Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Уоллер Уильям

Наблюдая за световым потоком удаленной цефеиды от нескольких дней до нескольких недель, астроном может установить период изменения блеска звезды. Затем его можно преобразовать в светимость звезды, сравнить эту светимость с видимой звездной величиной — и вычислить, насколько далеко от нас находится звезда. Взаимосвязь периода и светимости цефеид впервые обнаружила Генриетта Ливитт в 1912 году, а в 1920-х годах Харлоу Шепли при помощи этого соотношения установил пространственное распределение шаровых скоплений в Галактике, и с тех пор мы с его помощью находим расстояния до галактик, удаленных от нас на десятки миллионов световых лет.

При наибольшей светимости верхний предел целостности звезд очерчивают голубые переменные звезды. Поток фотонов с поверхности этих новорожденных «крикунов» настолько велик, что полностью дестабилизирует внешние слои и сдувает их, рождая ветры колоссальной силы. Сейчас такие драматические вспышки происходят на звезде ? Киля, расположенной в 7500 световых годах от нас в южном созвездии Киля.

Ее самая мощная зарегистрированная вспышка произошла в 1843 году, когда она, несмотря на удаленность, была второй по блеску небесной звездой, уступая лишь Сириусу. С тех пор ? Киля образовала из вырывающихся наружу газов небольшую биполярную туманность в форме изящных песочных часов. Когда она снова вспыхнет — или взорвется целиком — остается только гадать.

Газовые туманности

Вокруг галактического диска вращается примерно 6000 огромных облаков, состоящих из молекулярного газа и пыли. Каждое из них простирается на десятки-сотни световых лет и содержит туманное вещество, размер которого эквивалентен более чем миллиону солнц — и все это при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (–273 °C). Эти холодные темные облака примерно на 73 % состоят из молекулярного водорода, на 25 % — из атомарного гелия, а на остаток приходится незначительная доля других молекул, таких как монооксид углерода и формальдегид, наряду с дымкой из микроскопических пылинок. Некоторые из этих пылевых облаков предстают перед нами в виде «темных туманностей», силуэты которых выделяются на сияющем звездном фоне Млечного Пути. Большой Провал, разделивший созвездия Орла и Лебедя, туманности Курительная Трубка в созвездии Змееносца и Угольный Мешок в созвездии Южного Креста — вот яркие примеры относительно близких к нам молекулярных облаков, скрывающих свет далеких звезд. Индейцы кечуа, живущие в Андах на территории Перу, воспринимали эти разнообразные темные области в светящемся Млечном Пути в обликах лисы, ламы, куропатки и разных мифических существ, тем самым изменив привычный взгляд на Млечный Путь как на светлую область на фоне черных небес.

Сейчас астрономы изучают темные туманности, наблюдая за светом, излучаемым их молекулами. Если учесть, что все это происходит при криогенных температурах, то по большей части свет излучается в низкоэнергетической микроволновой области электромагнитного спектра. Хотя молекулярный водород на сегодняшний день — это самая распространенная молекула, излучает он крайне слабо, за исключением случаев, когда его активизируют сильное ультрафиолетовое излучение или ударные волны, возникающие в межзвездной среде. А вот монооксид углерода легко 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 ? 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 карлик начинает подпитываться веществом от близкого спутника до тех пор, пока его масса не превысит критическую, — а после этого происходит коллапс, и гравитационная энергия, обретшая свободу, расходится по всему белому карлику, разрывая его на куски. Такая сверхновая типа Ia производит остатки, богатые тяжелыми элементами, но совершенно лишенные водорода, поскольку водородные оболочки звезды давно рассеялись. Яркие примеры такого рода — остатки сверхновых Тихо и Кеплера.