Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уильям Уоллер

излучает любую энергию, полученную им от звезд, космических лучей и даже от космического микроволнового фона. Его высокая излучательная способность помогла астрономам составить карту пространственного распределения молекулярных облаков по всему диску Галактики. Оказалось, что облака тяготеют к вращению в пределах кольца, которое охватывает область от 11 000 до 23 000 световых лет от центра Галактики, а также были получены некоторые намеки на то, что облака располагаются вдоль спиральных рукавов, хотя точное количество и форма рукавов остаются спорными.

Пристальное наблюдение за крупнейшими молекулярными облаками с акцентом на монооксиде углерода и других излучающих молекулах показало, что эти облака огромны и сложны по структуре, — каждое из них простирается на сотни световых лет и содержит молекулярный водород, по массе эквивалентный миллиону солнц. И более того, тысячи гигантских молекулярных облаков, заполнивших центр Галактики, — это самые крупные объекты из всех, что присутствуют в Млечном Пути. Внутри этих исполинов происходят удивительные метаморфозы и сгущается молекулярный газ, что в конечном итоге ведет к появлению новых звездных скоплений, а они, в свою очередь, оказывают энергетическую «обратную связь» на родительские облака, вызывая всевозможные структурные изменения и эмиссионные явления.

В Сети по запросу «Млечный Путь» вы, без сомнения, найдете замечательные снимки и картины, запечатлевшие нашу Галактику и множество живописных темных туманностей, которые подобны волнам, набегающим на звезды. Может быть, вам посчастливится увидеть и небольшие, более яркие газовые области, светящиеся розовыми оттенками. Простой поиск по слову «туманности» позволит вам увидеть их потрясающе красивые снимки, снятые крупным планом.

Эмиссионные туманности делятся на три основных типа: области H II, планетарные туманности и остатки сверхновых. Области H II — это части молекулярных облаков, недавно сформировавших сотни или тысячи звезд, организованных в скопления. Самые массивные из этих звезд невероятно горячие и мощные. В частности, их ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы газа на атомы, а затем срывает с атомов их самые внешние электроны. В ходе этой фотоионизации из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, вместе имеющих отличительную температуру в несколько тысяч градусов, образуется плазма. Наименование «H II» относится к однократно ионизированному состоянию водорода, тогда как «H I» обозначает нейтральный атомарный водород. Имея только один электрон, водород может существовать только в формах H I и — после ионизации — H II.

Фотоионизированный водород излучает на определенных длинах волн всегда, как только электрон вновь захватывается ионом водорода, а затем перескакивает на более низкие энергетические уровни. Именно его скачок с третьего на второй квантованный энергетический уровень приводит к появлению рубиново-красного свечения, столь характерного для многих снимков эмиссионных туманностей, сделанных с большой глубиной резкости. В видимой части водородного спектра присутствуют более слабые эмиссионные линии бирюзового, синего и фиолетового цветов. У других атомов больше электронов, доступных для ионизации, и поэтому у них проявления состояний ионизации и соответствующих перескоков электронов могут быть более разнообразными. В областях H II ионы кислорода (O II и O III), азота (N II) и серы (S II и S III) светятся различными цветами — красным, зеленым, синим, фиолетовым, — в зависимости от специфических скачков в квантованных энергетических состояниях их оставшихся внешних электронов. На фотографиях областей H II, снятых на длинной выдержке, часто видны разноцветные полости и пузырьки облученного газа, который испаряется под воздействием света. Некоторые из этих «рабочих поверхностей» имеют протуберанцы, обращенные внутрь, к отдающим энергию звездам. Эти газопылевые «скульптуры» напоминают размытые ливнем «эрозионные столбы», которые возвышаются над округой в Брайс-Каньоне и в других местах, подпавших под атмосферные воздействия. Наблюдения в инфракрасном диапазоне показали, что в этих запутанных областях много сложных органических молекул. И более того, на наших глазах в этих наполненных энергией экосистемах зарождается пребиотическая химия. Самая известная область H II — это туманность Ориона (М42), расположенная в одноименном созвездии в районе меча, «подвешенного» (довольно угрожающе) на поясе Ориона. В хороший любительский телескоп прекрасно видна и она сама, и ее восхитительные звезды. В число других известных областей H II входят туманность Орел (М16) в созвездии Стрельца (обитель знаменитых «Столпов Творения») и туманность Киля в одноименном созвездии южного неба (ярчайшая эмиссионная туманность на небосводе и родина эруптивной [взрывной] звезды η Киля). С помощью космического телескопа «Хаббл», больших наземных телескопов и даже любительских телескопов мы получили удивительно красивые фотографии этих туманных объектов.

В то время как области H II прослеживаются вокруг недавно возникших звездных скоплений, планетарные туманности характерны для умирающих звезд. В процессе эволюции звезды с массой от 0,8 до 8 M⊙ отходят от главной последовательности, на которой им свойственно ядерное горение водорода, и становятся гигантами, а энергию начинают получать благодаря синтезу гелия из водорода, проходящему в их недрах. Внутренняя нестабильность приводит к тому, что в конечном итоге внешние звездные слои рассеиваются, порождая стремительные ветры, — и со временем обнажаются горячие ядра. Их ультрафиолетовое излучение фото- ионизирует исчезающие оболочки рассеиваемых газов, создавая горячую плазму, которая флуоресцирует цветами, характерными для ионов, входящих в ее состав. Эти небольшие эмиссионные туманности, впервые обнаруженные в начале XVIII столетия, изначально ассоциировались с планетами, — поэтому их и называют «планетарными». В наше время они по праву считаются одними из самых красивых небесных явлений, видимых в телескоп.

Третий ключевой тип эмиссионной туманности — это остатки сверхновой, свидетельствующие о взрыве некогда массивной звезды (или белого карлика). Звезды, масса которых превышает 8 M⊙, не останавливаются на переплавке гелия в углерод. Они могут продолжить плавить углерод в кислород, кислород в кремний, а кремний в железо, однако, как только в ядре звезды «выковано» железо, игра окончена. Создать более тяжелые элементы не выйдет, не поглотив энергию самой звезды. Бездействующее ядро быстро сжимается, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру, высвобождается гравитационная энергия — и происходит сильный взрыв, который отшвыривает прочь все оставшиеся звездные оболочки. Как известно, в итоге возникают туманности, представляющие собой остатки сверхновых типа II. В первые несколько тысяч лет выбросы, нагретые действием ударной волны, светятся на всех длинах волн — даже в самой высокоэнергетической точке электромагнитного спектра, в экстремумах рентгеновского и гамма-излучения. Крабовидная туманность (М1) в созвездии Тельца — известнейший пример этой мощной ранней фазы. В дальнейшем ударные волны, устремленные наружу, накапливаются и вызывают возбуждение газов во внешней межзвездной среде. Туманность Вуаль в северном созвездии Лебедя и остаток сверхновой в южном созвездии Паруса — хорошо знакомые версии этой завершающей фазы.

Другой тип сверхновой может возникнуть, когда в тесной бинарной звездной системе присутствует белый карлик. В какой-то момент эволюции этой системы белый