Туманность определение. Как устроены звёздные туманности

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.

Со временем известных туманностей стало очень много. Они начали мешать ученым и астрономам в поисках новых объектов. В конце XVIII века, изучая определенные объекты – кометы, Шарль Мессье составил «каталог диффузных неподвижных объектов», которые были похожи на кометы. Но из-за отсутствия достаточной технической поддержки в этот каталог вошли как туманности, так и галактики вместе с шаровыми звездными скоплениями.

Так же, как совершенствовались телескопы, развивалась и сама астрономия. Понятие «туманность» обретало все новые краски и постоянно уточнялось. Некоторые виды туманностей идентифицировали в звездные скопления, некоторые отнесли к поглощающим, а в 20-х годах прошлого века Хаббл смог установить природу туманностей и выделить области галактик.

Портал сайт расскажет о теориях возникновения туманностей, их примерном количестве, типах и удаленности от нашей планеты. Портал оперируется сугубо научно-проверенными фактами и самыми популярными идеями.

Классификация и типы туманностей на портале сайт

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.

Но если первый принцип классификации точный, то второй (деление туманностей на пылевые и газовые), является условным принципом. Каждая туманность содержит пыль и газ. Это деление обусловлено разными механизмами излучения и способами наблюдения. Наличие пыли лучше всего наблюдается при процессе поглощения излучения темными туманностями, которые размещены за источниками. Собственное излучение газовых компонентов туманности просматривается при ее ионизации ультрафиолетом или при нагревании межзвездной среды. Последний процесс возможен после удара в нее волны, которая образовалась после взрыва сверхновой звезды.

Темная туманность представлена в виде плотного, чаще всего молекулярного облака межзвездной пыли и газа. Поглощая свет, облако становится непрозрачным. Чаще всего темные туманности видны на фоне светлых. Крайне редко ученые замечают их на фоне Млечного Пути. Их называют гигантскими глобулами.

Поглощение света Av у темных колеблется в больших пределах. Может достигать показателей: от 1–10 m до 10–100 m. Строение туманностей с большим поглощением можно изучить только благодаря методам субмиллиметровой астрономии и радиоастрономии, при наблюдениях по инфракрасному излучению и по молекулярным радиолиниям. Часто в самой туманности обнаруживаются отдельные уплотнения, имеющие показатель Av до 10000 m. По теориям передовых астрофизиков там формируются звезды.

В полупрозрачных частях туманностей в оптическом диапазоне отлично видно волокнистую структуру. Общая вытянутость и волокна связаны с присутствием магнитных полей, которые затрудняют перемещение вещества поперек магнитогидродинамических неустойчивостей и силовых линий. Эта связь происходит из-за того, что пылинки заряжены электричеством.

Еще одним ярким типом туманностей является отражательная туманность. Это газово-пылевые облака, подсвеченные звездами. Если звезды расположены в межзвездном облаке или возле него, но не сильно горячи, чтобы уменьшить вокруг себя количество водорода, то главным источником оптического излучения самой туманности становится рассеиваемый межзвездной пылью свет звезд. Яркий пример подобного явления находится вокруг звезд Плеяды.

Большая часть отражательных туманностей находится поблизости плоскости Млечного Пути. В некоторых случаях наблюдается наличие таких туманностей на высоких галактических широтах. Эти молекулярные облака имеют разные размеры, форму, плотность и массу и подсвечиваются совместным излучением звезд Млечного Пути. Их трудно изучить, поскольку поверхностная яркость очень низкая. Иногда, появляясь на изображениях галактик, на фотографиях видны несуществующие детали – перемычки, хвосты и т. п.

Небольшая часть отражательных туманностей имеет кометообразный вид. Их называют кометарными. В заглавии такой туманности, как правило, находится переменная звезда по типу Тельца. Она освещает туманность. Они переменны в яркости и имеют маленькие размеры примерно сотые доли парсека.

Световое эхо – самая редкая разновидность отражательной туманности. Яркий пример – образовавшаяся вспышка Новой звезды в созвездии Персея. Эта вспышка подсветила пыль, в результате чего образовавшаяся туманность просматривалась несколько лет. И при этом в космосе она двигалась со скоростью света. Помимо светового эха после таких происшествий образуются газовые туманности.

Большинство отражательных туманностей располагает тонковолокнистой структурой, то есть системой практически параллельных волокон. Их толщина может достигать нескольких сотых долей парсека. Данные волокна происходят в результате проникания магнитным полем в желобковую неустойчивость туманности. Волокна пыли и газа раздвигают силовые линии в магнитном поле и просачиваются между ними.

Такие свойства пыли, как альбедо, форма, ориентация пылинок, индикатор рассеивания и размер дали ученым и астронавтам возможность изучить распределение поляризации света и его яркости по поверхности отражательных туманностей.

Ионизованные излучением туманности – это участки межзвездного газа, которые сильно ионизованы излучением звезд. Это излучение также может появляться и из других источников. Более всего подобные туманности изучаются в областях ионизованного водорода, как правило, это зона Н II. В таких зонах вещество полностью ионизовано. Его температура составляет около 104 К. Нагревается из-за внутреннего ультрафиолетового излучения. Внутри зон Н II звездное излучение в Лаймановском континууме превращается в субординантно-серийное излучение (соответствуя теореме Росселанда). Из-за этого в спектре туманностей находятся яркие линии серии Бельмера и линии Лайман-альфа.

К таким туманностям относятся также зоны ионизированного углерода – С II. Углерод в них полностью ионизован светом звезд. Зоны С II, как правило, расположены вокруг зон Н II. Они получаются из-за низкого потенциала ионизации углерода в сравнении с водородом. Также они могут образоваться вокруг звезд с высоким спектральным классом в плотностях межзвездной среды. Ионизованные излучением туманности возникают еще вокруг сильных рентгеновских источников. У них более высокие температуры, нежели в зонах Н II, и сравнительно большая степень ионизации.

Самой распространенной разновидностью эмиссионных туманностей считаются планетарные туманности. Они созданы истекающими верхними слоями атмосфер звезд. Такая туманность светится и расширяется в оптическом диапазоне. Впервые их открыл в XVII веке Гершель и именовал их так из-за внешнего сходства с дисками планет. Но не все планетарные туманности представляют форму диска, некоторые имеют округлую форму кольца. Внутри таких туманностей наблюдается тонкого типа структура в виде спиралей, струй и мелких глобул. Такие туманности расширяются со скоростью 20 км/с, а масса их равна 0,1 массы Солнца. Живут они около 10 тысяч лет.

Портал сайт подает только проверенную и свежую информацию. Мы перенесем Вас в таинственный мир космоса. И благодаря астрономам и астрофизикам туманности уже не являются такой огромной загадкой, как были ранее.

Помимо обычных, долгоживущих, туманных образований существуют кратковременные, созданные ударными волнами. 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.

Нагретый до огромных температур газ излучается в рентгеновском диапазоне как в спектральных линиях, так и в непрерывном спектре. В спектральных оптических линиях он слабо светится. При встрече с неоднородностью межзвездной среды ударная волна огибает уплотнения. Внутри самого уплотнения распространяется собственная ударная волна. Она же вызывает излучение в линиях спектра оптического диапазона. В результате создаются яркие волокна, которые отлично просматриваются на фотографиях.

Самые яркие туманности, возникшие после ударных волн, созданы взрывами сверхновых звезд. Их называют остатками вспышек звезд. Они играют далеко не последнюю роль в формировании формы межзвездного газа. Они характеризуются малогабаритностью, слабостью и недолговечностью.

Существует еще один тип туманностей. Этот тип также создан впоследствии возникновения ударной волны. Но основная причина заключается в звездном ветре от звезд Вольфа – Райе. Звезды Вольфа имеют довольно мощный ветровой поток массы и скорость истечения. Они образуют туманности средних размеров с очень яркими волокнами. Сравнивая их с остатками вспышек сверхновых звезд, ученные утверждают, что радиоизлучение таких туманностей обладает тепловой природой. Туманности, которые расположены вокруг звезд Вольфа, живут недолго. Их существование напрямую зависит от продолжительности присутствия звезды в стадии звезды Вольфа – Райе.

Абсолютно аналогичные туманности находятся вокруг О-звезд. Это очень яркие горячие звезды, которые относятся к спектральному классу О. Они обладают сильным звездным ветром. В отличие от туманностей, расположенных вокруг звезд Вольфа – Райе, туманности О-звезд менее яркие, но имеют намного большие размеры и продолжительность существования.

Самые распространенные туманности находятся в областях звездообразования. Мало-скоростные ударные волны создаются в областях межзвездной среды. Именно в них происходит звездообразование. Такой процесс влечет за собой нагрев газа до сотен и даже тысяч градусов, частичное разрушение молекул, нагрев самой пыли, возбуждение молекулярных уровней. Подобные ударные волны имеют вид вытянутых туманностей и, как правило, светятся в инфракрасном диапазоне. Яркий пример подобного явления просматривается в созвездии Ориона.

Туманности в космосе представляют собой участки межзвездной среды, отличающиеся от общего фона своими излучениями или поглощением этого излучения. Но ранее, определение этого термина, было более широко, чем сегодня, и под это же определение подпадали и некоторые галактики. Явный тому пример – галактика М31, более известна как туманность Андромеды. Но на сегодняшний день, с развитием технологий наблюдения, все стало намного яснее.

В первую очередь нужно сказать, что все туманности состоят из плазмы, пыли и газа. Вот поэтому некоторые из них и называют – газопылевыми.

Классификация

Первое, на что обращают внимания, при классификации туманностей, так это поглощение (излучение) либо же рассеивание ими света. Именно по этому критерию, все туманности в космосе делят на:

Тёмные; поглощают излучение находящихся за ними источников светлые. имеют собственное излучение, или отражают (рассеивают) свет, испускаемый рядом находящимися звёздами

Источники энергии, для излучения светлых туманностей имеют разнообразную природу и, всецело, зависят от происхождения самых туманностей.

Следующее деление, это:

газовые туманности;
пылевые туманности.

Вообще-то, такое деление имеет условный характер, так как все они содержат и газ, и пыль. Обусловливается этот факт разными способами наблюдения, а также ихними механизмами излучения.

Наличие пыли ярко выражается при том, как тёмные туманности поглощают излучение находящихся за ними источников, а также при отражении, рассеивании или же при переизлучении света, идущего от находящихся в туманности или в непосредственной близости звёзд. Причиной такого явления служит сама пыль в туманностях.

Газовая компонента туманности, излучает в двух случаях. Первый, это при её ионизации ультрафиолетовым излучением от располагающейся в самой туманности, или за ней, горячей звезды или группы звезд (например, вокруг звёздных ассоциаций). При таком варианте туманность будет называться эмиссионная. Вторая – когда нагревается межзвёздная среда, от ударной волны, вследствие взрыва сверхновой или от мощного звёздного ветра от звёзд типа Вольфа-Райе, или О-звёзд

Тёмная туманность

Тёмные туманности в космосе – это плотные, зачастую молекулярные облака межзвёздного газа, и конечно межзвёздной пыли, поглощающие свет. В большинстве случаев наблюдаются на фоне светлых туманностей или на фоне Млечного пути. Самая знаменитая представительница этого вида, это туманность Конская голова, в созвездии Ориона.

Разобрать структуру таких туманностей возможно только при изучении молекулярных радиолиний и инфракрасного излучения пыли. Оптическое изучение невозможно, из-за сильного поглощения света. Эта величина обозначается как А V , которая достигает 100 m (m – звёздная величина, см. терминологию сайта). Иногда, внутри тёмных туманностей наблюдаются уплотнения, у которых А V =10000 m . По всей видимости, эти уплотнения являются областями звездообразования – колыбелью для будущих ночных светил.

Отражательная (светлая) туманность

Является газопылевым облаком, подсвечиваемым звёздами. Как упоминалось выше, светятся они за счет ионизации газа, от расположенной внутри туманности звезды. Но если такова звезда или же звёзды недостаточно горячи, чтобы ионизировать вокруг себя значительное количество газа, то источником излучения такой туманности выступает рассеивание света, идущего от этих же звёзд. Явным тому примером выступают туманности, окутывающие яркие звезды, в скоплении Плеяды (М45) в созвездии Тельца.

Отражательные туманности очень трудные для оптического наблюдения и изучения, из-за очень низкой яркости. Нередко проецируясь на фотографиях галактик, такая туманность вводит в заблуждения ученых, заставляя их думать, что та или иная галактика имеет «хвост» или перемычку.

Некоторые из отражательных туманностей имеют вид кометы, и называются кометарными. В самой яркой части такой туманности находиться переменная звезда типа Т Тельца. Вследствие чего и сама туманность, естественно будет иметь переменную яркость. Размеры таких объектов, как правило, очень малы.

Существует и ещё один, редкий вид отражательных туманностей – световое эхо. Рождаются они после вспышек новых звёзд (например, в 1901 году, после вспышки новой, в созвездии Персея), свет от которой подсвечивает, возможно, находящуюся там пыль. Световое эхо наблюдается на протяжении мизерного количества времени.

Эмиссионная туманность

Эмиссионные туманности в космосе являются облаками ионизированного газа, видимые при оптическом наблюдении. Причиной их свечения является излучение высокоэнергетических фотонов, идущих от ближайшей горячей звезды. Такие туманности разделяют на два вида:

зоны Н II (области ионизированного водорода);
планетарные туманности.

В первых практически всё вещество ионизировано и очень нагрето, порядка 10000К. Причиной такого нагрева является ультрафиолетовое излучение, от расположенной близко звезды.

Я считаю лишним дальше углубляться в структуру зон H II, т. к. используемая при дальнейшем описании терминология будет сложна для восприятия, и на один лист она не поместиться. Можно только добавить, что вокруг зон H II обычно расположены зоны ионизированного углерода (С II), также входящие в состав таких туманностей.

Зоны H II выступают активными областями звездозарождения. Примером служит туманность NGC604, находящаяся в галактике Треугольника (М33, NGC598).

Вторая разновидность эмиссионных туманностей, это расширяющиеся планетарные туманности. Представляют собой верхние истекающие слои атмосферы звёзд. Как правило, это сброшенная оболочка звезды гиганта. Примером служит туманность Кошачий глаз (NGC6543), в созвездии Дракона.

Туманности, созданные за счёт ударной волны

Этот вид туманностей объединяет в себя ещё такие подвиды как:

остатки новых и сверхновых звёзд;
туманности вокруг звёзд класса О;
туманности вокруг звёзд типа Вольфа-Райе;
туманности в областях звездозарождения.

В первую очередь объединяет их общий механизм происхождения. Рождаются они за счёт выброса вещества в пространство. Источником такого выброса выступает звезда (сброс оболочки, взрывы, звёздный ветер). Выброшенное вещество обладает начальной скоростью, порой доходящей до тысяч км/с. Из-за этого температура газа за ударной волной может достигать миллиардов градусов.

Газ, нагретый до таких температур, будет излучать в рентгеновском диапазоне, но в оптическом – светится слабо. При движении ударной волны, она будет встречаться со своеобразными уплотнениями в межзвёздной среде, проходя через которые, ударная волна будет тормозиться. Вследствие такого снижения скорости газ начнёт излучать в оптическом диапазоне, поэтому на снимках таких туманностей хорошо видна их структура, состоящая из ярких волокон.

Следующий фактор, объединяющий туманности от ударных волн – это недолговечность их существования. Как правило, они будут распадаться, когда исчерпается вся кинетическая энергия самой ударной волны.

Остатки новых и сверхновых звёзд

Такие туманности образуются после взрыва сверхновых и новых звёзд, и являются остатками этих же самых звёзд. В центре такой туманности обычно остается пульсар. Яркая представительница такой туманности – это Крабовидная туманность (М1), сформированная после взрыва сверхновой звезды в 1054 году, в созвездии Тельца.

Туманности вокруг звёзд класса О

Образуются такие туманности вокруг горячих и ярких звёзд, со спектральным классом О-Of, которые обладают сильным звёздным ветром. Они обладают большими размерами, меньшей яркостью, и скорее всего большей продолжительностью жизни, чем следующий вид туманности в космосе.

Туманности вокруг звёзд типа Вольфа-Райе

Звёзды типа Вольфа-Райе, как и О-звёзды обладают очень сильным звездным ветром, создающим ударную волну, приводящей впоследствии к рождению туманности. Вокруг этих звёзд туманности имеют поперечник в несколько парсек и продолжительность жизни около 10 5 лет.

Туманности в областях звездозарождения

Такие туманности, в космосе редки, и возникают вследствие ударной волны, образовавшейся внутри области рождения звёзд. Они приводят к сильному нагреву газа, светящемуся, сильнее всего в инфракрасном диапазоне. Несколько таких туманностей обнаружены в созвездии Ориона.

Содержание статьи

ТУМАННОСТИ. Раньше астрономы называли так любые небесные объекты, неподвижные относительно звезд, имеющие, в отличие от них, диффузный, размытый вид, как у маленького облачка (употребляемый в астрономии для «туманности» латинский термин nebula означает «облако»). Со временем выяснилось, что некоторые из них, например, туманность в Орионе, состоят из межзвездного газа и пыли и принадлежат нашей Галактике . Другие, «белые» туманности, как в Андромеде и в Треугольнике, оказались гигантскими звездными системами, подобными Галактике. Здесь речь пойдет о газовых туманностях.

До середины 19 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.

Типы туманностей.

Туманности разделяют 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.

Диффузные туманности.

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. Пропущенный через спектроскоп, этот свет расщепляется на характерные линии излучения различных элементов газа.

Отражательные туманности.

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

Темные туманности.

Темные туманности – это облака, состоящие в основном из газа и отчасти из пыли (в соотношении по массе ~ 100:1). 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 ок. 10 000 км/с. Это быстро летящее вещество, подобно бульдозеру, 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. Кроме того, в ударной волне усиливается межзвездное магнитное поле, а заряженные частицы – протоны и электроны – ускоряются до энергий гораздо выше энергии теплового движения. Движение этих быстрых заряженных частиц в магнитном поле вызывает излучение в радиодиапазоне, называемое нетепловым.

Самый интересный остаток сверхновой – это Крабовидная туманность. В ней выброшенный сверхновой газ еще не смешался с межзвездным веществом.

В 1054 была видна вспышка звезды в созвездии Тельца. Восстановленная по китайским летописям картина 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.

В спектре этой туманности каждая линия раздвоена. Ясно, что один компонент линии, сдвинутый в голубую сторону, приходит от приближающейся к нам части оболочки, а другой, сдвинутый в красную сторону, – от удаляющейся. По формуле Доплера вычислили скорость расширения (1200 км/с) и, сравнив ее со скоростью углового расширения, определили расстояние до Крабовидной туманности: ок. 3300 св. лет.

Крабовидная туманность имеет сложное строение: ее внешняя волокнистая часть излучает отдельные эмиссионные линии, характерные для горячего газа; внутри этой оболочки заключено аморфное тело, излучение которого имеет непрерывный спектр и сильно поляризовано. Кроме того, оттуда исходит мощное нетепловое радиоизлучение. Это можно объяснить только тем, что внутри туманности быстрые электроны движутся в магнитном поле, испуская при этом синхротронное излучение в широком диапазоне спектра – от радио до рентгеновского. Долгие годы загадочным оставался источник быстрых электронов в Крабовидной туманности, пока в 1968 не удалось обнаружить в ее центре быстро вращающуюся нейтронную звезду – пульсар, остаток взорвавшейся примерно 950 лет назад массивной звезды. Совершая 30 оборотов в секунду и обладая огромным магнитным полем, нейтронная звезда выбрасывает в окружающую туманность потоки быстрых электронов, ответственных за наблюдаемое излучение.

Оказалось, что механизм синхротронного излучения весьма распространен среди активных астрономических объектов. В нашей Галактике можно указать немало остатков сверхновых, излучающих в результате движения электронов в магнитном поле, например, мощный радиоисточник Кассиопея А, с которым в оптическом диапазоне связана расширяющаяся волокнистая оболочка. Из ядра гигантской эллиптической галактики М 87 выбрасывается тонкая струя горячей плазмы с магнитным полем, излучающая во всех диапазонах спектра. Неясно, связаны ли активные процессы в ядрах радиогалактик и квазаров со сверхновыми, но физические процессы излучения в них весьма схожи.

Планетарные туманности.

Простейшие галактические туманности – это планетарные. Их открыто около двух тысяч, а всего в Галактике их ок. 20 000. Они концентрируются в галактическом диске, но не тяготеют, как диффузные туманности, к спиральным рукавам.

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.

Спектральный анализ.

Чтобы проанализировать спектральный состав излучения туманности, часто используют бесщелевой спектрограф. В простейшем случае вблизи фокуса телескопа помещают вогнутую линзу, превращающую сходящийся пучок света в параллельный. Его направляют на призму или дифракционную решетку, расщепляющую пучок в спектр, а затем выпуклой линзой фокусируют свет на фотопластинке, получая при этом не одно изображение объекта, а несколько – по числу линий излучения в его спектре. Однако изображение центральной звезды при этом растягивается в линию, поскольку у нее непрерывный спектр.

В спектрах газовых туманностей представлены линии всех важнейших элементов: водорода, гелия, азота, кислорода, неона, серы и аргона. Причем, как и везде во Вселенной, водорода и гелия оказывается гораздо больше остальных.

Возбуждение атомов водорода и гелия в туманности происходит не так, как в лабораторной газоразрядной трубке, где поток быстрых электронов, бомбардируя атомы, переводит их в более высокое энергетическое состояние, после чего атом возвращается в нормальное состояние, излучая свет . В туманности нет таких энергичных электронов, которые могли бы своим ударом возбудить атом, т.е. «забросить» его электроны на более высокие орбиты. В туманности происходит «фотоионизация» атомов ультрафиолетовым излучением центральной звезды, т.е. энергии пришедшего кванта достаточно, чтобы вообще оторвать электрон от атома и пустить его в «свободный полет» . В среднем проходит 10 лет, пока свободный электрон встретится с ионом, и они вновь объединятся (рекомбинируют) в нейтральный атом, выделив энергию связи в виде квантов света. Рекомбинационные линии излучения наблюдаются в радио-, оптическом и инфракрасном диапазонах спектра.

Наиболее сильные линии излучения у планетарных туманностей принадлежат атомам кислорода, потерявшим один или два электрона, а также азоту, аргону, сере и неону. Причем они излучают такие линии, которые никогда не наблюдаются в их лабораторных спектрах, а появляются только в условиях, характерных для туманностей. Эти линии называют «запрещенными». Дело в том, что атом обычно находится в возбужденном состоянии менее миллионной доли секунды, а затем переходит в нормальное состояние, излучая квант. Однако существуют некоторые уровни энергии, между которыми атом совершает переходы очень «неохотно», оставаясь в возбужденном состоянии секунды, минуты и даже часы. За это время в условиях относительно плотного лабораторного газа атом обязательно сталкивается со свободным электроном, который изменяет его энергию, и переход исключается. Но в крайне разреженной туманности возбужденный атом долго не сталкивается с другими частицами, и, наконец, совершается «запрещенный» переход. Именно поэтому впервые обнаружили запрещенные линии не физики в лабораториях, а астрономы, наблюдая туманности. Поскольку в лабораторных спектрах этих линий не было, некоторое время даже считалось, что они принадлежат неизвестному на Земле элементу. Его хотели назвать «небулий», но недоразумение вскоре прояснилось. Эти линии видны в спектрах как планетарных, так и диффузных туманностей. В спектрах таких туманностей есть и слабое непрерывное излучение, возникающее при рекомбинации электронов с ионами.

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.

Важная особенность некоторых планетарных туманностей – стратификация их монохроматического излучения. Например, излучение однократно ионизованного атомарного кислорода (потерявшего один электрон) наблюдается в обширной области, на большом расстоянии от центральной звезды, а двукратно ионизованные (т.е. потерявшие два электрона) кислород и неон видны лишь во внутренней части туманности, тогда как четырехкратно ионизованный неон или кислород заметны лишь в центральной ее части. Этот факт объясняется тем, что необходимые для более сильной ионизации атомов энергичные фотоны не достигают внешних областей туманности, а поглощаются газом уже недалеко от звезды.

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). Вероятно, это вещество выбрасывается с различных глубин звезды, что дает возможность проверять теорию эволюции звезд и взрыва сверхновых.

Происхождение туманностей.

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. 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 – 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. Таким образом, планетарные туманности выбрасываются их центральными звездами, тогда как диффузные туманности типа Туманности Ориона – это вещество, которое осталось неиспользованным в процессе формирования звезд.

Раньше туманностями в астрономии называли любые неподвижные протяжённые светящиеся астрономические объекты, включая звёздные скопления или галактики за пределами Млечного Пути, которые не удавалось разделить на звёзды.

Например, Галактику Андромеды часто называют «Туманностью Андромеды». Но сейчас туманностью называют участок межзвёздной среды, выделяющейся своим излучением или поглощением излучения на общем фоне неба.

Изменение в терминологии произошло потому, что в 1920-е годы выяснилось: среди туманностей много галактик. По мере развития астрономии и разрешающей способности телескопов понятие «туманность» всё более уточнялось: часть «туманностей» была идентифицирована как звёздные скопления, были обнаружены тёмные (поглощающие) газопылевые туманности, а в 1920-х годах сначала Лундмарку, а затем и Хабблу, удалось рассмотреть звёзды в периферийных областях ряда галактик и тем самым установить их природу. После этого термин «туманность» стал пониматься более узко.
Состав туманностей: газ, пыль и плазма (частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов).

Признаки туманностей

Как уже было сказано выше, туманность поглощает или излучает (рассеивает) свет, поэтому она бывает темная или светлая .
Темные туманности - плотные (обычно молекулярные) облака межзвёздного газа и межзвёздной пыли. Они не прозрачны 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. На картинке показана туманность Конская Голова (фото «Хаббл»). Часто внутри тёмных туманностей обнаруживаются отдельные уплотнения, в которых, как предполагают, формируются звёзды.

Отражательные туманности обычно с синим оттенком, поскольку рассеяние голубого цвета более эффективно, чем красного (именно этим объясняется голубой цвет неба). Это газово-пылевые облака, подсвечиваемыми звёздами. Иногда 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.

Туманности, ионизованные излучением - участки межзвёздного газа, сильно ионизованного излучением звёзд или других источников ионизующего излучения. Туманности, ионизованные излучением, возникают также вокруг мощных рентгеновских источников в Млечном Пути и в других галактиках (в том числе в активных ядрах галактик и квазарах). Для них часто характерны более высокие температуры и более высокая степень ионизации тяжелых элементов.
Планетарные туманности – это астрономические объекты, состоящие из ионизированной газовой оболочки и центральной звезды, белого карлика. Планетарные туманности образуются при сбросе внешних слоёв (оболочек) красных гигантов и сверхгигантов с массой 2,5-8 солнечных на завершающей стадии их эволюции. Планетарная туманность - быстропротекающее (по астрономическим меркам) явление, длящееся всего несколько десятков тысяч лет, при продолжительности жизни звезды-предка в несколько миллиардов лет. В настоящее время в нашей галактике известно около 1500 планетарных туманностей. Планетарные туманности в большинстве своём представляют собой тусклые объекты и, как правило, не видны невооружённым глазом. Первой открытой планетарной туманностью была туманность Гантель в созвездии Лисички: Шарль Мессье, занимавшийся поиском комет, при составлении своего каталога туманностей (неподвижных объектов, похожих при наблюдении неба на кометы) в 1764 году занёс её в каталог под номером M27, а У. Гершель в 1784 г. при составлении своего каталога выделил их в отдельный класс туманностей и предложил для них термин «планетарная туманность».

Туманности, созданные ударными волнами . Обычно такие туманности недолговечны, так как исчезают после исчерпания кинетической энергии движущегося газа. Основными источниками сильных ударных волн в межзвёздной среде являются взрывы звёзд - сбросы оболочек при вспышках сверхновых и новых звёзд, а также звёздный ветер.
Остатки сверхновых и новых звёзд . Наиболее яркие туманности, созданные ударными волнами, вызваны взрывами сверхновых звёзд и называются остатками вспышек сверхновых звёзд. Наряду с описанными особенностями для них характерно нетепловое радиоизлучение. Туманности, связанные со взрывами новых звёзд, малы, слабы и недолговечны.

Туманности вокруг звёзд Вольфа-Райе . Радиоизлучение этих туманностей имеет тепловую природу. Звезды Вольфа-Райе характеризуются очень мощным звёздным ветром. Но время жизни таких туманностей ограничено продолжительностью пребывания звёзд в стадии звезды Вольфа-Райе и близко к 105 лет.

Туманности вокруг O-звёзд . Они схожи по свойствам туманностям вокруг звёзд Вольфа-Райе, но образуются вокруг наиболее ярких горячих звёзд спектрального класса О - Of, обладающих сильным звёздным ветром. От туманностей, связанных со звёздами Вольфа-Райе, они отличаются меньшей яркостью, бо́льшими размерами и, видимо, большей продолжительностью жизни.
Туманности в областях звездообразования. В межзвездной среде происходит звездообразование, при этом возникают ударные волны, которые разогревают газ до сотен и тысяч градусов. Такие ударные волны видны в виде вытянутых туманностей, светящихся преимущественно в инфракрасном диапазоне. Ряд таких туманностей обнаружен в очаге звездообразования, связанном с туманностью Ориона.

Галактика Андромеды, или Туманность Андромеды - это спиральная галактика, ближайшая к Млечному Пути большая галактика, расположенная в созвездии Андромеды. Она удалена от нас на расстояние 2,52 млн. световых лет. Плоскость галактики наклонена к нам под углом 15°, поэтому определить ее структуру очень сложно. Туманность Андромеды – самая яркая в северном полушарии неба. Она видна и невооруженным глазом, но всего лишь как слабое туманное пятнышко.
Туманность Андромеды похожа на нашу Галактику, но больше ее. В ней изучено несколько сотен переменных звезд, которые в основном являются цефеидами. Также в ней обнаружено 300 шаровых скоплений, более 200 новых звезд и одна сверхновая.
Туманность Андромеды интересна не только тем, что схожа с нашей Галактикой, но и тем, что имеет четыре спутника – карликовые эллиптические галактики.

С тех пор, как Хаббл дал человечеству возможность увидеть своими глазами великолепные снимки далёкого космоса, перед нами открылась настоящая фантасмагория. Сквозь ультрафиолетовые и инфракрасные фильтры аппарата Вселенная засверкала самоцветами - и начала приотркрывать перед астрономами свои загадки. Учёные словно обрели, наконец, машину времени – ведь свет далёких звёзд добирается до Земли миллионы лет, и глядя в ночное небо, мы видим древние иные миры, давно погасшие звёзды и сверхновые, в действительности уже догстигшие «совершеннолетия». Звёздные туманности – это, пожалуй, самые красивые и волнующие воображение космические объекты, суть которых долго оставалась людям непонятной. Но сегодня существует более или менее чёткая класификация этих «вечных» субстанций – подобно людям, звёзды рождаются из этой пыли и вновь ею становятся в конце своей эволюции.

История открытий

Андромеда

Что же такое туманность? Раньше, когда возможность присматриваться к глубинам космоса была ограниченной, «туманностями» называли практически всё, что не имело чётких очертаний, светилось и было относительно неподвижным. Поэтому ближайшая к нам колоссальная спиральная галактика M31 (NGC 224) ошибочно было названа Туманностью Андромеды (на фото). В ту же категорию было записано Скопление Геркулеса, на деле являющееся шаровым звёздным скоплением. Впрочем, эти ошибки действительно стоит извинить – ведь исследования проводились ещё в 1787 году Шарлем Месье, занимавшимся поиском комет. Именно тогда его внимание приковали неподвижные небесные тела.

С появлением аппарата «Лундмарк» удалось сделать более точный анализ их природы: отделили галактики от туманностей, обнаружили несветящиеся звёздные облака и выделили несколько причин, по которым все остальные скопления светятся. Однако не все заблуждения были исправлены: в начале 20 века считалось, что туманности бывают либо пылевыми, либо газовыми – поэтому известный исследователь Б.А.Воронцов-Вельяминов помещал их в разные разделы своих книг. Современные учёные уже не сомневаются, что любое подобное скопление межзвёздного вещества содержит как пыль, так и газ – отличия могут быть только в процентном соотношении. А теперь подробнее о «драгоценностях» космоса.

Тёмные туманности

Конская голова

Не удивительно, что долгое время о их существовании не подозревали – как и в случае с чёрными дырами, это всё равно, что искать чёрную кошку в тёмной комнате. Однако рассмотреть такие объекты можно, если они находятся в хорошо засвеченной области – среди звёздных скоплений. Хорошие примеры таких объектов - туманности «Угольный Мешок» или «Конская голова» (на фото).

Когда разрешающая способность телескопов позволила вглядеться в Млечный путь, астрономы поначалу решили, что тёмные пятна – это своего рода просветы, сквозь которые видны более дальние районы галактики. Но, как выяснилось, теория «решета» оказалось ошибочной: чёрные пятна являют собой сконцентрированные пылевые облака, поглощающие излучение и заслоняющие от наших взоров центр Галактики. Находясь на самой её окраине, из-за тёмных туманностей мы лишены возможности видеть калейдоскоп в ночном небе, который мог бы затмить даже свет Луны. Но не спешите печалиться: именно в сердце Млечного пути пылают сильно радиоактивные звёзды, делающие жизнь на них невозможной. А нашему озоновому шару хватает работы и с солнечной гиперактивностью – так что для всей биосферы в целом подобный расклад как нельзя кстати.

Отражательные туманности

Плеяды

Чтобы светиться, как это делают звёзды, необходим термоядерный процесс – к туманностям это, понятное дело, никак не относится. Зато некоторые из пылевых скоплений могут отражать свет, как, например, спутники планет. Источником света становятся крупные звёзды, - и понять, что перед вами туманность именно такого типа, можно по голубому или синему сиянию вокруг колоссальных солнц (например, около звезд Плеяд). Однако есть и исключение из этого правила – красного сверхгиганта Антарес окружает туманность того же цвета.

Ионизованные туманности

Орион

Причина свечения газа та же, что и при свечении «хвоста» кометы: получая определённый «заряд» от более мощных источников, туманности затем отдают его в окружающее пространство. Такие звёздные облака ещё называют эмиссионными. Сравниться с крупными звёздами туманностям не под силу - их фотоны имеют гораздо меньший заряд, и им труднее добраться до Земли – поэтому мы видим их в красном спектре, как последние лучи заката. Однако и здесь бывают исключения – в случае очень мощного источника излучения эмиссионные туманнсти бывают ещё зелёными и синими. К ионизованным облакам относятся, например, туманность Ориона (на фото), «Северная Америка», «Тарантул», «Пеликан» и другие.

Планетарные туманности

Кошачий глаз

Это разновидность эмиссионных туманностей: обычно такие объекты сравнительно небольшие и имеют четкую форму, иногда напоминающую застывшие круги на воде, образовавшиеся от подения капли. На самом деле так роскошно (по крайней мере, издалека) выглядит «пенсия» звезды-гиганта: расходуя остатки водорода, она расширяется за счёт сброса своей оболочки. Окутывая огромные пространства вокруг, эти вещества находятся под влиянием излучения ядра звезды. Самый невероятный снимок такого процесса удалось получить в созвездии Дракона – это туманность «Кошачий Глаз». Его волокнистая структура, подобная всем прочим туманностям, связана с действием мощных магнитных полей звезд, которые имееют определённые силовые линии и затрудняют поперечное движение электрически заряженных цастиц пыли и газа.

Туманности от ударных волн

Крабовидная туманность

Источниками таких волн, способных приводить к сверхзвуковому движению веществ в межзвёздной среде, являются звёздный ветер или взрывы сверхновых звёзд. Температура образовывающихся в результате туманностей может достигать миллиардов градусов, поэтому нагретый газ имеет излучение большей частью в рентгеновском диапазоне. Однако кинетическая энергия движущейся материи вскоре исчерпывает себя, поэтому недолговечные туманности через небольшой (по космическим меркам) промежуток времени исчезают. Самая знаменитая туманность такого типа – «Крабовидная» в созвездии Тельца, которая появилась на небосклоне в 1054 году.