Туманности

Реферат

По теме:

«Туманности»

Минск 2009

Туманностями астрономы раньше называли любые небесные объекты, неподвижные относительно звезд, имеющие, в отличие от них, диффузный, размытый вид, как у маленького облака. Со временем выяснилось, что некоторые из них, например, туманность в Орионе, состоят из межзвездного газа и пыли и принадлежат нашей Галактике. Другие, так называемые “белые” туманности, как в Андромеде и в Треугольнике, оказались гигантскими звездными системами, подобными Галактике. До середины IXX в. астрономы считали, что все туманности - это далекие скопления звезд. Но в 1860, впервые использовав спектроскоп, У. Хёггинс показал, что некоторые туманности газовые. Когда сквозь спектроскоп проходит свет обычной звезды, наблюдается непрерывный спектр, в котором представлены все цвета от фиолетового до красного; в некоторых местах спектра звезды имеются узкие темные линии поглощения, но заметить их довольно трудно - они видны лишь на качественных фотографиях спектров. Поэтому при наблюдении глазом спектр звездного скопления выглядит как непрерывная цветная полоса. Спектр излучения разреженного газа, напротив, состоит из отдельных ярких линий, между которыми практически нет света. Как раз это и увидел Хёггинс при наблюдении некоторых туманностей через спектроскоп. Более поздние наблюдения подтвердили, что многие туманности действительно являются облаками горячего газа. Часто астрономы называют туманностями и темные диффузные объекты - тоже облака межзвездного газа, но холодные. Туманности делят на следующие основные типы: диффузные туманности, или области H II, такие, как Туманность Ориона; отражательные туманности, как туманность Меропы в Плеядах; темные туманности, как Угольный Мешок, которые обычно связаны с молекулярными облаками; остатки сверхновых, как туманность Сеть в Лебеде; планетарные туманности, как Кольцо в Лире. Широко известные примеры диффузных туманностей - это Туманность Ориона на зимнем небе, а также Лагуна и Тройная (Трехраздельная) - на летнем. Темные линии, рассекающие Тройную туманность на части, - это холодные пылевые облака, лежащие перед ней. Расстояние до этой туманности ок. 2200 св. лет, а ее диаметр чуть менее 2 св. лет. Масса этой туманности в 100 раз больше солнечной. Некоторые диффузные туманности, например Лагуна 30 Золотой Рыбы и Туманность Ориона, значительно крупнее и массивнее. В отличие от звезд газовые туманности не имеют собственного источника энергии; они светятся только в том случае, если внутри них или рядом находятся горячие звезды с температурой поверхности 20 000-40 000° С. Эти звезды испускают ультрафиолетовое излучение, которое поглощается газом туманности и переизлучается им в форме видимого света.

В 1054 была видна вспышка звезды в созвездии Тельца. Восстановленная по китайским летописям картинам вспышки показывает, что это был взрыв сверхновой звезды, которая в максимуме достигла светимости в 100 млн. раз выше солнечной. Крабовидная туманность находится как раз на месте той вспышки. Измерив угловые размер и скорость расширения туманности и поделив одно на другое, рассчитали, когда это расширение началось, - почти точно получился 1054 год. Сомнений нет: Крабовидная туманность - остаток сверхновой звезды. При наблюдении в небольшой телескоп планетарные туманности выглядят размытыми дисками без особых деталей и поэтому напоминают планеты. У многих из них вблизи центра видна голубая горячая звезда; типичный пример - туманность Кольцо в Лире. Как и у диффузных туманностей, источником их свечения служит ультрафиолетовое излучение звезды, находящейся внутри. На спектрограммах туманностей, полученных со щелевым спектрографом, линии часто выглядят изломанными и расщепленными. Это - эффект Доплера, указывающий на относительное движение частей туманности. Планетарные туманности обычно расширяются радиально от центральной звезды со скоростью 20-40 км/с. Оболочки сверхновых расширяются гораздо быстрее, возбуждая перед собой ударную волну. У диффузных туманностей вместо общего расширения обычно наблюдается турбулентное (хаотическое) движение отдельных частей. По химическому составу планетарные туманности весьма разнообразны: элементы, синтезированные в недрах звезды, у некоторых из них оказались подмешанными к веществу сброшенной оболочки, а у других - нет. Еще сложнее состав остатков сверхновых: сброшенное звездой вещество в значительной степени смешано с межзвездным газом и, кроме того, разные фрагменты одного остатка иногда имеют различный химический состав (как у Кассиопеи А).

Диффузные и планетарные туманности имеют совершенно разное происхождение. Диффузные 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. 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.

Отражательные туманности

Туманность такого типа образуется, когда облако с рассеивающими свет пылинками освещается расположенной рядом с ним звездой, температура которой не так высока, чтобы заставить светиться газ. Небольшие отражательные туманности иногда видны рядом с формирующимися звездами.

Темные туманности

Данные туманности - это облака, состоящие в основном из газа и пыли (частично) В оптическом диапазоне они закрывают от нас центр Галактики и видны как черные пятна вдоль всего Млечного Пути, например, Большой Провал в Лебеде. Но в инфракрасном и радиодиапазонах эти туманности излучают довольно активно. В некоторых из них сейчас формируются звезды. Плотность газа в них значительно выше, чем в межоблачном пространстве, а температура ниже, от -260 до -220° С. В основном они состоят из молекулярного водорода, но обнаружены в них и другие молекулы вплоть до молекул аминокислот.

Остатки сверхновых

Когда состарившаяся звезда взрывается, ее внешние слои сбрасываются со скоростью около 10000 км/с. Это быстро летящее вещество, сгребает перед собой межзвездный газ, и вместе они образуют структуру, подобную туманности Сеть в Лебеде. При столкновении движущееся и неподвижное вещества нагреваются в мощной ударной волне и светятся без дополнительных источников энергии. Температура газа при этом достигает сотен тысяч градусов, и он становится источником рентгеновского излучения.

Туманности - одни из самых красивых объектов во Вселенной

Планетарные туманности - остатки звездных катастроф, - безусловно, относятся к красивейшим объектам во Вселенной, но они все еще окутаны тайнами, причем в буквальном смысле этого слова. Даже при том, что многие такие газо-пылевые туманности находятся в относительной близости от нас и подробно изучены, среди них встречаются те, что продолжают озадачивать астрономов.

Речь идет прежде всего о небольшом количестве необычных туманностей, которые очень сильно разогреты. При этом они содержат большое количество ионов, то есть атомов, которые потеряли один или сразу несколько своих электронов. В зависимости от количества вовлеченных в этот процесс атомов и числа потерянных электронов, судят о силе радиации (или соударениях с высокоэнергетичными частицами). Высокоэнергетичные "ветры" "выдувают" в окружающей материи своеобразные пузыри. Некоторые из подобных пузырей различимы на полученных изображениях в виде цветных дуг.

Но что является источником подобного возбуждения атомов? Это может быть и энергичной молодой звездой, и неким экзотическим объектом, скрытым внутри туманности. Как эти специфические объекты вписываются в современную картину развития Вселенной? Новые наблюдения множества таких необычных туманностей были недавно получены на Очень Большом Телескопе (Very Large Telescope - VLT) Южной европейской обсерватории (ESO) Paranal в Чили. Группа астрономов из Института астрофизики и геофизики в Льеже (Бельгия) выяснила, что четыре изображенных на фото туманности в Магеллановых облаках (двух маленьких спутниковых галактиках нашего Млечного пути, находящихся в нескольких сотнях тысяч световых лет от Земли) высоко ионизированы.

В случае первых трех туманностей бельгийцы преуспели в идентификации источников высокоэнергетичной радиации (ультрафиолет и др.): причина в самых горячих, самых массивных звездах, причем некоторые из них являются двойными. Это могут быть так называемые звезды Вольфа-Райе (WR - Wolf-Rayet stars), светимость которых в 1-10 млн. раз превышает светимость Солнца, но сгорают они за миллионы, а не за миллиарды лет, как "умеренные" желтые карлики. С массами, более чем в 20 раз превышающими массу нашей родной звезды, и температурами поверхности свыше 90 тыс. градусов эти звезды поистине экстремальны. В случае четвертой туманности источник так и не удалось надежно идентифицировать.

Спиральная туманность Улитки NGC 7293

На одном из крупнейших и самых детальных изображений из когда-либо полученных астрономами запечатлена имеющая форму катушки Спиральная Туманность (иначе говоря, Туманность Улитки, NGG 7293). Составная картинка получена на основе данных Космического телескопа "Хаббл" (Hubble), объединенных с широкоугольным видом от Мозаичной Камеры (Mosaic Camera) на 0,9-метровом телескопе американской Национальной обсерватории, установленном на горе Китт-Пик в 70 км от Тусона (штат Аризона).

Астрономы из Научного института космических телескопов (Space Telescope Science Institute) собрали всю эту "мозаику" и при этом умудрились обойтись без швов. В результате проявилась интереснейшая "сетка" волокнистых "велосипедных спиц" - характерные особенности внутри красочной красно-синей "газовой конфорки", которая на самом деле представляет собой ближайшую к нам планетарную туманность. Поскольку туманность расположена совсем близко от Земли (по космическим меркам) - на расстоянии в 650 световых лет - и представляет собой огромное кольцо диаметром почти в 3 световых года (это три четверти расстояния до ближайшей к нам звезды, Проксимы Центавра), на земном небе она занимает несравнимое с другими туманностями место - ее видимый диаметр составляет почти половину размера полной луны (четверть градуса). Именно поэтому Спиральная Туманность - популярнейшая цель для астрономов-любителей, в бинокль она выглядит как призрачное зеленоватое облако в созвездии Водолея. Большие любительские телескопы помогут удостовериться в том, что структура туманности - именно кольцевая, но только крупнейшие наземные телескопы позволяют разглядеть радиальные полосы на ней. После тщательного анализа астрономы заключили, что туманность в действительности представляет из себя не пузырь, а исполинскую трубу, которая обращена своим "горлышком" почти точно на Землю. Новый портрет предлагает вызывающий головокружение взгляд вниз, в ее нутро, которое фактически представляет собой туннель из пылающих газов в триллион миль длиной. Яркие цвета соответствуют разогретому кислороду (синий) и водороду и азоту (красный).

Лес из тысяч подобных кометам нитей, выложенных по внутреннему краю туманности, указывает путь к центральной звезде, которая является на самом деле необычным маленьким, но при этом плотным и супергорячим белым карликом. Наземные телескопы видели эти кометоподобные нити в течение многих десятилетий, но никогда прежде их не удавалось разглядеть в таких деталях.

Планетарные туманности, подобные Спиральной, рождаются на последней стадии жизни звезды из обильных потоков газов, убегающих от затухающей "старушки". Планетарные туманности на самом деле не имеют никакого отношения к планетам, а получили свое название во времена слабых телескопов, потому что напоминали тогда астрономам планетные диски. История появления этой фотографии необычна. 19 ноября 2002 года "Хаббл", время которого расписано буквально по минутам, стал недоступен из-за космического шторма: Земля проходила метеорный поток Леониды, и было решено для защиты аппарата, особенно его сверхточного зеркала, развернуться на полдня "хвостом" к потоку. Любители внизу праздновали своеобразный День Астрономии и восхищались красочным небесным фейерверком, а космический телескоп, не защищенный земной атмосферой, был вынужден взять выходной. Тут-то и подвернулась Спиральная Туманность, которая находилась почти точно в противоположном направлении к метеорному потоку, так что "Хаббл" использовал "глухие" девять витков, пока пережидал шторм, чтобы "нащелкать" туманность. Чтобы захватить всю "протяженную" Улитку, "Хаббл" должен был сделать девять отдельных снимков.