Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 25. Міжзоряне середовище

На фоні світлих областей Чумацького Шляху чітко виділяються темні плями неправильної форми й різних кутових розмірів. Ці плями й області доводять існування поблизу галактичної площини холодної розрідженої матерії.

Міжзоряне середовище — це речовина й поля, що заповнюють міжзоряний простір усередині Галактики. Велика частина маси міжзоряної речовини — це розріджений газ і пил.

Усе міжзоряне середовище пронизується магнітними полями, космічними променями, електромагнітним випромінюванням. Основний компонент міжзоряного середовища — міжзоряний газ, що складається з водню (70 % маси) і гелію (28 %). Інша частина маси міжзоряної речовини — це більш важкі хімічні елементи (О, С, N, Ne, S, Ar, Fe тощо).

Загальна маса міжзоряної речовини нашої Галактики (без корони) становить 2 % від загальної маси всієї Галактики. Залежно від температурних умов і густини міжзоряного газу вона може перебувати в трьох різних станах: йонізованому, атомарному та молекулярному.

Основні дані про міжзоряний газ отримано радіоастрономічними методами, після того як у 1951 р. було виявлено радіовипромінювання нейтрального атомарного водню на хвилі завдовжки 21 см. Виявилося, що атомарний водень, що має температуру 100 К, утворює у диску Галактики тонкий шар завтовшки 200-300 пк, що збільшується до кількох кілопарсеків на відстані 15-20 кпк від її центра.

Основна частина міжзоряного газу зосереджена в спіральних гілках Галактики, де він розподілений нерівномірно: зібраний у клоччасті утворення розмірами десятки, а то й сотні, парсеків із середньою концентрацією декілька атомів в 1 см³. Близько половини маси міжзоряного газу міститься в гігантських молекулярних хмарах із середньою масою 10⁵ мас Сонця та діаметром близько 40 пк. Через низьку температуру (близько 10 К) і підвищену густину (до 10³ частинок в 1 см³) водень й інші елементи в цих хмарах об’єднані в молекули.

Області йонізованого водню з температурою 8000-10 000 К проявляють себе в оптичному діапазоні як світлі дифузні туманності. Їхнє світіння збуджується ультрафіолетовим випромінюванням близькорозміщених гарячих зір (спектральних класів В і О).

Світла туманність випромінює світло, якщо її освітлює прилегла зоря. Зорі класу W, O, B здатні спричиняти йонізацію атомів Гідрогену на відстані приблизно 500 св. років.

Світлі дифузійні туманності мають неправильну, клоччасту форму й досягають розмірів до 10 пк, а їхня густина — від 10^-17 до 10^-20 кг/м³. Розподіляються області такого йонізованого водню в плоскій підсистемі Галактики. Так, у Великій туманності Оріона за допомогою космічного телескопа «Габбл» виявлено протозорі, оточені протопланетними дисками.

Туманність Оріона (мал. 4.33) — найяскравіша дифузна туманність, яку можна спостерігати із Землі навіть неозброєним оком (блиск становить 4^m). Відстань до цієї туманності близько 1000 св. років.

Мал. 4.33

Якщо прилеглі зорі не такі гарячі й не можуть йонізувати водень, то туманність світиться за рахунок відбивання зоряного світла. Ці туманності містять багато пилу.

У центрі планетарної туманності перебуває залишок загиблого червоного гіганта — гарячий білий карлик або нейтронна зоря. Під дією внутрішнього тиску газу планетарна туманність розширюється приблизно зі швидкістю 20-40 км/с, при цьому густина газу зменшується. Ці об’єкти збагачують міжзоряне середовище речовиною.

Планетарна туманність Піскові Годинники (мал. 4.34) показує, які складні процеси можуть відбуватися на останній стадії еволюції зорі.

Мал. 4.34

У міжзоряному просторі розсіяні дрібні тверді частинки (металеві, силікатні або графітові) розмірами від 0,01 до 1 мкм. Тугоплавкі частинки утворюються й попадають у міжзоряне середовище за рахунок розширення оболонок нових і наднових зір, планетарних туманностей, холодних червоних гігантів і надгігантів. У міжзоряному просторі пил скрізь супроводжує газ. Його частка становить близько 1 % від маси газу.

У міжзоряних хмарах дрібні порошини швидко обростають оболонками з найпоширеніших елементів (Н, С, N, О). За мільйони років навіть за низької температури в оболонках відбуваються складні хімічні процеси з утворенням молекул води, етилену, синильної кислоти, етилового спирту тощо. Зареєстровано близько 90 типів молекул, деякі з них містять до 13 атомів.

Через пил найгустіші газові утворення — молекулярні хмари — практично непрозорі й мають вигляд на небі як темні області, майже позбавлені зір (мал. 4.35). Такі газопилові утворення називають темними дифузними туманностями.

Мал. 4.35

Завдяки розвитку позаатмосферної астрономії з’явилася можливість спостерігати міжзоряний пил не тільки в нашій, але й у сусідніх галактиках. У результаті вчені дійшли висновку, що властивості пилу у Всесвіті мало чим відрізняються від властивостей пилинок Чумацького Шляху. Космічним телескопом «Габбл» було зафіксовано, який вигляд має сузір’я Оріона в променях Сонця (мал. 4.36).

Мал. 4.36

Таким чином, міжзоряний пил — це дрібні тверді частинки неправильної форми розміром від 0,01 до 1 мкм. Вони складаються з тугоплавкого ядра й оболонки з летких сполук. Пил відіграє активну роль і як істотний компонент бере участь у процесах, що протікають у Всесвіті.

Крім розрідженого газу й пилу, у міжзоряному просторі з величезними швидкостями, близькими до швидкості поширення світла, рухається велика кількість елементарних частинок і ядер різних атомів. Потоки цих частинок називають космічними променями. Вони пронизують весь міжпланетний і міжзоряний простір. На площу в 1 м² щомиті потрапляє в середньому близько 10 тис. різних частинок. У складі космічних променів є електрони, ядра атомів Гелію та більш важких елементів, але в основному переважають протони (понад 90 %), які мають середню енергію 1,6 · 10^-10 Дж.

Не всі частинки, що утворюють космічні промені, приходять до нас із глибин Всесвіту. Багато з них мають сонячне походження, народжуючись під час спалахів Сонця. Основними джерелами космічних променів у Галактиці є залишки наднових зір і пульсарів. Перший доказ існування міжзоряного магнітного поля отримав італійський фізик Енріко Фермі (1901-1954) та американський учений Едвард Теллер (1908-2003) під час вивчення космічних променів.

Електрони, що входять до складу космічних променів, поступово гальмуються в магнітному полі, втрачаючи енергію на випромінювання радіохвиль. Таке випромінювання називають синхротронним. Воно реєструється радіотелескопами. Потужними джерелами синхротронного випромінювання є залишки наднових зір. Спостереження показують, що синхротронне випромінювання приходить до нас з областей міжзоряного простору, де немає залишків наднових зір. Отже, магнітне поле існує й там.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що розуміють під міжзоряним середовищем? Чим воно заповнене?
• 2. Яка маса міжзоряної речовини нашої Галактики?
• 3. Що розуміють під туманностями? Назвіть основні види туманностей. Чому одні туманності світлі, інші — темні?
• 4. З яких спостережень можна зробити висновок про існування міжзоряного пилу? Що собою являє міжзоряний пил?
• 5. Чи можна побачити без приладів міжпланетний пил? Яке походження газопилових туманностей і молекулярних хмар?