Туманности – важный элемент эволюции галактик

Введение. Туманности – важный элемент эволюции галактик 

Туманности являются важным элементом в кругообороте вещества во Вселенной, в эволюции звезд  и галактик.

Поскольку наименований различных туманностей много (диффузные, отражательные, эмиссионные, темные, планетарные), то можно постараться привести их названия в некую систему. Если под  системой понимать целостное объединение, имеющее множество элементов, которые  имеют взаимоотношения между  собой, то возможно привести в систему  исторические названия туманностей, поскольку  различные туманности можно классифицировать по различной плотности и температуре. И разные типы туманностей взаимосвязаны  между собой в процессе эволюции. Поэтому первая задача научной работы – не просто рассмотреть современную классификацию названий туманностей по плотности и температуре, но и показать их взаимосвязь.

Вторая задача научной  работы – подобрать иллюстрации  к каждому типу туманностей. В  существующих учебниках по астрономии реальные фотографии туманностей, полученных в последнее время космическими обсерваториями (им.Хаббла, Чандра и другими) практически не приводятся.

Третья задача –  подобрать литературу, а также  ссылки в Интернет по данному вопросу. 

1. Краткая характеристика  туманностей. Анализ  исторического названия  различных названий  туманностей 

Пространство между  звездами не пустует. В очень малых  концентрациях в нем присутствуют самые разнообразные частицы, в  том числе и атомы многих веществ. В галактиках, вроде нашей собственной, наибольшее скопление межзвездного вещества достигается вблизи их плоскости, в спиральных рукавах, и Солнце как  раз находится между двух таких  рукавов. То, что вещество Галактики  уплотнено возле одной плоскости, мы очень легко можем увидеть  ясной ночью. Это уплотнение представляется нам в виде протянувшейся по всему  небу туманной полосы – Млечного Пути. Глядя на него, мы смотрим вдоль  плоскости Галактики. В направлении  на Млечный Путь видно много звезд.

Но кроме звезд  здесь скапливается и межзвездное  вещество. Плотность его в среднем  такова, что на один кубический сантиметр  приходится всего одна частица. Однако, десятки, сотни и тысячи световых лет, на протяжении которых распылены  эти частицы, делают межзвездный  газ ощутимым. Он поглощает и рассеивает свет звезд, делая его краснее (так  же, как на заре земная атмосфера  делает краснее свет Солнца). Кроме  того, вещество способно образовывать в тысячу раз более плотные  газовые облака. Их-то мы и видим  как туманности. В межзвездной  среде присутствует также и пыль, в еще меньших концентрациях  примешивающаяся к газу. В состав пылинок входят железо, кремний, азот, кислород, углерод и другие элементы. Все они могут образовывать простейшие молекулы (воду, углекислый газ).

Иногда встречаются  и более сложные молекулы. Все  эти вещества "поставляются" в  космос старыми звездами, которые, образуя  планетарные туманности, теряют свои внешние слои, а также в результате процесса взрыва сверхновых звезд. При  взрыве сверхновых звезд тяжелые  элементы (тяжелее гелия) выбрасываются  в относительно больших количествах.

Случайные уплотнения межзвездного вещества могут стать  зачатками образования больших  газопылевых облаков, каждое из которых  способно породить несколько десятков или даже сотен звезд.

В настоящее время  астрономы делят туманности на диффузные излучающие (эмиссионные), отражающие и темные. У них у всех может быть один и тот же химический состав, но выглядят на небе они по-разному.

Если газопылевое  облако настолько разогрето ближайшими звездами, в том числе находящимися и родившимися в нем самом, то оно может начать светиться, как  любой нагретый до высокой температуры  газ. Это – диффузные излучающие туманности. Температура газа в излучающих туманностях может доходить до миллионов градусов.

Примером диффузной  туманности является Туманность Розетка.

Рис. 2. Одна из излучающих туманностей – Туманность Розетка.

Примером планетарной  туманности является планетарная туманность в созвездии Лира. Словосочетание "планетарная туманность" является историческим и никакого отношения  к образованию планетарной системы  около звезд не имеет. Наоборот, это  расширяющаяся оболочка от старой, проэволюционизирующей звезды. В центре планетарной туманности всегда наблюдается звезда, а причина свечения данных объектов та же, что и у диффузных светлых туманностей – ионизирующее ультрафиолетовое излучение горячей звезды.

Рис. 3. Планетарная  туманность в созвездии Лира. 

Если межзвездный  газ не нагревается близкими звездами, то может наблюдаться темные туманности или даже глобулы. 
 

2. Диффузные туманности

Многие туманности не имеют определенной формы. Они  похожи на клочковатый туман, растекающийся  струями в разные стороны. Эти  туманности называются диффузными. Другие названия данных объектов – газовые, галактические туманности. Их известно несколько сот в Нашей галактике.

Бывают туманности со спектром поглощения, бывают со спектром излучения (эмиссионный спектр). Первые туманности называются иногда отражательными туманностями. Последние туманности светятся за счет возбуждения от горячей  звезды ранних спектральных классов. Они  также называются эмиссионными туманностями.

Туманность Ориона (М42) – самая яркая диффузная  туманность в небе. Для астрономов Орион также является интересным объектом, так как в нем расположена  одна из самых близких к нам  и наиболее активных областей звездообразования  в Млечном Пути. Около центра расположена  знаменитая кратная звезда Трапеция Ориона, состоящая из 4 звезд, а также  звездная ассоциация, включающая в  себя около тысячи звезд, возраст  которых составляет около миллиона лет. За последние 10 миллионов лет  в этой области сформировались десятки  тысяч новых звезд. Это очень  короткий период времени по астрономическим  меркам.

Рис. 4. Диффузная  туманность М 42 "Туманность Ориона".

Газопылевую туманность М 42 – в ясную ночь можно увидеть  невооруженным глазом в центре созвездия  Ориона. Даже в бинокль видно, что  эта туманность протянулась на несколько  десятков световых лет.

Рис.5. Диффузные  туманности в созвездии Ориона: М 42(NGC 1976) внизу и М 43 (NGC 1977) вверху.

Она освещается несколькими  массивными горячими звездами, расположенными в ее центре, известными под названием  Трапеция. Однако центральная часть  этой туманности скрыта от наблюдателя, так как в видимой области  спектра она не просматривается. В ней расположены около тысячи очень молодых звезд, расстояния между которыми меньше, чем расстояние между Солнцем и самыми близкими к нему звездами. В видимой части  спектра центральная область  затенена большим количеством газа и пыли, из которых эти звезды сформировались. Эффект затенения становится меньше на более длинных волнах. 

Рис.6. Изображение  центральной части туманности Ориона, составленная на основе 81 снимка,

полученного с помощью телескопа Very Large Telescope (VLT) обсерватории Paranal, ESO.

Около центра расположена знаменитая кратная  звезда Трапеция

Здесь видны следы  оттока газа из очень молодого объекта, расположенного в плотном молекулярном облаке позади туманности Ориона. Газ, выброшенный взрывом, разлетается  со скоростью 200 км в секунду.

Рис.7. Одна из излучающих туманностей – Туманность Розетка.

Внутри туманности находится рассеянное скопление, состоящее  из ярких молодых звезд и известное  под названием NGC 2244. Эти звезды образовались около четырех миллионов лет  назад из вещества туманности и их звездные ветры выдувают в центре туманности дыру, ограниченную слоем  пыли и горячего газа. Окружающая скопление  туманность светится под действием  ультрафиолетового излучения звезд  скопления. Расположенная на расстоянии около 5000 световых лет Туманность Розетка, поперечник которой составляет примерно 100 световых лет, видна в небольшой  телескоп. 

Рис.8. Диффузная  туманность "Трехраздельная". 

Диффузная туманность "Трехраздельная" ("Trifid") в созвездии Стрельца имеет диаметр в 40 световых лет (20х20ў) и содержит большое количество пыли. Эта область звездообразования и содержит несколько молодых звезд находящихся глубоко внутри туманности, которые и заставляют ее пылать. Красные цвета – излучения от газа, нагретого этими горячими молодыми звездами. Синие цвета получаются в результате рассеивания звездного света пылью в туманности

Рис.9. Туманность "Петля" NGC 6069.

Рис.10. Диффузная  туманность "Карина" NGC 3372.

Рис. 11. Диффузная  туманность "Тарантул".

Рис.12. Диффузная  туманность "Северная Америка" NGC 7000 (слева)

и диффузная  туманность "Пеликан" IC 5067 (справа).

Рис. 13. Диффузная  туманность "Лагуна".

Туманность Лагуны содержит малые скопления звезд (NGC 6523) и связанного с ним окружающего  газового облака из которого они сформировались. Туманность видима невооруженным взглядом как яркое нечеткое пятно с  шестью звездами 7 и 9 звездной величиной. Основа свечения диффузной туманности – яркая область снизу справа снимка, содержащая туманность "Песочные часы" (Hourglass). Название происходит от темного диапазона, который, кажется, разделяет центральную область.

Рис.14. Диффузная  туманность и рассеянное звездное скопление  в созвездии Змея "Орел".

В центре хорошо видны так называемые "столбы".

Звезды в M16 формировались  из газа и пыли и теперь снабжают энергией оставшийся газ, заставляя  его пылать. Подробные изображения  Космического телескопа Хаббл показали это, а также доказали продолжающееся звездообразование. Его название исходит  из-за его отличительной особенности, созданной густыми областями  пыли в туманности.

Рис. 15. В  центре диффузной туманности "Орел" видны "столбы".

Это области  более холодного межзвездного газа.

Рис. 16. Диффузная  туманность "Омега" (М 17) в созвездии  Стрельца.

Диффузная туманность M17 известна несколькими названиями – "Туманность Омега" (Omega), "Лебедь" (Swan), "Подкова" (Horseshoe) или туманность "Омара" (Lobster). В этой туманности молодые звезды возбудили окружающее газовое облако, из которого они формировались, вызывая накаливание до красного цвета. Масса газа в туманности была оценена в приблизительно 800 масс нашего Солнца. Диффузная туманность имеет значительные размеры и может наблюдаться в слабые телескопы (20х15`).

3. Планетарные туманности 

В числе туманностей  наблюдаются немногочисленные так  называемые планетарные туманности. Внутри каждой из них, в центре, всегда есть одна очень горячая звезда. Такие туманности состоят из разреженного газа, который удаляется во все  стороны от центральной звезды со скоростью десятков километров в  секунду. Если газовая оболочка вокруг звезды внутри полая, то туманность имеет  вид кольца, как, например, туманность в созвездии Лиры.

Рис. 17. Планетарная  туманность М 57 "Кольцо" в созвездии  Лира.

Туманность "Кольцо" (М57) является, пожалуй, наиболее известным  небесным кольцом. Видимое довольно правильное кольцо - всего лишь обман  зрения, связанный с проекцией; на самом деле, облако газа, окружающее умирающую центральную звезду, имеет  бочкообразную форму, мы же, глядя  на него с Земли, видим кольцо, поскольку  ось "бочки" параллельна лучу зрения. Это поразительно четкое изображение  было подготовлено на основе наблюдений космического телескопа им. Хаббла, и в нем использованы естественные цвета, для представления температуры  окутывающего центральную звезду газа. Энергии жестких ультрафиолетовых фотонов достаточно, чтобы ионизовать большую часть сброшенных внешних  слоев, а также возбудить их излучение, которое мы и видим от туманности. Горячий голубой газ вблизи старого  ядра звезды (рождающегося белого карлика), служащей источником энергии, постепенно уступает место более холодному  зеленому и желтому газу, находящемуся на большем расстоянии от звезды, а  затем и самому холодному красному газу внешней оболочки. Около края туманности видны также темные вытянутые  структуры. Туманность "Кольцо" имеет  в поперечнике около одного светового  года и удалена от нас на 2000 световых лет.

Туманность "Кошачий  глаз" (NGC 6543) – это одна из самых  известных и красивых планетарных  туманностей на небе, имеющих сложную  структуру. Ее запоминающиеся симметричные формы видны в центральной  части изображения в искусственных  цветах, специально обработанного для  того, чтобы показать огромное, но очень  слабое гало из газообразного вещества, имеющего диаметр около трех световых лет, которое вероятно сформировались из вещества, выброшенного во время  ранних, активных стадий эволюции звезд. Потрясающее оптическое изображение  в условных цветах, полученное в 1995 году на Космическом телескопе имени  Хаббла, позволило подробно рассмотреть  вихреобразные структуры этой светящейся туманности, которая представляет собой  газовую оболочку, сброшенную на расстоянии около 3000 световых лет от Земли умирающей  звездой типа Солнца.