АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.2. ФІЗИКА ЗІР І МІЖЗОРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

§ 23. МІЖЗОРЯНЕ СЕРЕДОВИЩЕ

Астрономи давно висловили припущення про те, що простір між зорями не порожній і не зовсім прозорий. Проте виявити міжзоряну речовину тривалий час не вдавалося.

1. Ознаки та властивості міжзоряного середовища.

У першій половині ХХ ст. було з'ясовано, що космічний простір заповнює міжзоряна речовина у вигляді надзвичайно розрідженого газу і пилу. Це випливало з відкриття поглинання (ослаблення) світла зір на шляху до земного спостерігача. Так виявили одну зі складових міжзоряного середовища - дрібний пил, через який воно не зовсім прозоре, а надто в напрямку на Молочний Шлях (рис. 23.1). Вже тоді астрономи дійшли висновку, що пил впливає на видимі блиск і колір далеких зір. Щоб знати їх справжні значення, треба було навчитися враховувати поглинання світла. Це сприяло інтересу до вивчення пилу, спершу як до завади для спостережень далеких об'єктів, а згодом і як до власне фізичного середовища (процеси виникнення і руйнації порошинок, взаємодія з випромінювання, роль у формуванні зір тощо).

Ступінь ослаблення світла залежить від кольору зорі. Від блакитних зір світло поглинається інтенсивніше, ніж від червоних. Тому якщо зоря випромінює в блакитних і червоних променях однакову кількість енергії, то з поверхні Землі зоря здається червонуватою.

Міжзоряний пил - це суміш графітових, вуглецевих, кремнієвих і металевих частинок, середній радіус яких становить частки мікрометра. Вони вкриті оболонками з льоду газоподібних елементів (водень, кисень, аміак, метан) та багатоатомних органічних молекул. Ці речовини налипають на порошинку чи утворюються на поверхні під час її переміщень в міжзоряному просторі. Під дією, наприклад, ультрафіолету частина цих речовин покидає поверхню пилинки, натомість інші намерзають або синтезуються. Температура пилу лежить у межах 15-25 К. У нашій галактиці (ч. 2, § 24) сумарна маса пилу становить 0,03 % від її маси. В інших зоряних системах ця кількість може бути іншою.

Рис. 23.1. Роздвоєння Молочного Шляху - наслідок послаблення випромінювання зір, спричиненого взаємодією світла з частинками пилу в міжзоряному середовищі

Крім пилу, між зорями є велика кількість невидимого холодного газу. Маса його майже в сто разів перевищує масу пилу. Про його існування стало відомо після того, як вдалося зареєструвати радіовипромінювання нейтрального водню з довжиною хвилі 21 см (частота 1420 МГц). Типова хмара атомарного нейтрального водню має температуру близько 70 К і невисоку густину (кілька десятків атомів в кубічному сантиметрі простору). Розміри хмар водню - від 10 до 100 пк (для порівняння: зорі в середньому перебувають одна від одної на відстані 1 пк).

Згодом було виявлено ще холодніші й щільніші хмари молекулярного водню Н. їхні розміри становлять від 5 до 50 парсек, тому всередину них не потрапляють ультрафіолетові промені, не відбувається іонізації атомів, унаслідок чого й можуть утворюватися молекули. Ці хмари зовсім непрозорі для видимого світла. Саме в них зосереджена велика частина холодного міжзоряного газу й пилу. Маса великих молекулярних хмар може досягати 10-10 М. Розподіл речовини в них неоднорідний - близько 100 частинок в 1 см. Але в ущільненнях може бути й десятки тисяч частинок в 1 см, а в ядрах цих ущільнень - мільйонів частинок в 1 см. Температура таких хмар - від 5 до 30 К. Загалом, близько половини міжзоряного газу міститься в молекулярних хмарах.₂⁵⁶₀³³³

Більшість молекулярних хмар «видно» тільки в радіодіапазоні. Втім, деякі з них давно відомі астрономам. Наприклад, темна туманність Вугільний Мішок, яку видно неозброєним оком в південній частині Молочного Шляху.

Діаметр цієї хмари 12 пк, але вона здається великою, бо лежить від Землі на відстані лише 150 пк. Її маса становить близько 5 тис. сонячних мас. Найближчі до нас ділянки зореутворення - це темні хмари в сузір'ях Тельця і Змієносця. Трохи далі міститься величезний комплекс хмар в сузір'ї Оріона (рис. 23.2).

Рис. 23.2. Приклад хмар молекулярного водню (комплекс хмар в сузір'ї Оріона). Три яскравих зорі в центрі зображення - пояс Оріона

Деяка частина міжзоряної речовини нагріта до дуже високих температур, тому її можна спостерігати в ультрафіолетових і рентгенівських променях. Найгарячіший газ із температурою близько мільйона градусів випромінює в рентгенівському діапазоні. Це - корональний газ, названий так за аналогією з розігрітим газом у сонячній короні. Він утворюється внаслідок спалахів наднових зір. Від місця вибуху в міжзоряному газі поширюється ударна хвиля і нагріває газ до температури, при якій він стає джерелом рентгенівського випромінювання. Ні в оптичних спостереженнях, ні в спостереженнях в радіодіапазоні цей газ «побачити» неможливо - середовище надто розріджене й повністю іонизоване, але, він заповнює істотну частину об'єму нашої галактики.

Великий обсяг міжзоряного газу і пилу сконцентрований в диску Галактики як шар завтовшки до двох сотень парсек. Він неоднорідний - найбільше пилу й газу, зосередженого, головно, в молекулярних хмарах, міститься в спіральних рукавах Галактики. За оцінками в нашій зоряній системі є близько 8 млрд сонячних мас міжзоряного газу, або приблизно 5 % від її повної маси.

Крім пилу та газу, в міжзоряному середовищі присутні магнітні поля. Вони пов'язані з хмарами міжзоряного газу й рухаються разом з ними. Ці поля приблизно в 100 тис. разів слабкіші, ніж магнітне поле Землі. Проте їх роль в Галактиці дуже важлива - вони сприяють утворенню найщільніших холодних хмар газу, в яких утворюються зорі.

На міжзоряне магнітне поле також реагують частинки космічних променів (п. 3): вони рухаються вздовж його силових ліній по спіральних траєкторіях. При цьому електрони зі складу космічних променів, випромінюють радіохвилі. Це випромінювання називають синхротронним.

2. Хімічний склад міжзоряного середовища.

Міжзоряний газ на понад 67 % складається з водню (Н та Н), на 28 % - з гелію ₂(He) і менше, ніж 5 % припадає на інші елементи. Найчисленніші серед яких кисень, вуглець і азот. В міжзоряному просторі з допомогою радіотелескопів сантиметрового й міліметрового діапазонів та методами спектроскопії також виявлено воду, оксиди вуглецю, азоту, сірки і кремнію, хлористий водень, аміак, ацетилен.

У молекулярних хмарах, окрім водню, присутні й складніші молекули, наприклад, етиловий спирт (СНСНОН), бензол ₃₂(C 6H6), нафталін (C10H8), а також найпростіші органічні сполуки - мурашина й оцтова кислоти. Виявлено гліцин (C2H5NO2) - одну з амінокислот, що складають білок, а також толіни - великі й складні органічні молекули, які утворюються з простих органічних молекул внаслідок дії ультрафіолетового світла. Спостереження вказують: органічні речовини і їх компоненти поширені в космосі, причому не тільки в нашій зоряній системі, але й далеко за її межами.

Важливою є роль частинок пилу в хімічних реакціях, що відбуваються в міжзоряному середовищі. Вони є поверхнею, на якій молекули газу вступають у реакцію з молекулами інших речовин. Пилові частинки поглинають ультрафіолет і видиме світло, виділяючи енергію у вигляді інфрачервоного світла. На ранніх стадіях еволюції зір пил може збиратися у великі згустки, що є першим кроком на шляху до формування планет.

Звідки в міжзоряному просторі береться пил? Існує два джерела пилу - потоки частинок від зір (зоряний вітер, аналог сонячного вітру) на різних етапах еволюції і спалахи Наднових. Холодні зорі (спектральні класи M, R, N, S) є джерелом молекул, наприклад, TiO, CN, C2, ZrO, які є основою для утворення частинок пилу. Наднові також є джерелом багатьох елементів для утворення пилинок.

3. Космічні промені.

Це не випромінювання якогось світла, як вважали до середини ХХ ст., а потік заряджених частинок, головно протонів і альфа-частинок. До 1 % складу космічних променів - це ядра важких елементів аж до заліза чи навіть урану. Космічні промені - звичайна речовина, але сильно іонізована і прискорена майже до швидкості світла.

Якщо енергія космічної частинки, що входить в атмосферу Землі, становить не менше 10 еВ, то її взаємодія з ядрами елементів повітря спричиняє появу кількох мільярдів елементарних частинок (це явище назвали «широкою атмосферною зливою»). Вони досягають поверхні Землі на площі поперечником до 1000 метрів.¹³

Космічні промені, що потрапляють в атмосферу Землі, здебільшого мають енергії до 10 еВ, але трапляються частинки з енергією 10 еВ. Де вони набувають такої енергії, поки не ясно, хоча й запропоновано кілька гіпотез. Наприклад, прискорення частинок відбувається в електричному полі пульсара, або - космічні частинки пов'язані з джерелами гамма-спалахів чи з досі суто теоретичними космічними струнами. Але всі ці гіпотези не пояснюють енергії наявних космічних променів.¹⁴²⁰

Щоб розгадати таємницю походження космічних променів високих енергій будують спеціальні детектори, розміром в кілька квадратних метрів. Їх об'єднують в наземні масиви, що покривають десятки квадратних кілометрів. Інший метод для вивчення космічних променів заснований на тому, що частинки зливи збуджують азот в атмосфері, який потім світиться. Таке світло можна спостерігати з поверхні Землі на відстані двадцяти кілометрів від осі зливи.

Рис. 23.3. Схема широкої атмосферної зливи, спричиненої космічною частинкою високої енергії

З 2007 р. в Аргентині діє обсерваторія імені П'єра Оже, оснащена 1600 водяними черенковськими детекторами. Вони розміщені на площі 3000 км на відстані близько 1,5 км один від одного. Кожний детектор - бак, що містить 11 тонн дистильованої води. Вторинні частинки, потрапивши в воду, генерують черенковське випромінювання. Обсерваторія має також 24 телескопи, згруповані в чотири станції. Вони реєструють флюоресценцію азоту в атмосфері. Телескопи можуть вести спостереження тільки ясними безмісячними ночами, а водяні детектори працюють завжди.²

Рис. 23.4. Обсерваторія імені П'єра Оже для реєстрації космічних променів

Окрім цих детекторів існують інші: як наземні, так і космічні. Але походження космічних променів, як і їх велика енергія, досі залишається загадкою.

НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ

• Поясніть, чому більшість молекулярних хмар «видно» тільки в радіодіапазоні?

• У чому суть гіпотез, що висунуті для пояснення високих енергій космічних променів?

• Поясніть, на яких фізичних процесах засновані методи реєстрації космічних променів?

ВИСНОВКИ

Основний компонент міжзоряного середовища - газ, що складається з атомів і молекул. Він перемішаний з пилом, який становить майже 1 % маси міжзоряної речовини, і пронизаний швидкими потоками елементарних частинок - космічними променями - і електромагнітним випромінюванням, які також є складовими міжзоряного середовища.