Физические свойства межзвездного газа. Межзвездные газ и пыль

Межзвёздный газ

Межзвёздный газ - это разрежённая газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или несколько процентов суммарной массы всех звёзд нашей Галактики. Средняя концентрация атомов межзвёздного газа составляет менее 1 атома в см³. Основная его масса заключена вблизи плоскости Галактики в слое толщиной несколько сотен парсек. Плотность газа в среднем составляет около 10 −21 кг/м³. Химический состав примерно такой же, как и у большинства звёзд: он состоит из водорода и гелия (90 % и 10 % по числу атомов, соответственно) с небольшой примесью более тяжёлых элементов. В зависимости от температуры и плотности межзвёздный газ пребывает в молекулярном, атомарном или ионизованном состояниях. Наблюдаются холодные молекулярные облака, разреженный межоблачный газ, облака ионизованного водорода с температурой около 10 тыс. К. (Туманность Ориона), и обширные области разреженного и очень горячего газа с температурой около миллиона К. Ультрафиолетовые лучи, в отличие от лучей видимого света, поглощаются газом и отдают ему свою энергию. Благодаря этому горячие звёзды своим ультрафиолетовым излучением нагревают окружающий газ до температуры примерно 10 000 К. Нагретый газ начинает сам излучать свет, и мы наблюдаем его как светлую газовую туманность. Более холодный, «невидимый» газ наблюдают радиоастрономическими методами. Атомы водорода в разреженной среде излучают радиоволны на длине волны около 21 см. Поэтому от областей межзвёздного газа непрерывно распространяются потоки радиоволн. Принимая и анализируя это излучение, учёные узнают о плотности, температуре и движении межзвёздного газа в космическом пространстве.

Межзвёздная среда
Составляющие	Межзвёздный газ · Межзвёздная пыль · Межзвёздное облако · Космические лучи · Магнитное поле
Туманности	Диффузная (светлая) туманность · Тёмная туманность · Эмиссионная туманность · Отражательная туманность · Остаток сверхновой · Планетарная туманность · Протопланетарная туманность
Области звездообразования	Молекулярное облако · Глобула · Область H II
Околозвёздные образования	Аккреционный диск · Протопланетный диск · Полярные струйные течения · Объект Хербига - Аро
Излучение	Звёздный ветер · Реликтовое излучение

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Межзвёздный газ" в других словарях:

Осн. компонент межзвездной среды, составляющий ок. 99% её массы. M. г. заполняет практически весь объём галактик. Наиб, изучен M. г. в Галактике. M. г. характеризуется большим разнообразием возникающих в нём структур, физ. условий и протекающих… … Физическая энциклопедия

Одна из основных составляющих межзвёздной среды (См. Межзвёздная среда). Состоит в основном из водорода и гелия; общая масса других элементов меньше 3 % …

Материя, заполняющая пространство между звёздами внутри галактик. Материя в пространстве между галактиками наз. межгалактич. средой (см. Скопления галактик. Межгалактический газ). Газ в оболочках вокруг звёзд (околозвёздные оболочки) часто… … Физическая энциклопедия

Межзвёздная пыль твёрдые микроскопические частицы, наряду с межзвёздным газом заполняющие пространство между звёзд. В настоящее время считается что пылинки имеют тугоплавкое ядро, окруженное органическим веществом или ледяной оболочкой.… … Википедия

Карта местного межзвёздного облака Межзвёздная среда (МЗС) вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик … Википедия

Разреженное вещество, межзвёздный газ и мельчайшие пылевые частицы, заполняющие пространство между звёздами в нашей и других Галактиках. В состав М. с. входят, кроме того, Космические лучи, межзвёздные магнитные поля (См. Межзвёздное… … Большая советская энциклопедия

Карта местного межзвездного облака Межзвёздная среда (МЗС) это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик. Состав: межзвёздный газ, пыль(1 % от массы газа), межзвёздные магнитные поля,космические лучи, а также… … Википедия

Более 200 новообразованных звёзд внутри облака известного как NGC 604 в галактике Треугольника. Звёзды облучают газ высокоэнергетически … Википедия

Карта межзвездного газа в нашей Галактике Межзвёздный газ это разреженная газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или… … Википедия

Звёздный ветер процесс истечения вещества из звёзд в межзвёздное пространство. Содержание 1 Определение 2 Источники энергии … Википедия

Газодинамика - раздел физики, который изучает законы движения газа. С вопросами газодинамики мы часто сталкиваемся и в обыденной жизни - это и зву­ковые волны, и обтекание быстро движущихся тел, и ударные волны, которые в век сверхзвуковых скоростей хорошо всем известны. Но условия межзвездной среды существенно меняют законы движения газа.

Начнем со звуковых волн. Как читатель, вероятно, знает, звуковые волны представляют собой распростра­няющуюся в среде последовательность сжатий и разре­жений газа. Если слегка сжать газ в некотором объеме, а затем предоставить ему возможность вернуться в пер­воначальное состояние, то по инерции он затем немного расширится, сожмет соседние с этим объемом слои га­за, а потом опять сам сожмется. Возникнут колебания, которые будут передаваться и соседним слоям, а от них - еще дальше. Это и есть распространение звуко­вых волн. Их скорость зависит только от температуры газа. Скорость звуковых волн в воздухе при температу­ре 300 К хорошо известна - 330 м/с, а с ростом тем­пературы она увеличивается пропорционально (Т ) 1/2 .

Но такие звуковые волны являются адиабатически­ми, т. е. предполагается, что сжатие и разрежение газа в звуковых волнах происходит без потери тепла. В меж­звездном пространстве это не так. При увеличении плот­ности заметно увеличиваются и потери на излучение. Поэтому межзвездные звуковые волны отнюдь не адиа­батические. В первом приближении их можно еще счи­тать изотермическими, т. е. предположить, что при сжа­тии и расширении газа температура в волне вообще не меняется. Тогда скорость звуковых волн будет несколь­ко меньше (в воздухе - на 20%) и ее можно вычис­лить по формуле: с s = (RT /мю) 1/2 , где R - универсаль­ная газовая постоянная, a мю - молекулярный вес. Лю­бопытно, что еще Ньютон, который первым вычислил скорость звуковой волны, предполагал ее изотермиче­ской, и поэтому долгое время было непонятным, почему в воздухе скорость звука оказалась больше вычислен­ной. Однако для межзвездных звуковых волн эта фор­мула, полученная Ньютоном, вполне применима.

Следующее важное явление, которое в межзвездных условиях также меняет свои свойства, - это ударные волны. Для того чтобы его пояснить, рассмотрим слу­чай, изображенный на рис. 16. Пусть в закрытую с одного конца длинную трубу втекает газ с концентра­цией п 1 и скоростью v . Налетая на стенку, он должен остановиться. Образуется область неподвижного газа, которая должна все время увеличиваться по мере вте­кания все новых порций газа. Между покоящимся и дви­жущимся газом образуется граница (пунктир на рис. 16), которая перемещается по трубе навстречу по­току газа.

Обозначим концентрацию газа за этой границей как п 2 . Оказывается, если скорость v очень велика (много больше скорости звука), то эта граница резкая (удар­ная волна), а скачок концентрации, т. е. величина п 2 /п 1 , оказывается ограниченным (например, в одно­атомном газе п 2 /п 1 <4, в двухатомном п 2 /п 1 <6). Объяс­няется это просто. Кинетическая энергия налетающего газа не только сжимает, но и нагревает остановившийся газ. В неподвижной области, таким образом, возникает большое газовое давление, которое и препятствует даль­нейшему сжатию.

Но в межзвездном пространстве этого может не быть. Как только газ сожмется, резко возрастет его излучение и температура уже не будет подниматься. Газовое дав­ление остается небольшим, и оно не препятствует даль­нейшему сжатию газа. В результате, в межзвездных ударных волнах, которые лучше называть «скачками уплотнения», могут возникнуть очень большие скачки концентрации. Величину скачка п 2 /п 1 можно опреде­лить, если сравнить газовое давление в сжатой области (т. е. величину, пропорциональную n 2 RT ) с динамиче­ским давлением налетающего потока газа, пропорцио­нальным п 1 v 2 . Таким образом, получаем, что скачок концентрации в межзвездной ударной волне характери­зуется величиной n 2 /п 1 ~мю v 2 / RT ~ v 2 / c s 2 , где Т - обыч­ная температура межзвездного газа (около 10 4 К в зо­нах НII и много меньше, 10-20 К, в молекулярных об­лаках). Читатель может легко убедиться, что даже при небольших скоростях движения газа (например, при скорости 7-8 км/с, - обычной скорости межзвездных облаков) можно получить (при их столкновении друг с другом) скачки уплотнения в десятки и даже сотни раз меняющейся концентрации.

Конечно, случай, изображенный на рис. 16, есть идеализация - в межзвездном пространстве труб нет, но общие особенности движения там именно таковы.

Один из важных случаев динамики межзвездной среды изображен на рис. 17 - падение межзвездного газа под действием собственной силы тяжести к центру облака. Это падение создает в центре облака область сжатия, окруженную распространяющимся от центра сферическим скачком уплотнения. Очевидно, что и здесь может быть очень сильное сжатие вещества, но уже в реальном объекте, т. е. данное явление очень возмож­но при формировании звезд.

Третья особенность межзвездной газодинамики - существенная роль магнитных полей. Рассмотрим эту особенность на примере, знакомом читателю из курса школьной физики. Если через магнитное поле переме­щать проводник, то в нем индуцируется электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. В результате взаимодействия этих полей возникает си­ла, тормозящая перемеще­ние проводника (правило Ленца). Когда электриче­ское сопротивление провод­ника велико, индуцирован­ные токи и магнитные поля оказываются слабыми и проводники легко переме­щаются в магнитном поле. Но если электрическое со­противление проводника очень мало, то возникают довольно сильные индуци­рованные токи, и сила со­противления перемещению проводника существенно возрастает - проводник «застревает». Известно, на­пример, что сверхпро­водник вообще невозможно втолкнуть в область, заня­тую магнитным полем. (Напоминаем, что если провод­ник движется вдоль магнитного поля, то в нем вообще не возникает ток и сопротивления такому движению нет.)

А теперь вернемся к межзвездному газу. Здесь, как мы знаем, много свободных электронов, и поэтому электропроводность межзвездного газа достаточно вели­ка (даже лучше, чем электропроводность меди). Поэтому перемещение такого газа через межзвездное магнит­ное поле вполне можно уподобить перемещению хоро­шего металлического проводника в этом же поле. Здесь нужно еще учесть, что огромные размеры межзвездных облаков делают эффект их торможения в магнитном поле очень заметным.

Таким образом, межзвездное магнитное поле должно тормозить движение межзвездных облаков поперек на­правления поля и не препятствовать их движению вдоль поля. Можно ожидать, что потоки межзвездного газа направлены преимущественно вдоль магнитных сило­вых линий. Этот вывод подтверждается наблюдениями: действительно, газ чаще всего движется параллельно плоскости Галактики, причем и магнитное поле имеет примерно то же направление.

Однако, если межзвездное магнитное поле слабое, так что оно уже не может остановить движение газа поперек силовых линий, то тогда уже газ начинает ув­лекать с собой и магнитное поле. Иными словами, дви­жущиеся потоки газа будут как бы тянуть за собой магнитные силовые линии, вытягивая и закручивая их. В этом случае говорят, что магнитные силовые линии «вморожены» в межзвездный газ (или межзвездный газ «приклеен» к магнитным силовым линиям).

Из определения понятия силовых линий магнитного поля известно, что напряженность магнитного поля Я (или магнитная индукция В) пропорциональна числу силовых линий, проходящих через единичную площад­ку. Когда движение газа вытягивает и «запутывает» маг­нитные силовые линии, то оно тем самым увеличивает Н (и В). Можно сказать, что здесь кинетическая энер­гия газа переходит в магнитную энергию. Рост магнит­ного поля при движении газа приостанавливается тог­да, когда эти энергии оказываются одного порядка: pv 2 /2~ B 2 /8п (здесь р - плотность газа; слева стоит плотность кинетической энергии, справа - плотность магнитной энергии). Особенно заметно усиление маг­нитного поля в упомянутых выше скачках плотности. Увеличение плотности сопровождается, в силу принципа «вмороженности» поля, пропорциональным увеличением величины В.

Четвертой особенностью межзвездной газодинамики является существование ионизационных фронтов - дви­жущихся границ между зонами НII и областями HI. Они появляются вследствие того, что газовое давление в зонах НИ обычно Много больше, чем газовое давле­ние в областях HI. В самом деле, рассматривая меж­звездную термодинамику, мы убедились, что в двухкомпонентной системе, состоящей из облаков и межоблач­ной среды, величина давления (а точнее, произведение пТ ) не больше 3 10 3 К/см 3 . С другой стороны, в зоне НИ, где Т =10 4 К, эта величина при «стандартном» значении концентрации протонов и электронов (п~с м -3) больше, а при больших концентрациях раз­личие еще более заметно.

Таким образом, зоны НII должны расширяться в ок­ружающее пространство. Но при расширении плотность газа внутри зоны падает, уменьшается число рекомби­наций, и в результате в этой зоне остается часть «не­использованных» ионизирующих квантов. Они проходят через границу первоначальной массы зоны НII и иони­зируют новые атомы водорода. Таким образом, весь про­цесс состоит не только из расширения вещества самой зоны НII, но и из еще более быстрого продвижения границы между областями ионизованного и неионизиро­ванного водорода - зона НII растет как по своим раз­мерам, так и по величине своей массы.

Такое перемещение границы зоны НII называется движением ионизационного фронта, скорость перемеще­ния которого можно сравнить со скоростью звука в об­ласти HI. Если скорость ионизационного фронта боль­ше скорости звука в том же газе, то говорят о фронте R -типа. Здесь при переходе через этот фронт газ иони­зируется и уплотняется.

Наоборот, если скорость фронта меньше соответст­вующей скорости звука, то на ионизационном фронте (называемом фронтом D -типа) происходит уменьшение концентрации. Чтобы обеспечить это уменьшение, фронт D -типа часто «посылает» перед собой ударную волну, которая предварительно «поджимает» газ в области HI.

Как только в области HI образуется новая горячая звезда, она сначала создает маленькую зону НII, кото­рая быстро расширяется как ионизационный фронт R — типа. Затем скорость расширенной зоны НII уменьша­ется, вперед посылается ударная волна, за которой на близком расстоянии следует ионизационный фронт D -типа.

Знание свойств межзвездной газодинамики совершенно необходимо для понимания процессов конденса­ции звезд из межзвездной среды - ведь эта конден­сация есть не что иное, как движение межзвездного газа. И как мы увидим ниже, особенности межзвезд­ной газодинамики проявляются в различных аспектах проблемы формирования звезд.

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда, тесно связанная со звездами: в межзвездной среде они рождаются, а «умирая», отдают ей свое вещество. Таким образом, между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда > звезды > межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд лет назад. ВТО время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10-13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд лет.

Хотя даже в мощные оптические телескопы мы видим в нашем галактическом пространстве лишь звезды и разделяющую их темную «бездну», на самом деле межзвездное галактическое пространство не является абсолютной пустотой, оно заполнено материей, веществом и полем.

Вопрос только в том, что каковы формы этой материи, в каком состоянии здесь находятся вещество и поле.

Межзвездная среда состоит на 90% из межзвездного газа, который довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1% массы межзвездной среды), а также космических лучей, пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения. Все компоненты межзвездной среды влияют друг на друга (космические лучи и электромагнитное поле ионизируют и нагревают межзвездный газ, магнитное поле определяет движение газа и др.) Проявляет себя межзвездная среда в ослаблении, рассеянии, поляризации света, поглощении света в отдельных линиях спектра, радиоизлучении, инфракрасном, рентгеновском и гамма-излучениях, через оптическое свечение некоторых туманностей и др.

Основная составляющая межзвездной среды - межзвездный газ, который, как и вещество звезд, состоит главным образом из атомов водорода (около 90% всех атомов) и гелия (около 8%); 2% представлены остальными химическими элементами (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.). Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые мельчайшие тугоплавкие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака. Революционное значение для космохимии имело открытие в газопылевых облаках различных органических соединений - углеводородов, спиртов, эфиров, даже аминокислот и других соединений, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода. К настоящему времени в межзвездном газе открыто свыше 40 органических молекул. Чаще всего они встречаются в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества. Естественно возникает предположение, что органические молекулы из межзвездных газопылевых облаков могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле. Газопылевые облака находятся под воздействием различных сил (гравитационных, электромагнитных, ударных волн, турбулентности и др.), которые либо замедляют, либо ускоряют неизбежный процесс их гравитационного сжатия и постепенного превращения в протозвезды.

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.

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