Межзвёздный газ

скачать (73.5 kb.)

  1   2




По всей вероятности, первыми внеземными объектами, которые привлекли внимание человека еще 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 это нашло отражение в мифах и легендах почти всех народов.

Вопрос о том, какова природа звезд, возник, очевидно, гораздо позже. Заметив блуждающие звезды — планеты, люди, быть может, впервые сделали попытку проанализировать взаимосвязь различных явлений, хотя возникшая таким путем астрология подменила знания суевериями. Любопытно, что астрономия, одна из наиболее обобщаю­щих наук о природе, свои первые шаги совершала по зыбкой почве заблуждений, отголоски которых дошли даже до наших дней.

Причину этих заблуждений легко понять, если учесть, что пер­вый этап развития науки о небе в буквальном смысле слова был основан на созерцании и абстрактном мышлении, когда практически отсутствовали какие-либо астрономические инструменты. Тем более поразительно, что этот этап блестяще завершился, бессмертным творением Коперника — первой и важнейшей революцией в астро­номии. До этого казалось очевидным, что наблюдаемое, видимое совпадает с действительным, реально существующим, копирует его. Коперник впервые доказал, что действительное может радикально и принципиально отличаться от видимого.

Следующий столь же решительный шаг сделан великим Галилеем, сумевшим увидеть то, что не заметил даже такой тонкий наблюдатель, как Аристотель. Именно Галилей впервые понял, что, вопреки очевидному, процесс движения тела вовсе не означает постоянного воздействия на него другого тела. Открытый Галилеем принцип инерции позволил затем Ньютону сформулировать законы динамики, которые послужили фундаментом современной физики.

Если самое гениальное свое открытие Галилей сделал в области механики — и это в дальнейшем принесло огромную пользу астроно­мии, — то непосредственно наука о небе обязана ему началом новой эпохи в своем развитии — эпохи телескопических наблюдений.

Применение телескопа в астрономии прежде всего неизмеримо увеличило число объектов, доступных исследованиям. Еще Джорда­но Бруно говорил о бесчисленных мирах солнц. Он оказался прав: звезды — самые важные объекты во Вселенной, в них сконцентри­ровано почти все космическое вещество. Но звезды — это не просто резервуары для хранения массы и энергии. Они являются тер­моядерными котлами, где происходит процесс образования атомов тяжелых элементов, без которых невозможны были бы наиболее сложные этапы эволюции материи, приведшие на Земле к возникно­вению флоры, фауны, человека и наконец человеческой цивилизации.

По мере совершенствования телескопов и методов регистрации электромагнитного излучения астрономы получают возможность проникать во все более удаленные уголки космического простран­ства. И это не только расширяет геометрический горизонт извест­ного нам мира: более далекие объекты отличаются и по возрасту, так что в известной нам части Вселенной, которую принято называть Метагалактикой, содержится богатая информация об истории раз­вития, иными словами, об эволюции Вселенной. Современная астро­номия обогатилась учением о развитии миров, подобно тому как биология в свое время обогатилась учением Дарвина. Это уже бо­лее высокая ступень перехода -от видимого к действительному, ибо по тому, что видно сегодня, мы познаем суть явлений в далеком прошлом и можем предвидеть будущее!

В последнее время в астрономии наметился еще один важный переход от наблюдаемого к действительному. Само по себе наблю­даемое теперь оказалось достоянием многих ученых-астрономов, вооруженных самой современной техникой, которая использует малейшие возможности, скрытые в тайниках физических законов и позволяющие вырывать у природы ее тайны. Но проникновение в неведомую еще нам реальность — это не просто представление о том, что вокруг чего обращается, и даже не то, что является причиной движения или как выглядели те или иные тела в незапамятные времена, а нечто гораздо большее. Это – познание свойств пространства и времени в целом, в масштабах, не доступных нашему непосредственному восприятию и созерцанию.

Пространство между звёздами, за ис­ключением отдельных туманностей, выглядит пустым. На самом же деле всё межзвёздное пространство за­полнено веществом. К такому заклю­чению учёные пришли после того, как в начале XX в. швейцарский аст­роном Роберт Трюмплер открыл по­глощение (ослабление) света звёзд на пути к земному наблюдателю. Причём степень его ослабления зависит от цвета звезды. Свет от голубых звёзд поглощается более интенсивно, чем от красных. Таким образом, если звезда излучает в голубых и красных лучах одинаковое количество энер­гии, то в результате поглощения све­та голубые 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. Тёмные туманности, такие, как Угольный Мешок и Конская Голова, являются местом повышенной плот­ности поглощающего межзвёздного

вещества. А состоит оно из мельчай­ших частиц — пылинок. Физические свойства пылинок к настоящему вре­мени изучены достаточно хорошо.

Помимо пыли между звёздами имеется большое количество невиди­мого холодного газа. Масса его поч­ти в сто раз превосходит массу пыли. Как же стало известно о существова­нии этого газа? Оказалось, что атомы водорода излучают радиоволны с длиной волны 21 см. Большую часть информации о межзвёздном вещест­ве получают с помощью радиотеле­скопов. Так были открыты облака атомарного нейтрального водорода.


Типичное облако атомарного ней­трального водорода имеет температу­ру около 70 К (—200 °С) и невысокую плотность (несколько десятков ато­мов в кубическом сантиметре про­странства). Хотя такая среда и счита­ется облаком, для землянина это глубокий вакуум, в миллиард раз раз­реженнее, чем вакуум, создаваемый, например, в кинескопе телевизора. Размеры облаков водорода — от 10 до 100 пк (для сравнения: звёзды в среднем находятся друг от друга на рас­стоянии 1 пк).

Впоследствии были обнаружены ещё более холодные и плотные обла­ка молекулярного водорода, совер­шенно непрозрачные для видимого света. Именно в них сосредоточена большая часть холодного межзвёзд­ного газа и пыли. По размерам эти облака примерно такие же, как и об­ласти атомарного водорода, но плот­ность их в сотни и тысячи раз выше. Поэтому в больших молекулярных облаках может содержаться огромная масса вещества, достигающая сотен тысяч и даже миллионов масс Солн­ца. В молекулярных облаках, состоя­щих в основном из водорода, присут­ствуют и многие более сложные молекулы, в том числе простейшие органические соединения. Некоторая часть межзвёздного ве­щества нагрета до очень высоких температур и «светится» в ультрафи­олетовых и рентгеновских лучах. В рентгеновском диапазоне излучает самый горячий газ, имеющий темпе­ратуру около миллиона градусов. Это — короналъный газ, названный так по аналогии с разогретым газом в солнечной короне. Корональный газ отличается очень низкой плотностью: примерно один атом на кубический дециметр пространства.

Горячий разреженный газ образу­ется в результате мощных взрывов — вспышек сверхновых звёзд. От места взрыва в межзвёздном газе распро­страняется ударная волна и нагрева­ет газ до высокой температуры, при которой он становится источником рентгеновского излучения. Корональ­ный газ обнаружен также в простран­стве между галактиками.

Итак, основным компонентом меж­звёздной среды является газ, состоя­щий из атомов и молекул. Он переме­шан с пылью, содержащей около 1% массы межзвёздного вещества, и про­низывается быстрыми потоками эле­ментарных частиц — космическими лучами — и электромагнитным излу­чением, которые также можно считать составляющими межзвёздной среды. Кроме того, межзвёздная среда оказалась слегка намагниченной.

Магнитные поля связаны с облака­ми межзвёздного газа и движутся вместе с ними. Эти поля примерно в 100 тыс. раз слабее магнитного по­ля Земли. Межзвёздные магнитные поля способствуют образованию наиболее плотных и холодных обла­ков газа, из которых конденсируют­ся звёзды. Частицы космических лу­чей также реагируют на межзвёздное магнитное поле: они перемещаются вдоль его силовых линий по спи­ральным траекториям, как бы нави­ваясь на них. При этом электроны, входящие в состав космических лу­чей, излучают радиоволны. Это так называемое синхротронное излуче­ние рождается в межзвёздном про­странстве и уверенно наблюдается в радиодиапазоне.

ГАЗОВЫЕ ТУМАННОСТИ

Наблюдения с помощью телескопов позволили обнаружить на небе боль­шое количество слабосветящихся пя­тен — светлых туманностей. Систе­матическое изучение туманностей начал в XVIII в. Уильям Гершель. Он разделял их на белые и зеленоватые. Подавляющее большинство белых туманностей образовано множест­вом звёзд — это звёздные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными с межзвёздной пылью, которая отражает свет близко распо­ложенных звёзд, — это отражатель­ные туманности. Как правило, в цен­тре такой туманности видна яркая звезда. А вот зеленоватые туманно­сти — не что иное, как свечение меж­звёздного газа.

Самая яркая на небе газовая 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.
  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации