоторым сюрпризом оказалось то, что линии кальция на длине волны 393.4 нанометров не движутся в периодическом расхождении линий спектра, которое присутствует в спектроскопически-двойных звёздах ». Стационарная природа этих линий позволила Гартману предположить, что газ, ответственный за поглощение не присутствует в атмосфере Дельты Ориона, но, напротив, находится вне звезды и расположен между звездой и наблюдателем. Это исследование и стало началом изучения межзвездной среды.

После исследований Гартмана, Эгером в 1919 году во время изучения линий поглощения на волнах 589.0 и 589.6 нанометров в системах Дельты Ориона и Беты Скорпиона был обнаружен в межзвёздной среде натрий .

Дальнейшие исследования линий «H» и «K» кальция Билзом (1936) позволили обнаружить двойные и несимметричные профили спектра Эпсилон и Дзета Ориона . Это были первые комплексные исследования межзвёздной среды в созвездии Ориона . Асимметричность профилей линий поглощения была результатом наложения многочисленных линий поглощения, каждая из которых соответствовала атомным переходам (например, линия «K» кальция) и происходила в межзвёздных облаках, каждое из которых имело свою собственную лучевую скорость . Так как каждое облако движется с разной скоростью в межзвёздном пространстве, как по направлению к Земле, так и удаляясь от неё, то в результате эффекта Доплера , линии поглощения сдвигались, либо в фиолетовую , либо в красную сторону соответственно. Это исследование подтвердило, что материя не распределена равномерно по межзвёздному пространству.

Интенсивные исследования межзвёздной материи позволили У. Пикерингу в 1912 году заявить , что «межзвёздная поглощающая среда, которая как показал Каптейн , поглощает только на некоторых волнах, может свидетельствовать о наличии газа и газообразных молекул, которые исторгаются Солнцем и звёздами ».

Торндайк в 1930 году писал: «Было бы ужасно осознавать, что существует непреодолимая пропасть между звёздами и полной пустотой. Полярные сияния возбуждаются заряженными частицами, которые эмитирует наше Солнце . Но если миллионы других звёзд также испускают заряженные частицы, а это непреложный факт, то абсолютный вакуум вообще не может существовать в галактике» .

Наблюдательные проявления

Перечислим основные наблюдательные проявления:

Наличие светящихся туманностей ионизированного водорода вокруг горячих звёзд и отражательных газо-пылевых туманностей в окрестностях более холодных звёзд.
Ослабление света звёзд (межзвёздное поглощение) из-за пыли, входящей в состав межзвёздной среды. А также связанным с этим покраснения света; наличие непрозрачных туманностей.
Поляризация света на пылинках, ориентированных вдоль магнитного поля Галактики.
Инфракрасное излучение межзвёздной пыли
Радиоизлучение нейтрального водорода в радиодиапазоне на длине волны в 21 см
Мягкое рентгеновское излучение горячего разреженного газа.
Синхротронное излучение релятивистских электронов в межзвёздных магнитных полях.
Излучение космических мазеров .

Структура МЗС крайне нетривиальна и неоднородна: гигантские молекулярные облака, отражательная туманность, протопланетная туманность, планетарная туманность, глобула и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов происходящих в среде. Далее в таблице приведены свойства основных компонентов среды для диска:

Фаза	Температура (К)	Концентрация	Масса облаков ()	Размер (пк)	Доля занимаемого объёма	Способ наблюдения
Корональный газ	≈5·	~0.003	-	-	~0.5	Рентген, линии поглощения металлов в УФ
Яркие области HII	≈	~30	~300	~10	~	Яркая линия Hα
Зоны HII низкой плотности	≈	~0.3	-	-	~0.1	Линия Hα
Межоблачная среда	≈	~0.1	-	-	~0.4	Линия Lyα
Тёплые области HI	~	~1	-	-	~0.01	Излучения HI на λ=21 см
Мазерные кондесации		~	~	~		Мазерное излучение
Облака HI	≈80	~10	~100	~10	~0.01	Поглощения HI на λ=21 см
Гигантские молекулярные облака	~20	~300	~3	~40	~3
Молекулярные облака	≈10	~	~300	~1	~	Линии поглощения и излучения молекулярного водорода в радио и инфракрасном спектре.
Глобулы	≈10	~	~20	~0.3	~3	Поглощение в оптическом диапазоне.

Мазерный эффект

Крабовидная Туманность, зелёный цвет - мазерное излучение

В 1965 г. в ряде спектров радиоизлучения были обнаружены очень интенсивные и узкие линии c λ=18 см. Дальнейшие исследования показали, что линии принадлежат молекуле OH, а их необычные свойство - результат мазерного излучения. В 1969 открывает мазерные источники от молекулы воды на λ=1,35 см, позже были обнаружены мазеры работающие и на других молекулах. Для мазерного излучения необходима инверсная населённость уровней (количество атомов на верхнем резонансном уровне больше чем на нижнем). Тогда проходя сквозь вещество свет с резонансной частотой волны усиливается, а не ослабевает (это и называется мазерным эффектом). Для поддержания инверсной населённости необходима постоянная накачка энергией, поэтому все космические мазеры делятся на два типа:

Физические особенности

Отсутствие локального термодинамического равновесия (ЛТР)

В межзвёздной среде концентрация атомов мала и оптические толщи малы. Это значит, что температура излучения - это температура излучения звёзд (~5000 К) и никак не соответствует температуре самой среды. При этом электронная и ионная температуры плазмы могут сильно отличаться друг от друга, поскольку обмен энергии при соударении происходит крайне редко. Таким образом, не существует единой температуры даже в локальном смысле.

Распределение числа атомов и ионов по населённостям уровней определяется балансом процессов рекомбинации и ионизации. ЛТР требует, чтобы эти процессы были в равновесии, чтобы выполнялось условие детального баланса, однако, в межзвёздной среде прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, и поэтому детальный баланс установиться не может.

Солнечный ветер это поток заряженных частиц (в основном водородной и гелиевой плазмы), с огромной скоростью истекающих из солнечной короны с нарастающей скоростью. Скорость солнечного ветра в гелиопаузе составляет примерно 450 км/с. Эта скорость превышает скорость звука в межзвездной среде. И если представить себе столкновение межзвездной среды и солнечного ветра как столкновение двух потоков, то при их взаимодействии возникнут ударные волны. А саму среду можно разделить на три области: область где есть только частицы МЗС, область где только частицы звездного ветра и область их взаимодействия.

И если бы межзвездный газ был бы полностью ионизован, как изначально предполагалось, то все бы обстояло именно так, как было выше описано. Но, как показали уже первые наблюдения межпланетной среды в Ly-aplha, нейтральные частицы межзвездной среды проникают в Солнечную систему . Иными словами Солнце взаимодействует с нейтральным и ионизированным газом по-разному.

Движение Солнечной системы в Местном Межзвёздном Облаке

Взаимодействие с ионизованным газом

Граница ударной волны

Сначала солнечный ветер тормозится, становится более плотным, тёплым и турбулентным . Момент этого перехода называется границей ударной волны (termination shock) и находится на расстоянии около 85-95 а. е. от Солнца. (По данным, полученным с космических станций «Вояджер-1» и Вояджер-2 , которые пересекли эту границу в декабре 2004 года и августе 2007.)

Гелиосфера и гелиопауза

Ещё приблизительно через 40 а. е. солнечный ветер сталкивается с межзвёздным веществом и окончательно останавливается. Эта граница, отделяющая межзвёздную среду от вещества Солнечной системы, называется гелиопаузой . По форме она похожа на пузырь, вытянутый в противоположную движению Солнца сторону. Область пространства, ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой .

это вещество, наблюдаемое в пространстве между звездами.

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 (18961956) и советским астрономом Б.А.Воронцовым-Вельяминовым (19041994), 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.

Каплан С.А., Пикельнер С.Б. Физика межзвездной среды . М., 1979
Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть . М., 1984
Спитцер Л. Пространство между звездами . М., 1986
Бочкарев Н.Г. Основы физики межзвездной среды . М., 1992
Сурдин В.Г. Рождение звезд . М., 1997
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии . М., 2001

Найти "МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА " на

Главная » Времена в английском языке » Из чего состоит межзвездная среда. Межзвёздная среда: газ и пыль