Астрономический сайт

Загадки земли и вселенной

Межзвездная пыль

Межзвездное пространство

Если взглянуть на Млечный Путь в ясную безлунную ночь, то даже невооружённым глазом видно, что эта светлая полоса, пересекающая всё небо, не является сплошной. На её молочном фоне выделяются многочисленные тёмные пятна и полосы. Одно из самых заметных таких пятен в созвездии Стрельца издавна известно под названием Угольный Мешок. Уже два столетия назад выдвигались гипотезы, что «дырки» в небе представляют собой облака поглощающей свет материи. Развитие наблюдательной астрономической техники подкрепило эти предположения вескими доказательствами.

О природе поглощающей материи первоначально не было единого мнения. Считалось, например, что это маленькие метеоритные частицы, образующиеся при разрушении крупных астероидов. Исследование свойств межзвёздного поглощения света позволило установить, что оно вызывается мельчайшими пылинками, которые заполняют космическое пространство. Размеры этих пылинок — порядка одной стотысячной доли сантиметра.

Темное пятно под газванием
Темное пятно под газванием "Угольный Мешок" в созвездии Стрельца

Пылевые частицы в нашей Галактике сильно концентрируются к плоскости галактического диска, поэтому большая часть тёмных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути. Межзвёздная пыль полностью закрывает от нас ядро нашей Галактики. Если бы не это обстоятельство, на ночном небе между созвездиями Стрельца и Скорпиона сияло бы огромное размытое пятно, по яркости соперничающее с диском Луны.

Межзвёздная пыль предстаёт перед наблюдателями не только в виде тёмных туманностей. Если вблизи пылевого облака находится звезда, которая его освещает, то это облако будет видно уже как светлая туманность. В таком случае её называют отражательной туманностью.

В первое время после того, как было обнаружено существование межзвёздной пыли, она рассматривалась лишь как досадная помеха астрономическим исследованиям. Пыль задерживает почти половину суммарного излучения всех звёзд Галактики. В некоторых более плотных областях доля поглощённого света превышает 90%, а в молекулярных облаках, где образуются молодые звёзды, достигает практически 100%.

Плотность пыли в космосе ничтожно мала даже по сравнению с разреженным межзвёздным газом. Так, в окрестностях Солнца в кубическом сантиметре пространства содержится в среднем один атом газа и на каждые сто миллиардов атомов приходится всего одна пылинка! Иными словами, расстояние между пылинками измеряется десятками метров. Масса же пыли в Галактике составляет приблизительно одну сотую от массы газа и одну десятитысячную от полной массы Галактики. Однако этого количества пыли достаточно для того, чтобы значительно ослаблять свет.

Сильнее всего поглощаются синие лучи. При переходе к красным и инфракрасным лучам поглощение постепенно ослабевает. Но свет некоторых избранных цветов поглощается сильнее других. Это связано с тем, что отдельные вещества особенно эффективно поглощают излучение с определёнными длинами волн. Исследование свойств поглощения света на различных длинах волн показало, что в состав межзвёздных пылинок входят соединения углерода, кремния, замёрзшие газы, водяной лёд, а также различные органические вещества.

Изучать свойства космической пыли помогает поляризация света. Свет представляет собой колебания электромагнитного поля — электромагнитные волны. В обычном излучении звёзд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своём пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, т. е. излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звёзд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по типу поляризации можно определить и электрические свойства межзвёздной пыли.

Сопоставление наблюдательных данных показало, что межзвёздная пыль состоит из двух видов частиц: графитовых (углеродных) и силикатных (т. е. содержащих соединения кремния). Размеры пылинок неодинаковы, причём мелких частиц значительно больше, чем крупных. В целом размер пылинок колеблется от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра.

Графитовые и силикатные частицы образуются во внешних оболочках старых холодных звёзд. Понятие «холодная звезда», конечно, весьма условно. Вблизи звезды температура оболочки ещё достаточно высока и все вещества находятся в газообразном состоянии. По мере старения звезда теряет массу. Вещество, истекающее из её оболочки, удаляется от звезды и остывает. Когда температура газа опускается ниже температуры плавления вещества пылинки, составляющие газ молекулы начинают слипаться в группы, образуя зародыши пылинок. Сначала они растут медленно, но с уменьшением температуры их рост ускоряется. Этот процесс продолжается несколько десятков лет. При дальнейшем расширении вещества, теряемого звездой, постепенно падает не только его температура, но и плотность. Когда газ становится сильно разреженным, рост пылинок прекращается.

На скорость образования и разрушения пылевых частиц во многом влияют температура и плотность того вещества, в котором они находятся. Но межзвёздное пространство крайне неоднородно. Газ и пыль конденсируются в облака, плотность которых может в миллионы раз превышать плотность межоблачного пространства. Давление излучения звёзд и течение газа в Галактике могут переместить пылинку в области, где создаются благоприятные условия для её роста или разрушения.

Химический состав пылинок зависит от того, какого элемента больше содержится в оболочке звезды — кислорода или углерода. Дело в том, что при охлаждении вещества оболочки углерод и кислород образуют очень прочные молекулы окиси углерода (угарный газ). Если после этого остался избыток углерода, в звезде будут формироваться графитовые частицы. В противном случае весь углерод войдёт в состав окиси углерода, а избыточный кислород начнёт соединяться с кремнием, образуя молекулы окиси кремния, из которых затем возникают силикатные пылинки.

Структура «новорождённой» пылинки довольно проста. Она однородна по химическому составу и строению. Условия в межоблачной среде таковы, что структура пылинки не может существенно измениться. Иначе обстоит дело в облаках межзвёздного газа, плотность которого достигает тысяч атомов на кубический сантиметр. Низкая температура и высокая плотность обеспечивают необходимые условия для образования на поверхности графитовой или силикатной пылинки мантии из более легкоплавких веществ, таких, как замёрзшие вода, формальдегид и аммиак. Смесь этих соединений часто обозначают одним словом «лёд».

Молекулы льда неустойчивы. Воздействие внешнего излучения и столкновения пылинок друг с другом приводят к преобразованию его в более устойчивые органические соединения, которые обволакивают поверхность пылинки своеобразной плёнкой.

В очень плотных молекулярных облаках, куда не проникает излучение звёзд (из-за той же пыли!), лёд на поверхности пылевых частиц уже не разрушается. Таким образом, в недрах этих облаков пылинки могут иметь трёхслойную структуру: тугоплавкое ядро, оболочка из органических соединений и ледяная мантия. Предполагается, что из таких пылинок, слипшихся в большие комья, состоят ядра комет — реликты, сохранившиеся от тех времён, когда наша Солнечная система сама была плотным непрозрачным облаком. С помощью больших радиотелескопов учёные обнаружили, что в молекулярных облаках помимо обычных для межзвёздного газа одиночных атомов водорода, гелия и некоторых других химических элементов содержится большое количество достаточно сложных молекул. Молекулы в космическом пространстве образуются в ходе бесчисленных химических реакций. Но главная среди них, без которой все другие были бы невозможны, — образование молекул водорода — эффективно протекает только на поверхности пылинок. Без участия межзвёздной пыли процесс формирования молекулярных облаков и звёзд шёл бы по-иному.

Благодаря совершенствованию наблюдательной техники и активному использованию космических телескопов теперь можно наблюдать пыль не только в нашей Галактике, но и в её ближних и дальних соседях, и, прежде всего в спиральных галактиках, галактиках с активными ядрами и квазарах. Наблюдения показывают, что свойства пыли во Вселенной мало чем отличаются от свойств пылинок Млечного Пути. В спиральных галактиках пыль, как и у нас, концентрируется вблизи плоскости симметрии этих звёздных систем, перечёркивая яркие изображения галактик узкими тёмными полосами.

Ушли в прошлое представления о пыли как только о занавесе, скрывающем многие тайны Вселенной. Теперь ясно, что пыль играет активную роль и участвует как существенный компонент в протекающих во Вселенной физических процессах.



Страниц : 1