Межзвёздная среда: газ и пыль

Определения и обозначения

Межзвёздная среда — разреженное вещество и излучение, заполняющие пространство между звёздами. Поэтому межзвёздное пространство не следует представлять абсолютной пустотой: в нём есть газ, пыль и излучение. Понятие нужно, чтобы описывать всё вещество между звёздами, а не только видимые небесные тела.

Межзвёздный газ — газообразное вещество между звёздами, состоящее главным образом из водорода и гелия. Он бывает нейтральным, ионизованным, то есть лишённым части электронов, и молекулярным, где атомы соединены в молекулы. Такое различие помогает понять, почему газ по-разному взаимодействует с излучением и проявляет себя в туманностях.

Межзвёздная пыль — мельчайшие твёрдые частицы, смешанные с межзвёздным газом. В их составе есть вещества, содержащие углерод, кремний и другие элементы, а сами зёрна поглощают и рассеивают свет. Хотя пыли мало по массе, она сильно влияет на наблюдаемый блеск и цвет далёких звёзд.

Туманность — наблюдаемое облако межзвёздного газа и пыли. Оно может светиться собственным излучением газа, отражать свет близких звёзд или выглядеть тёмным из-за поглощения света пылью. Поэтому слово «туманность» описывает внешний вид облака, но не указывает на один-единственный механизм его наблюдения.

Как это устроено

Межзвёздная среда не является пустотой, потому что даже между далёкими звёздами остаются атомы, молекулы и пылевые зёрна. Их плотность чрезвычайно мала, однако огромный объём пространства содержит заметное количество вещества. На больших расстояниях это вещество накапливает эффект: оно может закрывать свет звёзд и становиться сырьём для новых небесных тел.

Межзвёздный газ пополняется веществом, которое звёзды сбрасывают в окружающее пространство на разных этапах жизни. Его состояние определяется температурой, плотностью и воздействием излучения или быстрых частиц. Горячее излучение может отрывать электроны от атомов, а в холодных плотных областях атомы объединяются в молекулы.

Пылевые зёрна смешаны с газом, потому что образуются из тяжёлых элементов и соединений, находящихся в межзвёздном веществе. Их общая доля невелика, но размер зёрен позволяет им эффективно взаимодействовать с видимым светом. Пыль поглощает часть энергии света и рассеивает другую часть в разных направлениях, поэтому удалённые объекты видны слабее.

Облака межзвёздного вещества наблюдают по-разному из-за различий между газом и пылью. Газ, возбуждённый излучением горячей звезды, испускает собственный свет, а пыль рассеивает уже имеющийся свет звезды. Если облако плотное, оно задерживает свет объектов за собой и выделяется как тёмная область на ярком фоне.

Поглощение и рассеяние пылью ослабляют свет далёких звёзд, но не одинаково для всех цветов. Коротковолновые синие лучи взаимодействуют с пылевыми зёрнами сильнее, чем длинноволновые красные. Поэтому звезда за облаком кажется не только тусклее, но и краснее, чем звезда с такими же настоящими свойствами вне облака.

Как наблюдаются облака межзвёздного вещества

Пользуясь таблицей, сначала определите, является ли облако источником собственного света или только изменяет свет звёзд. Затем выясните, виден ли за ним яркий фон: его отсутствие может быть следствием поглощения пылью. Один и тот же район неба иногда содержит и светящийся газ, и отражающую или заслоняющую пыль.

Разбор задач

Задача 1

На снимке облако светится рядом с горячей звездой. Нужно объяснить, какие свойства межзвёздного газа делают облако видимым. Сам факт близости звезды ещё не означает, что облако просто отражает её свет.

1. Горячая звезда испускает интенсивное излучение, которое попадает в газовое облако.
2. Энергия излучения возбуждает атомы или ионизует их, то есть переводит электроны на более высокие уровни либо удаляет их.
3. При возвращении в менее энергетические состояния частицы испускают свет, поэтому газовая туманность становится наблюдаемой.

Ответ: облако может светиться собственным излучением газа, возбуждённого или ионизованного излучением горячей звезды.

Задача 2

Туманность выглядит как светлое облако вокруг звезды, но сама не излучает заметного света. Нужно отличить собственное свечение газа от отражения. Подсказкой служит условие, что основной источник света — расположенная рядом звезда.

1. Если бы газ был сильно возбуждён, он испускал бы собственное излучение, но это прямо не указано.
2. Пылевые зёрна могут рассеивать свет звезды во всех направлениях, направляя часть его к наблюдателю.
3. Значит, облако будет казаться светлым, хотя его пыль не создаёт свет самостоятельно.

Ответ: это отражательная туманность: пыль рассеивает свет близкой звезды.

Задача 3

Две звезды имеют одинаковую истинную яркость и цвет, но одна находится за плотным пылевым облаком. Нужно сравнить их видимый цвет и блеск, учитывая действие межзвёздной пыли. Свойства самих звёзд в условии одинаковы, поэтому различие создаёт только облако.

1. Пыль поглощает и рассеивает часть света звезды, значит, до наблюдателя доходит меньше энергии.
2. Коротковолновая синяя часть спектра ослабляется сильнее длинноволновой красной.
3. Звезда за облаком поэтому будет выглядеть одновременно тусклее и краснее.

Ответ: сквозь пыль звезда кажется тусклее и краснее звезды вне облака.

Типичные ошибки

Ошибка: считать межзвёздное пространство абсолютно пустым. Так думают из-за его чрезвычайно малой плотности, но газ и пыль всё равно присутствуют и влияют на свет. Проверьте себя вопросом: может ли пустота поглощать, рассеивать свет или участвовать в звездообразовании?

Ошибка: приравнивать пыль к газу. Пыль состоит из твёрдых зёрен и особенно заметна по поглощению и рассеянию света, тогда как газ может излучать при возбуждении. Проверка проста: спросите, идёт ли речь о частицах газа или о твёрдых микроскопических зёрнах.

Ошибка: считать, что всякая туманность светится сама. Некоторые облака отражают свет звёзд, а тёмные туманности обнаруживают по ослаблению света фона. Сначала определите, есть ли у облака собственное излучение, а затем ищите отражение или заслонение.

Ошибка: объяснять покраснение звезды тем, что она обязательно холоднее. Межзвёздная пыль может изменить цвет одинаковых звёзд, сильнее задерживая синие лучи. Чтобы проверить вывод, сравните путь света: проходит ли он через плотное пылевое облако?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении звёзд и различии между излучением и отражением света. Они помогают установить, создаёт ли туманность собственный свет или только перенаправляет свет звезды. Без этого легко спутать светящуюся и отражательную туманности.

Межзвёздное поглощение учитывают при определении расстояний, яркости и цвета звёзд. Наблюдаемая звёздная величина может быть меньше истинной из-за пыли, а цвет — казаться краснее. Поэтому свойства среды необходимо отделять от свойств самой звезды.

Плотные облака газа и пыли связаны с образованием звёзд. Под действием гравитации вещество в таких областях может сжиматься и превращаться в новые звёздные системы. Межзвёздная среда оказывается не только препятствием для наблюдений, но и местом рождения звёзд.

Что запомнить

• Межзвёздное пространство заполнено разреженным газом и пылью.
• Основная часть межзвёздного газа — водород и гелий.
• Доля пыли в межзвёздном веществе мала, но её влияние на свет существенно.
• Газовые туманности могут светиться под действием излучения звёзд.
• Пылевые туманности рассеивают свет или заслоняют объекты за собой.
• Межзвёздная пыль ослабляет свет звёзд и может делать его краснее.