Что представляют собой туманности. Как устроены звёздные туманности
Туманности в космосе представляют собой участки межзвездной среды, отличающиеся от общего фона своими излучениями или поглощением этого излучения. Но ранее, определение этого термина, было более широко, чем сегодня, и под это же определение подпадали и некоторые галактики. Явный тому пример – галактика М31, более известна как туманность Андромеды. Но на сегодняшний день, с развитием технологий наблюдения, все стало намного яснее.
В первую очередь нужно сказать, что все туманности состоят из плазмы, пыли и газа. Вот поэтому некоторые из них и называют – газопылевыми.
Классификация
Первое, на что обращают внимания, при классификации туманностей, так это поглощение (излучение) либо же рассеивание ими света. Именно по этому критерию, все туманности в космосе делят на:
Тёмные; поглощают излучение находящихся за ними источников светлые. имеют собственное излучение, или отражают (рассеивают) свет, испускаемый рядом находящимися звёздами
Источники энергии, для излучения светлых туманностей имеют разнообразную природу и, всецело, зависят от происхождения самых туманностей.
Следующее деление, это:
- газовые туманности;
- пылевые туманности.
Вообще-то, такое деление имеет условный характер, так как все они содержат и газ, и пыль. Обусловливается этот факт разными способами наблюдения, а также ихними механизмами излучения.
Наличие пыли ярко выражается при том, как тёмные туманности поглощают излучение находящихся за ними источников, а также при отражении, рассеивании или же при переизлучении света, идущего от находящихся в туманности или в непосредственной близости звёзд. Причиной такого явления служит сама пыль в туманностях.
Газовая компонента туманности, излучает в двух случаях. Первый, это при её ионизации ультрафиолетовым излучением от располагающейся в самой туманности, или за ней, горячей звезды или группы звезд (например, вокруг звёздных ассоциаций). При таком варианте туманность будет называться эмиссионная. Вторая – когда нагревается межзвёздная среда, от ударной волны, вследствие взрыва сверхновой или от мощного звёздного ветра от звёзд типа Вольфа-Райе, или О-звёзд
Тёмная туманность
Тёмные туманности в космосе – это плотные, зачастую молекулярные облака межзвёздного газа, и конечно межзвёздной пыли, поглощающие свет. В большинстве случаев наблюдаются на фоне светлых туманностей или на фоне Млечного пути. Самая знаменитая представительница этого вида, это туманность Конская голова, в созвездии Ориона.
Разобрать структуру таких туманностей возможно только при изучении молекулярных радиолиний и инфракрасного излучения пыли. Оптическое изучение невозможно, из-за сильного поглощения света. Эта величина обозначается как А V , которая достигает 100 m (m – звёздная величина, см. терминологию сайта). Иногда, внутри тёмных туманностей наблюдаются уплотнения, у которых А V =10000 m . По всей видимости, эти уплотнения являются областями звездообразования – колыбелью для будущих ночных светил.
Отражательная (светлая) туманность
Является газопылевым облаком, подсвечиваемым звёздами. Как упоминалось выше, светятся они за счет ионизации газа, от расположенной внутри туманности звезды. Но если такова звезда или же звёзды недостаточно горячи, чтобы ионизировать вокруг себя значительное количество газа, то источником излучения такой туманности выступает рассеивание света, идущего от этих же звёзд. Явным тому примером выступают туманности, окутывающие яркие звезды, в скоплении Плеяды (М45) в созвездии Тельца.
Отражательные туманности очень трудные для оптического наблюдения и изучения, из-за очень низкой яркости. Нередко проецируясь на фотографиях галактик, такая туманность вводит в заблуждения ученых, заставляя их думать, что та или иная галактика имеет «хвост» или перемычку.
Некоторые из отражательных туманностей имеют вид кометы, и называются кометарными. В самой яркой части такой туманности находиться переменная звезда типа Т Тельца. Вследствие чего и сама туманность, естественно будет иметь переменную яркость. Размеры таких объектов, как правило, очень малы.
Существует и ещё один, редкий вид отражательных туманностей – световое эхо. Рождаются они после вспышек новых звёзд (например, в 1901 году, после вспышки новой, в созвездии Персея), свет от которой подсвечивает, возможно, находящуюся там пыль. Световое эхо наблюдается на протяжении мизерного количества времени.
Эмиссионная туманность
Эмиссионные туманности в космосе являются облаками ионизированного газа, видимые при оптическом наблюдении. Причиной их свечения является излучение высокоэнергетических фотонов, идущих от ближайшей горячей звезды. Такие туманности разделяют на два вида:
- зоны Н II (области ионизированного водорода);
- планетарные туманности.
В первых практически всё вещество ионизировано и очень нагрето, порядка 10000К. Причиной такого нагрева является ультрафиолетовое излучение, от расположенной близко звезды.
Я считаю лишним дальше углубляться в структуру зон H II, т. к. используемая при дальнейшем описании терминология будет сложна для восприятия, и на один лист она не поместиться. Можно только добавить, что вокруг зон H II обычно расположены зоны ионизированного углерода (С II), также входящие в состав таких туманностей.
Зоны H II выступают активными областями звездозарождения. Примером служит туманность NGC604, находящаяся в галактике Треугольника (М33, NGC598).
Вторая разновидность эмиссионных туманностей, это расширяющиеся планетарные туманности. Представляют собой верхние истекающие слои атмосферы звёзд. Как правило, это сброшенная оболочка звезды гиганта. Примером служит туманность Кошачий глаз (NGC6543), в созвездии Дракона.
Туманности, созданные за счёт ударной волны
Этот вид туманностей объединяет в себя ещё такие подвиды как:
- остатки новых и сверхновых звёзд;
- туманности вокруг звёзд класса О;
- туманности вокруг звёзд типа Вольфа-Райе;
- туманности в областях звездозарождения.
В первую очередь объединяет их общий механизм происхождения. Рождаются они за счёт выброса вещества в пространство. Источником такого выброса выступает звезда (сброс оболочки, взрывы, звёздный ветер). Выброшенное вещество обладает начальной скоростью, порой доходящей до тысяч км/с. Из-за этого температура газа за ударной волной может достигать миллиардов градусов.
Газ, нагретый до таких температур, будет излучать в рентгеновском диапазоне, но в оптическом – светится слабо. При движении ударной волны, она будет встречаться со своеобразными уплотнениями в межзвёздной среде, проходя через которые, ударная волна будет тормозиться. Вследствие такого снижения скорости газ начнёт излучать в оптическом диапазоне, поэтому на снимках таких туманностей хорошо видна их структура, состоящая из ярких волокон.
Следующий фактор, объединяющий туманности от ударных волн – это недолговечность их существования. Как правило, они будут распадаться, когда исчерпается вся кинетическая энергия самой ударной волны.
Остатки новых и сверхновых звёзд
Такие туманности образуются после взрыва сверхновых и новых звёзд, и являются остатками этих же самых звёзд. В центре такой туманности обычно остается пульсар. Яркая представительница такой туманности – это Крабовидная туманность (М1), сформированная после взрыва сверхновой звезды в 1054 году, в созвездии Тельца.
Туманности вокруг звёзд класса О
Образуются такие туманности вокруг горячих и ярких звёзд, со спектральным классом О-Of, которые обладают сильным звёздным ветром. Они обладают большими размерами, меньшей яркостью, и скорее всего большей продолжительностью жизни, чем следующий вид туманности в космосе.
Туманности вокруг звёзд типа Вольфа-Райе
Звёзды типа Вольфа-Райе, как и О-звёзды обладают очень сильным звездным ветром, создающим ударную волну, приводящей впоследствии к рождению туманности. Вокруг этих звёзд туманности имеют поперечник в несколько парсек и продолжительность жизни около 10 5 лет.
Туманности в областях звездозарождения
Такие туманности, в космосе редки, и возникают вследствие ударной волны, образовавшейся внутри области рождения звёзд. Они приводят к сильному нагреву газа, светящемуся, сильнее всего в инфракрасном диапазоне. Несколько таких туманностей обнаружены в созвездии Ориона.
Во Вселенной, кроме звезд, планет и галактик, имеются и диффузные туманности. Их роль в развитии космического пространства огромна: именно в недрах туманностей зарождаются звезды. Туманности состоят из двух компонентов – газа и пыли. Газ имеет доисторическое происхождение, т.е. он сформировался на заре возникновения Вселенной, именно в это время образовались водород и гелий – основные составляющие первых звезд. Более тяжелые элементы появились позже, когда начали происходить вспышки звезд и выбросы в межзвездную среду.
Пыль, входящая в состав туманностей, состоит из смеси углерода в разных стадиях сцепления и силикатов, также имеются следы и других органических веществ. Газ – это в основном водород.
В принципе, туманности представляют собой области с уплотненной под влиянием гравитации межзвездной средой, в которой сформировались облака. Увеличиваясь в размерах, они притянули к себе часть материи из окружающей среды. Иногда эти облака становятся видимыми из-за того, что относительно молодые звезды, входящие в их состав, возбуждают атомы. В результате туманность приобретает яркость.
Классификация туманностей
В небе много туманностей. Их делят на три типа: эмиссионные туманности, светлые (они светятся отраженным светом) и темные. За основу такого деления берется внешний вид туманностей и явления, характерные для них. Эмиссионные туманности – яркие, так как атомы возбуждаются под действием ультрафиолетового излучения близлежащих молодых звезд. Сами туманности также превращаются в источник радиации.
Светлые туманности не излучают радиацию, а отражают свет ближайших звезд. Классический пример светлой туманности – голубоватая туманность, окружающая рассеянное звездное скопление Плеяд. Темные туманности представляют собой плотную концентрацию пыли, активно поглощающую свет. Они становятся видимыми лишь при условии нахождения за ними источника блеска.
Многие туманности легко различимы, иногда даже невооруженным глазом. Вполне достаточно воспользоваться биноклем или небольшим любительским телескопом. Такие туманности зафиксированы в известном каталоге Мессье. Этот французский астроном составил его во второй половине XVIII в..
Самая яркая туманность нашего полушария – туманность Ориона, в каталоге она имеет обозначение М42. Пожалуй, это первый небесный объект, на который любители неба нацеливают свои астрономические инструменты длинными зимними ночами.
Есть и много других очень красивых туманностей. Вот несколько примеров.
Туманность в созвездии Стрельца
Туманность Лагуна, М8, расположена в созвездии Стрельца. В этой области небесного свода находится много туманностей. Это очень “заселенный” район Млечного Пути, здесь много газовых облаков.
М8 находится рядом с рассеянным звездным скоплением – такое сочетание встречается нередко. Как уже отмечалось, туманности являются зонами звездообразования и часто внутри них или рядом располагаются скопления молодых и ярких звезд. Уже при помощи небольшого бинокля можно рассмотреть некоторые детали М8, а используя более мощный бинокль, - увидеть характерные особенности, например темную полосу внутри облака.
В рассеянном звездном скоплении NGC 6530 видны примерно 40 звезд, звездная величина которых от 8 до 13. Их свет возбуждает атомы туманности, в результате она становится видимой.
В М8 имеются и глобулы Бока, темные зоны, диаметр которых равен десяткам тысяч а.е. Расстояние до М8 составляет 3000-4000 световых лет. В созвездии Стрельца находится и М20, типичная эмиссионная туманность. Имеется в виду туманность Трифида (“разделенная на три части”). Название отражает ее форму.
Эта туманность была открыта астрономом Ле Жантилем в 1750 г., но ее первое описание появилось только в 1764г. Это сделал Мессье. Уильям Гершель определил три линии, которые делят эту туманность на три треугольных сектора. С помощью бинокля можно увидеть самую блестящую часть туманности. Она смотрится как круглое пятно диаметром до 10’. Существование темных зон, которые делят облако на три части, связано с присутствием в его составе пыли и холодных газов.
Расстояние до М20 составляет примерно 3200 световых лет. В созвездии Стрельца, в середине Млечного Пути, находится и туманность М24, наблюдаемая невооруженным глазом. Она была открыта раньше, еще до того, как Мессье внес ее в свой каталог. Этот астроном полагал, что ее диаметр составляет около 1,5°.
Туманность Орел в созвездии Змеи
М16, туманность Орел, была открыта Де Шезо в 1746 г. Мессье зафиксировал ее через два года. Эта туманность располагается на границе созвездий Щита и Змеи. Внутри ее имеется темная область, которая вытягивается от северной к центральной части облака.
Звездное скопление насчитывает несколько десятков звезд, некоторые из них очень слабые, красного цвета. Звездная величина самых ярких звезд составляет от 8 до 11, они относятся к спектральным классам О и В, т.е. это классические горячие и молодые звезды. М16 – это эмиссионная туманность, но в ней присутствует и элемент отражательной туманности. Расстояние до нее составляет от 5000 до 11 000 световых лет, в среднем около 7500.
Планетарные туманности
Кроме диффузных, существуют и планетарные туманности. Их название связанно с тем, что в начале наблюдатели часто путали их с планетами, так как они имеют круглую форму.
Эти туманности образуются из эмиссий газовой оболочки звезд на более поздних стадиях их эволюции.
Наиболее известная планетарная туманность М57 расположена в созвездии Лиры. Ее сложно идентифицировать из-за слабой поверхностной освещенности. Есть и туманность М27 – Гантель, она находится в созвездии Лисицы. Эта туманность была открыта Мессье в 1764 г. Он, наблюдая за ней в телескоп, определил овальную форму образования. В небольших любительских телескопах эта туманность предстает в форме “песочных часов”. М27 расположена на расстоянии 500-1000 световых лет от Земли. Ее диаметр по максимуму составляет около 2,5 светового года
Кроме звезд, в телескоп видны слабо светящиеся небольшие туманные пятна. Они получили название туманностей. Некоторые из них имеют довольно отчетливые очертания. В числе их наблюдаются немногочисленные так называемые планетарные туманности . Внутри каждой из них, в центре, всегда есть одна очень горячая звезда. Такие туманности состоят из разреженного газа, который удаляется во все стороны от центральной звезды со скоростью десятков километров в секунду. Если газовая оболочка вокруг звезды внутри полая, то туманность имеет вид кольца, как, например, туманность в созвездии Лиры. Но многие туманности не имеют определенной формы. Они похожи на клочковатый туман, растекающийся струями в разные стороны. Эти туманности называются диффузными. Их известно несколько сот.
Наиболее замечательной из них является туманность в Орионе. Она видима даже в слабый телескоп, а иногда и невооруженным глазом. В этой огромной диффузной туманности , как и в планетарных туманностях, светятся разреженные газы под действием света горячих звезд, находящихся внутри туманности . Иногда яркая звезда освещает встретившееся с ней облако пылинок, по размерам сравнимых с частицами дыма. Тогда в телескоп мы видим тоже светлую диффузную туманность, но уже не газовую, а пылевую. Множество туманностей в XIX в. открыли Вильям Гершель и его сын Джон, работавший, в частности, в Южной Африке, чтобы наблюдать там южное небо.
В XX столетии много газовых туманностей открыл и изучал в Крыму российский ученый Г. А. Шайн. В большинстве случаев пылевые туманности не светятся, так как поблизости обычно не бывает звезд, способных их ярко осветить. Эти темные пылевые туманности , нередко с отчетливо обрисованными краями, обнаруживаются, как прогалины, в светлых областях Млечного Пути. Такие туманности , как Конская голова (в Орионе, близ светлой диффузной туманности ), представляя собой скопления мельчайшей пыли, поглощают свет находящихся за ними звезд
|
|
|
Содержание статьи
ТУМАННОСТИ. Раньше астрономы называли так любые небесные объекты, неподвижные относительно звезд, имеющие, в отличие от них, диффузный, размытый вид, как у маленького облачка (употребляемый в астрономии для «туманности» латинский термин nebula означает «облако»). Со временем выяснилось, что некоторые из них, например, туманность в Орионе, состоят из межзвездного газа и пыли и принадлежат нашей Галактике . Другие, «белые» туманности, как в Андромеде и в Треугольнике, оказались гигантскими звездными системами, подобными Галактике. Здесь речь пойдет о газовых туманностях.
До середины 19 в. астрономы считали, что все туманности – это далекие скопления звезд. Но в 1860, впервые использовав спектроскоп, У.Хёггинс показал, что некоторые туманности газовые. Когда сквозь спектроскоп проходит свет обычной звезды, наблюдается непрерывный спектр, в котором представлены все цвета от фиолетового до красного; в некоторых местах спектра звезды имеются узкие темные линии поглощения, но заметить их довольно трудно – они видны лишь на качественных фотографиях спектров. Поэтому при наблюдении глазом спектр звездного скопления выглядит как непрерывная цветная полоса. Спектр излучения разреженного газа, напротив, состоит из отдельных ярких линий, между которыми практически нет света. Как раз это и увидел Хёггинс при наблюдении некоторых туманностей через спектроскоп. Более поздние наблюдения подтвердили, что многие туманности действительно являются облаками горячего газа. Часто астрономы называют «туманностями» и темные диффузные объекты – тоже облака межзвездного газа, но холодные.
Типы туманностей.
Туманности разделяют на следующие основные типы: диффузные туманности, или области H II, такие, как Туманность Ориона; отражательные туманности, как туманность Меропы в Плеядах; темные туманности, как Угольный Мешок, которые обычно связаны с молекулярными облаками; остатки сверхновых, как туманность Сеть в Лебеде; планетарные туманности, как Кольцо в Лире.
Диффузные туманности.
Широко известные примеры диффузных туманностей – это Туманность Ориона на зимнем небе, а также Лагуна и Тройная (Трехраздельная) – на летнем. Темные линии, рассекающие Тройную туманность на части, – это холодные пылевые облака, лежащие перед ней. Расстояние до этой туманности ок. 2200 св. лет, а ее диаметр чуть менее 2 св. лет. Масса этой туманности в 100 раз больше солнечной. Некоторые диффузные туманности, например Лагуна 30 Золотой Рыбы и Туманность Ориона, значительно крупнее и массивнее.
В отличие от звезд газовые туманности не имеют собственного источника энергии; они светятся только в том случае, если внутри них или рядом находятся горячие звезды с температурой поверхности 20 000–40 000° С. Эти звезды испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается газом туманности и переизлучается им в форме видимого света. Пропущенный через спектроскоп, этот свет расщепляется на характерные линии излучения различных элементов газа.
Отражательные туманности.
Отражательная туманность образуется, когда облако с рассеивающими свет пылинками освещается расположенной рядом звездой, температура которой не так высока, чтобы заставить светиться газ. Небольшие отражательные туманности иногда видны рядом с формирующимися звездами.
Темные туманности.
Темные туманности – это облака, состоящие в основном из газа и отчасти из пыли (в соотношении по массе ~ 100:1). В оптическом диапазоне они закрывают от нас центр Галактики и видны как черные пятна вдоль всего Млечного Пути, например, Большой Провал в Лебеде. Но в инфракрасном и радиодиапазонах эти туманности излучают довольно активно. В некоторых из них сейчас формируются звезды. Плотность газа в них значительно выше, чем в межоблачном пространстве, а температура ниже, от - 260 до - 220° С. В основном они состоят из молекулярного водорода, но обнаружены в них и другие молекулы вплоть до молекул аминокислот.
Остатки сверхновых.
Когда состарившаяся звезда взрывается, ее внешние слои сбрасываются со скоростью ок. 10 000 км/с. Это быстро летящее вещество, подобно бульдозеру, сгребает перед собой межзвездный газ, и вместе они образуют структуру, подобную туманности Сеть в Лебеде. При столкновении движущееся и неподвижное вещества нагреваются в мощной ударной волне и светятся без дополнительных источников энергии. Температура газа при этом достигает сотен тысяч градусов, и он становится источником рентгеновского излучения. Кроме того, в ударной волне усиливается межзвездное магнитное поле, а заряженные частицы – протоны и электроны – ускоряются до энергий гораздо выше энергии теплового движения. Движение этих быстрых заряженных частиц в магнитном поле вызывает излучение в радиодиапазоне, называемое нетепловым.
Самый интересный остаток сверхновой – это Крабовидная туманность. В ней выброшенный сверхновой газ еще не смешался с межзвездным веществом.
В 1054 была видна вспышка звезды в созвездии Тельца. Восстановленная по китайским летописям картина вспышки показывает, что это был взрыв сверхновой звезды, которая в максимуме достигла светимости в 100 млн. раз выше солнечной. Крабовидная туманность находится как раз на месте той вспышки. Измерив угловые размер и скорость расширения туманности и поделив одно на другое, рассчитали, когда это расширение началось, – почти точно получился 1054 год. Сомнений нет: Крабовидная туманность – остаток сверхновой.
В спектре этой туманности каждая линия раздвоена. Ясно, что один компонент линии, сдвинутый в голубую сторону, приходит от приближающейся к нам части оболочки, а другой, сдвинутый в красную сторону, – от удаляющейся. По формуле Доплера вычислили скорость расширения (1200 км/с) и, сравнив ее со скоростью углового расширения, определили расстояние до Крабовидной туманности: ок. 3300 св. лет.
Крабовидная туманность имеет сложное строение: ее внешняя волокнистая часть излучает отдельные эмиссионные линии, характерные для горячего газа; внутри этой оболочки заключено аморфное тело, излучение которого имеет непрерывный спектр и сильно поляризовано. Кроме того, оттуда исходит мощное нетепловое радиоизлучение. Это можно объяснить только тем, что внутри туманности быстрые электроны движутся в магнитном поле, испуская при этом синхротронное излучение в широком диапазоне спектра – от радио до рентгеновского. Долгие годы загадочным оставался источник быстрых электронов в Крабовидной туманности, пока в 1968 не удалось обнаружить в ее центре быстро вращающуюся нейтронную звезду – пульсар, остаток взорвавшейся примерно 950 лет назад массивной звезды. Совершая 30 оборотов в секунду и обладая огромным магнитным полем, нейтронная звезда выбрасывает в окружающую туманность потоки быстрых электронов, ответственных за наблюдаемое излучение.
Оказалось, что механизм синхротронного излучения весьма распространен среди активных астрономических объектов. В нашей Галактике можно указать немало остатков сверхновых, излучающих в результате движения электронов в магнитном поле, например, мощный радиоисточник Кассиопея А, с которым в оптическом диапазоне связана расширяющаяся волокнистая оболочка. Из ядра гигантской эллиптической галактики М 87 выбрасывается тонкая струя горячей плазмы с магнитным полем, излучающая во всех диапазонах спектра. Неясно, связаны ли активные процессы в ядрах радиогалактик и квазаров со сверхновыми, но физические процессы излучения в них весьма схожи.
Планетарные туманности.
Простейшие галактические туманности – это планетарные. Их открыто около двух тысяч, а всего в Галактике их ок. 20 000. Они концентрируются в галактическом диске, но не тяготеют, как диффузные туманности, к спиральным рукавам.
При наблюдении в небольшой телескоп планетарные туманности выглядят размытыми дисками без особых деталей и поэтому напоминают планеты. У многих из них вблизи центра видна голубая горячая звезда; типичный пример – туманность Кольцо в Лире. Как и у диффузных туманностей, источником их свечения служит ультрафиолетовое излучение звезды, находящейся внутри.
Спектральный анализ.
Чтобы проанализировать спектральный состав излучения туманности, часто используют бесщелевой спектрограф. В простейшем случае вблизи фокуса телескопа помещают вогнутую линзу, превращающую сходящийся пучок света в параллельный. Его направляют на призму или дифракционную решетку, расщепляющую пучок в спектр, а затем выпуклой линзой фокусируют свет на фотопластинке, получая при этом не одно изображение объекта, а несколько – по числу линий излучения в его спектре. Однако изображение центральной звезды при этом растягивается в линию, поскольку у нее непрерывный спектр.
В спектрах газовых туманностей представлены линии всех важнейших элементов: водорода, гелия, азота, кислорода, неона, серы и аргона. Причем, как и везде во Вселенной, водорода и гелия оказывается гораздо больше остальных.
Возбуждение атомов водорода и гелия в туманности происходит не так, как в лабораторной газоразрядной трубке, где поток быстрых электронов, бомбардируя атомы, переводит их в более высокое энергетическое состояние, после чего атом возвращается в нормальное состояние, излучая свет . В туманности нет таких энергичных электронов, которые могли бы своим ударом возбудить атом, т.е. «забросить» его электроны на более высокие орбиты. В туманности происходит «фотоионизация» атомов ультрафиолетовым излучением центральной звезды, т.е. энергии пришедшего кванта достаточно, чтобы вообще оторвать электрон от атома и пустить его в «свободный полет» . В среднем проходит 10 лет, пока свободный электрон встретится с ионом, и они вновь объединятся (рекомбинируют) в нейтральный атом, выделив энергию связи в виде квантов света. Рекомбинационные линии излучения наблюдаются в радио-, оптическом и инфракрасном диапазонах спектра.
Наиболее сильные линии излучения у планетарных туманностей принадлежат атомам кислорода, потерявшим один или два электрона, а также азоту, аргону, сере и неону. Причем они излучают такие линии, которые никогда не наблюдаются в их лабораторных спектрах, а появляются только в условиях, характерных для туманностей. Эти линии называют «запрещенными». Дело в том, что атом обычно находится в возбужденном состоянии менее миллионной доли секунды, а затем переходит в нормальное состояние, излучая квант. Однако существуют некоторые уровни энергии, между которыми атом совершает переходы очень «неохотно», оставаясь в возбужденном состоянии секунды, минуты и даже часы. За это время в условиях относительно плотного лабораторного газа атом обязательно сталкивается со свободным электроном, который изменяет его энергию, и переход исключается. Но в крайне разреженной туманности возбужденный атом долго не сталкивается с другими частицами, и, наконец, совершается «запрещенный» переход. Именно поэтому впервые обнаружили запрещенные линии не физики в лабораториях, а астрономы, наблюдая туманности. Поскольку в лабораторных спектрах этих линий не было, некоторое время даже считалось, что они принадлежат неизвестному на Земле элементу. Его хотели назвать «небулий», но недоразумение вскоре прояснилось. Эти линии видны в спектрах как планетарных, так и диффузных туманностей. В спектрах таких туманностей есть и слабое непрерывное излучение, возникающее при рекомбинации электронов с ионами.
На спектрограммах туманностей, полученных со щелевым спектрографом, линии часто выглядят изломанными и расщепленными. Это – эффект Доплера, указывающий на относительное движение частей туманности. Планетарные туманности обычно расширяются радиально от центральной звезды со скоростью 20–40 км/с. Оболочки сверхновых расширяются гораздо быстрее, возбуждая перед собой ударную волну. У диффузных туманностей вместо общего расширения обычно наблюдается турбулентное (хаотическое) движение отдельных частей.
Важная особенность некоторых планетарных туманностей – стратификация их монохроматического излучения. Например, излучение однократно ионизованного атомарного кислорода (потерявшего один электрон) наблюдается в обширной области, на большом расстоянии от центральной звезды, а двукратно ионизованные (т.е. потерявшие два электрона) кислород и неон видны лишь во внутренней части туманности, тогда как четырехкратно ионизованный неон или кислород заметны лишь в центральной ее части. Этот факт объясняется тем, что необходимые для более сильной ионизации атомов энергичные фотоны не достигают внешних областей туманности, а поглощаются газом уже недалеко от звезды.
По химическому составу планетарные туманности весьма разнообразны: элементы, синтезированные в недрах звезды, у некоторых из них оказались подмешанными к веществу сброшенной оболочки, а у других – нет. Еще сложнее состав остатков сверхновых: сброшенное звездой вещество в значительной степени смешано с межзвездным газом и, кроме того, разные фрагменты одного остатка иногда имеют различный химический состав (как у Кассиопеи А). Вероятно, это вещество выбрасывается с различных глубин звезды, что дает возможность проверять теорию эволюции звезд и взрыва сверхновых.
Происхождение туманностей.
Диффузные и планетарные туманности имеют совершенно разное происхождение. Диффузные всегда находятся в областях звездообразования – как правило, в спиральных рукавах галактик. Обычно они связаны с крупными и холодными газопылевыми облаками, в которых формируются звезды. Яркая диффузная туманность – это небольшой кусочек такого облака, разогретый родившейся поблизости горячей массивной звездой. Поскольку такие звезды формируются нечасто, диффузные туманности далеко не всегда сопровождают холодные облака. Например, в Орионе есть такие звезды, поэтому есть несколько диффузных туманностей, но они крошечные по сравнению с невидимым для глаза темным облаком, занимающим почти все созвездие Ориона. В небольшой области звездообразования в Тельце нет ярких горячих звезд, и поэтому нет заметных диффузных туманностей (есть лишь несколько слабых туманностей вблизи активных молодых звезд типа Т Тельца).
Планетарные туманности – это оболочки, сброшенные звездами на заключительном этапе их эволюции. Нормальная звезда светит за счет протекающих в ее ядре термоядерных реакций, превращающих водород в гелий. Но когда запасы водорода в ядре звезды истощаются, с ней происходят быстрые перемены: гелиевое ядро сжимается, оболочка расширяется, и звезда превращается в красный гигант. Обычно это переменные звезды типа Миры Кита или OH/IR с огромными пульсирующими оболочками . В конце концов они сбрасывают внешние части своих оболочек. Лишенная оболочки внутренняя часть звезды имеет очень высокую температуру, иногда выше 100 000° C. Она постепенно сжимается и превращается в белый карлик, лишенный ядерного источника энергии и медленно остывающий. Таким образом, планетарные туманности выбрасываются их центральными звездами, тогда как диффузные туманности типа Туманности Ориона – это вещество, которое осталось неиспользованным в процессе формирования звезд.
Туманность эмиссионных линий и эмиссионная туманность создают собственное свечение. Атомы водорода приходят в активность из-з мощного ультрафиолетового света звезд. Затем водород ионизируется (теряет электрон, излучающий фотон).
Звезды О-типа могут ионизировать газ в радиусе 350 световых лет. Туманность М17 обнаружил де Шезо в 1746 году, а в 1764 году ее заново открыл Шарль Мессье. Она находится в Стрельце и называется также туманностью Лебедя, Омега, Подкова и Лобстер. Невероятно яркая и ее розовое свечение можно заметить без использования техники в низких широтах (видимая величина – 6). Внутри находятся молодые звезды, создающие область HII. За красный цвет отвечает ионизированный водород.
Инфракрасный свет помогает находить огромное количество пыли, намекающее на активное звездообразование. Внутри находится скопление из 30 звезд, затененных туманностью, протирающейся в диметре на 40 световых лет. Общая масса в 800 раз превосходит солнечную.
М17 удалена на 5500 световых лет. Вместе с М16 расположена в одном спиральном рукаве Млечного Пути (Стрельца-Киля).
