Реферат: Наша Галактика

Ионизованный газ. Горячие звезды мощным ультрафиолетовым излучением нагревают и ионизуют окружающий межзвездный газ. Нагре­тый газ излучает свет, и поэтому области, заполненные горячим га­зом, наблюдаются как светящиеся облака. Они называются светлыми газовыми туманностями. Темпера­тура газа в них составляет около 10000 К.

Самая заметная туманность рас­положена в созвездии Ориона и на­зывается туманностью Орио­на. В сильный бинокль или небольшой телескоп она видна как бесформенное облачко со слабым зеленоватым свечением. Это обла­ко состоит из горячего ионизован­ного газа, масса которого оцени­вается примерно в тысячу масс Солнца.

Атомарный газ. Основная масса межзвездного газа в диске Галак­тики удалена от горячих звезд и поэтому не ионизована и не излу­чает свет. Но такой «невидимый» газ все же можно наблюдать радио­астрономическими методами. Было доказано (вначале теоретически, а затем подтверждено наблюдениями), что атомы водорода, входящие в состав межзвездного газа, излу­чают радиоволны с длиной волны 0,21 м (с частотой 1420 МГц).

Радиоизлучение нейтрального межзвездного водорода было обна­ружено в 1951 г. Многочисленные измерения его интенсивности позво­лили установить общую массу газа в Галактике.

Атомарный газ распределен в пространстве неоднородно. Он обра­зует облака, между которыми газ более разрежен. Типичные размеры облаков достигают нескольких десят­ков световых лет, а средняя кон­центрация частиц в них — несколько атомов в 1 см³ .

Молекулярный газ. Радионаблю­дения обнаружили в межзвездном пространстве в тысячи раз более плотные облака, состоящие из очень холодного газа, температура кото­рого не превышает 20—30 К. Из-за низкой температуры и повышенной плотности водород и другие эле­менты в этих облаках объединены в молекулы. Поэтому их называют молекулярными. В основном они состоят из молекул H₂ . Молекулы водорода, в отличие от, атомов, не испускают радиоизлучения. Зато многие другие молекулы, входящие в состав облаков, излучают радио­волны на определенных частотах. По радиоизлучению в молекуляр­ных облаках было найдено несколь­ко десятков молекулярных соедине­ний, например СО, СО₂ , H₂ O, NН₃ . Имеются и более сложные молеку­лы — формальдегида, этилового и метилового спирта и др. Молекулы могут возникать и существовать только в наиболее плотных газовых облаках. В разреженной межзвезд­ной среде под действием ультра­фиолетового излучения звезд они быстро распадаются. Масса многих молекулярных облаков превышает 100 тыс. масс Солнца. Это самые массивные образования в диске Галактики.

Полагают, что в молекуляр­ных облаках происходит зарождение звезд из газа. Существует и об­ратный процесс — в межзвездную среду непрерывно поступает газ, «сбрасываемый» звездами. Мы уже знаем, что звезды, вспыхивающие как новые и сверхновые, теряют часть своей массы. Но и у обычных звезд, таких, как Солнце, на опреде­ленном этапе эволюции (после превращения в красный гигант) происходит отделение газовой обо­лочки, которая, медленно расширяясь, уходит в межзвездное про­странство. Такие расширяющиеся оболочки известны у сотен звезд. Они называются планетарными ту­манностями (рис. 6) . В центре планетарной туманности всегда наб­людается звезда. Причина свечения этих объектов та же, что и у светлых газовых туманностей,— ионизующее ультрафиолетовое излучение горя­чей звезды.

2. Межзвездная пыль. В сере­дине прошлого века известный рус­ский астроном В. Я. Струве обосно­вал предположение, что межзвездное пространство не абсолютно прозрач­но; свет в нем может поглощаться и рассеиваться, вследствие чего да­лекие звезды выглядят слабее, чем можно ожидать. Газ практически не поглощает видимого излучения. По­этому, помимо газа, межзвездная среда должна содержать пыль.

Окончательно существование пог­лощения света в межзвездной среде было доказано в 30-х годах нашего века. В случае сравнительно близких звезд поглощение почти незаметно:

чтобы световой поток был ослаблен межзвездной средой всего лишь на один процент, свету требуется пройти расстояние в несколько десятков световых лет. Но если расстояние до звезд измеряется тысячами све­товых лет, то межзвездная среда ослабляет приходящий от них свет и несколько раз.

Межзвездная среда не только ослабляет свет далеких звезд, но еще и вызывает изменение их цвета. Звез­ды, свет которых испытал сильное ослабление, кажутся нам более красными. Это происходит потому, что лучи красного света меньше поглощаются и рассеиваются меж­звездными пылинками, чем синие. Измеряя ослабление света звезд на различных длинах волн, можно су­дить о свойствах межзвездной пыли. Выяснилось, что межзвездные пы­линки очень мелкие — размером около 0,5 мкм. Они состоят в ос­новном из углерода, кремния и «намерзших» на них молекул меж­звездного газа.

В межзвездном пространстве пыль везде сопутствует газу. На ее долю приходится около 1% от массы газа. Поэтому концентрация пыли всегда выше, а прозрачность среды ниже там, где много газа. Это хорошо видно на примере молекулярных облаков — самых плот­ных газовых облаков в межзвезд­ной среде. Из-за присутствующей в них пыли они практически не­прозрачны и выглядят на небе как темные области, почти лишенные звезд. Редкие звездочки, просве­чивающие сквозь их менее плотные части, кажутся сильно покраснев­шими. Газопылевые образования, ко­торые из-за низкой прозрачности выглядят как темные области, на­зываются темными туманностями

(рис. 7).

В ясную ночь, наблюдая Млеч­ный Путь даже невооруженным гла­зом, можно заметить, что он имеет неровные очертания, а в созвездии Лебедя даже разделяется на два параллельно идущих рукава. Это наглядный результат проекции на Млечный Путь темных туманностей, большинство которых находится вблизи плоскости Галактики.

Происхождение пыли не вполне еще ясно. Теоретические расчеты и наблюдения показали, что пылин­ки могут конденсироваться в атмосферах холодных звезд, откуда давление излучения должно выталкивать их в межзвездное пространство.

3. Космические лучи и межзвездное магнитное поле. Помимо разряженного газа и пыли, в межзвездном пространстве с огромной скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), движется большое число элементарных частиц и ядер различных атомов. Эти частицы летят по всей нашей Галактике в самых различных направлениях. Они называются космическими лучами.

Частицы космических лучей уда­ется регистрировать непосредственно при помощи специальных физиче­ских приборов — счетчиков быстрых частиц, устанавливаемых на косми­ческих аппаратах. Сквозь атмосферу Земли космические лучи пробиться не могут. Сталкиваясь с атомами земной атмосферы, они разбивают их, рождая целые ливни из эле­ментарных частиц. Лишь небольшой процент космических частиц избе­гает столкновений в атмосфере и достигает Земли высоко в горах. Поэтому в различных странах орга­низованы специальные высокогор­ные станции по наблюдению и исследованию космических лучей.

Не все космические частицы при­ходят к нам из межзвездных глу­бин. Многие имеют солнечное проис­хождение. Они рождаются главным образом при солнечных вспышках. Однако самые быстрые части­цы, летящие с околосветовой ско­ростью и обладающие огромной энер­гией, приходят в Солнечную систему из далеких просторов Галактики.

Основными источниками косми­ческих лучей в Галактике считаются остатки сверхновых звезд и пуль­сары — быстро вращающиеся и сильно намагниченные нейтронные звезды.

Мы уже знаем, что остатки сверх новых звезд являются мощными источниками синхротронного радио излучения, которое возникает при движении быстрых электронов в магнитном поле. Но наблюдения показали, что синхротронное радиоизлучение приходит к нам и из тех областей межзвездного простран­ства, где остатков сверхновых звезд нет. Следовательно, и между звездами существует магнитное поле, заставляющее быстрые электроны космических лучей излучать радио­волны.

Исследования показали, что маг­нитная индукция межзвездного маг­нитного поля невелика: в среднем она в сто тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли. Это поле охватывает и межзвездный газ, поэтому межзвездная среда слабо намагни­чена.

IV. ОБРАЗОВАНИЕ ЗВЕЗД. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

1. Образование звезд. Наиболее массивные звезды живут сравнительно недол­го — несколько миллионов лет. Если такие звезды наблюдаются, значит, образование звезд не завершилось миллиарды лет назад, а происходит и в настоящую эпоху.

Звезды, масса которых много­кратно превышает массу Солнца, большую часть жизни обладают ог­ромными размерами, высокой свети­мостью и температурой. Из-за высо­кой температуры они имеют голу­боватый цвет, и поэтому их назы­вают голубыми сверхгигантами. Мы уже знаем, что такие звезды, нагре­вая окружающий межзвездный газ, приводят к образованию газовых туманностей. За свою сравнительно короткую жизнь массивные звезды не успевают очень далеко уйти от тех мест, где они родились. Поэтому светлые газовые туманности и голу­бые сверхгиганты указывают нам на положение тех областей в Галак­тике, где недавно происходило или происходит и сейчас образование звезд.

Оказалось, что молодые звезды не распределены в пространстве слу­чайным образом. Существуют об­ширные области, где они совсем не наблюдаются, и районы, где их сравнительно много. Больше всего голубых сверхгигантов наблюдается в области Млечного Пути, т. е. вблизи плоскости Галактики, там, где концентрируется газопылевая межзвездная среда.

Но и вблизи плоскости Галак­тики молодые звезды распределены неравномерно. Они почти никогда не встречаются поодиночке. Чаще всего эти звезды образуют рассеянные скопления и более разреженные звездные группировки больших раз­меров, названные звездными ассо­циациями, которые насчитывают де­сятки, а иногда и сотни голубых сверхгигантов. Самые молодые из звездных скоплений и ассоциаций имеют возраст менее 10 млн. лет. Почти во всех случаях эти молодые образования наблюдаются в обла­стях повышенной плотности меж­звездного газа. Это указывает на то, что процесс звездообразования свя­зан с межзвездным газом.

Примером области звездообразо­вания является гигантский газовый комплекс в созвездии Ориона. Он занимает на небе практически всю площадь этого созвездия и включает в себя большую массу нейтрального и молекулярного газа, пыли и целый ряд светлых газовых туманностей. Образование звезд в нем продол­жается и в настоящее время.

Согласно наиболее разработан­ной гипотезе, звезды возникают из облаков холодного межзвездного газа. Однако завершенной и обще­принятой теории образования звезд пока еще не создано. Ученые усилен­но работают над этой проблемой. Познакомимся с основными принци­пами, на которых базируются пред­ставления о формировании звезд из газопылевой среды.

Конденсация газа в звезды в определенном смысле напоминает другой физический процесс: кон­денсацию водяного пара в капельки воды при его охлаждении. И в том и в другом случае происходит мно­гократное увеличение плотности ве­щества. Но если конденсация пара совершается в результате взаимо­действия молекул, то межзвездный газ сжимается прежде всего благо­даря действию гравитации. Поэтому конденсация газа в звезды назы­вается гравитационной конденса­цией.

Сила гравитационного притяже­ния между отдельными частицами всегда стремится сжать газ. Сжатию обычно препятствует сила внутрен­него давления газа, связанного с хаотическими движениями его час­тиц — атомов или молекул. Чем меньше температура газа, тем мень­ше его давление и тем большую роль может играть притяжение от­дельных частиц друг к другу. В обычных облаках межзвездного газа силы гравитации очень малы по сравнению с силами внутреннего давления. Но в холодных плотных молекулярных облаках гравитация оказывается сильнее, и образующие­ся отдельные сгустки газовой среды должны сжиматься, увеличивая свою плотность. Конечным результатом такого сжатия может явиться обра­зование звезд. Сжатие газа пол­ностью прекратится, когда в центре сжимающегося газового шара тем­пература и давление станут настоль­ко высокими, что начнутся термо­ядерные реакции. В результате об­разуется звезда.