Межзвездная пыль. Отзыв: Космическая пыль: происхождение, виды, состав Какой свет поглощает частицы космической пыли

Ученые Гавайского университета сделали сенсационное открытие — космическая пыль содержит органические вещества , включая и воду, что подтверждает возможность переноса различных форм жизни из одной галактики в другую. Кометы и астероиды, курсирующие в космосе, регулярно приносят в атмосферу планет массы звездной пыли. Таким образом, межзвездная пыль выступает в роли своеобразного «транспорта», который может доставлять воду с органикой на Землю и к прочим планетам Солнечной системы. Возможно, когда-то, поток космической пыли привел к зарождению жизни на Земле. Не исключено, что жизнь на Марсе, существование которой вызывает много споров в ученых кругах, могла возникнуть таким же образом.

Механизм образования воды в структуре космической пыли

В процессе передвижения в космосе поверхность частиц межзвездной пыли облучается , что приводит к образованию соединений воды. Более подробно этот механизм можно описать так: ионы водорода, присутствующие в солнечных вихревых потоках, бомбардируют оболочку космических пылинок, выбивая отдельные атомы из кристаллической структуры силикатного минерала — основного строительного материала межгалактических объектов. В результате данного процесса высвобождается кислород, который входит в реакцию с водородом. Таким образом, формируются молекулы воды, содержащие включения органических веществ.

Сталкиваясь с поверхностью планеты, астероиды, метеориты и кометы приносят на ее поверхность смесь воды и органики

То, что космическая пыль — спутница астероидов, метеоритов и комет, несет в себе молекулы органических соединений углерода, было известно и раньше. Но то, что звездная пыль транспортирует еще и воду, доказано не было. Только сейчас американские ученые впервые обнаружили, что органические вещества переносятся частицами межзвездной пыли совместно с молекулами воды.

Как вода попала на Луну?

Открытие ученых из США может помочь приподнять завесу таинственности над механизмом формирования странных ледовых образований . Несмотря на то, что поверхность Луны полностью обезвожена, на ее теневой стороне при помощи зондирования было обнаружено соединение ОН. Данная находка свидетельствует в пользу возможного присутствия воды в недрах Луны.

Обратная сторона Луны сплошь покрыта льдами. Возможно, именно с космической пылью попали на ее поверхность молекулы воды много биллионов лет тому назад

Со времен эры луноходов Apollo в исследовании Луны, когда на Землю были доставлены пробы лунного грунта, ученые пришли к выводу, что солнечный ветер вызывает изменения в химическом составе звездной пыли, покрывающей поверхности планет. О возможности образования молекул воды в толще космической пылина Луне еще тогда шли дебаты, однако доступные на тот момент аналитические методы исследований были не в состоянии либо доказать, либо опровергнуть данную гипотезу.

Космическая пыль — носитель жизненных форм

За счет того, что вода образовывается в совсем небольшом объеме и локализуется в тонкой оболочке на поверхности космической пыли , только сейчас стало возможным увидеть ее при помощи электронного микроскопа высокого разрешения. Ученые считают, что подобный механизм перемещения воды с молекулами органических соединений возможен и в других галактиках, где вращается вокруг «родительской» звезды. В своих дальнейших исследованиях ученые предполагают более подробно идентифицировать, какие неорганические и органические вещества на основе углерода присутствуют в структуре звездной пыли.

Интересно знать! Экзопланета — это такая планета, которая находится вне Солнечной системы и вращается вокруг звезды. На данный момент в нашей галактике визуально обнаружено порядка 1000 экзопланет, образующих около 800 планетных систем. Однако непрямые методы детектирования свидетельствуют о существовании 100 млрд. экзопланет, из которых 5-10 млрд. обладают параметрами, схожими с Землей, то есть являются . Значительный вклад в миссию поиска планетарных групп, подобных Солнечной системе, сделал астрономический спутник-телескоп Кеплер, запущенный в космос в 2009 году, совместно с программой «Охотники за планетами» (Planet hunters).

Как могла возникнуть жизнь на Земле?

Весьма вероятно, что кометы, путешествующие в пространстве с высокой скоростью, способны при столкновении с планетой создать достаточно энергии, чтобы из компонентов льда начался синтез более сложных органических соединений, в том числе молекул аминокислот. Аналогичный эффект возникает при столкновении метеорита с ледяной поверхностью планеты. Ударная волна создает тепло, которое запускает процесс формирования аминокислот из отдельных молекул космической пыли, обработанной солнечным ветром.

Интересно знать! Кометы состоят из больших глыб льда, сформированных путем конденсации водяного пара на начальном этапе создания Солнечной системы, приблизительно около 4.5 биллионов лет тому назад. В своей структуре кометы содержат углекислый газ, воду, аммиак, метанол. Эти вещества при столкновении комет с Землей, на ранней стадии ее развития, могли продуцировать достаточное количество энергии для производства аминокислот — строительных белков, необходимых для развития жизни.

Компьютерное моделирование продемонстрировало, что ледяные кометы, разбившиеся о поверхность Земли миллиарды лет тому назад, возможно, содержали пребиотические смеси и простейшие аминокислоты типа глицина, из которых, впоследствии, и зародилась жизнь на Земле.

Количество энергии, высвобождающейся при столкновении небесного тела и планеты, достаточно для запуска процесса формирования аминокислот

Ученые обнаружили, что ледяные тела с идентичными органическими соединениями, присущими кометам, можно найти внутри Солнечной системы. Например, Энцелад — один из спутников Сатурна, или Европа — спутник Юпитера, содержат в своей оболочке органические вещества , смешанные со льдом. Гипотетически, любая бомбардировка спутников метеоритами, астероидами или кометами может привести к возникновению жизни на данных планетах.

Вконтакте

Здравствуйте!

Сегодня мы поговорим на весьма интереснейшую тему, связанною с такой наукой, как астрономия! Речь пойдёт о космической пыли. Предполагаю, что многие впервые узнали о ней. Значит, нужно рассказать о ней всё, что только мне известно! В школе - астрономия была моим одним из любимых предметов, скажу больше - самым любимым, потому, именно по астрономии я сдавала экзамен.

Хотя мне и выпал 13 билет, который был самым сложным, но с экзаменом я сдала прекрасно и осталась довольна!

Ежели сказать совсем доступно, что такое космическая пыль, то можно представить все-все осколки, которые только есть во Вселенной от космического вещества, например, от астероидов. А Вселенная ведь - это не только Космос! Не путайте, дорогие мои и хорошие! Вселенная - это весь наш мир - весь наш огромный Земной шар!

Например, космическая пыль может образовываться оттого, когда в Космосе сталкиваются два астероида и при столкновении, происходит процесс их разрушения на мелкие частицы. Многие учёные склоняются и к тому, что её образование связано с тем, когда сгущается межзвездный газ.

Как она образуется, мы с вами только выяснили, теперь узнаем о том, как она возникает. Как правило, эти пылиночки просто возникают в атмосферах красных звездочек, если вы слышали, такие красные звезды называют ещё - звёздами карликами; возникают, когда на звёздах происходят различные взрывы; когда активно выбрасывается газ из самих ядер галактик; протозвёздная и планетарная туманность - тоже способствует её возникновению, впрочем, как и сама звёздная атмосфера и межзвездные облака.

Что касается именно видов, относительно происхождения, то выделим следующие виды:

межзвездный вид пыли, когда на звездах происходит взрыв, то происходит огромный выброс газа и мощный выброс энергии

межгалактический,

межпланетный,

околопланетный: появилась, как "мусор", остатки, после образования иных планет.

кружочки чёрного цвета, небольшие, блестящие

кружочки чёрного цвета, но покрупнее размером, имеющие шероховатую поверхность

кружочки шарики чёрно-белого цвета, кои в своём составе имеют силикатную основу

кружочки, которые состоят из стекла и металла, они разнородные, и небольшие (20 нм)

кружочки похожие на порошочек магнетита, они чёрные и похожи на чёрный песок

пепловидноые и шлакообразные кружочки

вид, который образовался от столкновения астероидов, комет, метеоритов

Удачный вопрос! Конечно, может. И от столкновения метеоритов тоже. От столкновения любых небесных тел возможно её образование.

Вопрос об образовании и возникновении космической пыли до сих пор является спорным, и разные ученые выдвигают свои точки зрения, но вы можете придерживаться одной или двух близких вам точек зрения в этом вопросе. Например, той, что более понятна.

Ведь даже относительно её видов нет абсолютно точной классификации!

шарики, основа коих является однородной; их оболочка является окисленной;

шарики, основа коих является силикатной; так как они имеют вкрапления газа, то вид их часто похож на шлаки либо на пену;

шарики, основа коих является металлической с ядром из никеля и кобальта; оболочка тоже окисленная;

кружочки наполнение коих является полым.

они могут быть ледяными, а оболочка их состоит из легких элементов; в крупных ледяных частицах есть даже атомы, имеющие магнитные свойства,

кружочки с силикатными и графитными вкраплениями,

кружочки, состоящие из оксидов, в основе коих есть двухатомные окислы:

Космическая пыль до конца не изучена! Очень много открытых вопросов, ибо они являются спорными, но, думаю, основные представления всё-таки у нас теперь имеются!

Видео обзор

По массе твердые частички пыли составляют ничтожно малую часть Вселенной, однако именно благодаря межзвездной пыли возникли и продолжают появляться звезды, планеты и люди, изучающие космос и просто любующиеся звездами. Что же это за субстанция такая — космическая пыль? Что заставляет людей снаряжать в космос экспедиции стоимостью в годовой бюджет небольшого государства в надежде всего лишь, а не в твердой уверенности добыть и привезти на Землю хоть крошечную горсточку межзвездной пыли?

Меж звезд и планет

Пылью в астрономии называют небольшие, размером в доли микрона, твердые частицы, летающие в космическом пространстве. Часто космическую пыль условно делят на межпланетную и межзвездную, хотя, очевидно, и межзвездной вход в межпланетное пространство не запрещен. Просто найти ее там, среди «местной» пыли, нелегко, вероятность невысока, да и свойства ее вблизи Солнца могут существенно измениться. Вот если отлететь подальше, к границам Солнечной системы, там вероятность поймать настоящую межзвездную пыль весьма велика. Идеальный вариант — вообще выйти за пределы Солнечной системы.

Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли — материя довольно изученная. Заполняющая все пространство Солнечной системы и сконцентрированная в плоскости ее экватора, она родилась по большей части в результате случайных столкновений астероидов и разрушения комет, приблизившихся к Солнцу. Состав пыли, по сути, не отличается от состава падающих на Землю метеоритов: исследовать его очень интересно, и открытий в этой области предстоит сделать еще немало, но особенной интриги тут, похоже, нет. Зато благодаря именно этой пыли в хорошую погоду на западе сразу после заката или на востоке перед восходом солнца можно любоваться бледным конусом света над горизонтом. Это так называемый зодиакальный — солнечный свет, рассеянный мелкими космическими пылинками.

Куда интереснее пыль межзвездная. Отличительная ее особенность — наличие твердого ядра и оболочки. Ядро состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А оболочка — преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства, а это около 10 кельвинов, водорода и кислорода. Впрочем, бывают в ней примеси молекул и посложнее. Это аммиак, метан и даже многоатомные органические молекулы, которые налипают на пылинку или образуются на ее поверхности во время скитаний. Часть этих веществ, разумеется, улетает с ее поверхности, например, под действием ультрафиолета, но процесс этот обратимый — одни улетают, другие намерзают или синтезируются.

Сейчас в пространстве между звездами или вблизи них уже найдены, разумеется, не химическими, а физическими, то есть спектроскопическими, методами: вода, оксиды углерода, азота, серы и кремния, хлористый водород, аммиак, ацетилен, органические кислоты, такие как муравьиная и уксусная, этиловый и метиловый спирты, бензол, нафталин. Нашли даже аминокислоту — глицин!

Интересно было бы поймать и изучить межзвездную пыль, проникающую в Солнечную систему и наверняка падающую на Землю. Проблема по ее «отлову» нелегка, потому как сохранить свою ледяную «шубу» в солнечных лучах, тем более в атмосфере Земли, мало какой межзвездной пылинке удается. Крупные слишком сильно нагреваются — их космическая скорость не может быстро погаситься, и пылинки «обгорают». Мелкие, правда, планируют в атмосфере годами, сохраняя часть оболочки, но тут уж возникает проблема найти их и идентифицировать.

Есть еще одна, очень интригующая деталь. Касается она той пыли, ядра которой состоят из углерода. Углерод, синтезированный в ядрах звезд и уходящий в космос, например, из атмосферы стареющих (типа красных гигантов) звезд, вылетая в межзвездное пространство, охлаждается и конденсируется — примерно так же, как после жаркого дня собирается в низинах туман из остывших паров воды. В зависимости от условий кристаллизации могут получиться слоистые структуры графита, кристаллы алмаза (только представьте — целые облака крошечных алмазов!) и даже полые шарики из атомов углерода (фуллерены). А в них, возможно, как в сейфе или контейнере, хранятся частички атмосферы звезды очень древней. Найти такие пылинки было бы огромной удачей.

Где водится космическая пыль?

Надо сказать, что само понятие космического вакуума как чего-то совершенно пустого давно осталось лишь поэтической метафорой. На самом деле все пространство Вселенной, и между звездами, и между галактиками, заполнено веществом, потоками элементарных частиц, излучением и полями — магнитным, электрическим и гравитационным. Все, что можно, условно говоря, потрогать, — это газ, пыль и плазма, вклад которых в общую массу Вселенной, по разным оценкам, составляет всего около 1—2% при средней плотности около 10-24 г/см 3 . Газа в пространстве больше всего, почти 99%. В основном это водород (до 77,4%) и гелий (21%), на долю остальных приходится меньше двух процентов массы. А еще есть пыль — по массе ее почти в сто раз меньше, чем газа.

Хотя иногда пустота в межзвездном и межгалактическом пространствах почти идеальная: порой на один атом вещества там приходится 1 л пространства! Такого вакуума нет ни в земных лабораториях, ни в пределах Солнечной системы. Для сравнения можно привести такой пример: в 1 см 3 воздуха, которым мы дышим, примерно 30 000 000 000 000 000 000 молекул.

Распределена эта материя в межзвездном пространстве весьма неравномерно. Большая часть межзвездного газа и пыли образует газопылевой слой вблизи плоскости симметрии диска Галактики. Его толщина в нашей Галактике — несколько сотен световых лет. Больше всего газа и пыли в ее спиральных ветвях (рукавах) и ядре сосредоточено в основном в гигантских молекулярных облаках размерами от 5 до 50 парсек (16—160 световых лет) и массой в десятки тысяч и даже миллионы масс Солнца. Но и внутри этих облаков вещество распределено тоже неоднородно. В основном объеме облака, так называемой шубе, преимущественно из молекулярного водорода, плотность частиц составляет около 100 штук в 1 см 3 . В уплотнениях же внутри облака она достигает десятков тысяч частиц в 1 см 3 , а в ядрах этих уплотнений — вообще миллионов частиц в 1 см 3 . Вот этой-то неравномерности в распределении вещества во Вселенной обязаны существованием звезды, планеты и в конечном итоге мы сами. Потому что именно в молекулярных облаках, плотных и сравнительно холодных, и зарождаются звезды.

Что интересно: чем выше плотность облака, тем разнообразнее оно по составу. При этом есть соответствие между плотностью и температурой облака (или отдельных его частей) и теми веществами, молекулы которых там встречаются. С одной стороны, это удобно для изучения облаков: наблюдая за отдельными их компонентами в разных спектральных диапазонах по характерным линиям спектра, например СО, ОН или NH 3 , можно «заглянуть» в ту или иную его часть. А с другой — данные о составе облака позволяют многое узнать о процессах, в нем происходящих.

Кроме того, в межзвездном пространстве, судя по спектрам, есть и такие вещества, существование которых в земных условиях просто невозможно. Это ионы и радикалы. Их химическая активность настолько высока, что на Земле они немедленно вступают в реакции. А в разреженном холодном пространстве космоса они живут долго и вполне свободно.

Вообще газ в межзвездном пространстве бывает не только атомарным. Там, где похолоднее, не более 50 кельвинов, атомам удается удержаться вместе, образуя молекулы. Однако большая масса межзвездного газа находится все же в атомарном состоянии. В основном это водород, его нейтральная форма была обнаружена сравнительно недавно — в 1951 году. Как известно, он излучает радиоволны длиной 21 см (частота 1 420 МГц), по интенсивности которых и установили, сколько же его в Галактике. Между прочим, он и в пространстве между звездами распределен неоднородно. В облаках атомарного водорода его концентрация достигает нескольких атомов в 1 см 3 , но между облаками она на порядки меньше.

Наконец, вблизи горячих звезд газ существует в виде ионов. Мощное ультрафиолетовое излучение нагревает и ионизирует газ, и он начинает светиться. Именно поэтому области с высокой концентрацией горячего газа, с температурой около 10 000 К выглядят как светящиеся облака. Их-то и называют светлыми газовыми туманностями.

И в любой туманности, в большем или меньшем количестве, есть межзвездная пыль. Несмотря на то что условно туманности делят на пылевые и газовые, пыль есть и в тех, и в других. И в любом случае именно пыль, повидимому, помогает звездам образовываться в недрах туманностей.

Туманные объекты

Среди всех космических объектов туманности, может быть, самые красивые. Правда, темные туманности в видимом диапазоне выглядят просто как черные кляксы на небе — лучше всего их наблюдать на фоне Млечного Пути. Зато в других диапазонах электромагнитных волн, например инфракрасном, они видны очень хорошо — и картинки получаются очень необычными.

Туманностями называют обособленные в пространстве, связанные силами гравитации или внешним давлением скопления газа и пыли. Их масса может быть от 0,1 до 10 000 масс Солнца, а размер — от 1 до 10 парсек.

Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. В 1714 году англичанин Эдмонд Галлей, имя которого носит знаменитая комета, даже составил «черный список» из шести туманностей, дабы те не вводили в заблуждение «ловцов комет», а француз Шарль Мессье расширил этот список до 103 объектов. К счастью, туманностями заинтересовались влюбленный в астрономию музыкант сэр Вильям Гершель, его сестра и сын. Наблюдая небо с помощью построенных своими руками телескопов, они оставили после себя каталог туманностей и звездных скоплений, насчитывающий сведения о 5 079 космических объектах!

Гершели практически исчерпали возможности оптических телескопов тех лет. Однако изобретение фотографии и большое время экспонирования позволили найти и совсем слабо светящиеся объекты. Чуть позже спектральные методы анализа, наблюдения в различных диапазонах электромагнитных волн предоставили возможность в дальнейшем не только обнаруживать много новых туманностей, но и определять их структуру и свойства.

Межзвездная туманность выглядит светлой в двух случаях: либо она настолько горячая, что ее газ сам светится, такие туманности называют эмиссионными; либо сама туманность холодная, но ее пыль рассеивает свет находящейся поблизости яркой звезды — это отражательная туманность.

Темные туманности — это тоже межзвездные скопления газа и пыли. Но в отличие от светлых газовых туманностей, видных порой даже в сильный бинокль или телескоп, как, например, туманность Ориона, темные туманности свет не испускают, а поглощают. Когда свет звезды проходит сквозь такие туманности, пыль может полностью поглотить его, преобразовав в ИК-излучение, невидимое глазом. Поэтому выглядят такие туманности как беззвездные провалы на небе. В. Гершель называл их «дырами в небе». Возможно, самая эффектная из них — туманность Конская Голова.

Впрочем, пылинки могут не полностью поглотить свет звезд, но только частично рассеять его, при этом выборочно. Дело в том, что размер частиц межзвездной пыли близок к длине волны синего света, поэтому он сильнее рассеивается и поглощается, а до нас лучше доходит «красная» часть света звезд. Между прочим, это хороший способ оценить размер пылинок по тому, как они ослабляют свет различных длин волн.

Звезда из облака

Причины, по которым возникают звезды, точно не установлены — есть только модели, более или менее достоверно объясняющие экспериментальные данные. Кроме того, пути образования, свойства и дальнейшая судьба звезд весьма разнообразны и зависят от очень многих факторов. Однако есть устоявшаяся концепция, вернее, наиболее проработанная гипотеза, суть которой, в самых общих чертах, заключается в том, что звезды формируются из межзвездного газа в областях с повышенной плотностью вещества, то есть в недрах межзвездных облаков. Пыль как материал можно было бы не учитывать, но ее роль в формировании звезд огромна.

Происходит это (в самом примитивном варианте, для одиночной звезды), по-видимому, так. Сначала из межзвездной среды конденсируется протозвездное облако, что, возможно, происходит из-за гравитационной неустойчивости, однако причины могут быть разными и до конца еще не ясны. Так или иначе, оно сжимается и притягивает к себе вещество из окружающего пространства. Температура и давление в его центре растут до тех пор, пока молекулы в центре этого сжимающегося газового шара не начинают распадаться на атомы и затем на ионы. Такой процесс охлаждает газ, и давление внутри ядра резко падает. Ядро сжимается, а внутри облака распространяется ударная волна, отбрасывающая его внешние слои. Образуется протозвезда, которая продолжает сжиматься под действием сил тяготения до тех пор, пока в центре ее не начинаются реакции термоядерного синтеза — превращения водорода в гелий. Сжатие продолжается еще какое-то время, пока силы гравитационного сжатия не уравновесятся силами газового и лучистого давления.

Понятно, что масса образовавшейся звезды всегда меньше массы «породившей» ее туманности. Часть вещества, не успевшего упасть на ядро, в ходе этого процесса «выметается» ударной волной, излучением и потоками частиц просто в окружающее пространство.

На процесс формирования звезд и звездных систем влияют многие факторы, в том числе и магнитное поле, которое часто способствует «разрыву» протозвездного облака на два, реже три фрагмента, каждый из которых под действием гравитации сжимается в свою протозвезду. Так возникают, например, многие двойные звездные системы — две звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс и перемещаются в пространстве как единое целое.

По мере «старения» ядерное топливо в недрах звезд постепенно выгорает, причем тем быстрее, чем больше звезда. При этом водородный цикл реакций сменяется гелиевым, затем в результате реакций ядерного синтеза образуются все более тяжелые химические элементы, вплоть до железа. В конце концов ядро, не получающее больше энергии от термоядерных реакций, резко уменьшается в размере, теряет свою устойчивость, и его вещество как бы падает само на себя. Происходит мощный взрыв, во время которого вещество может нагреваться до миллиардов градусов, а взаимодействия между ядрами приводят к образованию новых химических элементов, вплоть до самых тяжелых. Взрыв сопровождается резким высвобождением энергии и выбросом вещества. Звезда взрывается — этот процесс называют вспышкой сверхновой. В конечном же итоге звезда, в зависимости от массы, превратится в нейтронную звезду или черную дыру.

Наверное, так все и происходит на самом деле. Во всяком случае, не вызывает сомнений тот факт, что молодых, то есть горячих, звезд и их скоплений больше всего как раз в туманностях, то есть в областях с повышенной плотностью газа и пыли. Это хорошо видно на фотографиях, полученных телескопами в разных диапазонах длин волн.

Разумеется, это не более чем самое грубое изложение последовательности событий. Для нас же принципиально важны два момента. Первый — какова роль пыли в процессе образования звезд? И второй — откуда, собственно, она берется?

Вселенский хладагент

В общей массе космического вещества собственно пыли, то есть объединенных в твердые частицы атомов углерода, кремния и некоторых других элементов, настолько мало, что их, во всяком случае, как строительный материал для звезд, казалось бы, можно и не принимать во внимание. Однако на самом деле их роль велика — именно они охлаждают горячий межзвездный газ, превращая его в то самое холодное плотное облако, из которого потом получаются звезды.

Дело в том, что сам по себе межзвездный газ охладиться не может. Электронная структура атома водорода такова, что избыток энергии, если таковой есть, он может отдать, излучая свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, но не в инфракрасном диапазоне. Образно говоря, водород не умеет излучать тепло. Чтобы как следует остыть, ему нужен «холодильник», роль которого как раз и играют частицы межзвездной пыли.

Во время столкновения с пылинками на большой скорости — в отличие от более тяжелых и медленных пылинок молекулы газа летают быстро — они теряют скорость и их кинетическая энергия передается пылинке. Так же нагревается и отдает это избыточное тепло в окружающее пространство, в том числе в виде ИК-излучения, а сама при этом остывает. Так, принимая на себя тепло межзвездных молекул, пыль действует как своеобразный радиатор, охлаждая облако газа. По массе ее не много — около 1% от массы всего вещества облака, но этого достаточно, чтобы за миллионы лет отвести избыток тепла.

Когда же температура облака падает, падает и давление, облако конденсируется и из него уже могут родиться звезды. Остатки же материала, из которого родилась звезда, являются в свою очередь исходным для образования планет. Вот в их состав пылинки уже входят, причем в большем количестве. Потому что, родившись, звезда нагревает и разгоняет вокруг себя весь газ, а пыль остается летать поблизости. Ведь она способна охлаждаться и притягивается к новой звезде гораздо сильнее, чем отдельные молекулы газа. В конце концов рядом с новорожденной звездой оказывается пылевое облако, а на периферии — насыщенный пылью газ.

Там рождаются газовые планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун. Ну а вблизи звезды появляются твердые планеты. У нас это Марс, Земля, Венера и Меркурий. Получается довольно четкое разделение на две зоны: газовые планеты и твердые. Так что Земля в значительной степени оказалась сделанной именно из межзвездных пылинок. Металлические пылинки вошли в состав ядра планеты, и сейчас у Земли огромное железное ядро.

Тайна юной Вселенной

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль — в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники — новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 — 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.

Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль — продукт эволюции звезд. Иными словами – звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше — яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.

Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них — первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет — слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, — тайна.

Пылинка — реактор

Мало того что межзвездная пыль выступает в роли своеобразного вселенского хладагента, возможно, именно благодаря пыли в космосе появляются сложные молекулы.

Дело в том, что поверхность пылинки может служить одновременно и реактором, в котором образуются из атомов молекулы, и катализатором реакций их синтеза. Ведь вероятность того, что сразу много атомов различных элементов столкнутся в одной точке, да еще и провзаимодействуют между собой при температуре чуть выше абсолютного нуля, невообразимо мала. Зато вероятность того, что пылинка последовательно столкнется в полете с различными атомами или молекулами, особенно внутри холодного плотного облака, довольно велика. Собственно, это и происходит — так образуется оболочка межзвездных пылинок из намерзших на нее встреченных атомов и молекул.

На твердой поверхности атомы оказываются рядом. Мигрируя по поверхности пылинки в поисках наиболее энергетически выгодного положения, атомы встречаются и, оказываясь в непосредственной близости, получают возможность прореагировать между собой. Разумеется, очень медленно — в соответствии с температурой пылинки. Поверхность частиц, особенно содержащих в ядре металл, может проявить свойства катализатора. Химики на Земле хорошо знают, что самые эффективные катализаторы — это как раз частицы размером в доли микрона, на которых собираются, а затем и вступают в реакции молекулы, в обычных условиях друг к другу совершенно «равнодушные». По-видимому, так образуется и молекулярный водород: его атомы «налипают» на пылинку, а потом улетают с нее — но уже парами, в виде молекул.

Очень может быть, что маленькие межзвездные пылинки, сохранив в своих оболочках немного органических молекул, в том числе и простейших аминокислот, и занесли на Землю первые «семена жизни» около 4 млрд. лет тому назад. Это, конечно, не более чем красивая гипотеза. Но в ее пользу говорит то, что в составе холодных газопылевых облаков найдена аминокислота — глицин. Может, есть и другие, просто пока возможности телескопов не позволяют их обнаружить.

Охота за пылью

Исследовать свойства межзвездной пыли можно, разумеется, на расстоянии — с помощью телескопов и других приборов, расположенных на Земле или на ее спутниках. Но куда заманчивее межзвездные пылинки поймать, а потом уж обстоятельно изучить, выяснить — не теоретически, а практически, из чего они состоят, как устроены. Вариантов тут два. Можно добраться до космических глубин, набрать там межзвездной пыли, привезти на Землю и проанализировать всеми возможными способами. А можно попытаться вылететь за пределы Солнечной системы и по пути анализировать пыль прямо на борту космического корабля, отправляя на Землю полученные данные.

Первую попытку привезти образцы межзвездной пыли, и вообще вещества межзвездной среды, несколько лет назад предприняло NASA. Космический корабль оснастили специальными ловушками — коллекторами для сбора межзвездной пыли и частиц космического ветра. Чтобы поймать пылинки, не потеряв при этом их оболочку, ловушки наполнили особым веществом — так называемым аэрогелем. Эта очень легкая пенистая субстанция (состав которой — коммерческая тайна) напоминает желе. Попав в нее, пылинки застревают, а дальше, как в любой ловушке, крышка захлопывается, чтобы быть открытой уже на Земле.

Этот проект так и назывался Stardust — Звездная пыль. Программа у него грандиозная. После старта в феврале 1999 года аппаратура на его борту в конечном итоге должна собрать образцы межзвездной пыли и отдельно — пыль в непосредственной близости от кометы Wild-2, пролетавшей неподалеку от Земли в феврале прошлого года. Теперь с контейнерами, наполненными этим ценнейшим грузом, корабль летит домой, чтобы приземлиться 15 января 2006 года в штате Юта, неподалеку от Солт-Лейк-Сити (США). Вот тогда-то астрономы наконец увидят своими глазами (с помощью микроскопа, конечно) те самые пылинки, модели состава и строения которых они уже спрогнозировали.

А в августе 2001 года за образцами вещества из глубокого космоса полетел Genesis. Этот проект NASA был нацелен в основном на поимку частиц солнечного ветра. Проведя в космическом пространстве 1 127 дней, за которые он пролетел около 32 млн. км, корабль вернулся и сбросил на Землю капсулу с полученными образцами — ловушками с ионами, частицами солнечного ветра. Увы, произошло несчастье — парашют не раскрылся, и капсула со всего маху шлепнулась об землю. И разбилась. Конечно, обломки собрали и тщательно изучили. Впрочем, в марте 2005-го на конференции в Хьюстоне участник программы Дон Барнетти заявил, что четыре коллектора с частицами солнечного ветра не пострадали, и их содержимое, 0,4 мг пойманного солнечного ветра, ученые активно изучают в Хьюстоне.

Впрочем, сейчас NASA готовит третий проект, еще более грандиозный. Это будет космическая миссия Interstellar Probe. На этот раз космический корабль удалится на расстояние 200 а. е. от Земли (а. е. — расстояние от Земли до Солнца). Этот корабль никогда не вернется, но весь будет «напичкан» самой разнообразной аппаратурой, в том числе — и для анализа образцов межзвездной пыли. Если все получится, межзвездные пылинки из глубокого космоса будут наконец пойманы, сфотографированы и проанализированы — автоматически, прямо на борту космического корабля.

Формирование молодых звезд

1. Гигантское галактическое молекулярное облако размером 100 парсек, массой 100 000 солнц, температурой 50 К, плотностью 10 2 частиц/см 3 . Внутри этого облака имеются крупномасштабные конденсации — диффузные газопылевые туманности (1—10 пк, 10 000 солнц, 20 К, 10 3 частиц/см 3) и мелкие конденсации — газопылевые туманности (до 1пк, 100—1 000 солнц, 20 К, 10 4 частиц/см 3). Внутри последних как раз и находятся сгусткиглобулы размером 0,1 пк, массой 1—10 солнц и плотностью 10 —10 6 частиц/см 3 , где формируются новые звезды

2. Рождение звезды внутри газопылевого облака

3. Новая звезда своим излучением и звездным ветром разгоняет от себя окружающий газ

4. Молодая звезда выходит в чистый и свободный от газа и пыли космос, отодвинув породившую ее туманность

Этапы «эмбрионального» развития звезды, по массе равной Солнцу

5. Зарождение гравитационно-неустойчивого облака размером 2 000 000 солнц, с температурой около 15 К и исходной плотностью 10 -19 г/см 3

6. Через несколько сотен тысяч лет у этого облака образуется ядро с температурой около 200 К и размером 100 солнц, масса его пока равна только 0,05 от солнечной

7. На этой стадии ядро с температурой до 2 000 К резко сжимается из-за ионизации водорода и одновременно разогревается до 20 000 К, скорость падения вещества на растущую звезду достигает 100 км/с

8. Протозвезда размером с два солнца с температурой в центре 2x10 5 К, а на поверхности — 3x10 3 К

9. Последний этап предэволюции звезды — медленное сжатие, в процессе которого выгорают изотопы лития и бериллия. Только после повышения температуры до 6x10 6 К в недрах звезды запускаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Общая продолжительность цикла зарождения звезды типа нашего Солнца составляет 50 млн. лет, после чего такая звезда может спокойно гореть миллиарды лет

Ольга Максименко, кандидат химических наук

Ф И З И К А

СВОЙСТВА КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

С. В. БОЖОКИН

Санкт-Петербургский государственный технический университет

© Божокин С.В., 2000

COSMIC DUST PROPERTIES

The main processes of the origin of dust and its physical properties are presented. The influence of dust on the processes of self infrared radiation and on interstellar light absorption is discussed. Different processes of the origin and evolution of dust are considered.

Рассмотрены происхождение космической пыли, ее состав и физические свойства. Обсуждается влияние космической пыли на процессы собственного инфракрасного излучения пыли и межзвездного поглощения света. Описываются возникновение и эволюция космической пыли.

www.issep.rssi.ru

ВВЕДЕНИЕ

Многие люди с восторгом любуются прекрасным зрелищем звездного неба, одного из величайших творений природы. В ясном осеннем небе хорошо заметно, как через все небо пролегает слабо светящаяся полоса, называемая Млечным Путем, имеющая неправильные очертания с разной шириной и яркостью. Если рассматривать Млечный Путь, образующий нашу Галактику, в телескоп, то окажется, что эта яркая полоса распадается на множество слабо светящихся звезд, которые для невооруженного глаза сливаются в сплошное сияние. В настоящее время установлено, что Млечный Путь состоит не только из звезд и звездных скоплений, но также из газовых и пылевых облаков .

Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газов получили название газовых диффузных туманностей. Одна из самых известных – туманность в созвездии Ориона, которая видна даже невооруженным глазом около средней из трех звездочек, образующих “меч” Ориона. Газы, ее образующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд. В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород, кислород, гелий и азот. Такие газовые или диффузные туманности служат колыбелью для молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась наша Солнечная система. Процесс звездообразования непрерывен, и звезды продолжают возникать и сегодня.

В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Эти облака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманности окажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылевая туманность становится непосредственно наблюдаемой (рис. 1). Газовые и пылевые туманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому на снимках неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути. Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна очень большая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком. Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто

Ф И З И К А

Рис. 1. Изображение галактики, заполненной космической пылью

они наблюдаются совместно как газопылевые туманности.

Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженной межзвездной материи, которая получила название межзвездного газа. Межзвездный газ обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд, вызывая в них дополнительные линии поглощения. Ведь на большом протяжении даже такой разреженный газ может поглощать излучение звезд. Возникновение и бурное развитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по тем радиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газа состоят в основном из водорода, который даже при низких температурах излучает радиоволны на длине 21 см. Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именно радиоастрономия помогла нам в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня мы знаем, что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль, ветви которой, выходя из центра Галактики, обвивают ее середину, создавая нечто похожее на каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот.

В настоящее время огромное количество вещества

в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав. Дело

в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического

спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее – фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду.

Для астрофизиков огромное значение имеет изучение свойств космической пыли и выяснение того влияния, которое оказывает эта пыль при изучении физических характеристик астрофизических объектов. Межзвездное поглощение и межзвездная поляризация света, инфракрасное излучение областей нейтрального водорода, дефицит химических элементов в межзвездной среде, вопросы образования молекул и рождение звезд – во всех этих проблемах огромная роль принадлежит космической пыли, рассмотрению свойств которой и посвящена данная статья.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

Космические пылинки возникают в основном в медленно истекающих атмосферах звезд – красных карликов, а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик. Другими источниками образования космической пыли являются планетарные и протозвездные туманности, звездные атмосферы и межзвездные облака. Во всех процессах образования космических пылинок температура газа падает при движении газа наружу и в какой-то момент переходит через точку росы, при которой происходит конденсация паров веществ, образующих ядра пылинок. Центрами образования новой фазы обычно являются кластеры. Кластеры представляют собой небольшие группы атомов или молекул, образующие устойчивую квазимолекулу. При столкновениях с уже сформировавшимся зародышем пылинки к нему могут присоединяться атомы и молекулы, либо вступая в химические реакции с атомами пылинки (хемосорбция), либо достраивая формирующийся кластер. В наиболее плотных участках межзвездной среды, концентрация частиц в которыхn 106 см−3 , рост пылинки может быть связан с процессами коагуляции, при которых пылинки могут слипаться друг с другом, не разрушаясь при этом. Процессы коагуляции, зависящие от свойств поверхности пылинок и их температур, идут только в том случае, когда столкновения между пылинками происходят при низких относительных скоростях соударений.

На рис. 2 показан процесс роста кластеров космической пылинки с помощью присоединения мономеров. Получающаяся при этом аморфная космическая пылинка может представлять собой кластер атомов, обладающий фрактальными свойствами . Фракталами называются геометрические объекты: линии, поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и обладающие свойством самоподобия.

Ф И З И К А

Рис. 2. Создание космической пылинки с помощью коагуляции атомных кластеров

Самоподобие означает неизменность основных геометрических характеристик фрактального объекта при изменении масштаба. Например, изображения многих фрактальных объектов оказываются очень похожими при увеличении разрешения в микроскопе. Фрактальные кластеры представляют собой сильно разветвленные пористые структуры, образующиеся в сильно неравновесных условиях при объединении твердых частиц близких размеров в одно целое. В земных условиях фрактальные агрегаты получаются при релаксации паров металлов в неравновесных условиях, при образовании гелей в растворах, при коагуляции частиц в дымах. Модель фрактальной космической пылинки показана на рис. 3. Отметим, что процессы коагуляции пылинок, происходящие в протозвездных облаках и газопылевых дисках, значительно усиливаются при турбулентном движении межзвездного вещества.

Ядра космических пылинок, состоящие из тугоплавких элементов, размером в сотые доли микрона

Рис. 3. Фрактальная модель космической пылинки

образуются в оболочках холодных звезд при плавном истечении газа или во время взрывных процессов. Такие ядра пылинок устойчивы ко многим внешним воздействиям.

Потоки газа, давление излучения выносят пылинки в межзвездную среду, где они остывают до температуры T d ≈ 10–20 K. При этом на пылинку намерзает оболочка из “грязного” льда – молекул H2 O и молекул других соединений. Время роста оболочек составляет величину порядка 1010 лет. За это время пылинка может попасть в зону ионизованного водорода, в горячий корональный газ, в оболочку новой или сверхновой звезды, в спиральную ударную волну или ударную волну иного происхождения, где такая ледяная оболочка может испариться. За время такого путешествия процессы разрушения и создания ледяной оболочки пылинки могут многократно повторяться и в зависимости от этих процессов формируются состав пылинок и их распределение по размерам. Основным механизмом разрушения пылевых частиц является процесс выбивания поверхностных молекул при бомбардировке пылинки либо частицами окружающего газа, либо космическими лучами.

Космическая пыль возникает во многих космических объектах, где происходит быстрый отток вещества, сопровождаемый охлаждением. Она проявляется по инфракрасному излучению горячих звезд Вольфа– Райе с очень мощным звездным ветром, планетарных туманностей, оболочек сверхновых и новых звезд. Большое количество пыли существует в ядрах многих галактик (например, М82, NGC253), из которых идет интенсивное истечение газа. Наиболее ярко влияние космической пыли проявляется при излучении новой звезды. Через несколько недель после максимума блеска

Ф И З И К А

новой в ее спектре появляется сильный избыток излучения в инфракрасном диапазоне, вызванный появлением пыли с температурой около T d ≈ 1000 K. Дальнейшая эволюция спектра показывает разлет и охлаждение возникшей пылевой оболочки.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

Микроскопические звездные пылевые частицы составляют примерно 0,05% массы всей Галактики, однако их роль в процессах эволюции ее вещества очень велика. Пылинки представляют собой мелкие кристаллические или аморфные образования, состоящие из силикатов, графита и, возможно, окислов металлов, покрытые сверху оболочкой из намерзших газов. В настоящее время нет единого мнения о химическом составе, форме и размерах пылинок. Перечислим основные модели, которые используются в астрофизике для объяснения свойств космической пыли.

Модель ледяных частиц

Согласно этой модели, пылевые частицы представляют собой ледяные частицы, состоящие из тугоплавкого ядра и оболочки из легких элементов. Все космические пылинки можно условно разделить на два класса: мелкие (их радиус меньше 0,01 мкм) и крупные частицы, которых примерно в тысячу раз меньше, чем мелких. В этой модели предполагается, что в крупные частицы вкраплены атомы магнитных элементов, которые придают пылинкам парамагнитные свойства. Такие частицы могут быть частично ориентированы в магнитном поле.

Модель МRN

В 1977 году Матис, Рампл и Нордсик (J. Mathis, W. Rumpl, K. Nordsieck. The Size Distribution of Interstellar Grain // Astrophys. J. 1977. Vol. 217. P. 425) выдвинули модель космической пыли, состоящей из смеси графитовых и силикатных сферических частиц. В рамках этой модели им удалось объяснить кривую межзвездного поглощения света с длинами волн λ= 1100–10 000Å . Частицы обоих сортов перемешаны почти поровну и имеют степенное распределение по радиусу пылинока с некоторым степенным показателемn (a ) ≈ 1/a q , где показатель степениq ≈ 3,5, а радиусы пылинок лежат в диапазоне 0,005

Модель оксидных пылинок

Модель оксидных пылинок представляет собой смесь мелких (а < 0,01 мкм) частиц, состоящих из двухатомных окислов MgO, SiO, СаO, FeO.

Следует отметить, что существует большая неопределенность при определении состава космических пылинок. В отличие от газа, для которого характерны спектры излучения или поглощения с множеством линий, позволяющих однозначно идентифицировать атомы, ионы и молекулы и, таким образом, определить содержание элементов и их соединений, твердые тела обладают непрерывным спектром с малым количеством размытых полос, делающих идентификацию неоднозначной. Важную информацию о составе пылинок может дать наблюдаемый в межзвездной среде дефицит многих элементов, особенно металлов, по сравнению с составом солнечной атмосферы. Этот дефицит элементов в газовой фазе межзвездной среды обычно связывают с тем, что данные элементы ушли на образование космических пылинок.

Налипание на космические пылинки электронов из межзвездного газа и фотоионизация пылинок ультрафиолетовым излучением приводят к тому, что пылинки оказываются электрически заряженными и их электрический заряд может достигать величин порядка десятка элементарных зарядов. Существующий на космической пылинке электрический заряд (сила Лоренца) привязывает эту пылинку к межзвездному магнитному полю, которое всегда присутствует в галактиках. Для характерных электрических зарядов и масс космических пылинок радиус Лармора при их движении по спирали в межзвездном магнитном поле с индукцией B ≈ 3 10−6 Гс равен 0,03 пк. Напомним, что в астрономии единица длины 1 парсек соответствует величине 1 пк = 3,0587 1018 см, что примерно равняется расстоянию, которое проходит световой луч за 3,26 года. Таким образом, ларморовский радиус оказывается много меньше характерных размеров большинства образований межзвездной среды, поэтому космические пылинки оказываются сцепленными с магнитным полем.

Заметим, что обнаружение углеродных цепочек в космосе в сочетании с возможностью лабораторного подтверждения их межзвездного происхождения привело физиков к неожиданному открытию. Было обнаружено, что гигантская молекула, состоящая из 60 атомов углерода C60 , названная фуллереном, и представляющая новую форму существования углерода , не только существует, но и способна образовываться самопроизвольно. Напомним, что под фуллеренами понимают пространственно сферически замкнутую структуру с sp 2 -гибридизацией атомов углерода, где каждый атом углерода связан с тремя ближайшими соседями. Пространственная структура фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода C60 , напоминает структуру футбольного мяча, состоящего из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников, в вершины которых помещены атомы углерода. Так, в 1982 году

Ф И З И К А

В. Кретмер и Д. Хафман (Kratschmer W .,Fostiropoulos K .,

Huffman D.R . // Nature. 1990. Vol. 347. P. 354) обнаружили загадочные особенности в спектре ультрафиолетового излучения угольной пыли, которая получается в углеродной дуге при моделировании межзвездной пыли (см. ).

ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ПЫЛЬЮ

Конечно, космические пылинки приводят к ослаблению света звезд, рассеивая и поглощая их излучение. Межзвездное поглощение света проявляется в виде раздвоения Млечного Пути, которое вызвано поглощением света космической пылью, расположенной вблизи галактической плоскости. В оптическом диапазоне длин волн величина ослабления обратно пропорциональна длине волны и из-за этого возникает явление покраснения цвета звезд. В направлении большинства звезд в Галактике на кривой межзвездного поглощения выделяется ярко выраженный пик вблизи длины волны λ ≈ 2200Å . При интерпретации наблюдений межзвездного поглощения света чаще всего используется модель одноили многослойных сферических пылинок. В настоящее время физики разрабатывают теорию оптических свойств космических пылинок, поверхность которых имеет сложную фрактальную структуру.

Энергия поглощенного фотона преобразуется в тепловое движение частиц пылинки. При этом происходит излучение пылинок в непрерывном спектре, причем их спектр в общих чертах подобен планковскому и находится в инфракрасном диапазоне длин волн. При анализе инфракрасного излучения (ИК) Галактики излучение космической пыли играет огромную роль. Достаточно сказать, что инфракрасная светимость пыли составляет примерно 30% полной светимости звезд Галактики. Так, например, основная часть ультрафиолетового излучения молодых звезд перерабатывается в инфракрасное излучение пыли.

Обладая большой способностью к излучению, космическая пыль является главным охладителем межзвездной среды, а значит, непосредственно способствует процессам звездообразования. Температура является одной из важнейших характеристик пылевой частицы. Равновесную температуру пылевых частиц рассчитывают из условия баланса процессов нагрева и охлаждения. Температуру космической пылинки T d можно оценить следующим образом. Известно, что эффективной температурой звездыT * называется температура абсолютно черного тела, мощность излучения которого с единицы поверхности равна мощности излучения данной звезды. Используя это определение и закон Стефа- на–Больцмана, можно выразить светимость звездыL через радиус звездыR * и эффективную температуру ее поверхностиT * соотношением

где σ – постоянная Стефана–Больцмана, равная σ = = 5,67 10−5 эрг см−2 с−1 град−4 . Если пылинка, имеющая радиусa , представляет собой абсолютно черное тело и находится на расстоянииr от звезды, то температура поверхности пылинкиТ d может быть оценена из условия баланса

который выражает равенство энергии, падающей на пылинку, и энергии, которую испускает пылинка.

По температуре все пылинки можно условно разделить на три класса. Основная масса пыли является холодной: T d ≈ 15–20 K. Такая пыль заполняет весь диск Галактики, конденсируясь в крупных молекулярных облаках, и нагревается лишь рассеянным излучением всех звезд. Эта компонента вносит примерно 30% в инфракрасную светимость пыли. Вторая группа космической пыли имеет температуруT d ≈ 30–40 K, и эта пыль нагревается от соседства с горячими О- и В-звездами, с этой пылью связана половина ИК-излучения Галактики. Эта пыль излучает в диапазоне λ< 100 мкм и служит хорошим индикатором областей звездообразования. Третьей группой является горячая пыль, имеющая температуруT d ≈250–500 K. Такая пыль встречается в протяженных атмосферах звезд-гигантов спектрального класса M и делает такие звезды источниками мощного ИК-излучения.

Наблюдаемое явление межзвездной поляризации света указывает на то, что форма пылинок отлична от сферической. Это происходит из-за того, что магнитный момент пылинки, который обусловлен тем, что в состав космической пыли входят металлы, обладающие парамагнетизмом, ориентируется вдоль силовых линий межзвездного магнитного поля.

СИНТЕЗ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЫЛИНОК

Известно, что в космосе обнаружено уже около сотни различных молекул, среди которых много молекул, которые являются органическими соединениями. Сам по себе это нетривиальный факт, поскольку при сверхнизких температурах и плотностях, наблюдающихся в межзвездной среде, химические реакции практически не идут. Лишь квантовая химия может принципиально разрешить этот парадокс. Оказывается, даже при низкой температуре 5–10 K химические реакции не прекращаются: они продолжаются внутри и на поверхности пылинок. Атомы, адсорбируясь на поверхности пылинки при столкновениях с ней, обладают некоторой

В настоящее время радиоастрономы показали, что огромные темные межзвездные облака содержат многие сложные молекулы (метанол, окись углерода, формальдегид, этанол, синильную кислоту, муравьиную кислоту и др.). Молекулярная радиоастрономия позволила идентифицировать все эти молекулы по их вращательным спектрам в микроволновой области. Молекулы играют важную роль в коллапсе межзвездных облаков, приводящем к образованию звезд. В результате гравитационного притяжения межзвездные облака коллапсируют и нагреваются, а выделяющаяся при этом энергия испускается за счет вращательных переходов (главным образом молекул CO). Этот процесс вызывает дальнейший коллапс облака, приводящий в конечном итоге к таким давлениям и температурам, при которых формируются новые звезды и планеты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение свойств космической пыли в настоящее время стало самостоятельной областью современной астрофизики. Физика сверхмалых частиц – космических пылинок является наукой, объединяющей основные идеи физики атомного ядра, физики сверхмалых кластеров и физики твердого тела. Особый интерес при этом уделяется изучению свойств аморфных космичес-

ких пылинок, имеющих сложную форму. Космическая пыль играет огромную роль при объяснении многих астрофизических явлений: межзвездного поглощения света, межзвездной поляризации, инфракрасного излучения, охлаждения межзвездной среды. На поверхности космических пылинок могут происходить химические реакции формирования молекул из атомов. Процессы взаимодействия газа, пыли и излучения, физические характеристики пылинок, процессы их эволюции – вот далеко не полный перечень тех вопросов, решение которых поможет астрофизикам объяснить многие интересные наблюдательные данные.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хабер Х . Звезды. М.: Слово, 1989. 48 c.

2. Бочкарев Н.Г . Основы физики межзвездной среды. М.: Издво МГУ, 1991. 352 с.

3. Вощинников Н.В . Межпланетная и межзвездная среда // Итоги науки и техники. Исследование космического пространства. ВИНИТИ, 1986. Т. 25. С. 98.

4. Золотухин И.В. Фракталы в физике твердого тела // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 7. С. 108–113.

5. Жиков В.В . Фракталы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 12. С. 109–117.

6. Вишик М.И . Фрактальная размерность множеств // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 1. С. 122–134.

7. Wright E.L. Fractal Dust Grain around R CrB Stars // Astrophys. J. 1989. Vol. 346. P. L89.

8. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 1. С. 92–99.

9. Крото Г. Симметрия, космос, звезды и С60 // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168, № 3. С. 342.

Рецензент статьи А.М. Черепащук

Сергей Валентинович Божокин, кандидат физико-ма- тематических наук, доцент кафедры “Теоретическая физика” Санкт-Петербургского государственного технического университета. Область научных интересов – астрофизика, биофизика. Автор более 40 статей и двух книг.

Б О Ж О К И Н С. В. С В О Й С Т В А К О С М И Ч Е С К О Й П Ы Л И

Ночное уличное освещение делает жизнь комфортнее и безопаснее, но, к сожалению, лишает горожан звездного неба. Самые яркие звезды из города разглядеть еще можно, но Млечный Путь многим жителям XXI века уже совершенно недоступен.

А вот наши предки без проблем любовались не только самим Млечным Путем, но и тонкостями его узора. В частности, еще в XV веке моряки, плававшие в южных морях, различали на светлой полосе Млечного Пути отчетливое темное пятно. В те времена, когда небо еще не было безнадежно испорчено повсеместной засветкой, заметный провал в созвездии Южного Креста удостоился собственного имени — его назвали Угольным Мешком.

Однако это не означало уверенности в том, что пятно сформировано какой-то субстанцией. Скорее, наоборот: фактически до начала XX века это и другие темные пятна на звездном фоне считались просто местами, где нет звезд. Легенда гласит, что величайший астроном-наблюдатель Вильям Гершель, увидев одно из таких пятен в телескоп, крикнул сестре Каролине, своей верной помощнице: "Боже мой, здесь на небе дыра!"

Представление о пустотах в распределении звезд отступило во многом благодаря кропотливой работе Эдварда Барнарда, составившего масштабный фотографический атлас Млечного Пути. Поначалу в описаниях своих снимков он называл темные пятна "вакансиями" или даже "черными дырами" (не в нынешнем значении этих слов), но со временем пришел к заключению, что в данном случае мы имеем дело с облаками поглощающей материи, которая закрывает от нас часть звезд Млечного Пути.

Убедительные доказательства того, что поглощение света в Галактике происходит не только в темных облаках, но вообще повсеместно, первым (в 1930 году) собрал другой американец, Роберт Трюмплер. Он подметил следующие важные обстоятельства. Во-первых, свет звезды поглощается тем сильнее, чем дальше от нас находится звезда. Во-вторых, свет, проходя через межзвездное пространство, не просто поглощается, но к тому же краснеет (как Солнце у горизонта), потому что синие лучи поглощаются сильнее красных. И степень этого покраснения также увеличивается с расстоянием до звезды.

Из этого Трюмплер сделал вывод, что поглощающая материя представляет собой рассеянные по всей Галактике частицы (пылинки) размером несколько меньше длины волны видимого света. Темные же облака представляют собой особенно плотные концентрации этих частиц.

Поначалу предполагалось, что межзвездные частицы состоят изо льда — в широком смысле этого слова, включающем не только водяной лед, но и другие замерзшие газы (аммиак, углекислый газ и пр.), — и конденсируются там же, где и наблюдаются, то есть непосредственно между звездами. Это предположение казалось вполне естественным, с учетом представлений середины XX века о содержании атомов в межзвездной среде (МЗС). Однако уже в 1960-е годы от этих представлений пришлось отказаться.

Дело в том, что слова "синий цвет поглощается сильнее красного" описывают лишь общую зависимость поглощения от длины волны. На общем фоне роста поглощения при переходе к более коротким длинам волн в этой зависимости могут существовать дополнительные провалы, связанные с тем, что различные вещества обладают способностью более эффективно поглощать свет в определенных спектральных диапазонах. Например, водяной лед особенно хорошо поглощает инфракрасное излучение с длиной волны около 3 микрон (мкм).

Поэтому, если вы смотрите на звезду сквозь облако ледяных частиц, вы вправе ожидать, что в ее спектре появится провал вблизи 3 мкм. Кроме того, водяной лед сильно поглощает ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 160 нм, а значит, в спектре той же звезды должен возникать еще и провал в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.

Как наблюдения в ИК-диапазоне, так и наблюдения в УФ-диапазоне требуют дополнительных, иногда весьма значительных усилий. Пока наблюдателям был доступен только видимый диапазон, модель ледяных частиц не сталкивалась с особенными противоречиями. Однако как только наблюдения распространились в обе стороны от видимого диапазона, стало ясно, что ни в ультрафиолете, ни в ИК следы водяного льда не наблюдаются, а значит, смесь замерзших газов если и входит в состав космических пылинок, то не на правах основного компонента.

Говоря точнее, трехмикронный провал наблюдается, но только в тех случаях, когда свет фоновой звезды проходит через плотные пылевые облака, где вода и прочие молекулы могут намерзать в виде ледяных мантий на пылинки, сами по себе изо льда не состоящие.

Указанием на "подлинный" состав космических пылинок стали другие характеристики поглощения в УФ- и ИК-диапазонах. Оказалось, что космическая пыль особенно эффективно "крадет" из звездных спектров фотоны с длинами волн около 200 нм и 10 мкм. Такая избирательность отражает какие-то особенности химического и минерального состава пылинок.

В конце 1960-х годов поглощение на 200 нм связали с графитом, а поглощение на 10 мкм (и некоторых других длинах волн) — с минералами из группы силикатов. На этой основе сформировалось представление о межзвездной пыли как о смеси графитовых (или каких-то иных, но также содержащих углерод) и силикатных частиц. Это представление сохранилось и до сих пор, хотя, конечно, в неоднократно модифицированном и дополненном виде.

Графито-силикатная модель хороша тем, что не только позволяет объяснить характер межзвездного поглощения, но и проливает некоторый свет на происхождение пылинок. Сейчас большинство специалистов считает, что сконденсировать каменные пылинки в холодном разреженном межзвездном газе за разумный промежуток времени все-таки невозможно; нужно искать место поплотнее и погорячее.

Таким местом оказались протяженные атмосферы звезд, находящихся на последних стадиях эволюции. Пока звезда типа Солнца находится "в расцвете лет", ее атмосфера слишком горяча, чтобы в ней могло существовать твердое вещество. Однако в финале жизненного пути звезды ее атмосфера раздувается и остывает до такой степени, что там уже возможна конденсация пылинок, примерно как сажа конденсируется в недостаточно горячем пламени. Потом свежесформировавшиеся пылинки вместе с веществом звезды разлетаются по межзвездному пространству.

Долгое время непонятна была причина, по которой пылинки могут собираться в большие облака. Однако в 1960-е и 1970-е годы стало ясно, что пыль на самом деле является лишь незначительной примесью (около 1% по массе) к основному ингредиенту межзвездного вещества — газу, состоящему главным образом из водорода и гелия.

Чтобы оценить масштабы содержания газа в МЗС, наблюдений в видимой части спектра уже недостаточно: газ почти не поглощает звездный свет, а сам светится только в радиодиапазоне. Но его настолько много, что он своими движениями полностью увлекает пыль. И темные пылевые облака на самом деле представляют собой даже не верхушку айсберга, а лишь ничтожный налет, выдающий присутствие куда более массивных, но невидимых облаков межзвездного газа.

Это не означает, конечно, что при изучении Вселенной пылью можно пренебречь. Во-первых, ее присутствие приходится учитывать при изучении звезд, чтобы по ошибке не приписать звезде свойства пылинок, блокирующих ее излучение. Во-вторых, пыль играет важную роль в терморегуляции межзвездной среды, действуя в качестве мощного теплоотвода. В-третьих, она оказывается катализатором в межзвездных химических реакциях, позволяя формироваться сложным органическим соединениям. В-четвертых, космические пылинки служат исходным сырьем для образования планет, на одной из которых — состоящей из мириадов слипшихся космических пылинок — мы с вами обитаем. Наконец, углерод, из которого состоим мы сами, тоже в прошлом мог входить в состав межзвездных углеродных пылинок.

Конечно, вопрос о роли, которую космическая пыль играет в появлении жизни, остается открытым. Но в любом случае приходится признать, что угольная фантазия средневековых мореплавателей оказалась на удивление провидческой.

Рекомендуем почитать

Воинский учет

Десять открытий российских ученых, которые потрясли мир

Болезни

«Правописание суффиксов причастий

Болезни

Секретные фото луны Загадочные объекты на луне

Служба

Книга: Генри Форд. Моя жизнь. Мои достижения. Генри Форд: Моя жизнь, мои достижения

Военный билет

Как отличаются баллы ЕГЭ по регионам: результаты школьников и региональное неравенство

Призыв

Крупнейшие моря Индийский океан биография