Происхождение туманностей
Смотрящие из глубин космоса загадочные объекты давным-давно привлекали интерес людей, наблюдающих за небом. Еще древнегреческий ученый Гиппарх в своем каталоге отметил наличие в ночном небе нескольких туманных объектов. Его коллега Птолемей пополнил список еще пятью туманностями. В XVII веке Галилей изобрел телескоп и с его помощью смог увидеть туманности Ориона и Андромеды. С тех пор по мере совершенствования телескопов и других приборов начались новые открытия в космическом пространстве. А туманности отнесли к отдельному классу звездных объектов.
Туманность — участок межзвёздной среды, выделяющийся своим излучением или поглощением излучения на общем фоне неба. Они состоят из пыли, газа и плазмы.
Когда физическая природа звезд и туманностей была еще не известна, то предполагали, что туманности, газовые и пылевые, — это остатки того вещества, из которого когда-то образовались звезды. Туманности, наблюдаемые нами сейчас, наоборот, сами являются продуктом деятельности звезд и результатом грандиозных катастроф.
Первоначальный принцип, по которому квалифицируют туманности, заключается в поглощении или рассеивании (излучении) ими света. Данный критерий делит туманности на светлые и темные. Излучение светлых зависит от их происхождения. А источники энергии, которые возбуждают их излучение, зависят от собственной природы. Очень часто в туманности могут действовать не один, а два механизма излучения. Темные можно увидеть только благодаря поглощению расположенных за ними источников излучения.
Так же, среди видов туманностей выделяют планетарные туманности и сверхновые, а также т уманности, ионизованные излучением и другие. Выделение различных типов туманностей в значительной степени связано с особенностями их происхождения.
Происхождение различных типов туманностей
Тёмные туманности
Тёмные туманности представляют собой плотные (обычно молекулярные) облака межзвёздного газа и межзвёздной пыли, непрозрачные из-за межзвёздного поглощения света пылью. Обычно они видны на фоне светлых туманностей. Реже тёмные туманности видны прямо на фоне Млечного Пути.
Таковы туманность Угольный Мешок и множество более мелких, называемых гигантскими глобулами.
Туманность Угольный мешок
В тех частях туманностей, которые полупрозрачны в оптическом диапазоне, хорошо заметна волокнистая структура. Волокна и общая вытянутость туманностей связаны с наличием в них магнитных полей, затрудняющих движение вещества поперёк силовых линий и приводящих к развитию ряда видов магнитогидродинамических неустойчивостей. Пылевой компонент вещества туманностей связан с магнитными полями из-за того, что пылинки электрически заряжены.
Отражательные туманности
Отражательные туманности являются газово-пылевыми облаками, подсвечиваемыми звёздами. Если звезда (звёзды) находятся в межзвёздном облаке или рядом с ним, но недостаточно горяча (горячи), чтобы ионизовать вокруг себя значительное количество межзвёздного водорода, то основным источником оптического излучения туманности оказывается свет звёзд, рассеиваемый межзвёздной пылью.
Примером таких туманностей являются туманности вокруг ярких звёзд в скоплении Плеяды.
Большинство отражательных туманностей расположено вблизи плоскости Млечного Пути. В ряде случаев наблюдаются отражательные туманности на высоких галактических широтах. Это газово-пылевые (часто молекулярные) облака различных размеров, формы, плотности и массы, подсвечиваемые совокупным излучением звёзд диска Млечного Пути.
Редкой разновидностью отражательной туманности является так называемое световое эхо, наблюдавшееся после вспышки новой звезды 1901 года в созвездии Персея. Яркая вспышка новой звезды подсветила пыль, и несколько лет наблюдалась слабая туманность, распространявшаяся во все стороны со скоростью света. Кроме светового эха, после вспышек новых звёзд образуются газовые туманности, подобные остаткам вспышек сверхновых звёзд.
Диффузные туманности
Диффузные туманности 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
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.
Планетарная туманность Улитка
Таким образом, планетарные туманности выбрасываются их центральными звездами, тогда как диффузные туманности типа Туманности Ориона – это вещество, которое осталось неиспользованным в процессе формирования звезд.
Виды и происхождение туманностей, созданных ударными волнами
Разнообразие и многочисленность источников сверхзвукового движения вещества в межзвёздной среде приводят к большому количеству и разнообразию туманностей, созданных ударными волнами. Обычно такие туманности недолговечны.Они исчезают тогда, когда исчезает кинетическая энергия движущегося газа.
Существует несколько источников для возникновения таких ударных волн. Чаще всего – это результат взрыва звезды. Реже – звездный ветер, вспышки новых и сверхновых звезд. В любом случае присутствует один источник выброса подобного вещества – звезда Туманности такого происхождения имеют форму расширяющейся оболочки или форму сферы.
Вещество, которое выбросилось в результате взрыва, может иметь различные скорости от сотен до тысяч км/с, из-за этого температура газа за ударной волной достигает не миллионов, а миллиардов градусов.
Остатки сверхновых и новых звёзд
Наиболее яркие туманности, созданные ударными волнами, вызваны взрывами сверхновых звёзд и называются остатками вспышек сверхновых звёзд. Они играют очень важную роль в формировании структуры межзвёздного газа. Наряду с описанными особенностями для них характерно нетепловое радиоизлучение со степенным спектром, вызванное релятивистскими электронами, ускоряемыми как в процессе взрыва сверхновой, так и позже пульсаром, обычно остающимся после взрыва. Туманности, связанные со взрывами новых звёзд, малы, слабы и недолговечны.
Существует два возможных сценария рождения сверхновой звезды:
- Массивная звезда, исчерпав своё топливо, прекращает производство термоядерной энергии, что влечёт коллапс звезды под действием силы собственной гравитации и её превращение в нейтронную звезду или чёрную дыру.
- Белый карлик, накапливая вещество звезды-компаньона (явление аккреции), достигает критической массы и становится сверхновой в термоядерной вспышке.
В обоих случаях взрыв сверхновой выбрасывает в окружающее пространство всё или почти всё вещество из внешних слоёв звезды, со скоростью около 1 % от скорости света, что соответствует порядка 3000 км/с.
Когда выброшенное вещество сталкивается с околозвёздным или межзвёздным газом, формируется ударная волна, превращающая газ в горячую плазму, разогревая его до температуры порядка 10 миллионов кельвинов.
Вероятно самый красивый и лучше всего исследованный молодой остаток образован сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке, вспыхнувшей в 1987 г. Другие хорошо известные остатки сверхновых, это Крабовидная туманность, остаток относительно недавнего взрыва (1054 год), остаток сверхновой Тихо (SN 1572), получившей имя в честь Тихо Браге, который наблюдал и зафиксировал её первоначальную яркость сразу после вспышки в 1572 г., а также остаток сверхновой Кеплера (SN 1604), названной в честь Иоганна Кеплера.
Туманности вокруг звёзд Вольфа — Райе
Другой тип туманностей, созданных ударными волнами связан со звёздным ветром от звёзд Вольфа — Райе. Эти звёзды характеризуются очень мощным звёздным ветром с потоком массы и скоростью истечения 1⋅103—3⋅103 км/с. Звезды Вольфа имеют довольно мощный ветровой поток массы и скорость истечения. Они образуют туманности средних размеров с очень яркими волокнами.
В отличие от остатков вспышек сверхновых звёзд, радиоизлучение этих туманностей имеет тепловую природу.
Время жизни таких туманностей ограничено продолжительностью пребывания звёзд в стадии звезды Вольфа — Райе и близко к 105 лет.
Туманности вокруг O-звёзд
Аналогичны по свойствам туманностям вокруг звёзд Вольфа — Райе, но образуются вокруг наиболее ярких горячих звёзд спектрального класса О — Of, обладающих сильным звёздным ветром. В отличие от туманностей, расположенных вокруг звезд Вольфа – Райе, туманности О-звезд менее яркие, но имеют намного большие размеры и продолжительность существования.
Туманности в областях звездообразования
Ударные волны меньших скоростей возникают в областях межзвёздной среды, в которых происходит звездообразование. Они приводят к нагреву газа до сотен и тысяч градусов, возбуждению молекулярных уровней, частичному разрушению молекул, нагреву пыли. Такие ударные волны видны в виде вытянутых туманностей светящихся преимущественно в инфракрасном диапазоне.
Ряд таких туманностей обнаружен, например, в очаге звездообразования, связанном с туманностью Ориона.
Таким образом, во вселенной, хотя и в разное время и в разных местах, происходит как процесс сгущения звезд из туманностей, так и, наоборот, образование новых туманностей за счет звезд. Это круговорот вселенной, вечное зарождение одних миров и гибель других.
Видео
Источник
Туманность
Туманность представляет собой участок межзвёздного пространства, который отличается способностью к излучению или его поглощением. Некоторое время назад под этим явлением понимался неподвижный объект, имевший определённую протяжённость. Но впоследствии было выявлено, что среди таких феноменов немало галактик. Поэтому термин получил более узкое значение, которое актуально до сих пор.
Историческая справка
Изначально туманность означала любой диффузный светящийся субъект. В т. ч. звёздное скопление, галактическую группу, расположенную за пределами Млечного пути, непохожую на светило. Например, галактику Андромеды до сих пор принято называть туманностью Андромеды.
По мере развития астрономической науки и соответствующих технологий данное понятие постоянно уточнялось и сужалось. В итоге некоторые туманности удалось идентифицировать как скопления звёзд. А в начале прошлого столетия астрономы сумели выявить происхождения этих феноменов. С тех пор слово «туманность» употребляется в том смысле, который он имеет сегодня.
Планетарная туманность Кошачий Глаз
Разновидности (классификация)
В процессе соотнесения объекта с определённой группой во внимание принимается несколько признаков. Главный критерий – поглощение (излучение, рассеивание) света. На его основании туманность может быть тёмной или светлой. Первая разновидность наблюдается за счёт поглощения излучения источников, которые расположены сзади. Второй тип можно обнаружить при собственном отражении света светил, находящихся поблизости.
Также туманность может быть газовой и пылевой, но такая классификация является условной, ведь все подобные феномены содержат газ, и пыль. Историческая обусловленность такого деления связана, в первую очередь, с тем, что существует несколько методик наблюдения и механизмов излучения.
- Пыль можно наблюдать в процессе поглощения тёмными элементами излучения источников, которые располагаются сзади. Также рассматриваемый феномен без труда наблюдается в случае отражения или рассеивания пыли, содержащейся в туманности.
- Газовую компоненту можно обнаружить в ходе ионизации ультрафиолетовым излучением. Также данное явление хорошо заметно в процессе нагрева межзвёздного пространства посредством ударной волны.
Все эти явления исследованы современными учёными достаточно хорошо. Несмотря на это, работы продолжаются до сих пор. Ведь объекты имеют немало тайн и загадок, которые нужно разбирать для получения новой актуальной информации.
Все типы туманностей
Всего в астрономической науке существует несколько типов подобных объектов. Их названия и описания будут рассмотрены далее.
Тёмные
Звёздная туманность тёмного типа – это плотное облако, в составе которого преобладают молекулы пыли и газа, относящиеся к межзвёздному пространству. Заметить их можно на фоне туманностей светлого типа. Реже они могут быть обнаружены непосредственно на фоне галактической группы Млечный путь. Такая туманность называется гигантской глобулой.
В областях, которые наполовину прозрачны, можно запросто заметить волокнистые структурные компоненты. Общая вытянутость имеет тесную взаимосвязь с присутствием магнитных полей, которые создают препятствия для движения вещества против силовых линий. Что касается пылевой составляющей, она связана с магнитными полями, так как пылинки имеют электрический заряд.
Гигантская область звездообразования NGC 604
Отражательные
Туманность может иметь непосредственное отношение к отражательной группе и выступать в качестве облака из пыли и газа. Львиная доля подобных объектов располагается рядом с галактической группой Млечный путь. В некоторых случаях можно обнаружить отражательные объекты на высоких широтах. Они представляют облака из пыли и газа, имеющие различные размеры, формы, показатели массы и плотности. Они трудно поддаются изучению по причине невысокой яркости.
В некоторых ситуациях отражательная туманность может напоминать комету. В зоне её «головы» располагается звезда переменного типа, которая задаёт освещение. Яркость таких объектов обычно переменная, а размеры невелики и составляют сотые доли парсека. Редким видом отражательной туманности считается эхо (световое), которое можно наблюдать после вспышки нового светила.
Львиная доля таких объектов отличается тонковолокнистой структурой. Она представлена системой практически параллельных волокон, которые обладают толщиной в несколько долей парсека. Происхождение волокон связано, в первую очередь, с желобковой неустойчивостью, что характеризуется действием магнитного поля. Они как бы раздвигают части поля и создают нити небольшой толщины.
Детальное изучение порядка, в котором происходит распределение яркости, а также ознакомление со свойством поляризации света по поверхности объекта позволяет изучить следующие параметры:
- значение альбедо;
- индикатриса рассеяния;
- размерные факторы;
- форма тела;
- направление пылинок.
Так, космическая туманность, несмотря на относительную изученность, таит в себе немало тайн и загадок, которые ещё только предстоит разгадать.
Крабовидная туманность — остаток вспышки сверхновой (1054 год)
Ионизированные группы
Эти феномены представляют собой участки межзвёздного газа, который чрезмерно ионизирован звёздным излучением или прочими источниками. Наиболее явными представителями данной категории являются зона H2. Именно в них вещество практически на 100% ионизировано и подогрето до температурной отметки в 10 000 К. Внутри них происходит переработка излучения, поэтому в данном спектре можно наблюдать яркие линии.
Также в эту группу можно отнести зоны углерода (ионизированного) – C2. В них задействовать свет звёзд, расположенных по центру. Традиционно они располагаются вокруг зон H2 на «территории» H1. Наблюдать такие участки не составит труда и в зоне инфракрасной линии.
Возникновение таких зон происходит по той причине, что потенциал ионизации ниже, нежели у водорода. Наряду с этим рассматриваемые участки могут формироваться вокруг объектов, относящихся к группам B1-B5. Такие светила практически не могут ионизировать водородное вещество и не создают видимых зон. Для них ещё характерно возникновение вокруг сильных рентгеновских источников и прочих галактик.
Планетарные
Туманность может быть планетарной. Она образуется в верхнем слое атмосфер и представляет собой оболочку, которая сброшена светилом-гигантом. Расширение и свечение обычно происходит в рамках оптического диапазона. Открытие первых подобных групп произошло силами Уильяма Гершеля в 1783 году.
Своё название они получили по причине наличия внешнего сходства с дисками планет. Хотя некоторые из этих субъектов обладают другой формой. Скорость их расширения составляет 20-40 километров в секунду, а диаметральное сечение – от 0,01 единиц. Продолжительность жизненного цикла равняется порядка 10 000 лет.
Планетарная туманность Песочные Часы расположена на расстоянии 8000 св. лет
Элементы, образованные под действием ударных волн
Традиционно такая туманность недолговечна, поскольку её исчезновение происходит по мере исчерпания кинетической энергии газа, который движется. В качестве базовых источников ударных волн выступают взрывы светил. Они характеризуются сбросами оболочек в процессе вспышек сверхновых и новых объектов, а также возникновением звёздного ветра.
Туманность, созданная по этому принципу, напоминает расширяющиеся оболочки, а по форме похожа на сферу. Скорость выбрасываемого компонента равна сотни и тысячи километров в секунду. Учёные исследуют всевозможные параметры до сих пор, поскольку они позволяют получить доступ к новым сведениям и совершить открытия в мире астрономии.
Газ, который претерпел нагревание до температурной отметки в несколько миллионов градусов, излучает в области непрерывного спектра, а также отдельных линий. В оптических частях его свечение является слабым. Когда ударная волна сталкивается с неоднородностью межзвёздного пространства, она огибает уплотнения, внутри которых происходит распространение более медленной волны. Именно она провоцирует излучение в спектре.
В ходе этого происходит формирование ярких волокон, которые можно запросто заметить на фотографиях. Ударный фронт в процессе сжатия сгустка газа (межзвёздного) приводит движение в сторону распространения, однако скорость является более маленькой в отличие от ударной волны.
Изображение туманности Бумеранг, сделанное космическим телескопом Хаббла
Звёздные остатки
Туманность, которая считается наиболее яркой, создана ударными волнами. Она вызвана взрывом сверхновой звезды и получила название остатка вспышки. В создании структуры газа (межзвёздного) такие объекты играют крайне важную роль. Наряду с этим для них характерно явление радиоизлучения, которое оснащено степенным спектром и вызвано релятивистскими электронами. Их ускорение происходит вследствие взрыва сверхновой и пульсара, который остаётся после него. Туманность, которая имеет непосредственную взаимосвязь со взрывом новых звёзд, является недолговечной.
Объекты вокруг светил Вольфа — Райе
Другая разновидность туманностей, сформированных ударными волнами, связана со звёздным ветром, образованным от светил Вольфа Райе. Для них характерен крайне сильный звёздный ветер, имеющий внушительный поток массы и скорость истечения, равную от 1*10^3 километров в секунду.
Такие объекты способны создать туманность, равную несколько парсек, имеющую яркие волокна. Её радиоизлучение отличается тепловой природой, а продолжительность жизни является ограниченной из-за наличия предела нахождения светил в фазе звезды Вольфа – Райе.
Эти объекты имеют множество характерных особенностей, которые нуждаются в тщательном изучении.
Вокруг O-звёзд
Туманность такого типа создана по аналогии с объектом Вольфа – Райе. Она имеет схожие свойства и характеристики. Однако её появление происходит вокруг наиболее ярких горячих светил, относящихся к спектральному классу O – OF. Они обладают внушительным ветром звёздного типа. От объектов, описанных в прежней группе, они отличаются небольшим показателем яркости и внушительными размерами. Кроме того, длительность их жизни более высока, в отличие от других аналогичных групп.
Зоны звездообразования
Туманность может иметь ударные волны меньших скоростей. Всё это провоцирует нагрев газа до сотен и тысяч градусов, а также вызывает возбуждение так называемых молекулярных уровней. Наряду с этим формируется частичное разрушение молекулярных элементов, нагрев пылевых частиц.
Подобные ударные волны можно заметить как вытянутые туманности, святящиеся в инфракрасном диапазоне. Большинство из них обнаружены в очаге звездообразования, который имеет непосредственную взаимосвязь с таким значимым объектом, как туманность Ориона.
Вывод-заключение
Туманность представляет собой объект, который, несмотря на относительную изученность, до сих пор вызывает среди учёных множество вопросов. Изначально это слово имело широкое значение. Однако впоследствии, когда учёными были сделаны некоторые уточнения, оно сузилось и обрело несколько иной смысл.
В настоящее время под термином «туманность» принято понимать продолжительный светящийся объект, который наделён определённым набором свойств и характеристик. Отдельно стоит упомянуть такой термин, как звёздная туманность, которая представлена скоплением большого количества светил и имеет свечение, а также способна рассеивать свет. Она исследуется учёными со всего мира, и к настоящему моменту времени им удалось получить некоторые актуальные данные для проведения дальнейших наблюдений.
Таким образом, несмотря на проведение со стороны учёных большого количества исследовательских работ, наблюдения за подобными объектами продолжаются до сих пор и вызывают у астрономов особый интерес. Ведь они открывают новые небесные объекты и позволяют бороздить просторы Вселенной практически без ограничений.
Источник