Межзвёздный газ
туманность — Большая туманность Ориона. Она
видна в бинокль, а при хорошем зрении её можно заметить и невооружённым
глазом — чуть ниже трёх звёзд, расположенных в одну линию, которые образуют
Пояс Ориона. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет.
Что заставляет светиться межзвёздный газ? Ведь привычный нам воздух
прозрачен и не излучает света. Голубое небо над головой светится рассеянным
на молекулах воздуха светом Солнца. Ночью небо становится тёмным. Впрочем,
иногда всё же можно увидеть свечение воздуха, например во время грозы,
когда под действием электрического разряда возникает молния. В северных
широтах и в Антарктиде часто наблюдаются полярные сияния — разноцветные
полосы и сполохи на небе. В обоих случаях воздух излучает свет не сам по
себе, а под действием потока быстрых частиц. Поток электронов порождает
вспышку молнии, а попадание в атмосферу Земли энергичных частиц из
радиационных поясов, существующих в околоземном космическом пространстве, —
полярные сияния.
Подобным образом возникает излучение в неоновых и других газовых лампах:
поток электронов бомбардирует атомы газа и заставляет их светиться. В
зависимости от того, какой газ находится в лампе, от его давления и
электрического напряжения, приложенного к лампе, изменяется цвет
излучаемого света.
В межзвёздном газе также происходят процессы, приводящие к излучению
света, однако они не всегда связаны с бомбардировкой газа быстрыми
частицами.
Объяснить, как возникает свечение межзвёздного газа, можно на примере
атомарного водорода. Атом водорода состоит из ядра (протона), имеющего
положительный электрический заряд, и вращающегося вокруг него отрицательно
заряженного электрона. Они связаны между собой электрическим притяжением.
Затратив определённую энергию, их можно разделить. Такое разделение
приводит к ионизации атома. Но электроны и ядра могут вновь соединиться
друг с другом. При каждом объединении частиц будет выделяться энергия. Она
излучается в виде порции (кванта) света определённого цвета,
соответствующего данной энергии.
Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизовать атомы, из которых
он состоит. Это может произойти в результате столкновений с другими
атомами, но чаще ионизация возникает, когда атомы газа поглощают кванты
ультрафиолетового излучения, например от ближайшей звезды.
Если вблизи облака нейтрального водорода вспыхнет голубая горячая звезда,
то при условии, что облако достаточно большое и массивное, почти все
ультрафиолетовые кванты от звезды поглотятся атомами облака. Вокруг звезды
складывается область ионизованного водорода. Освободившиеся электроны
образуют электронный газ температурой около 10 тыс. градусов. Обратный
процесс рекомбинации, когда свободный электрон захватывается протоном,
сопровождается переизлучением освободившейся энергии в виде квантов света.
Свет излучается не только водородом. Как считалось в XIX в., цвет
зеленоватых туманностей определяется излучением некоего «небесного»
химического элемента, который назвали небулием (от лат. nebula —
«туманность»). Но впоследствии выяснилось, что зелёным цветом светится
кислород. Часть энергии движения частиц электронного газа расходуется на
возбуждение атомов кислорода, т. е. на перевод электрона в атоме на более
далёкую от ядра орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту атом
кислорода должен испустить квант зелёного света. В земных условиях он не
успевает этого сделать: плотность газа слишком высока и частые столкновения
«разряжают» возбуждённый атом. А в крайне разреженной межзвёздной среде от
одного столкновения до другого проходит достаточно много времени, чтобы
электрон успел совершить этот запрещённый переход и атом кислорода послал в
пространство квант зелёного света. Аналогичным образом возникает излучение
азота, серы и некоторых других элементов.
Таким образом, область ионизованного газа вокруг горячих звёзд можно
представить в виде «машины», которая перерабатывает ультрафиолетовое
излучение звезды в очень интенсивное излучение, спектр которого содержит
линии различных химических элементов. И цвет газовых туманностей, как
выяснилось позднее, различен: они бывают зеленоватые, розовые и других
цветов и оттенков — в зависимости от температуры, плотности и химического
состава газа.
Некоторые звезды на заключительных стадиях эволюции постепенно
сбрасывают внешние слои, которые, медленно расширяясь, образуют светящиеся
туманности. При наблюдении в телескопы эти туманности напоминают диски
планет, поэтому они получили название планетарных. В центре некоторых из
них можно увидеть небольшие очень горячие звезды. Расширяющиеся газовые
туманности также возникают в конце жизни некоторых массивных звезд, когда
они взрываются как сверхновые; при этом звезды полностью разрушаются,
рассеивая свое вещество в межзвездное пространство. Это вещество богато
тяжелыми элементами, образовавшихся в ядерных реакциях, протекавших внутри
звезды, и в дальнейшем служит материалом для звезд новых поколений и
планет.
Что происходит в центре нашей Галактики?
Центральная область Млечного Пути приковывала внимание астрономов на
протяжении многих десятилетий. От нее до Земли всего 25 тыс. световых лет,
тогда как от центров других галактик нас отделяют миллионы световых лет,
поэтому есть все основания надеяться, что именно центр нашей Галактики
удастся изучить более подробно. Однако в течение длительного времени
непосредственно наблюдать эту область было невозможно, поскольку она скрыта
большими плотными облаками газа и пыли. Хотя открытия, сделанные при
наблюдениях рентгеновского и гамма-излучения, безусловно важны, наиболее
обширные и ценные спектроскопические исследования центра Галактики были
проведены в инфракрасном и радиодиапазонах, в которых он впервые
наблюдался. Довольно подробно изучалось радиоизлучение атомарного водорода
с длиной волны 21 см. Водород — наиболее распространенный элемент во
Вселенной, что компенсирует слабость его излучения. В тех областях Млечного
Пути, где облака межзвездного газа не слишком плотны и где ультрафиолетовое
излучение не очень интенсивно, водород присутствует главным образом в виде
изолированных электрически нейтральных атомов; именно хорошо различимые
радиосигналы атомарного водорода детально картировались для установления
структуры нашей Галактики.
На расстояниях более 1000 св. лет от центра Галактики излучение атомарного
водорода дает надежные данные о вращении Галактики и структуре ее
спиральных рукавов. Из него нельзя получить много информации об условиях
вблизи центра Галактики, поскольку там водород преимущественно объединен в
молекулы или ионизован (расщеплен на протон и электрон).
Мощные облака молекулярного водорода скрывают центр Галактики и наиболее
удаленные объекты, находящиеся в плоскости Галактики. Однако микроволновые
и инфракрасные телескопы позволяют наблюдать и эти облака, и то, что
находится сзади них в галактическом центре. Кроме молекулярного водорода
облака содержат много стабильных молекул окиси (монооксида) углерода (СО),
для которых наибольшая характеристическая длина волны излучения составляет
3 мм. Это излучение проходит через земную атмосферу и может быть
зарегистрировано наземными приемниками; особенно много окиси углерода в
темных пылевых облаках, поэтому она играет полезную роль для определения их
размеров и плотности. Измеряя доплеровский сдвиг (изменение частоты и длины
волны сигнала, вызываемое движением источника вперед или назад относительно
наблюдателя), можно определить и скорости движения облаков.
Обычно темные облака довольно холодные — с температурой около 15
К(—260°С), поэтому окись углерода в них находится в низких энергетических
состояниях и излучает на относительно низких частотах — в миллиметровом
диапазоне. Часть вещества вблизи центра Галактики явно более теплая. С
помощью Койперовской астрономической обсерватории исследователями из
Калифорнийского университета в Беркли зарегистрировали более энергичное
излучение окиси углерода в дальней инфракрасной области, указывающее на
температуру газа около 400 К, что приблизительно соответствует точке
кипения воды. Этот газ нагревается под воздействием идущего из центра
Галактики ультрафиолетового излучения и, возможно, ударных волн, которые
возникают при столкновениях облаков, движущихся вокруг центра.
В других местах вокруг центра окись углерода несколько холоднее и большая
часть ее излучения приходится на более длинные волны — около 1 мм. Но даже
здесь температура газа составляет несколько сотен кельвинов, т. е. близка к
температуре у поверхности Земли и гораздо выше, чем внутри большинства
межзвездных облаков. 'К другим детально изученным молекулам относятся
цианистый водород (HCN), гидроксил (ОН), моносульфид углерода (CS) и аммиак
(NH^). Карта излучения HCN высокого разрешения была получена на
радиоинтерферометре Калифорнийского университета. Карта указывает на
существование разбитого на отдельные сгустки, неоднородного диска из теплых
молекулярных облаков, окружающего «полость» шириной около 10 св. лет в
центре Галактики. Поскольку диск наклонен относительно линии наблюдения с
Земли, эта круглая полость кажется эллиптической (см. рис. внизу).
Атомы угл
| |  скачать работу |
Межзвёздный газ |
