Что такое диффузная материя
Что такое диффузная материя
Мы упоминали, что В. Я. Струве более ста лет назад указал на существование межзвездного поглощения света. Окончательно его существование было доказано только в 1930 г. Межзвездное поглощение света ослабляет яркость звезд тем больше, чем они дальше от нас, и тем сильнее, чем короче длина волны. Поэтому далекие звезды выглядят краснее, чем они есть. Такой эффект должна вызывать мелкая пыль, размеры частичек которой сравнимы с длиной световой волны.
Исследования показали, что межзвездная пыль сосредоточена в узком слое толщиной около 200-300 пк вдоль галактической плоскости. Этот слой состоит из сплошной разреженной среды и из плавающих в ней облаков газа и пыли. В среднем на расстоянии в 1000 пк свет в плоскости Галактики ослабляется на 1,5 звездной величины. Некоторые облака из-за присутствия пыли непрозрачны для света и наблюдаются как темные туманности. Примером темной туманности может служить туманность «Конская голова» в созвездии Ориона (рис. 95).
Рис. 95. Темная пылевая туманность «Конская голова», окаймленная светлой пылевой туманностью.
Уменьшение видимой яркости далеких звезд затрудняет точно определить расстояние до них путем сравнения их абсолютной звездной величины с видимой звездной величиной. Приходится изучать неравномерное распределение космической пыли, темных туманностей и учитывать их влияние.
2. Светлые пылевые диффузные туманности.
Если вблизи от большого пылевого облака находится яркая звезда-гигант, то она освещает это облако. Оно, отражая излучение звезды, выглядит светлой туманностью. Спектр такой туманности совпадает со спектром освещающей его звезды. Достаточно ярко освещена звездами всего лишь малая доля всех темных, пылевых туманностей. Существуют туманности, в которых освещаемая звездой пыль перемешана со светящимся разреженным газом. Такие туманности называют газопылевыми.
3. Диффузные газовые туманности.
В созвездии Ориона находится типичная газопылевая туманность (рис. 96). Ее видно (зимой) в сильный бинокль, но только фотография выявляет ее структуру. Газопылевых и чисто газовых разреженных диффузных туманностей известно много. Все они клочковаты, неправильной формы, без четких очертаний. Спектр газовых туманностей состоит из ярких линий водорода, кислорода и других легких газов. Некоторые газы находятся в таком состоянии, что дают спектр, никогда не наблюдавшийся в земных условиях. Две самые яркие зеленые линии спектра туманностей долго приписывали предполагаемому химическому элементу «небулию» (что значит «туманный»), имеющемуся только в туманностях. Но потом выяснилось, что эти линии принадлежат атому кислорода, потерявшему два электрона и светящемуся в условиях такой разреженности, какая в лаборатории неосуществима.
Рис. 96. Диффузная газопылевая туманность в созвездии Ориона.
Действительно, плотность газовых туманностей около 
Водород в туманностях почти полностью ионизован. Все газы туманности светятся только в том случае, если в ней или поблизости от нее есть очень горячая голубая звезда с температурой не ниже 25000 К. Излучение звезды ионизует водород и другие газы туманностей и заставляет их светиться. Газ поглощает ультрафиолетовые лучи, а излучает в красных, зеленых и других линиях спектра. Если бы горячая звезда вдруг угасла, туманность бы тоже вскоре перестала светиться.
Газовые диффузные туманности образуют в галактической плоскости слой толщиной всего лишь около 200 пк. Они тоже принадлежат к населению I типа, характерному для спиральных ветвей Галактики. Размеры туманностей — несколько парсеков или несколько десятков парсеков, так что в них обычно бывает погружено несколько звезд. Внутри них происходят медленные хаотические движения газа Много сведений о межзвездном газе приносит изучение его радиоизлучения.
4. Нейтральный водород.
Водород в светлых туманностях ионизуется и светится, только если поблизости есть горячие звезды. Но основная масса водорода в Галактике нейтральна. Нейтральный водород в космосе не светится и невидим. Однако он излучает радиоволну длиной 
По интенсивности излучения на этой длине волны определяют массу и плотность водорода, а по отличию фактической длины волны от 
по принципу Доплера — Физо определяют скорость водородного облака. В настоящее время выяснена общая картина распределения водорода в Галактике (рис. 97). Он расположен преимущественно в тонком слое вблизи галактической плоскости Облака водорода можно наблюдать на расстояниях, гораздо больших, чем те, на которых возможно наблюдать в телескоп отдельные звезды. Температура облаков нейтрального водорода в среднем менее 100 К, а температура ионизованных светящихся облаков (туманностей) около 10000 К. В плотных газовых облаках атомы водорода объединяются в молекулы 
Полная масса межзвездного водорода составляет несколько процентов от общей массы Галактики, а масса космической пыли еще в 100 раз меньше. Плотность нейтрального водорода в плоскости Галактики составляет в среднем около 
В межзвездном пространстве помимо водорода находятся гелий, а также атомы и некоторые простейшие молекулы других химических элементов в количестве, малом сравнительно
Рис. 97. Распределение плотности нейтрального водорода в плоскости Галактики на различных расстояниях от ее центра.
с водородом и гелием. Многие молекулы обнаружены радиометодами (по излучению и поглощению радиоволн). Среди них 
и некоторые более сложные молекулы.
5. Магнитное поле, космические лучи и радиоизлучение.
В Галактике существует общее магнитное поле. Линии индукции этого поля в основном параллельны галактической плоскости. Изгибаясь, они идут вдоль спиральных ветвей Галактики. Индукция магнитного поля Галактики около 
, но в облаках газа она выше.
При вспышках сверхновых звезд, кроме быстрых атомных ядер (в основном, протонов), составляющих космические лучи, выбрасывается много электронов со скоростями, близкими к скорости света. Магнитное поле Галактики тормозит быстрые электроны, и это вызывает нетепловое (синхротронное) радиоизлучение на метровых и более длинных волнах. Оно приходит к нам со всех сторон, но наиболее сильное радиоизлучение принимается из области Млечного Пути. Это радиоизлучение рождается в межзвездном пространстве вблизи плоскости нашей Галактики, где плотность космических лучей и индукция межзвездного магнитного поля достигают наиболее высоких значений.
Рождение диффузной материи
Еще древние греки рисовали себе мир происшедшим из беспредельного хаоса. Эти представления о происхождении компактных мировых тел из разреженной и хаотической материи, обычно мыслимой как газ, бессознательно отражены и в идеях Гершеля о сгущении туманностей в звезды и в гипотезах Канта, Лапласа и других о рождении Солнечной системы из туманности, в теориях Джинса об образовании спиральных звездных систем.
Трудно отрешиться от подобных представлений потому, что сейчас едва ли можно себе сколько-нибудь отчетливо представить какой-либо другой процесс образования звезд, помимо сгущения разреженного вещества в плотные тела. Из различных форм вещества во Вселенной в настоящее время мы, кроме больших тел (звезд и планет), знаем лишь диффузный газ и метеоритную пыль.
Как естественное следствие представления о сгущении газа в звезды, со времен Гершеля диффузные туманности, такие, как туманность Ориона, рассматривались как остатки первичной туманности, как своего рода обрезки материи, из которой были скроены звезды. Более двух веков этот вопрос не пересматривался, но к настоящему времени накопилось множество фактов, которые позволили автору этой книги выступить в 1931 г. с гипотезой совершенно другого характера. Она вытекает сама собой из совокупности наблюдений.
Сущность дела состоит в том, что наблюдаемые сейчас диффузные туманности и межзвездный газ, а быть может, и межзвездную пыль следует рассматривать, по крайней мере в значительной своей части, как продукт деятельности звезд. Процесс образования масс диффузного газа происходит в настоящее время, можно сказать, на наших глазах. Он происходил и раньше и будет еще происходить долго в будущем.
Прежде всего укажем на то обстоятельство, что у многих планетарных туманностей обнаружено радиальное расширение со скоростью десятков километров в секунду. С космической точки зрения медленно, но неуклонно планетарные туманности, эти газовые скорлупки, окружающие свои звездные ядра, расширяются, как мыльные пузыри. Газовая оболочка, движущаяся со скоростью десятков километров в секунду и отстоящая от своей звезды на сотни и тысячи астрономических единиц, не может быть ею задержана. Расширение туманности, ее разрежение и растворение в межзвездном пространстве неизбежны. Рано или поздно планетарная туманность небольших размеров и четких очертаний расползется, превратится в межзвездный газ и утратит связь со своей звездой. Если масса планетарной туманности достаточно велика, то по прошествии некоторого времени, расширившись, она займет такое пространство, будучи еще в то же время достаточно плотной, что превратится в диффузную туманность. Диффузная туманность отличается от планетарной лишь своими большими размерами и неправильностью формы. Но при ничтожно малой вероятности совершенно симметричного расширения всех частей, имеющих разную плотность, правильная форма планетарной туманности с течением времени должна нарушаться все больше и больше.
Можно видеть на небе примеры туманностей типа переходного от планетарных к диффузным, и можно заметить, что в общем чем больше размеры планетарной туманности, тем больше приближается она к типу диффузной туманности.
Что планетарные туманности образованы за счет газов, выделенных когда-то самой звездой, сидящей внутри каждой из них, в этом нет никаких сомнений. Итак, за счет газов, выделенных когда-то звездами — ядрами планетарных туманностей, все время образуются разреженные межзвездные газы, а в некоторых случаях и диффузные туманности.
Уже через сто миллионов лет газы расширившейся планетарной туманности (считая время от начала ее возникновения) совершенно теряют связь с породившей их звездой и переходят в сферу действия других звезд. По оценке автора масса оболочки планетарной туманности составляет от 1/10 до 1/100 массы Солнца, и в нашей звездной системе — Галактике — в настоящее время содержится много тысяч таких туманностей. Допустив, что в Галактике всегда существовало только десять тысяч планетарных туманностей одновременно и что Галактика существует так же долго, как земная кора (а это наименьший возможный возраст Галактики), мы приходим к следующему заключению.
С тех пор как Галактика существует, звезды, образующие вокруг себя планетарные туманности, доставили в мировое пространство массу газов, по меньшей мере равную массе десяти миллионов солнц, — массу, весьма внушительную, а вероятно, в действительности она во много раз больше.
Кроме планетарных туманностей, непосредственно на наших глазах газы выбрасываются в мировое пространство новыми и сверхновыми звездами, о чем уже говорилось нами подробно. Даже если оставить в стороне мало еще изученные сверхновые звезды, выбрасывающие большие массы газа, то и тогда масса, даваемая обычными новыми звездами, достаточно внушительна.
Если звезды Вольфа — Райе способны так энергично выбрасывать атомы даже не десять тысяч лет, а только десять лет, то и тогда их роль как поставщиков газа в пространство не уступала бы роли планетарных туманностей и новых звезд. В какой-то мере даже наше Солнце и все звезды теряют вещество со своей поверхности, заполняя им окружающее пространство.
Если учесть еще, что, вероятно, все звезды, а не только указанные выше, поставляют в межзвездное пространство свой газ (путем выброса протуберанцев или иначе), то окажется, что масса газа, выброшенного звездами за время существования Галактики, может быть, даже превосходит наблюдаемую в ней теперь массу диффузной материи. А тогда нужно сделать вывод, что масса диффузной материи не только прибывает, но и убывает. Куда она может убывать? Очевидно, она снова конденсируется в более плотные тела — в звезды и т. п.
Итак, все перечисленные звезды, являющиеся источником разреженного газа, за время, несомненно меньшее, чем время существования Галактики, рассеяли в пространство массу газа, из которой можно было бы сделать по меньшей мере миллиарды солнц.
Различные способы оценки количества диффузной материи в Галактике (как в форме газа, так и в форме пыли) приводят к значениям, содержащимся между 10 8 и 10 19 масс Солнца. Таким образом, газа, выброшенного звездами, совершенно достаточно, чтобы образовать все существующие газовые туманности и межзвездную газовую среду и даже пылевые туманности (светлые и темные). Изложенный выше вывод автора этой книги о большой космогонической роли диффузных туманностей и продолжающемся процессе их формирования в Галактике был отмечен Всесоюзным совещанием по звездной космогонии в мае 1952 г. в числе наиболее значительных достижений советской звездной космогонии.
К настоящему времени представление об огромности массы газа, выбрасываемой звездами, и о том, что она снова становится материалом, из которого конденсируются звезды, стало общепринятым. Конечно, возможно и необходимо, чтобы первые поколения звезд каждой галактики возникали из «первичного» газа, происшедшего не из звезд, а иным путем.
Не следует думать, что намеченный нами круговорот газа и звезд вызывает вечное повторение пройденного. Как и круговорот жизни на Земле, круговорот во Вселенной ведет к изменениям. Теперь на Земле растения и животные уже не те, какие, погибая, удобряли собой Землю миллионы лет назад. Излучение звезд сопровождается превращением кх водорода в гелий, а в их недрах, по-видимому, происходит возникновение тяжелых химических элементов. Поэтому химический состав звезд изменяется, и потому меняется состав выбрасываемых ими газов, из которых потом возникают другие звезды. Состав рождающихся сейчас звезд иной, чем он был у звезд, рождавшихся ранее, и не все вещество звезд распыляется в пространство. Количество газа в звездных системах постепенно убывает. Наблюдения показывают, что есть звезды, богатые водородом или металлами или же бедные ими. По-видимому, это звезды разных периодов образования, сгущавшиеся из газа, имевшего разный химический состав и не всегда, или по-разному «варившегося» в недрах звезд.
В противоположность этому академик В.А. Амбарцумян полагает, что туманности и горячие звезды возникают одновременно из какой-то сверхплотной формы вещества, что в основном туманности образуются не за счет выброса газа звездами, хотя такой выброс значительных масс он не отрицает.
Ядра конденсации ничтожно малых размеров могли возникнуть при разрушении таких тел, как ядра комет. Достаточно, чтобы ничтожная часть всей космической пыли имела такое происхождение, и это обеспечит дальнейший рост массы каждой пылинки.
Известный процент атомов с малыми скоростями может и непосредственно вступать в молекулярные соединения, а затем и в группы молекул, т. е. в зародыши пылинок.
Диффузная материя
Такие светлые туманности по своему виду делятся на диффузные (размытые, клочковатой формы) и планетарные туманности (маленькие, округлой формы).
В центре планетарных туманностей (Рисунок 106) всегда находится слабая звездочка, а сама туманность имеет вид кружка или колечка. Примером таких планетарных туманностей является туманность в созвездии Лиры. Планетарные туманности никакого отношения к планетам не имеют и свое название получили от того, что в телескоп напоминают планетарные диски.
Примером диффузной туманности является туманность в созвездии Ориона (Рисунок 107), хорошо видимая в сильный бинокль. Лучше всего их строение обнаруживается на фотографиях. При ярком свете Луны туманности, конечно, не видны.
Спектральным анализом обнаружено, что некоторые светлые туманности (в том числе все планетарные) состоят из крайне разреженного холодного газа. Этот газ светится под действием света наиболее горячих звезд, которые этот газ окружают. До некоторой степени это свечение подобно свечению газа в вакуумной трубке под действием электрического разряда.
Другие светлые туманности состоят из скоплений пыли, светящей отраженным светом какой-либо близкой к ним звезды, обладающей достаточно большой светимостью. Существуют туманности, состоящие из смеси пыли и газов, среди которых преобладают водород, кислород, гелий и азот.
Наряду со светлыми туманностями в полосе Млечного Пути наблюдаются темные туманности в виде черных пятен на светлом фоне Млечного Пути (рисунок 108). В южном полушарии неба два особенно черных пятна в Млечном Пути получили даже название «угольных мешков».
Пылевые облака (темные туманности) выглядят, как светлые туманности, когда их освещает близкая к ним яркая звезда.
Как ни мала плотность межзвездной диффузной среды, эта среда заметно поглощает свет очень далеких звезд. Она ослабляет их блеск и делает их цвет более красным.
В 1847 г. известный астроном, директор Пулковской обсерватории В. Я. Струве установил факт поглощения света в межзвездном пространстве, но это открытие стало общепризнанным лишь в XX в.
Астрономам постоянно приходится считаться с тем, что в мировом пространстве свет частично поглощается, и учитывать это поглощение при изучении далеких звезд.
Межзвездная среда, как и туманности, сгущается в плоскости Галактики. Газовые туманности и межзвездный газ испускают радиоволны, изучение которых помогает нам узнать их природу и установить местоположение даже там, где они не светятся.
Что такое диффузная материя
Рождение диффузной материи
Еще древние греки рисовали себе мир происшедшим из беспредельного хаоса. Эти представления о происхождении компактных мировых тел из разреженной и хаотической материи, обычно мыслимой как газ, бессознательно отражены и в идеях Гершеля о сгущении туманностей в звезды и в гипотезах Канта, Лапласа и других о рождении солнечной системы из туманности, в теориях Джинса об образовании спиральных звездных систем.
Трудно отрешиться от подобных представлений потому, что сейчас едва ли можно себе сколько-нибудь отчетливо представить какой-либо другой процесс образования звезд, помимо сгущения разреженного вещества в плотные тела. Из различных форм вещества во Вселенной в настоящее время мы, кроме больших тел (звезд и планет), знаем лишь диффузный газ и метеоритную пыль.
Как естественное следствие представления о сгущении газа в звезды, со времен Гершеля диффузные туманности, такие, как туманность Ориона, рассматривались как остатки пеьвичной туманности, как своего рода обрезки материи, из которой были скроены звезды. Более двух веков этот вопрос не пересматривался, но к настоящему времени накопилось множество фактов, которые позволили автору этой книги выступить в 1931 г. с гипотезой совершенно другого характера. Она вытекает сама собой из совокупности наблюдений.
Сущность дела состоит в том, что наблюдаемые сейчас диффузные туманности и межзвездный газ, а быть может, и межзвездную пыль следует рассматривать, по крайней мере в значительной своей части, как продукт деятельности звезд. Процесс образования масс диффузного газа происходит в настоящее время, можно сказать, на наших глазах. Он происходил и раньше и будет еще происходить долго в будущем.
Прежде всего укажем на то обстоятельство, что у многих планетарных туманностей обнаружено радиальное расширение со скоростью десятков километров в секунду. С космической точки зрения медленно, но неуклонно планетарные туманности, эти газовые скорлупки, окружающие свои звездные ядра, расширяются, как мыльные пузыри. Газовая оболочка, движущаяся со скоростью десятков километров в секунду и отстоящая от своей звезды на сотни и тысячи астрономических единиц, не может быть ею задержана. Расширение туманности, ее разрежение и растворение в межзвездном пространстве неизбежны. Рано или поздно планетарная туманность небольших размеров и четких очертаний расползется, превратится в межзвездный газ и утратит связь со своей звездой. Если масса планетарной туманности достаточно велика, то по прошествии некоторого времени, расширившись, она займет такое пространство, будучи еще в то же время достаточно плотной, что превратится в диффузную туманность. Диффузная туманность отличается от планетарной лишь своими большими размерами и неправильностью формы. Но при ничтожно малой вероятности совершенно симметричного расширения всех частей, имеющих разную плотность, правильная форма планетарной туманности с течением времени должна нарушаться все больше и больше.
Можно видеть на небе примеры туманностей типа переходного от планетарных к диффузным, и можно заметить, что в общем чем больше размеры планетарной туманности, тем больше приближается она к типу диффузной туманности.
Кроме планетарных туманностей, непосредственно на наших глазах газы выбрасываются в мировое пространство новыми и сверхновыми звездами, о чем уже говорилось нами подробно. Даже если оставить в стороне мало еще изученные сверхновые звезды, выбрасывающие большие массы газа, то и тогда масса, даваемая обычными новыми звездааш, достаточно внушительна.
Итак, все перечисленные звезды, являющиеся источником разреженного газа, за время, несомненно меньшее, чем время существования Галактики, рассеяли в пространство массу газа, из которой колено было бы сделать по меньшей мере миллиарды солнц.
Различные способы оценки количества диффузной материи в Галактике (как в форме газа, так и в форме пыли) приводят к значениям, содержащимся между 10 8 и 10 10 масс Солнца. Таким образом, газа, выброшенного звездами, совершенно достаточно, чтобы образовать все существующие газовые туманности и межзвездную газовую среду и даже пылевые туманности (светлые и темные). Изложенный выше вывод автора этой книги о большой космогонической роли диффузных туманностей и продолжающемся процессе их формирования в Галактике был отмечен Всесоюзным совещанием по звездной космогонии (происходившим в Москве в мае 1952 г.) в числе наиболее значительных достижений советской звездной космогонии.
К настоящему времени представление об огромности массы газа, выбрасываемой звездами, и о том, что она снова становится материалом, из которого конденсируются звезды, стало общепринятым. Конечно, возможно и необходимо, чтобы первые поколения звезд каждой галактики возникали из «первичного» газа, происшедшего не из звезд, а иным путем.
Не следует думать, что намеченный нами круговорот газа и звезд вызывает вечное повторение пройденного. Как и круговорот жизни на Земле, круговорот во Вселенной ведет к изменениям. Теперь на Земле растения и животные уже не те, какие, погибая, удобряли собой Землю миллионы лет назад. Излучение звезд сопровождается превращением их водорода в гелий, а в их недрах, по-видимому, происходит возникновение тяжелых химических элементов. Поэтому химический состав звезд изменяется, и потому меняется состав выбрасываемых ими газов, из которых потом возникают другие звезды. Состав рождающихся сейчас звезд иной, чем он был у звезд, рождавшихся ранее, и не все вещество звезд распыляется в пространство. Количество газа в звездных системах постепенно убывает. ^Наблюдения показывают, что есть звезды, богатые водородом или металлами или же бедные ими. По-видимому, это звезды разных периодов образования, сгущавшиеся из газа, имевшего разный химический состав и не всегда, или по-разному «варившегося» в недрах звезд.
В противоположность этому академик В. А. Амбарцумян полагает, что туманности и горячие звезды возникают одновременно из какой-то сверхплотной формы вещества, что в основном туманности образуются не за счет выброса газа звездами, хотя такой выброс значительных масс он не отрицает.
Ядра конденсации ничтожно малых размеров могли возникнуть при разрушении таких тел, как ядра комет. Достаточно, чтобы ничтожная часть всей космической пыли имела такое происхождение, и это обеспечит дальнейший рост массы каждой пылинки.
Известный процент атомов с малыми скоростями может и непосредственно вступать в молекулярные соединения, а затем и в группы молекул, т. е. в зародыши пылинок.
Там, где выброшенные звездами газы собираются в облака и образуют таким образом диффузные туманности, они могут светиться, если есть достаточно горячая звезда, могущая возбудить их свечение. Когда в таких туманностях накопится достаточно много твердых частиц, образуется темная пылевая туманность, светящаяся, если поблизости окажется достаточно яркая, хотя бы и не горячая звезда. Некоторые ученые развивали теорию роста метеоритных пылинок путем соединения одних из них с другими, более мелкими пылинками.
Мы подошли к вопросу о происхождении звезд.