на какой частоте излучают холодные межзвездные облака водорода

радиолиния водорода

Р. в. 21 см оказалась эфф. средством исследования Вселенной. Ок. половины массы галактич. межзвёздного вещества составляет атомарный водород, находящийся в осн. состоянии. Его можно исследовать только по излучению Р. в. 21 см; никаким др. образом эта важнейшая составная часть космич. вещества себя не проявляет. Поэтому Р. в. 21 см даёт ценные, часто уникальные сведения о строении и распределении материи в космич. пространстве.

Излучение Р. в. 21 см наблюдалось также от большого числа др. галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от её типа. Доля нейтрального водорода увеличивается при переходе от галактик типа Sа к неправильным, достигая для последних десятков процентов. Мин. кол-во нейтрального водорода найдено у эллиптич. галактик; для подавляющего большинства из них доля нейтрального водорода по массе составляет

0,1%. Для ряда ближайших галактик по Р. в. 21 см получены распределения нейтрального водорода в них и кривые вращения (см. Вращение галактик). Ценные данные получены также по красному смещению Р. в. 21 см. Линия зарегистрирована более чем от 100 галактик, изменение частоты линии соответствует удалению галактик с разл. скоростями (до

Лит.: Шкловский И. С., Космическое радиоизлучение, М., 1956; Каплан С. А., Пикельнер С. Б:, Физика межзвездной среды, М., 1979. Р. Л. Сориченко,

Источник

Дельфис

Последнее обновление

Рекомендуемые книги

Подписка на рассылки

Оставайтесь с нами

Отзывы наших читателей

Проблема поиска возможного единого источника природных ритмов – центральная в исследованиях физика-ритмолога Нэлли Николаевны САЗЕЕВОЙ, кандидата физико-математических наук и доктора естественных наук в области космической физики (степень получена в Берлине в 1971 г.). В 2005 году автор статьи пришла к выводу, что источник многообразных ритмов – атомарный водород, который активно проявляет себя в космосе электромагнитным излучением на волне 21,2 см (1420 МГц). Основой же гармонии и проявления изоморфизма в природе вполне может служить октавный принцип – увеличение или уменьшение частот, находящихся в резонансе, в два раза (2 в степени n, где n – целое число). В 2004 году на Международном конгрессе «Фундаментальные проблемы естествознания и техники» прозвучал доклад Н.Н.Сазеевой в соавторстве с группой московских учёных «Глобальная синхронизация природных процессов как один из основных источников исследования Вселенной». В 2007-м в издательстве «Питер» вышла книга Н.Н.Сазеевой «Мы – дети Света».

Мир един. Единство его создано ритмами, а ритмы определяются числом.
Пифагор

Известно, что любой объект или явление имеет свою частоту колебаний. В результате образуется непрерывный спектр колебаний разной частоты, заполняющий всё пространство Вселенной. Поэтому не удивительно, что мы живём в океане энергетических колебаний, которые приходят к Земле от звёзд нашей Галактики, от Солнца и планет его системы, из околоземного пространства и магнитосферы, от геофизических полей различной природы, от промышленных установок и бытовых приборов, наконец, от окружающих нас живых существ, в том числе, людей. Можно утверждать, что основной формой движения материи являются колебания.

Колебания характеризуются частотой повторяемости, то есть определённым ритмом, амплитудой (интенсивностью процесса) и фазой колебаний. Минимальный интервал времени, за который фаза колебания изменяется на 360°, а значит состояние системы повторяется, называется периодом колебания Т. Частота колебаний есть число периодов в единицу времени. Чем больше период, тем ниже частота колебаний. Максимальную частоту колебаний имеют мельчайшие частицы праматерии – физического вакуума. С увеличением массы и сложности материальной системы частота колебаний снижается.

В учении Гермеса Трисмегиста (Тота) [1] эти представления выражены принципом вибраций: «Ничто не покоится, всё движется, всё вибрирует. Различие между проявлениями материи, энергии и разума зависит от изменения скорости вибрации. Вибрации Духа так высоки, что он находится в покое. На другом конце шкалы грандиозные формы материи имеют такие низкие вибрации, что кажутся неподвижными. От мельчайших частиц до Галактик всё находится в движении». А как утверждал Героклит, в основе всего сущего лежит гармония вибраций во Вселенной.

Наиболее выгодным механизмом взаимодействия для колебаний является резонанс. Он означает сродство, подобие, соответствие. Этот процесс протекает без затраты энергии. Резонансные частоты являются опорными в каждой системе и обеспечивают синхронизацию автоколебаний со всеми остальными колебательными системами на любом иерархическом уровне. Синхронизация колебаний есть механизм управления и контроля над параметрами самоорганизующихся природных объектов. Поэтому резонанс является механизмом глобальной связи всего со всем.

Современные исследования в области ритмологии [2], [3], [4] показали, что различные космические, геофизические и биологические ритмы подобны и связаны между собой. Это позволило сделать вывод [5] о наличии универсального космического кода, в котором заключены основные информационные программы пространственно-временнóй организованности природных объектов.

Многолетние исследования А.В.Шабельникова [4], [6] проблемы единства ритмов во Вселенной привели его к выводу, что для синхронизации ритмов различных структурных уровней необходимо наличие единого фундаментального датчика ритма. На эту роль, по его мнению, претендуют колебания биопотенциалов мозга. Полностью согласившись с существованием во Вселенной единого задающего ритма, с которым через резонансы связаны наблюдаемые природные ритмы в микро- и макромире, трудно принять в качестве таковых изменения биопотенциалов мозга. Уж очень сложна и уникальна структура человеческого мозга! Логичнее отдать эту роль объекту, который бы лежал в основе структуры материи и таким образом имел отражение во всех природных процессах.

Наиболее подходящим для роли датчика единого ритма является атомарный водород, первый химический элемент, состоящий только из двух элементарных частиц – протона и электрона, элементарный «кирпичик» плотной материи. По количеству атомов во Вселенной водород превосходит все другие химические элементы.

Невозбуждённый атомарный водород активно проявляет себя электромагнитным излучением на волне 21,2 см, что соответствует частоте 1420 МГц. Излучение возникает в результате взаимодействия спинов протона и электрона. Это изучение фиксируется радиотелескопами [7] как из различных частей нашей Галактики, так и из соседних звёздных образований (Магелланового Облака, близкой к нам Крабовидной туманности – остатка взрыва сверхновой звезды, и других). Оно не поглощается межзвёздной средой, земной атмосферой и биообъектами, а потому постоянно присутствует в окружающем пространстве.

Для выделения резонансных ритмов в непрерывном спектре колебаний было использовано его деление на октавы. Октава является одним из основных проявлений резонанса. Впервые это было обнаружено в музыке. Звуки, частота колебаний которых различается ровно в два раза, находятся в резонансном взаимодействии. Они синфазны или, выражаясь музыкальной терминологией, звучат в унисон. Поэтому октава есть основа гармонии и проявления изоморфизма в природных процессах и отражает сущность их симметрии.

В таблице 1 представлен расчёт октавных резонансных колебаний с начальной частотой 1420 МГц. Диапазон рассчитанных ритмов включает в себя 90 октав в диапазоне от частоты 1,4 ГГц до чрезвычайно низкой частоты, эквивалентной периоду 25,8 млрд лет (возраст Вселенной оценивается примерно в 15 млрд. лет). Если продлить расчёт резонансных ритмов от частоты излучения 1420 МГц в сторону высоких частот, то окажется, что атомарный водород находится в резонансе с крайними частотами оптического диапазона (октава 18 – это 355•1012 Гц, инфракрасное излучение; октава 19 – это 710•1012 Гц, фиолетовое излучение). Отсюда следует, что единым источником ритмов и «конструктором» нашей Вселенной является свет, то есть электромагнитное излучение. Иными словами, электромагнитное излучение оптического диапазона определяется частотой излучения атомарного водорода – элементарного объекта плотной материи, который, в свою очередь, является «камертоном» для всех остальных природных объектов.

Всё есть свет, как говорят древние учения. Теперь это утверждение находит научное обоснование. Данный вывод приводит к интересным следствиям. Известно, что семь основных чакр – энергетических центров человека – имеют разные цвета спектра: самый нижний – Муладхара – красный, а самый верхний – Сахасрара – фиолетовый. Значит, крайние чакры находятся в прочной связи со всей Вселенной через октавные резонансы с крайними частотами излучения оптического диапазона, а остальные пять чакр взаимодействуют с ними через внутренние резонансы. Эти энергетические центры определяют всю жизнедеятельность организма, то есть жизнь человека, о чём и говорят древние учения. Возможно, по этой причине и наш зрительный аппарат – глаза – воспринимает именно этот участок спектра электромагнитного излучения, который получил название оптического диапазона.

Источник

Несколько слов о SETI

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Проект SETI (англ. SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence ) — проект по поиску внеземных цивилизаций и возможному вступлению с ними в контакт. Некоторые астрономы (см.Уравнение Дрейка, Парадокс Ферми) давно считают, что планет во Вселенной так много, что даже если малая их часть пригодна для жизни, то тысячи или даже миллионы планет должны быть обитаемыми. Последние достижения астрономии и физики укрепили представление о существовании многих планетных систем, пригодных для жизни.

История

Начало SETI датируется 1959 годом, когда в международном научном журнале Nature появилась статья Коккони и Морисона «Поиски межзвёздных сообщений». В этой статье было показано, что даже при тогдашнем уровне развития космической связи мы вполне можем рассчитывать на обнаружение внеземных цивилизаций примерно такого же, как земной уровня, при условии, что они обитают не слишком далеко от нас на планетах у окрестных звёзд солнечного типа. Волна 21 см, как универсальная физическая величина (линия излучения нейтрального водорода в Галактике), предлагалась в качестве рабочей для поисков по программе SETI.
8 апреля 1960 года Франк Дрейк начал первые поиски по программе SETI, используя для этого 26-метровый радиотелескоп Национальной радиоастрономической обсерватории США в Западной Вирджинии. Проект получил название «ОЗМА», в качестве объектов поисков были выбраны две окрестные звезды солнечного типа — Тау Кита и Эпсилон Эридана.

Нейтральный водород

Общая масса водорода, на 95% нейтрального, составляет 2% от общей массы Галактики.

В галактике водород находится в разогретом (ионизированном) и атомарном (холодном) состоянии. Ионизированный водород излучает видимый свет в зависимости от его температуре (согласно гипотезе Планка) и светится только там, где поблизости есть горячие звезды. Температура ионизированных светящихся облаков (туманностей) — около 10 000°К.

Общее количество атомов водорода, излучающих линию 21 см, настолько велико, что лежащий в плоскости Галактики слой оказывается существенно непрозрачным к радиоизлучению 21 см.

В настоящее время выяснена общая картина распределения водорода в Галактике. его основная масса расположена преимущественно в тонком слое в галактической плоскости. Облака водорода можно наблюдать на расстояниях, гораздо больших, чем те, на которых возможно наблюдать в телескоп звезды. Температура облаков нейтрального водорода менее 100°К в среднем.

В межзвездном пространстве в количестве, малом сравнительно с водородом, находятся атомы и некоторые простейшие молекулы других химических элементов. Они вызывают линии поглощения в спектрах звезд. Лучше всего заметны линии натрия и ионизированного кальция.

Ученые-физики, работавшие в то время в Корнелльском университете (США), Джузеппе Коккони и Филип Моррисон проанализировали возможности радиосвязи с обитателями планетных систем ближайших звезд и показали, что если они посылают в сторону Солнечной системы радиосигналы, используя близкую к нашей технику связи, то мы при наших средствах способны обнаружить их сигналы.

Оставался еще один важный вопрос – на какой частоте в радиодиапазоне искать предполагаемый сигнал ВЦ? Коккони и Моррисон высказали предположение, что такой частотой должна быть частота спектральной радиолинии водорода 1420 МГц (длина волны 21 см).

По их мнению, радиолиния водорода – это созданный самой природой уникальный эталон частоты. Поэтому все цивилизации, не сговариваясь, выберут её для установления связи. Кроме того, водород – это самый распространённый элемент во Вселенной. Исследования на волне 21 см дают очень ценные сведения о строении Галактики, о распределении межзвёздного газа в ней. Отсюда следует, что любая цивилизация, занимающаяся изучением Космоса, даже если она не помышляет о межзвёздной связи, рано или поздно, обнаружив радиолинию водорода, несомненно, начнет вести наблюдения на частоте этой линии. Значит, если в этом диапазоне передавать сигналы межзвёздной связи, они могут быть обнаружены в процессе обычных радиоастрономических наблюдений.

Попробуем рассмотреть этот вопрос с точки зрения инженера

специалиста по радиоэлектронике

— радисты уходят с забитой мешающим сигналом частоты на свободную от помех частоту там можно услышать более слабый сигнал,

— лазерщики предпочитают работать в «окнах прозрачности».

Так почему искать сигналы внеземных цивилизаций надо на самой забитой и мало прозрачной частоте?

Только потому пришла в голову ученых физиков «пришла блестящая идея», что водород самый распространенный во вселенной элемент?

Это-то, как раз противопоказание для связиста. Ведь в нашем распоряжении не только частота спектральной радиолинии водорода 1420 МГц (длина волны 21 см), но весь радио диапазон от 10 МГц до 10 ГГц и далее. Тем более генерировать и принимать сигналы мы способны на любой частоте.

Да хоть от 10 КГц, только на выбранной частоте необходимо создать узкий направленный радиосигнал.

У точечного источника радиосигнала, который можно услышать на космических расстояниях, нет перспективы по ослаблению сигнала и энергетике передающей установки.

Чем плоха для связи на космические расстояния длинна волны холодного водорода 21 см?

Прежде всего тем что это самый распространенный элемент в космосе. А как известно даже из высказываний авторов проекта, естественное излучение водородного газа в космическом пространстве существует, и как раз это естественное излучение создает естественный шумовой фон мешающий приему радиосигнала содержащего информацию. И этот шумовой фон имеет тем больший уровень чем больше плотность водорода в космическом пространстве.

Другая сложность возникающая при приеме слабых сигналов на длине волны 21 см, это повышенное поглощение сигнала при его прохождении через водородные облака высокой плотности. Т.е сигнал от закрытого водородным облаком (или содержащими водород химическими соединениями) объекта будет существенно ослабляться.

А при приеме слабых сигналов и уровень помехи и потери на трассе сигнала выходят на первое место.

Побочные радиоизлучения цивилизаций

Известно, что существуют природные помехи и шумы на Земле. Эти помехи вызваны природными явлениями, грозы и другие электрические явления в атмосфере и земной коре, другие фоновые шумы. Они существовали бы, даже если бы на Земле не было людей, и имеют место на любой планенте Солнечной системы.

А их характер зависят только от физика (физиологии) конкретной планеты.

Но существуют помехи создаваемые цивилизацией.

Например для планеты Земля в восьмидесятых годах прошлого века частотный диапазон заполнен радиоизлучением так как показано на рис.1.

Еще раз можно повторить, то что показано на рис. 1, меняется от региона к региону, с течением времени и с развитием технологий и энерговооруженности цивилизаций. Эти данные усреднены и применяются при проектировании радиоприемных трактов.

Направленность большинства естественных источников и побочных радиоизлучений цивилизаций имеет характер точечных источников.

А известно, что напряженность поля точечного источника падает пропорционально квадрату расстояния.

Поэтому поиск признаков цивилизаций по их побочному электромагнитному излучению на больших расстояниях весьма проблематично. Для этого более подходит только направленный радиосигнал.

Выбор частоты

Как отмечено в проекте Cyclops, наилучшим с точки зрения минимальных суммарных шумов (Галактика + земная атмосфера + реликтовый фон с T_b = 2.7 K) является диапазон 1–10 ГГц, в который попадает и частота линии 21 см.

Имеются и другие соображения по выбору оптимальной частоты для SETI. Перечислим основные частоты, предложенные в диапазоне 1–10 ГГц.

1) Линия 21 см перехода между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния ( n = 1) атома водорода ( n ₀ = 1420.4 МГц).

3) Аналог линии 21 см для трития – изотопической разновидности водорода 3 H. Тритий – короткоживущий изотоп с периодом полураспада 12.6 лет, имеет линию сверхтонкой структуры на частоте 1516.7 МГц. Известен как минимум один обзор ближайших звезд в линии трития.

4) Частоты линий молекулы гидроксила OH (1612, 1665, 1667 и 1720 МГц).

5) «Водяное окно», перекрывающее диапазон между n ₀ и частотами линий гидроксила.

6) Линии переходов тонкой структуры состояния n = 2 атома водорода: шесть линий вблизи частот 9852.0, 9875.7, 10029.6, 909.9, 1087.5, 1146.6 МГц.

7) Переход тонкой структуры изотопа гелия 3 He 8666 МГц.

8) Линия формальдегида H₂CO 4830 МГц ( l = 6 см). Линия почти всегда наблюдается в поглощении, даже при отсутствии источников радиоконтинуума в данном направлении, то есть непосредственно в спектре фонового реликтового излучения с яркостной температурой T_b = 2.7 K. Таким образом, частота линии H₂CO – одна из наиболее «холодных» в данном диапазоне для многих участков неба.

За пределами диапазона 1–10 ГГц выделенная частота, – безусловно, переход 6₁₆–5₂₃ молекулы воды H₂O на волне 1.35 см (22235 МГц).

70% случаев аннигиляций электрон-позитронных пар. Эта частота лежит также вблизи другого естественного стандарта – максимума спектра фонового реликтового излучения с T_b= 2.7 K. К настоящему времени выполнены уже два обзора ближайших звезд на частоте линии позитрония.

Точка зрения инженера связиста на выбор частоты для SETI

Нельзя использовать те частоты, что имеют галактические природные источники, в том числе не могут быть доводом, что «это созданный самой природой уникальный эталон частоты». Современные методы генерирования сигнала позволяют иметь точность частоты на уровне стандарта на любой необходимой частоте. Поэтому проблема стабильности частоты в современных средствах связи не стоит.

Поэтому для обеспечения поиска сигналов внеземных цивилизаций необходимо провести изучение тонкой структуры спектра радиоизлучений открытого космоса с целью нахождения «окон прозрачности» и «окон минимального уровня побочных излучений», которые и использовать для дальнейшей работы.

Выводы

Для выполнения проекта SETI необходимо:

1. Выполнить выбор частоты для связи и поиска сигналов ВЦ находящейся на частотах «окон прозрачности» и «окон минимального уровня побочных излучений»,

2. Определиться с целями для связи с ВЦ для ведения узко направленного поиска,

3. Использовать «окна прозрачности» и «окна минимального уровня побочных излучений» для поиска сигналов внеземных цивилизаций.

Но есть одна причина делающая проект SETI проблематичным в своей основе.

Это время распространения сигнала.

Источник

Возбужденные атомы: 6. Водородная линия 21 см

Основное состояние атома водорода расщепляется на два очень близких энергетических уровня, которые отличаются лишь взаимной ориентацией спина ядра и электрона. При переходе с верхнего состояния на нижнее излучается фотон с длиной волны 21 см

Наконец, существуют настолько долгоживущие атомные состояния, что их время жизни даже не удается измерить экспериментально. Формально, атом в таком состоянии нестабилен и, будучи предоставлен самому себе, он рано или поздно излучил бы фотон. Но только ждать этого пришлось бы очень долго, да и затруднительно в лабораторных условиях настолько идеально изолировать атом от внешних воздействий.

Однако это вовсе не значит, что излучение, испущенное таким долгоживущим состоянием, вообще не удается наблюдать! В таких ситуациях иногда на помощь человеку приходит Вселенная. В глубоком космосе существуют условия, в которых огромные облака газа в возбужденном состоянии могут начать светиться: то излучение, которого мы не смогли дождаться в лабораторном эксперименте, мы видим в космосе.

Один пример такой ситуации — это знаменитая радиолиния водорода. Это излучение в радиодиапазоне с длиной волны примерно 21 см, которое идет из глубин космоса, от гигантских облаков холодного нейтрального атомарного водорода. Это линия излучения между двумя очень близкими уровнями энергии атома водорода, которые во всём похожи друг на друга и отличаются лишь тем, как спин электрона и протона ориентированы друг относительно друга. Одна ориентация обладает чуть-чуть большей энергией, чем другая, и из-за этого «основное» состояние электрона расщепляется на два: «по-настоящему основное» и чуть-чуть возбужденное. В атомной физике это явление называется забавным термином сверхтонкое расщепление. Радиолиния водорода — это излучение, которое испускает атом, возвращаясь из возбужденного состояния в «по-настоящему основное».

Когда физики теоретически рассчитали этот переход, они смогли оценить время жизни этого возбужденного состояния — примерно 11 млн лет. Обнаружить его в лабораторных условиях нереально — по крайней мере, если речь идет о самопроизвольном излучении (а вот вынужденное излучение водорода на длине волны 21 см, наоборот, изучено вдоль и поперек; на нем основан водородный мазер, микроволновой аналог лазера). Зато в глубоком космосе существуют настолько протяженные облака нейтрального водорода, что радиоизлучение от всего облака целиком видно отлично. Наблюдения галактик в радиолинии водорода — это один из главных инструментов исследования в радиоастрономии. С его помощью зачастую можно увидеть такие особенности строения галактик, которые незаметны другими методами.

Источник

МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА

МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА – это вещество, наблюдаемое в пространстве между звездами.

Лишь сравнительно недавно удалось доказать, что звезды существуют не в абсолютной пустоте и что космическое пространство не вполне прозрачно. Тем не менее такие предположения высказывались давно. Еще в середине 19 в. российский астроном В.Струве пытался (правда, без особого успеха) научными методами найти непреложные свидетельства того, что пространство не пустое, и в нем происходит поглощение света далеких звезд.

Наличие поглощающей разреженной среды было убедительно показано менее ста лет назад, в первой половине 20 в., путем сравнения наблюдаемых свойств далеких звездных скоплений на различных расстояниях от нас. Это было сделано независимо американским астрономом Робертом Трюмплером (1896–1956) и советским астрономом Б.А.Воронцовым-Вельяминовым (1904–1994), вернее, так была обнаружена одна из составляющих межзвездной среды – мелкая пыль, из-за которой межзвездная среда оказывается не вполне прозрачной, особенно в направлениях, близких к направлению на Млечный Путь. Присутствие пыли означало, что и видимая яркость, и наблюдаемый цвет далеких звезд искажены, и чтобы узнать их истинные значения, нужен довольно сложный учет поглощения. Пыль, таким образом, была воспринята астрономами как досадная помеха, мешающая исследованию далеких объектов. Но одновременно возник интерес и к изучению пыли как физической среды – ученые стали выяснять, как пылинки возникают и разрушаются, как реагирует пыль на излучение, какую роль играет пыль в образовании звезд.

С развитием радиоастрономии во второй половине 20 в. появилась возможность исследовать межзвездную среду по ее радиоизлучению. В результате целенаправленных поисков было обнаружено излучение атомов нейтрального водорода в межзвездном пространстве на частоте 1420 МГц (что соответствует длине волны 21 см). Излучение на этой частоте (или, как говорят, в радиолинии) предсказал голландский астроном Хендрик ван де Хюлст в 1944 на основании квантовой механики, а обнаружено оно было в 1951 г. после расчета ее ожидаемой интенсивности советским астрофизиком И.С.Шкловским. Шкловский же указал и на возможность наблюдения излучения различных молекул в радиодиапазоне, которое, действительно, было позднее обнаружено. Масса межзвездного газа, состоящего из нейтральных атомов и очень холодного молекулярного газа, оказалось примерно в сто раз большей, чем масса разреженной пыли. Но газ совершенно прозрачен для видимого света, поэтому его нельзя было обнаружить теми же методами, какими была открыта пыль.

С появлением рентгеновских телескопов, устанавливаемых на космических обсерваториях, был обнаружен еще один, наиболее горячий компонент межзвездной среды – очень разреженный газ с температурой в миллионы и десятки миллионов градусов. Ни по оптическим наблюдениям, ни по наблюдениям в радиолиниях этот газ «увидеть» невозможно – среда слишком разрежена и полностью ионизована, но, тем не менее, он заполняет существенную долю объема всей нашей Галактики.

Быстрое развитие астрофизики, изучающей взаимодействие вещества и излучения в космическом пространстве, как и появление новых возможностей наблюдений, позволило детально исследовать физические процессы в межзвездной среде. Возникли целые научные направления – космическая газодинамика и космическая электродинамика, изучающие свойства разреженных космических сред. Астрономы научились определять расстояния до газовых облаков, измерять температуру, плотность и давление газа, его химический состав, оценивать скорости движения вещества. Во второй половине 20 в. выявилась сложная картина пространственного распределения межзвездной среды и ее взаимодействия со звездами. Оказалось, что от плотности и количества межзвездного газа и пыли зависит возможность зарождения звезд, а звезды (прежде всего, наиболее массивные из них), в свою очередь, меняют свойства окружающей межзвездной среды – нагревают ее, поддерживают непрестанное движение газа, пополняют среду своим веществом, меняют ее химический состав. Изучение такой сложной системы как «звезды – межзвездная среда» оказалось очень сложной астрофизической задачей, особенно если учесть, что общая масса межзвездной среды в Галактике и ее химический состав медленно изменяются под действием различных факторов. Поэтому можно сказать, что в межзвездной среде отражена вся история нашей звездной системы продолжительностью в миллиарды лет.

Эмиссионные газовые туманности.

Большая часть межзвездной среды не доступна наблюдениям ни в какие оптические телескопы. Наиболее яркое исключение из этого правила – газовые эмиссионные туманности, наблюдавшиеся еще с самыми примитивными оптическими средствами. Самая известная из них – Большая туманность Ориона, которая видна даже невооруженным глазом (при условии очень хорошего зрения) и особенно красива при наблюдении в сильный бинокль или небольшой телескоп.

Известны многие сотни газовых туманностей на различных расстояниях от нас, причем почти все они сосредоточены вблизи полосы Млечного Пути – там, где чаще всего встречаются молодые горячие звезды.

Эмиссионные туманности светятся потому, что внутри них или рядом с ними находятся звезды редкого типа – горячие голубые звезды-сверхгиганты. Правильнее эти звезды следовало бы назвать ультрафиолетовыми, поскольку их основное излучение происходит в жестком ультрафиолетовом диапазоне спектра. Излучение с длиной волны короче 91,2 нм очень эффективно поглощается межзвездными атомами водорода и ионизует их, т.е. разрывает в них связи между электронами и ядрами атомов – протонами. Этот процесс (ионизация) сбалансирован противоположным процессом (рекомбинация), в результате которого под действием взаимного притяжения электроны вновь объединяются с протонами в нейтральные атомы. Такой процесс сопровождается излучением электромагнитных квантов. Но обычно электрон, соединяясь с протоном в нейтральный атом, не сразу попадает на нижний энергетический уровень атома, а задерживается на нескольких промежуточных, и каждый раз при переходе между уровнями атом излучает фотон, энергия которого меньше, чем у того фотона, который ионизовал атом. В результате, один ультрафиолетовый фотон, ионизовавший атом, «дробится» на несколько оптических. Так газ преобразует не видимое глазом ультрафиолетовое излучение звезды в оптическое излучение, благодаря которому мы видим туманность.

Эмиссионные туманности типа Туманности Ориона – это газ, нагреваемый ультрафиолетовыми звездами. Ту же природу имеют и планетарные туманности, состоящие из газа, сбрасываемого стареющими звездами.

Но наблюдаются и светящиеся газовые туманности несколько иной природы, которые возникают при взрывных процессах в звездах. Прежде всего, это остатки взорвавшихся сверхновых звезд, примером которых может служить Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Такие туманности нестационарны, их отличает быстрое расширение.

Внутри газовых остатков сверхновых звезд нет ярких ультрафиолетовых источников. Энергия их свечения – это преобразованная энергия газа, разлетающегося после взрыва звезды, плюс энергия, выделяемая сохранившимся остатком Сверхновой. В случае Крабовидной туманности таким остатком является компактная и быстро вращающаяся нейтронная звезда, непрерывно выбрасывающая в окружающее пространство потоки высокоэнергичных элементарных частиц. Через десятки тысяч лет подобные туманности, расширяясь, постепенно растворяются в межзвездной среде.

Межзвездная пыль.

Даже беглый взгляд на изображение любой эмиссионной туманности достаточно большого размера позволяет увидеть на ее фоне резкие темные детали – пятна, струи, причудливые «заливы». Это – проектирующиеся на светлую туманность расположенные недалеко от нее небольшие и более плотные облака, непрозрачные вследствие того, что к газу всегда примешена межзвездная пыль, поглощающая свет.

Присутствует пыль и вне газовых облаков, заполняя (вместе с очень разреженным газом) все пространство между ними. Такая распределенная в пространстве пыль приводит к трудно учитываемому ослаблению света далеких звезд. Свет частично поглощается, а частично – рассеивается мелкими твердыми пылинками. Наиболее сильное ослабление наблюдается в направлениях, близких к направлению на Млечный Путь (на плоскость галактического диска). В этих направлениях, пройдя тысячу световых лет, видимый свет ослабляется примерно на 40 процентов. Если учесть, что протяженность нашей Галактики – десятки тысяч световых лет, то становится ясно, что мы можем исследовать звезды галактического диска лишь в небольшой его части. Чем короче длина волны излучения, тем сильнее поглощается свет, в результате чего далекие звезды кажутся покрасневшими. Поэтому межзвездное пространство прозрачнее всего для длинноволнового инфракрасного излучения. Лишь наиболее плотные газопылевые облака остаются непрозрачными даже для инфракрасного света.

Следы космической пыли можно увидеть и без телескопа. В безлунную летнюю или осеннюю ночь хорошо видно «раздвоение» полосы Млечного Пути в области созвездия Лебедя. Оно связано с близкими пылевыми облаками, слой которых закрывает лежащие позади них яркие области Млечного Пути. Можно найти темные участки и в других областях Млечного Пути. Наиболее плотные газопылевые облака, проектируясь на области неба, богатые звездами, выглядят темными пятнами даже в инфракрасном свете.

Иногда вблизи холодных газо-пылевых облаков располагаются яркие звезды. Тогда их свет рассеивается на пылинках и видна «отражательная туманность».

В отличие от эмиссионных туманностей, они имеют непрерывный спектр, как и спектр освещающих их звезд.

Изучая отраженный или прошедший сквозь облако свет звезд, можно многое узнать о частицах пыли. Например, поляризация света говорит о вытянутой форме пылинок, которые приобретают определенную ориентацию под действием межзвездного магнитного поля. Твердые частицы космической пыли имеют размер порядка 0,1–1 мкм. Вероятно, у них железо-силикатное или графитовое ядрышко, покрытое ледяной «шубой» из легких элементов. Графитовые и силикатные ядрышки пылинок, по-видимому, образуются в относительно прохладных атмосферах звезд-гигантов и выбрасываются затем в межзвездное пространство, где остывают и покрываются шубой из летучих элементов.

Полная масса пыли в Галактике составляет не более 1% от массы межзвездного газа, но и это немало, поскольку эквивалентно массе десятков миллионов таких звезд как Солнце.

Поглощая световую энергию звезд, пыль нагревается до небольшой температуры (обычно – на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля), а излучает поглощенную энергию в форме очень длинноволнового инфракрасного излучения, которое на шкале электромагнитных волн занимает промежуточное положение между оптическим и радио диапазонами (длина волны – десятки и сотни микрометров). Это излучение, принимаемое телескопами, установленными на специализированных космических аппаратах, дает неоценимую информацию о массе пыли и источниках ее нагрева в нашей и других галактиках.

Атомарный, молекулярный и горячий газ.

Межзвездный газ – это, в основном, смесь водорода (около 70%) и гелия (около 28%) с очень небольшой примесью более тяжелых химических элементов. Средняя концентрация частиц газа в межзвездном пространстве чрезвычайно мала и не превышает одной частицы на 1–2 кубических см. В объеме, равном объему земного шара, содержится около 1 кг межзвездного газа, но это только в среднем. Газ очень неоднороден как по плотности, так и по температуре.

Температура основной массы газа не превышает нескольких тысяч градусов – недостаточно высокой для того, чтобы водород или гелий был ионизован. Такой газ называют атомарным, поскольку он состоит из нейтральных атомов. Холодный атомарный газ практически не излучает в оптическом диапазоне, поэтому долгое время о нем почти ничего не было известно.

Самый распространенный атомарный газ – водород (условное обозначение – HI) – наблюдается по радиоизлучению на длине волны около 21 см. Радионаблюдения показали, что газ образует облака неправильной формы с температурой в несколько сотен кельвинов и более разреженную и горячую межоблачную среду. Полная масса атомарного газа в галактике достигает нескольких миллиардов масс Солнца.

В наиболее плотных облаках газ охлаждается, отдельные атомы объединяются в молекулы, и газ становится молекулярным. Самая распространенная молекула – Н₂ – не излучает ни в радио, ни в оптическом диапазоне (хотя у этих молекул есть линии поглощения в ультрафиолетовой области), и обнаружить молекулярный водород чрезвычайно трудно. К счастью, вместе с молекулярным водородом возникают десятки других молекул, содержащих более тяжелые элементы – такие как углерод, азот и кислород. По их радиоизлучению на определенных, хорошо известных частотах оценивается масса молекулярного газа. Пыль делает молекулярные облака непрозрачными для света, и именно они видны как темные пятна (прожилки) на более светлом фоне эмиссионных туманностей.

Радиоастрономические наблюдения позволили обнаружить в межзвездном пространстве довольно сложные молекулы: гидроксил OH; пары воды H₂O и аммиака NH, формальдегид H₂CO, окись углерода CO, метанол (древесный спирт) CH₃OH, этиловый (винный) спирт CH₃CH₂OH и еще десятки других, даже более сложных молекул. Все они найдены в плотных и холодных газопылевых облаках, пыль в которых защищает хрупкие молекулы от разрушающего влияния ультрафиолетового излучения горячих звезд. Вероятно, поверхность холодных пылинок служит как раз тем местом, где образуются сложные молекулы из налипших на пылинку отдельных атомов. Чем плотнее и массивнее облако, тем большее разнообразие молекул в нем обнаруживается.

Молекулярные облака очень разнообразны.

Некоторые небольшие облачка мы видим интенсивно «испаряющимися» под действием света близких звезд. Существуют, однако, и гигантские очень холодные облака с массой, превышающей миллион масс Солнца (подобных образований в нашей Галактике больше сотни). Такие облака называются гигантскими молекулярными облаками. Для них существенным является собственное гравитационное поле, удерживающее газ от расширения. Температура в их недрах лишь на несколько кельвинов выше абсолютного нуля.

Молодые горячие звезды могут своим коротковолновым излучением нагревать и разрушать молекулярные облака. Особенно много энергии выделяется и сообщается межзвездному газу при взрывах сверхновых, а также веществом, интенсивно истекающим из атмосфер горячих звезд большой светимости (звездным ветром массивных звезд). Газ расширяется и нагревается до миллиона и более градусов. Эта горячая разреженная среда образует гигантские «пузыри» в более холодном межзвездном газе, размеры которых иногда составляют сотни световых лет. Такой газ часто называют «корональным» – по аналогии с газом горячей солнечной короны, хотя межзвездный горячий газ на несколько порядков разреженнее, чем газ короны. Наблюдается такой горячий газ по слабому тепловому рентгеновскому излучению или по ультрафиолетовым линиям, принадлежащим некоторым частично ионизованным элементам.

Космические лучи.

Помимо газа и пыли, межзвездное пространство заполнено также очень энергичными частицами «космических лучей», имеющими электрический заряд – электронами, протонами и ядрами некоторых элементов. Эти частицы летят практически со скоростью света по всем возможным направлениям. Их основным (но не единственным) источником служат взрывы сверхновых звезд. Энергия частиц космических лучей на много порядков превышает их энергию покоя Е = m0c2 (здесь m0 – масса покоя частицы, с – скорость света), и обычно находится в пределах 10 10 – 10 19 эВ (1 эВ = 1,6 ґ 10 –19 Дж), в очень редких случаях достигая и более высоких значений. Частицы движутся в слабом магнитном поле межзвездного пространства, индукция которого примерно в сто тысяч раз меньше, чем у магнитного поля Земли. Межзвездное магнитное поле, действуя на заряженные частицы с силой, зависящей от их энергии, «запутывает» траектории частиц, и они непрерывно меняют направление своего движения в Галактике. Лишь наиболее высокоэнергичные космические лучи движутся по слабо искривленным путям и по этому не удерживаются в Галактике, уходя в межгалактическое пространство.

Частицы космических лучей, достигающие нашей планеты, сталкиваются с атомами воздуха и, разбивая их, рождают новые многочисленные элементарные частицы, которые образуют настоящие «ливни», выпадая на земную поверхность. Эти частицы (их называют вторичными космическими лучами) удается непосредственно регистрировать лабораторными приборами. Первичные же космические лучи до поверхности Земли практически не доходят, их можно регистрировать за пределами атмосферы. Но о наличии быстрых частиц в межзвездном пространстве удается узнать и по косвенным признакам – по характерному излучению, которое они производят при своем движении.

Заряженные частицы, летящие в межзвездном магнитном поле, отклоняются от прямых траекторий под действием силы Лоренца. Их траектории словно «наматываются» на линии магнитной индукции. Но любое не-прямолинейное движение заряженных частиц, как известно из физики, приводит к излучению электромагнитных волн и постепенной потере энергии частицами. Длина волны излучения космических частиц соответствует радиодиапазону. Особенно эффективно излучают легкие электроны, на движение которых межзвездное магнитное поле влияет сильнее всего из-за их очень малой массы. Это излучение названо синхротронным, поскольку в физических лабораториях оно тоже наблюдается, когда электроны разгоняют в магнитных полях в специальных установках – синхротронах, используемых для получения высокоэнергичных электронов.

Радиотелескопы (см. РАДИОАСТРОНОМИЯ) принимают синхротронное излучение не только от всех областей Млечного Пути, но и от других галактик. Это доказывает наличие там магнитных полей и космических лучей. Синхротронное излучение заметно усилено в спиральных рукавах галактик, где больше плотность межзвездной среды, интенсивнее магнитное поле и чаще происходят взрывы сверхновых – источники космических лучей. Характерной особенностью синхротронного излучения служит его спектр, не похожий на спектр излучения нагретых сред, и сильная поляризация, связанная с направленностью магнитного поля.

Крупномасштабное распределение межзвездной среды.

Основная масса газа и пыли концентрируется вблизи плоскости нашей Галактики. Именно там сосредоточены наблюдаемые эмиссионные туманности, облака атомарного и молекулярного газа. Аналогичная картина наблюдается и в других галактиках, похожих на нашу. Когда далекая галактика развернута к нам так, что ее звездный диск виден «с ребра», диск кажется пересеченным темной полосой. Темная полоса – это слой межзвездной среды, непрозрачный из-за наличия пылевых частиц.

Толщина слоя межзвездного газа и пыли обычно составляет несколько сотен св. лет, а диаметр – десятки и сотни тысяч св. лет, поэтому такой слой можно считать сравнительно тонким. Объяснение концентрации межзвездной среды в тонкий диск достаточно простое и кроется в свойствах атомов газа (и облаков газа) терять энергию при столкновении друг с другом, которые непрерывно происходят в межзвездном пространстве. Благодаря этому газ скапливается там, где его полная (кинетическая + потенциальная) энергия минимальна – в плоскости звездного диска, притягивающего газ. Именно притяжение звезд не дает газу далеко отойти от плоскости диска.

Но и внутри диска Галактики газ распределен неравномерно. В центре Галактики выделяется молекулярный диск размером несколько сотен св. лет. Дальше от центра плотность газа падает, но быстро возрастает вновь, образуя гигантское газовое кольцо радиусом более 10 тыс. св. лет и шириной в несколько тысяч св. лет. Солнце находится за его пределами. В окрестностях Солнца средние плотности молекулярного и атомарного газа сопоставимы, а на еще больших расстояниях от центра преобладает атомарный газ. Внутри слоя межзвездной среды наибольшая плотность газа и пыли достигается в спиральных рукавах Галактики. Там особенно часто встречаются молекулярные облака и эмиссионные туманности, и рождаются звезды.

Рождение звезд.

Когда астрономы научились измерять возраст звезд и выделять короткоживущие молодые звезды, было выявлено, что образование звезд происходит чаще всего там, где концентрируется межзвездная газопылевая среда – вблизи плоскости нашей Галактики, в ее спиральных ветвях. Ближайшие к нам области звездообразования связаны с комплексом молекулярных облаков в Тельце и Змееносце. Немногим дальше расположен огромный комплекс облаков в Орионе, где наблюдается большое количество недавно родившихся звезд, в том числе массивных и очень горячих, и несколько сравнительно крупных эмиссионных туманностей. Именно ультрафиолетовым излучением горячей звезды нагрета часть одного из облаков, которую мы видим как Большую туманность Ориона. Эмиссионные туманности той же природы, что и Туманность Ориона, всегда служат надежным индикатором тех областей Галактики, где рождаются звезды.

Звезды зарождаются в недрах холодных молекулярных облаков, где из-за сравнительно высокой плотности и очень низкой температуры газа силы тяготения играют очень важную роль и в состоянии вызвать сжатие отдельных уплотнений среды. Они сжимаются под действием сил собственного тяготения и постепенно разогреваются до образования горячих газовых шаров – молодых звезд. Наблюдать развитие этого процесса очень трудно, поскольку он может продолжаться миллионы лет и происходит в мало прозрачной (из-за пыли) среде.

Формирование звезд может происходить не только в крупных молекулярных облаках, но и в сравнительно небольших, но плотных. Их называют глобулами. Они видны на фоне неба как компактные и абсолютно непрозрачные объекты. Типичный размер глобул – от десятых долей до нескольких св. лет, масса – десятки и сотни масс Солнца.

В общих чертах процесс формирования звезд понятен. Пыль во внешних слоях облака задерживает свет звезд, расположенных снаружи, поэтому облако оказывается лишенным внешнего подогрева. В результате внутренняя часть облака сильно охлаждается, давление газа в нем падает, и газ уже не может сопротивляться взаимному притяжению своих частей – происходит сжатие. Быстрее всего сжимаются наиболее плотные части облака, там и образуются звезды. Они возникают всегда группами. Сначала это медленно вращающиеся и медленно сжимающиеся сравнительно холодные газовые шары различной массы, но когда температура в их недрах достигает миллионов градусов, в центре звезд начинаются термоядерные реакции, при которых выделяется большое количество энергии. Упругость горячего газа останавливает сжатие, возникает стационарная звезда, излучающая как большое нагретое тело.

Очень молодые звезды часто окружены пылевой оболочкой – остатками вещества, не успевшими еще упасть на звезду. Эта оболочка не выпускает изнутри звездный свет и полностью преобразует его в инфракрасное излучение. Поэтому самые молодые звезды обычно проявляют себя лишь как инфракрасные источники в недрах газовых облаков. И лишь позднее пространство вокруг молодой звезды расчищается и ее лучи прорываются в межзвездное пространство. Часть вещества, окружавшего формирующуюся звезду, может образовать вокруг нее вращающийся газопылевой диск, в котором со временем возникнут планеты.

Звезды типа Солнца после своего возникновения мало влияют на окружающую межзвездную среду. Но часть рождающихся звезд имеет очень большую массу – в десять и более раз больше, чем у Солнца. Мощное ультрафиолетовое излучение таких звезд и интенсивный звездный ветер сообщают тепловую и кинетическую энергию большим массам окружающего газа. Часть звезд взрывается как сверхновые, выбрасывая с большими скоростями гигантскую массу вещества в межзвездную среду. Поэтому звезды не только образуются из газа, но и во многом определяют его физические свойства. Звезды и газ можно рассматривать как единую систему со сложными внутренними связями. Однако в деталях процесс формирования звезд очень сложен и не до конца еще изучен. Известны физические процессы, которые стимулируют сжатие газа и рождение звезд, как и процессы, которые тормозят его. По этой причине связь между плотностью межзвездной среды в данной области Галактики и интенсивностью звездообразования в ней не однозначна

Каплан С.А., Пикельнер С.Б. Физика межзвездной среды. М., 1979
Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. М., 1984
Спитцер Л. Пространство между звездами. М., 1986
Бочкарев Н.Г. Основы физики межзвездной среды. М., 1992
Сурдин В.Г. Рождение звезд. М., 1997
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. М., 2001

Источник