Из чего состоят туманности во вселенной. Какие бывают туманности в космосе
Наблюдая небо в телескоп, иногда можно наткнуться на любопытные туманности с округлыми очертаниями. Это планетарные туманности - объекты, соответствующие заключительной фазе существования звезд, подобных Солнцу. По сути дела, каждая из них представляет собой шарообразную оболочку из газа, внешний слой звезды, выброшенный ею после утраты собственной стабильности. Эти оболочки затем увеличиваются, расширяются и постепенно становятся все более слабыми. Наблюдать такие туманности непросто: большинство из них обладает низкой поверхностной яркостью и малым угловым размером. Как и в случаях с другими туманностями, для наблюдения необходимы темные безлунные ночи. Очень редко идентификации планетарной туманности может помочь маленькая звездочка, расположенная в ее центре и давшая ей начало.
Туманность Кольцо
Из всех планетарных туманностей, видимых на небосводе, самая известная среди любителей астрономии - безусловно, туманность М57, которая также имеет название Кольцо. Она расположена в летнем созвездии Лира на расстоянии около 2300 световых лет от Земли.
Открыл эту туманность в 1779 году французский астроном Антуан Даркье де Пельпуа. Он описал ее как идеальный диск размером приблизительно равный Юпитеру, но имеющий блеклое свечение и похожий на исчезающую планету. Впоследствии, в 1785 году, английский астроном Вильям Гершель определил ее как«небесную достопримечательность». Он думал, что эта туманность представляет собой звездное кольцо.
С дырой
В вашем телескопе М57 будет выглядеть маленьким туманным пятнышком округлой формы. Имеет смысл рассматривать ее при среднем увеличении, например, через 12,5-мм окуляр Плёссля, обеспечивающий 80-кратное увеличение. При первом взгляде вы обнаружите округлые очертания. После нескольких минут адаптации, если воздух будет прозрачным и неподвижным и со стороны Луны будут отсутствовать помехи, вы сможете разглядеть некоторые детали. Повышая увеличение, вы даже различите центральное «отверстие», особенно если будете смотреть «рассеянным зрением», то есть, концентрируя взгляд не на самом «отверстии», а на его периферии.
Центральная звезда
Эта туманность родилась от звезды, находящейся в ее центре и сегодня превратившейся в белый карлик. Температура поверхности этой звезды превышает 100000 градусов. Ее звездная величина составляет 14,7 - таким образом, она недоступна вашему телескопу. В 1800 году ее открыл немецкий философ и астроном Фридрих фон Хан.
Туманность расширяется со скоростью приблизительно 20-30 км/с, и поэтому ее видимые размеры увеличиваются примерно на 1 секунду дуги в столетие.
Формирование туманностей
После того как были открыты первые планетарные туманности, их округлые очертания навели астрономов на мысль о том, что эти небесные объекты связаны с чем-то похожим на планеты, скорее всего - на газовые гиганты или же на формирующуюся планетную систему. По этой причине английский астроном Вильям Гершель (незадолго до этого открывший планету Уран) предложил для таких объектов термин «планетарная туманность». Их истинная природа была установлена лишь в середине XIX века благодаря спектроскопии (технике, позволяющей «расщепить» свет, поступающий от небесного тела, на его основные цвета). Тогда стало ясно, что перед нами - особый тип туманности.
Умирающая звезда
Все планетарные туманности происходят от звезд, находящихся на завершающей стадии своего существования. Как мы уже отмечали, звезда с массой, сравнимой с массой Солнца, после своего рождения проживает длительную стадию стабильности, в ходе которой растапливает водородные ядра, давая начало ядрам гелия. Когда содержащийся в центральной части звезды водород заканчивается, эта часть нагревается и достигает температуры в 100 млн градусов. Вследствие этого наружные слои расширяются, после чего охлаждаются: звезда превращается в красный гигант. В этот момент она утрачивает стабильность, и ее внешние слои могут-быть выброшены наружу. Именно они и образуют оболочку шарообразной формы вокруг того, что остается от звезды - вокруг белого карлика.
Расширение
Оболочка, окружающая звезду, расширяется со скоростью в несколько десятков километров в секунду и образует планетарную туманность с характерной шарообразной формой. Планетарные туманности, однако, ожидает довольно быстрый конец: по мере расширения в космосе они разреживаются и в результате становятся неразличимы на небесном своде. На это уходит около 25000 лет - совсем небольшой период в жизни любой звезды.
Планетарные туманности через телескоп
При наблюдении планетарных туманностей возникают несколько иные сложности, чем при наблюдении диффузных туманностей например, туманности Ориона. Планетарные туманности не отличаются большими угловыми размерами. За исключением туманности Улитка (по-английски Helix), они выглядят на небосклоне небольшими и сконцентрированными. Поэтому их бывает непросто отличить от звезд.
Туманность Улитка
Помимо М57, вы можете наблюдать в ваш телескоп еще примерно дюжину планетарных туманностей. Первой среди них будет именно туманность Улитка из созвездия Водолей.Она достигает внушительного размера - приблизительно 13 минут дуги (что соответствует реальному размеру примерно в 3 световых года).
Неслучайно эта туманность является также одной из самых близких к Солнечной системе. Несмотря на звездную величину 7,6, из-за своих размеров она распространяет свечение на весьма обширную зону ночного неба. В телескоп эта туманность кажется зеленоватой. Видна она довольно слабо. Внутри нее космический телескоп «Хаббл» разглядел тысячи газовых шариков, образовавшихся, видимо, в тот момент, когда умирающая звезда выбросила в космос свою внешнюю оболочку.
Туманность Сатурн
В том же зодиакальном созвездии Водолей интерес для наблюдения вызывает туманность NCG 7009, известная под именем «туманность Сатурн». Вильям Гершель открыл ее в 1782 году. Основная сложность при наблюдении этой туманности - ее размер, составляющий менее 2 минут дуги.
Тем не менее при 50-кратном увеличении можно понять, что это не звезда, а при 100-150-кратном - различить характерную вытянутую форму. Именно за эту форму туманность и получила свое название, совпадающее с названием планеты с кольцами.
Еще одной легко доступной для наблюдения туманностью является М27 из созвездия Лисичка. Ее называют также «туманностью Гантель». Ее видимый диаметр составляет примерно 8 минут дуги, а совокупная звездная величина равна 7,4. По оценкам астрономов, эта туманность образовалась 3000-4000 лет тому назад. При большом увеличении вы можете разглядеть ее вытянутую
форму, за которую она и получила свое имя.
Есть еще уменьшенная версия М27, по крайней мере, по мнению англосаксонских астрономов, которые называют Маленькой Гантелью планетарную туманность М76. Она была открыта Мешеном в 1780 году, однако ее принадлежность к планетарным туманностям была признана только в 1918-м. Звездочка в центре М76 величиной 16,6 является слишком слабой для вашего телескопа.
Призрак и Сова
Гораздо более сложной для наблюдения является туманность NGC3242, имеющая также любопытное название Призрак Юпитера. Оно объясняется тем, что в телескопе ее диаметр сопоставим с диаметром Юпитера. С помощью 25-мм окуляра Плёссля при 40-кратном увеличении можно разглядеть ее без особых трудностей, а при увеличении свыше 100 - даже различить ее округлую форму.
Забавное название носит и туманность М97, четвертая туманность, помещенная в каталог Мессье. Она расположена в созвездии Большая Медведица. Ирландский астроном Уильям варсонс в 1848 году назвал ее Совой, поскольку два темных пятна внутри нее напоминают совиные глаза.
При увеличении чуть больше 100 вы сможете различить не только округлую форму туманности, но и две темные области внутри нее. Считается, что возраст М97 примерно 8000 лет.
Снежок
Довольно сложно различить на небе туманность NGl 7662, или Голубой Снежок, в созвездии Андромеда. На самом деле, несмотря на название, в телескопе она имеет красноватый оттенок.
При увеличении свыше 100 тоже можно рассмотреть «отверстие» в ее центре. Преимущество наблюдения этой туманности в том, что она находится в созвездии, которое очень высоко поднимается на нашем небе в конце осени.
Белые карлики
Планетарная туманность NGC 1514, открытая Вильямом Гершелем в 1790 году в созвездии Телец, очень сложна для наблюдения, поскольку она слабо светится и едва заметна на небесном фоне. Гораздо проще различить белый карлик в ее центре, имеющий звездную величину 9,4 NGC 1514 можно найти примерно в 8 градусах на северо-восток от Плеяд. Другой планетарной туманностью с белым карликом, доступным вашему телескопу, является NGC6826, расположенная в созвездии Лебедь. Это небольшая и слабая туманность: в телескоп она будет казаться размытой звездой, и, только доведя увеличение до максимального, вы сможете рассмотреть ее круговую оболочку. Впрочем, если небо очень темное, то, возможно, вы заметите в ее центре звездочку величиной 10,4.
То же самое можно сказать о планетарной туманности NGC2392, известной также под названием Эскимос, в созвездии Близнецы. Внутри маленькой, слабой голубоватой туманности будет виден белый карлик величиной 10,5.
Планетарные туманности в объективе «Хаббла»
Многие планетарные туманности, к сожалению, остаются недоступными для наблюдений в любительский телескоп. Хотя часто речь идет о великолепных, очень зрелищных объектах, одних из самых красивых на небе. Космический телескоп «Хаббл» сфотографировал некоторые из этих туманностей, и теперь мы можем оценить их сверкающие цвета и любопытные формы.
Несмотря на то, что вы не сможете наблюдать их в ваш телескоп, стоит рассказать о наиболее эффектных и интересных планетарных туманностях.
Кошачий Глаз
Можно начатьстуманности Кошачий Глаз (NGC 6543) в созвездии Дракон. В 1864 году Уильям Хёггинс исследовал спектроскопом ее свет (такому анализу планетарная туманность тогда подверглась впервые). Хотя она была открыта еще в 1786-м, лишь недавно телескоп «Хаббл» раскрыл ее сложную и тонкую структуру, состоящую из концентрических газовых оболочек, струек и узелков. Астрономы пришли к выводу, что примерно каждые 1500 лет центральная звезда испускает новую оболочку. Изображения, снятые с промежутком приблизительно в 10 лет, показали, что эта туманность расширяется.
Туманность NGC 6369 находится в созвездии Змееносец на расстоянии от 2000 до 5000 световых лет. Ее сине-зеленое кольцо, достигающее реального диаметра примерно в 1 световой год, обозначает границу района, в котором ультрафиолетовый свет звезды ионизировал газ, то есть вырвал электроны из их атомов. Внешняя часть туманности имеет более выраженный красный оттенок, поскольку на большем расстоянии от звезды процесс ионизации менее интенсивен. Облако расширяется со скоростью примерно 20 км/с. За счет этого оно рассеется в межзвездном пространстве и затем примерно через 10000 лет исчезнет.
Туманности в космосе — одно из чудес Вселенной, поражающих своей красотой. Ценны они не только визуальной привлекательностью. Исследование туманностей помогает ученым вносить ясность в законы функционирования космоса и его объектов, корректировать теории о развитии Вселенной и жизненном цикле звезд. Сегодня об этих объектах мы знаем многое, но далеко не все.
Смесь газа и пыли
Достаточно длительное время, вплоть до середины позапрошлого века, туманности считались удаленными от нас на значительные расстояния. Применение спектроскопа в 1860 году позволило установить: многие из них состоят из газа и пыли. Английский астроном У. Хеггинс выявил, что свет от туманностей отличен от излучения, идущего от обычных звезд. Спектр первых содержит яркие цветные линии, перемежающиеся с темными, тогда как во втором случае подобных не наблюдается.
Дальнейшие исследования установили, что туманности Млечного пути и других галактик в основном состоят из горячей смеси газа и пыли. Нередко встречают и схожие холодные формирования. Такие облака межзвездного газа также относятся к туманностям.
Классификация
В зависимости от свойств составляющих туманность элементов различают несколько их типов. Все они в большом количестве представлены на просторах космоса и одинаково интересны для астрономов. Туманности, излучающие по той или иной причине свет, принято назвать диффузными или светлыми. Противоположные им по основному параметру, естественно, обозначаются как темные. Диффузные туманности бывают трех типов:
отражательные;
эмиссионные;
остатки сверхновой.
Эмиссионные, в свою очередь, подразделяются на области формирования новых звезд (H II) и планетарные туманности. Все названные типы характеризуются определенными свойствами, делающими их уникальными и достойными пристального изучения.
Области формирования звезд
Все эмиссионные туманности — это облака светящегося газа разных форм. Основной элемент, составляющий их, — водород. Под действием звезды, расположенной в центре туманности, он ионизируется и сталкивается с атомами более тяжелых компонентов облака. Результатом этих процессов становится характерное розоватое свечение.
Туманность Орла, или М16 — великолепный представитель этого типа объектов. Здесь располагается область звездообразования, множество молодых, а также массивных горячих светил. Туманность Орла — место, где размещается хорошо известный участок космоса, Столпы творения. Эти газовые сгустки, сформированные под воздействием звездного ветра, являются зоной звездообразования. К формированию светил здесь приводит сжатие газопылевых колонн под действием силы тяжести.
Недавно ученым стало известно, что любоваться Столпами творения мы сможем еще только тысячу лет. Затем они исчезнут. На самом деле разрушение Столпов произошло примерно 6000 лет назад из-за взрыва сверхновой. Однако свет из этой области космоса идет к нам примерно семь тысяч лет, поэтому вычисленное астрономами событие для нас — только дело будущего.
Планетарные туманности
Название следующего типа светящихся газопылевых облаков было введено У. Гершелем. Планетарная туманность — последняя стадия жизни звезды. Сбрасываемые светилом оболочки формируют характерный рисунок. Туманность напоминает диск, обычно окружающий планету при наблюдении ее через небольшой телескоп. На сегодняшний день известно больше тысячи таких объектов.
Планетарные туманности — часть процесса превращения в В центре формирования располагается горячая звезда, по своему спектру схожая со светилами класса О. Ее температура достигает 125 000 К. Планетарные туманности в основном имеют сравнительно небольшие размеры — 0,05 парсек. Большая их часть расположена в центре нашей галактики.
Масса газовой оболочки, сброшенной звездой, мала. Она составляет десятые доли от аналогичного параметра Солнца. Смесь газа и пыли удаляется от центра туманности со скоростью, достигающей 20 км/с. Оболочка существует примерно в течение 35 тысяч лет, а затем становится сильно разреженной и неразличимой.
Особенности
Планетарная туманность может быть различной формы. В основном, так или иначе, она близка к шару. Различают туманности круглые, кольцеобразные, похожие на гантели, неправильной формы. Спектры подобных космических объектов включают эмиссионные линии светящегося газа и центральной звезды, а также иногда линии поглощения из спектра светила.
Планетарная туманность излучает огромное количество энергии. Оно значительно больше аналогичного показателя для центральной звезды. Ядро образования из-за своей высокой температуры испускает ультрафиолетовые лучи. Они ионизируют атомы газа. Частицы разогреваются, вместо ультрафиолета они начинают испускать видимые лучи. Их спектр и содержит эмиссионные линии, характеризующие образование в целом.
Туманность Кошачий глаз
Природа — мастерица на создание неожиданных и красивых форм. Примечательна в этом плане планетарная туманность, из-за сходства названная Кошачьим глазом (NGC 6543). Она была обнаружена в 1786 году и стала первой, которую ученые определили как облако светящегося газа. Туманность Кошачий глаз располагается в и обладает очень интересной сложной структурой.
Она образовалась около 100 лет назад. Тогда центральная звезда сбросила свои оболочки и сформировались концентрические линии газа и пыли, характерные для рисунка объекта. На сегодняшний день остается до конца непонятен механизм формирования наиболее выразительной центральной структуры туманности. Появление такого рисунка хорошо объясняется расположением в сердцевине туманности двойной звезды. Однако пока сведений, свидетельствующих в пользу такого положения вещей, нет.
Температура гало NGC 6543 составляет примерно 15 000 К. Ядро туманности разогрето до 80 000 К. При этом центральная звезда в несколько тысяч раз ярче Солнца.
Колоссальный взрыв
Массивные звезды часто заканчивают свой жизненный цикл впечатляющими «спецэффектами». Огромные по своей мощи взрывы приводят к потере светилом всех внешних оболочек. Они удаляются от центра со скоростью, превышающей 10 000 км/с. Столкновение движущегося вещества со статичным вызывает сильное повышение температуры газа. В результате его частицы начинают светиться. Часто остатки сверхновой представляют собой не шарообразные образования, что кажется логичным, а туманности самой разной формы. Происходит так, потому что выброшенное на огромной скорости вещество неравномерно образует сгустки и скопления.
След тысячелетней давности
Пожалуй, самый известный остаток сверхновой — это крабовидная туманность. Звезда, породившая ее, взорвалась почти тысячу лет назад, в 1054 году. Точную дату удалось установить по китайским летописям, где хорошо описана ее вспышка в небе.
Характерный рисунок крабовидной туманности составляет газ, выброшенный сверхновой и еще не до конца смешавшийся с межзвездным веществом. Объект располагается на расстоянии 3300 световых лет от нас и непрерывно расширяется со скоростью 120 км/с.
В центре крабовидная туманность содержит остаток сверхновой — нейтронную звезду, которая испускает потоки электронов, являющихся источниками непрерывного поляризованного излучения.
Отражающие туманности
Другой тип этих космических объектов состоит из холодной смеси газа и пыли, неспособного самостоятельно излучать свет. Отражающие туманности светятся за счет расположенных рядом объектов. Это могут быть звезды или аналогичные диффузные образования. Спектр рассеянного свет остается таким же, как и у его источников, однако синий свет в нем для наблюдателя преобладает.
Очень интересная туманность этого типа связана со звездой Меропа. Светило из скопления Плеяд уже на протяжении нескольких миллионов лет разрушает пролетающее мимо молекулярное облако. В результате воздействия звезды частицы туманности выстраиваются в определенной последовательности и вытягиваются по направлению к ней. По прошествии некоторого времени (точный срок неизвестен) Меропа может полностью разрушить облако.
Темная лошадка
Диффузным формированиям часто противопоставляется поглощающая туманность. Галактика имеет их немало. Это очень плотные облака пыли и газа, поглощающие свет расположенных за ними эмиссионных и отражательных туманностей, а также звезд. Эти холодные космические образования в основном состоят из атомов водорода, хотя в них встречаются и более тяжелые элементы.
Великолепный представитель этого типа — туманность Она расположена в созвездии Орион. Характерная для туманности форма, столь схожая с головой лошади, образовалась в результате воздействия звездного ветра и излучения. Объект хорошо виден благодаря тому, что фоном ему служит яркое эмиссионное формирование. При этом туманность Конская голова — лишь небольшая часть протяженного поглощающего облака пыли и газа, практически невидимого.
Благодаря телескопу Хаббл туманности, в том числе и планетарные, знакомы сегодня широкому кругу людей. Фотоизображения участков космоса, где они располагаются, впечатляют до глубины души и никого не оставляют равнодушным.
Эти загадочные объекты, смотрящие на людей из глубин космоса, давным-давно привлекали внимание тех, для кого наблюдения за небом стало частью жизни. Еще в каталоге древнегреческого ученого Гиппарха отмечено несколько туманных объектов на звездном небе. А его коллега, Птолемей, добавил в свой каталог еще пять туманностей к уже известным. До изобретения Галилея телескопа не так уж много объектов этого типа можно было увидеть невооруженным глазом. Но уже в 1610 году направленный на небо примитивный телескоп конструкции Галилея обнаружил там туманность Ориона. Еще через два года была открыта туманность Андромеды. И с тех пор по мере совершенствования телескопов начались все новые и новые открытия, приведшие со временем к выделению особого класса звездных объектов – туманностей.
Через некоторое время известных туманностей стало достаточно много для того, что бы они начали мешать поиску новых объектов, таких, как например кометы. И вот, в 1784 году французский астроном Шарль Мессье, занимавшийся как раз поиском комет, составляет первый в мире каталог космических туманностей, который был издан несколькими частями. Всего их туда вошло 110 на тот момент известных объекта этого класса.
При составлении каталога, Мессье давал им номера М1, М2 и так далее, до М110. Многие объекты этого каталога до сих пор имеют такое обозначение.
Однако, в те времена не было известно, что природа различных туманностей совершенно отличается друг от друга. Для астрономов это были просто туманные пятна, отличающиеся от обычных звезд.
Теперь же, благодаря достижениям астрономии, мы знаем о туманностях несравнимо больше. Что же представляют из себя эти загадочные объекты, и чем они отличаются друг от друга?
Прежде всего, многие наверное удивятся, когда узнают, что существуют не только светлые туманности. Сегодня известно множество объектов, называющихся темные туманности. Они представляют из себя плотные облака межзвездной пыли и газа, которые являются непрозрачными для света из-за его поглощения содержащейся в туманности пылью. Такие туманности отчетливо выделяются на фоне звездного неба или на фоне светлых туманностей. Классическим примером такой туманности является туманность Угольный Мешок в созвездии Южного Креста. Нередко бывает, что такая туманность служит материалом для образования в ее области новых звезд из-за большого количества межзвездного вещества.
Что касается светлых туманностей, то они тоже содержат и газ и пыль. Однако, причиной свечения такой туманности могут являться несколько факторов. Во-первых, это наличие внутри такой туманности или же рядом с ней звезды. В этом случае, если звезда не слишком горячая, то туманность светится за счет света, отражаемого и рассеиваемого входящей в ее состав космической пылью. Такая туманность называется отражательной туманностью. Классический пример подобного объекта – известное, пожалуй, всем, скопление Плеяды.
Другим видом светлой туманности являются ионизированные туманности. Такие туманности образуются в результате сильной ионизации входящего в их состав межзвездного газа. Причиной этому является излучение близкой горячей звезды или же другого объекта, являющегося источником мощного излучения, в том числе ультрафиолетового и рентгеновского. Так, яркие ионизированные туманности имеются в ядрах активных галактик и квазаров. Ряд таких туманностей, известных так же под названием Область H II, являются местами активного звездообразования. Образующиеся внутри нее горячие молодые звезды ионизируют туманность мощным ультрафиолетовым излучением.
Еще одним видом космических туманностей являются планетарные туманности. Эти объекты возникают в результате сброса внешней оболочки звездой-гигантом, массой от 2.5 до 8 солнечных. Такой процесс происходит при вспышке Новой звезды (не путать со взрывом сверхновой, это разные вещи!), когда часть звездного вещества выбрасывается в космическое пространство. Такие туманности имеют форму кольца или диска, а так же сферы (для Новых звезд).
Взрыв Сверхновой так же оставляет после себя светящуюся туманность, разогретую в процессе взрыва до нескольких миллионов градусов. Это гораздо более яркие светлые туманности, чем обычные планетарные туманности. Срок их жизни по космическим меркам совсем небольшой – не более 10 тысяч лет, после чего они сливаются с окружающим межзвездным пространством.
Более редким и экзотическим видом туманностей являются туманности вокруг звезд Вольфа-Райе. Это звезды с очень высокой температурой и светимостью, обладающие мощным излучением и скоростью истечения звездного вещества со своей поверхности (свыше 1000 километров в секунду). Такие звезды ионизируют межзвездный газ в радиусе нескольких парсек. Однако, звезд такого типа известно очень немного (в нашей Галактике – чуть более 230), поэтому и туманностей такого типа соответственно мало.
Как видите, наши знания о космических туманностях сегодня достаточно обширны, хотя, конечно же, есть еще очень много неясного в процессах их образования и жизни. Однако, это совсем не мешает нам так же любоваться их красотой, как это делали наши менее осведомленные предки.
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.
