Страница 2 из 2
Солнце по отношению к ближай-шим звездам движется со скоростью 16,5 км/с. Его полет (а вместе с ним и всей Солнечной системы) направлен к точке, лежащей на границе созвез-дий Геркулеса и Лиры, примерно под углом 25° к плоскости Галактики. Чтобы пройти с такой скоростью 50 световых лет пространства, необхо-дим миллион лет. Обращение нашего светила вокруг центра Галактики но-сит колебательный характер: каж-дые 33 миллиона лет оно пересекает галактический экватор, затем подни-мается над его плоскостью на высоту 230 световых лет и снова опускается вниз, к экватору. На совершение пол-ного оборота Солнцу требуется 250 миллионов лет. Но следует различать движение Солнца относительно цен-тра Галактики и движение относи-тельно близких звезд. Ведь говоря о скорости, к примеру, самолета, мы же не учитываем скорость обращения Земли вокруг Солнца. Так и астроно-мы не учитывают галактическую ор-битальную скорость при рассмотре-нии скорости движения нашего све-тила по отношению к ближайшим звездам.
Солнечную систему окружает мест-ное межзвездное облако, теплое и плотное, которое, как и все облака, состоит из газа и пыли. Причем масса пыли составляет лишь 1% от массы всего межзвездного облака. А газ в нем состоит из 90% водорода и 9,99% гелия. Более тяжелые элементы в сумме составляют около 0,01% мас-сы. Солнце расположено внутри этого облака в районе, который иногда на-зывают местным "пузырем", пред-ставляющим собой большое и относи-тельно пустое пространство. Между прочим, в космосе настолько пусто, что это даже вообразить сложно! Са-мый лучший, самый "пустой" совре-менный лабораторный вакуум в 10000 раз плотнее обычных межзвезд-ных облаков (вполне видимых на фо-тографиях, сделанных с помощью те-лескопов), которые в тысячи раз плотнее местного "пузыря"! Плот-ность этого "пузыря"всего лишь1 атом в кубическом дециметре! Зато температура его действительно аст-рономическая: около 1млн.° К! По сравнению с ним, окружающее "пу-зырь" местное межзвездное облако "слегка теплое", его температура 7000° К.
Местный "пузырь" опоясан боль-шим кольцом из молодых звезд и зон, в которых звездообразование продол-жается, получившим название пояс Гульда. Его можно увидеть ночью как полосу ярких звезд, протянувшую-ся от Ориона к Скорпиону и накло-ненную под углом в 20° к галактичес-кой плоскости. Северный полюс поя-са Гульда проецируется на небесную сферу близко к так называемому от-верстию Локмана, зоне, содержащей наименьшее количество межзвездно-го газа между Солнцем и внегалакти-ческим космосом.
Активное звездообразование на границах местного "пузыря" регу-лирует распределение межзвездного вещества. Самый близкий район формирования новых солнц нахо-дится на расстоянии приблизитель-но 400 световых лет от Солнца (на ок-раинах местного "пузыря") в ассоци-ации Скорпиона-Центавра. Молеку-лярные облака в этом районе значи-тельно холоднее (менее 100°К) и во много раз плотнее (более 1000 ато-мов в кубическом сантиметре), чем местное межзвездное облако. Опре-деленная учеными траектория дви-жения Солнца в Галактике показывает, что оно перемещается через по-яс Гульда, находясь в области очень низкой плотности межзвездного ве-щества уже в течение нескольких миллионов лет. Вероятность столк-новения с большим и плотным меж-звездным облаком в этой области очень мала. И поскольку в данный момент мы медленно движемся к вы-ходу из местного "пузыря", скорее всего, на протяжении ближайшего миллиона лет столкновений с други-ми газово-пылевыми облаками не будет.
Но стоит задуматься над тем, как может отразиться на климате Земли столкновение с межзвездным обла-ком в пусть далеком, но все же реаль-ном будущем. Кстати, интересно, яв-ляется ли простым совпадением то, что люди появились на Земле, пока Солнце путешествовало через относи-тельно пустую область космоса?
Несмотря на то, что в радиусе 100 световых лет массивные межзвезд-ные облака отсутствуют, местное га-лактическое окружение, похоже, мо-жет незаметно для нас измениться за гораздо более короткий срок. Следует отметить: низкая плотность местного "пузыря" позволяет легко расши-ряться в свободное пространство ударным волнам и выброшенным оболочкам Сверхновых, пронося-щимся мимо Солнца. Действительно, у ученых есть сведения о том, что последние250000летСолнечная система испытывала воздействие непрерывного потока межзвездных частичек со стороны ассоциации Скорпиона-Центавра. Однако сущест-вуют подозрения, что ближайшее га-лактическое окружение Солнца мог-ло измениться даже за последние 2000 лет! Пока подобные заявления делаются осторожно, поскольку астро-номы не до конца еще разобрались в сложной структуре местного меж-звездного облака.
Облако вокруг Солнечной системы является частью материала, выбро-шенного из ассоциации Скорпиона-Центавра, и перемещающегося пер-пендикулярно направлению движе-нияСолнца (относительно ближайших звезд). Это подтверждается на-блюдениями, которые показывают, как поток межзвездных частичек влетает в Солнечную систему со скоростью 26 км/с из области, ле-жащей вдоль эклиптики на расстоя-нии 15° от направления на центр Га-лактики.
Вопрос о происхождении местно-го "пузыря" и местного межзвездно-го облака все еще остается откры-тым. Некоторые астрономы полага-ют, что они образовались в прос-транстве между спиральными рука-вами нашей Галактики после его очищения от плотной межзвездной материи могучими ударными волна-ми, возникавшими в процессе звез-дообразования в созвездиях Скорпи-она, Центавра и Ориона. Другие ученые уверены, что причиной обра-зования этого относительно свобод-ного пространства стала вспышка Сверхновой в окрестностях Солнца. Происхождение самого термина "пузырь" связано с идеей, что Сол-нечная система находится внутри остатка Сверхновой.
Местный межзвездный ветер, дую-щий через нашу планетную систему, взаимодействует с солнечным вет-ром, который представляет собой го-рячую плазму, состоящую из заря-женных частиц (в основном это про-тоны, ядра гелия и электроны) и уно-сящуюся от Солнца с высокой скорос-тью. Источником этого ветра являет-ся солнечная корона, раскаленная до миллионов градусов. Ее как раз очень хорошо видно во время полного солнечного затмения в виде восхити-тельного венца, окружающего диск. Солнечный ветер также содержит магнитное поле, спирально закручен-ное вследствие вращения Солнца. Он выдувается из короны со сверхзвуко-вой скоростью и достигает орбиты Плутона прежде, чем встречает на своем пути межзвездный ветер. По мере приближения солнечного ветра к границам Солнечной системы его плотность и скорость уменьшаются. На расстоянии 80-100 астрономичес-ких единиц формируется ударная зо-на, образование которой связано с пе-реходом скорости солнечного ветра отсверхзвуковойкдозвуковой. Окончательная остановка солнечного ветра происходит в зоне торможения, расположенной в 130-150 астрономи-ческих единицах от Солнца. Совре-менная модель гелиосферы предпола-гает, что она по форме очень похожа на капельку воды. Такая красивая форма обусловлена в основном обте-канием межзвездным ветром плазмы солнечного ветра.
Внутрь гелиосферы проникают по большей части нейтральные меж-звездные атомы водорода и гелия. Причем 98% газа внутри гелиосфе-ры (исключая газ, связанный с ко-метами и планетарными телами) составляет межзвездный газ. Это происходит потому, что плотности солнечного и межзвездного ветров в районе орбиты Юпитера становятся равными.
Впервые межзвездный газ в Сол-нечной системе был открыт с помо-щью спутника, который исследовал нейтральный водород в верхних сло-ях атмосферы Земли. В межзвездном космическом пространстве водород имеет низкую температуру, поэтому его электрон занимает положение, соответствующее уровню минималь-ной энергии. Но когда нейтральный межзвездный атом водорода прибли-жается к Солнцу, он получает энер-гию от интенсивного солнечного из-лучения, и его электрон переходит на орбиту, соответствующую более вы-сокому энергетическому уровню. При возвращении в состояние с низ-кой энергией электрон в ультрафио-летовом диапазоне излучает фотон, который и фиксируется с помощью аппаратуры спутника.
Со времени этого открытия было обнаружено много других явлений, свидетельствующих о присутствии межзвездного газа в Солнечной сис-теме. В нескольких астрономических единицах от Солнца большая часть межзвездных атомов водорода иони-зирована. Атомы гелия успевают приблизиться к Солнцу на расстоя-ние в одну астрономическую едини-цу, прежде чем они ионизируются солнечным излучением, а отдельные атомы совсем избегают ионизации. Движущийся поток межзвездных атомов фокусируется солнечной гравитацией в конус, через который Земля проходит каждый год в конце ноября.
Ионизированные атомы гелия подхватываются потоком солнечно-го ветра и уносятся к границе гели-осферы. Поскольку такие "подхва-ченные" ионы являются продукта-ми взаимодействия солнечного вет-ра с межзвездным веществом, изме-рение их количества и характерис-тик является ключом к разгадке свойств самого межзвездного ве-щества. Открытие "подхваченных" ионов произошло в середине 1980-х годов.
После достижения ионами гелия ударной зоны на границе гелиосфе-ры, они ускоряются и образуют ком-понент, известный как "аномальная составляющая космических лучей". "Аномальными" они являются пото-му, что их энергии недостаточно для проникновения в Солнечную систему снаружи, они должны были сформироваться внутри нее. Други-ми словами, мы наблюдаем, как эти частицы буквально носятся внутри гелиосферы: они влетают в Солнеч-ную систему как нейтральные ато-мы, движутся к границе гелиосферы как "подхваченные ионы" и снова возвращаются внутрь Солнечной системы уже в виде "аномальных космических лучей".
Но частички размером с атом — это не единственные "пришельцы", залетающие в Солнечную систему из космоса. Детекторы пыли, установ-ленные на борту знаменитых косми-ческих аппаратов Ulysses и Galileo, зафиксировали поток крупных пы-левых частичек, движущихся с той же скоростью и в том же направле-нии, что и местный межзвездный ве-тер. Их размер составляет 0,2-6 мкм (меньшие пылевые частички элек-трически заряжены, поэтому им не удается проникнуть во внутренние области Солнечной системы). Самые крупные частички имеют траекто-рии, совершенно не зависящие от солнечного ветра или циклов солнеч-ной активности. Почти так же, как атомы гелия, эти частицы фокусиру-ются солнечной гравитацией, и Зем-ля каждый год в конце ноября проходит через их уплотненный поток.
Наше галактическое окружение изменяется, и мы не знаем, какие еще объекты могут нам встретиться в будущем. Наблюдения соседних межзвездных облаков показывают, что в них существуют небольшие по размерам уплотнения (размером от 100 до 10 000 а.е.), которые могут содержать до 1000 частиц в кубичес-ком сантиметре! При прохождении Солнцем подобной уплотненной ту-манности размеры гелиосферы из-менились бы просто катастрофичес-ки. Компьютерное моделирование такой встречи показывает, что если бы плотность местного межзвездно-го ветра выросла до 10 частиц в ку-бическом сантиметре, гелиосфера сжалась бы до 15 а. е., а гелиопауза потеряла бы стабильность. Плот-ность межзвездного водорода на рас-стоянии 1 а. е. выросла бы до 2 ато-мов в кубическом сантиметре, что значительно изменило бы состав среды, окружающей Землю. При плотности местного межзвездного ветра 1000 частиц в кубическом сан-тиметре, такие планеты как Сатурн, Уран, Нептун и Плутон полностью погрузились бы в межзвездный газ. Но в пределах земной орбиты сол-нечный ветер по-прежнему преобла-дал бы над межзвездным. Поэтому можно сказать, что солнечный ветер защищает внутренние планеты от изменений в галактическом окруже-нии Солнца.
Существуют свидетельства, что подобные изменения могли неоднок-ратно происходить в прошлом. Ис-следования концентрации берил-лия-10 (период полураспада 1,5 милли-она лет) в Антарктике обнаружили два всплеска, произошедшие 60 000 и 33 000 лет назад. Такие всплески объясняются сильным изменением уровня космических лучей, которое могло быть следствием либо вспыш-кинедалекойСверхновой, либо встречи с плотной частью местного межзвездно-го облака. В пользу возможной вспышки Свер-хновой говорит обнаружение уровня повышен-ной концентрации железа-60 в отложениях морского дна. Железо-60 — радиоактивный изотоп железа, образующийся при вспышках Сверхновых. Это открытие, возможно, свиде-тельствует о вспышке Сверхновой около 5 млн. лет назад на расстоянии до 90 световых лет от Солнца.
Для исследователей в этой области открыва-ются широчайшие возможности! Ведь понима-ние взаимодействия межзвездного и солнечного ветров в прошлом и настоящем дало бы возмож-ность прогнозировать поведение гелиосферы в будущем. Значительную помощь здесь могло бы оказать составление максимально подробной галактической карты.
Наилучшим решением вопроса стал бы за-пуск межзвездного зонда для непосредствен-ных измерений параметров среды. Это дало бы возможность детально изучить свойства мест-ных газово-пылевых облаков: плотность, ио-низацию, молекулярный состав, интенсив-ность магнитных полей, динамические харак-теристики их взаимодействия с солнечным ветром. Если бы программа по запуску такого зонда получила финанси-рование, то результаты можно было бы ожидать уже в ближайшем буду-щем. Ведь использование современных двигателей и пертурбационных манев-ров в гравитационных по-лях планет Солнечной сис-темы позволяет разогнать космический аппарат до скоростей 4000 км/с. Гра-ниц Солнечной системы он достиг бы через 15 лет пос-ле запуска. Это событие станет началом новой эры окончательного выхода в межзвездное пространство!
Подождем еще немного.
Александр Пугач
Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ
3. Межзвездная среда Согласно современным представлениям, звезды образуются путем конденсации весьма разреженной межзвездной газопылевой среды. Поэтому, прежде чем рассказать о путях эволюции звезд, нам придется остановиться на свойствах межзвездной среды. Этот вопрос имеет также самостоятельное значение для интересующей нас проблемы. В частности, решение вопроса об установлении различных типов связи между цивилизациями, находящимися на различных планетных системах, зависит от свойств среды, заполняющей межзвездное пространство, разделяющее эти цивилизации. Межзвездный газ был обнаружен в самом начале текущего столетия благодаря поглощению в линиях ионизованного кальция, которое он производит в спектрах удаленных горячих звезд * . С тех пор методы изучения межзвездного газа непрерывно улучшались и достигли высокой степени совершенства. В итоге большой многолетней работы, проделанной астрономами, сейчас свойства межзвездного газа можно считать достаточно хорошо известными: Плотность межзвездной газовой среды ничтожна. В среднем в областях межзвездного пространства, расположенных недалеко от галактической плоскости, в 1 см 3 находится примерно 1 атом. Напомним, что в таком же объеме воздуха находится 2,7x10 19 молекул. Даже в самых совершенных вакуумных камерах концентрация атомов не меньше чем 10 3 см 3 . И все же межзвездную среду нельзя рассматривать как вакуум! Дело в том, что вакуумом, как известно, называется такая система, в которой длина свободного пробега атомов или молекул превышает характерные размеры этой системы. Однако в межзвездном пространстве средняя длина свободного пробега атомов в сотни раз меньше, чем расстояния между звездами. Поэтому мы вправе рассматривать межзвездный газ как сплошную, сжимаемую среду и применять к этой среде законы газовой динамики. Химический состав межзвездного газа довольно хорошо исследован. Он сходен с химическим составом наружных слоев звезд главной последовательности. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). Возможно, что значительная часть межзвездного газа находится в форме молекулярного водорода. Развитие внеатмосферной астрономии открыло возможность наблюдения линий молекулярного водорода в далекой ультрафиолетовой части спектра. Физические свойства межзвездного газа существенно зависят от того, находится ли он в сравнительной близости от горячих звезд или, напротив, достаточно удален от них. Дело в том, что ультрафиолетовое излучение горячих звезд, полностью ионизует водород на огромных расстояниях. Так, звезда класса 05 ионизует вокруг себя водород в гигантской области радиусом около 100 пк. Температура межзвездного газа в таких областях (определяемая как характеристика беспорядочных тепловых движений частиц) достигает 10 тыс. К. При этих условиях межзвездная среда излучает отдельные линии в видимой части спектра, в частности красную водородную линию. Эти области межзвездной среды носят название "зоны HII". Однако большая часть межзвёздной среды достаточно удалена от горячих звезд. Водород там не ионизован. Температура газа низкая, около 100 К или ниже. Именно здесь имеется значительное количество молекул водорода. Кроме газа, в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры таких пылинок составляют 10 -4 - 10 -5 см. Они являются причиной поглощения света в межзвездном пространстве, из-за которого мы не можем наблюдать объекты, находящиеся в галактической плоскости на расстояниях, больших 2-3 тыс. пк. К счастью, космическая пыль, так же как и связанный с ней межзвездный газ, сильно концентрируется к галактической плоскости. Толщина газопылевого слоя составляет всего лишь около 250 пк. Поэтому излучение от космических объектов, направления на которые составляют значительные углы с галактической плоскостью, поглощается незначительно. Межзвездные газ и пыль перемешаны. Отношение средних плотностей газа и пыли в межзвездном пространстве равно приблизительно 100:1. Наблюдения показывают, что пространственная плотность газопылевой межзвездной среды меняется весьма нерегулярно. Для этой среды характерно резко выраженное "клочковатое" распределение. Она существует в виде облаков (в которых плотность раз в 10 больше средней), разделенных областями, где плотность ничтожно мала. Эти газопылевые облака сосредоточены преимущественно в спиральных ветвях Галактики и участвуют в галактическом вращении. Отдельные облака имеют скорости в 6-8 км/с, о чем уже говорилось. Наиболее плотные из таких облаков наблюдаются как темные или светлые туманности. Значительное количество сведений о природе межзвездного газа было получено за последние три десятилетия благодаря весьма эффективному применению радиоастрономических методов. Особенно плодотворными были исследования межзвездного газа на волне 21 см. Что это за волна? Еще в сороковых годах теоретически было предсказано, что нейтральные атомы водорода в условиях межзвездного пространства должны излучать спектральную линию с длиной волны 21 см. Дело в том, что основное, самое "глубокое" квантовое состояние атома водорода состоит из двух очень близких уровней. Эти уровни различаются ориентациями магнитных моментов ядра атома водорода (протона) и вращающегося вокруг него электрона. Если моменты ориентированы параллельно, получается один уровень, если антипараллельно - другой. Энергия одного из этих уровней несколько больше другого (на величину, равную удвоенному значению энергии взаимодействия магнитных моментов электрона и протона). Согласно законам квантовой физики, время от времени должны самопроизвольно происходить переходы с уровня большей энергии на уровень меньшей энергии. При этом будет излучаться квант с частотой, пропорциональной разности энергий уровней. Так как последняя в нашем случае очень мала, то и частота излучения будет низкой. Соответствующая длина волны будет равна 21 см. Расчеты показывают, что такие переходы между уровнями атома водорода происходят чрезвычайно редко: в среднем для одного атома имеет место один переход в 11 млн лет! Чтобы почувствовать ничтожную величину вероятности таких процессов, достаточно сказать, что при излучении спектральных линий в оптическом диапазоне переходы происходят каждую стомиллионную долю секунды. И все же оказывается, что эта линия, излучаемая межзвездными атомами, имеет вполне наблюдаемую интенсивность. Так как межзвездные атомы имеют различные скорости по лучу зрения, то из-за эффекта Доплера излучение в линии 21 см будет "размазано" в некоторой полосе частот около 1420 МГц (эта частота соответствует длине волны 21 см). По распределению интенсивности в этой полосе (так называемому "профилю линии") можно изучить все движения, в которых участвуют межзвездные атомы водорода. Таким путем удалось исследовать особенности галактического вращения межзвездного газа, беспорядочные движения отдельных его облаков, а также его температуру. Кроме того, из этих наблюдений определяется количество атомов водорода в межзвездном пространстве. Мы видим, таким образом, что радиоастрономические исследования на волне 21 см являются мощнейшим методом изучения межзвездной среды и динамики Галактики. В последние годы этим методом изучаются другие галактики, например туманность Андромеды. По мере увеличения размеров радиотелескопов будут открываться все новые возможности изучения более удаленных галактик при помощи радиолинии водорода. В конце 1963 г. была обнаружена еще одна межзвездная радиолиния, принадлежащая молекулам гидроксила ОН, с длиной волны 18 см. Существование этой линии было теоретически предсказано автором этой книги еще в 1949 г. В направлении на галактический центр интенсивность этой линии (которая наблюдается в поглощении) оказалась очень высокой ** . Это подтверждает сделанный выше вывод, что в отдельных областях межзвездного пространства газ находится преимущественно в молекулярном состоянии. В 1967 г. была открыта радиолиния воды Н 2 О с длиной волны 1,35 см. Исследования газовых туманностей в линиях ОН и Н 2 О привели к открытию космических мазеров ( см. следующую главу). За последние 20 лет, протекшие после открытия межзвездной радиолинии ОН, было открыто много других радиолиний межзвездного происхождения, принадлежащих различным молекулам. Полное число обнаруженных таким образом молекул уже превышает 50. Среди них особенно большое значение имеет молекула СО, радиолиния которой с длиной волны 2,64 мм наблюдается почти во всех областях межзвездной среды. Есть молекулы, радиолинии от которых наблюдаются исключительно в плотных, холодных облаках межзвездной среды. Довольно неожиданным было обнаружение в таких облаках радиолиний весьма сложных многоатомных молекул, например, СН 3 НСО, CH 3 CN и др. Это открытие, возможно, имеет отношение к волнующей нас проблеме происхождения жизни во Вселенной. Если открытия будут и дальше делаться в таком темпе, кто знает, не будут ли обнаружены нашими приборами межзвездные молекулы ДНК и РНК? ( см. гл. 12). Весьма полезным является то обстоятельство, что соответствующие радиолинии, принадлежащие различным изотопам одной и той же молекулы, имеют довольно заметно различающиеся длины волн. Это позволяет исследовать изотопный состав межзвездной среды, что имеет большое значение для изучения проблемы эволюции вещества во Вселенной. В частности, раздельно наблюдаются такие изотопные комбинации окиси углерода: 12 С 16 О, 13 C 16 O, и 12 С 18 О. Области межзвездной среды, окружающей горячие звезды, где водород полностью ионизован ("зоны HII"), весьма успешно исследуются при помощи так называемых "рекомбинационных" радиолиний, существование которых было теоретически предсказано еще до их открытия советским астрономом Н.С.Кардашевым, много занимавшимся также проблемой связи с внеземными цивилизациями ( см. гл. 26). "Рекомбинационные" линии возникают при переходах между весьма высоко возбужденными атомами (например, между 108 и 107 уровнями атома водорода). Столь "высокие" уровни могут существовать в межзвездной среде только по причине ее чрезвычайно низкой плотности. Заметим, например, что в солнечной атмосфере могут существовать только первые 28 уровней атома водорода; более высокие уровни разрушаются благодаря взаимодействию с частицами окружающей плазмы. Уже сравнительно давно астрономы получили ряд косвенных доказательств наличия межзвездных магнитных полей. Эти магнитные поля связаны с облаками межзвездного газа и движутся вместе с ними. Напряженность таких полей около 10 -5 Э, т. е. в 100 тыс. раз меньше напряженности земного магнитного поля на поверхности нашей планеты. Общее направление магнитных силовых линий совпадает с направлением ветвей спиральной структуры Галактики. Можно сказать, что сами спиральные ветви представляют собой гигантских размеров магнитные силовые трубки. В конце 1962 г. факт существования межзвездных магнитных полей был установлен английскими, радиоастрономами путем прямых наблюдений. С этой целью исследовались весьма тонкие поляризационные эффекты в радиолинии 21 см, наблюдаемой в поглощении в спектре мощного источника радиоизлучения - Крабовидной туманности (об этом источнике см. гл. 5) *** . Если межзвездный газ находится в магнитном поле, можно ожидать расщепления линии 21 см на несколько компонент, отличающихся поляризацией. Так как величина магнитного поля очень мала, это расщепление будет совершенно ничтожным. Кроме того, ширина линии поглощения 21 см довольно значительна. Единственное, что можно ожидать в такой ситуации, - это небольшие систематические различия поляризации в пределах профиля линий поглощения. Поэтому уверенное обнаружение этого тонкого эффекта - замечательное достижение современной науки. Измеренное значение межзвездного магнитного поля оказалось в полном соответствии с теоретически ожидаемым согласно косвенным данным. Для исследований межзвездных магнитных полей применяется и радиоастрономический метод, основанный на изучении вращения плоскости поляризации радиоизлучения внегалактических источников **** при его прохождении через "намагниченную" межзвездную среду ("явление Фарадея"). Этим методом уже сейчас удалось получить ряд важных данных о структуре межзвездных магнитных полей. В последние годы в качестве источников поляризованного излучения для измерения межзвездного магнитного поля таким методом используются пульсары ( см. гл. 5). Межзвездные магнитные поля играют решающую роль при образовании плотных холодных газопылевых облаков межзвездной среды, из которых конденсируются звезды ( см. гл. 4). С межзвездными магнитными полями тесно связаны первичные космические лучи, заполняющие межзвездное пространство. Это частицы (протоны, ядра более тяжелых элементов, а также электроны), энергии которых превышают сотни миллионов электронвольт, доходя до 10 20 -10 21 эВ. Они движутся вдоль силовых линий магнитных полей по винтовым траекториям. Электроны первичных космических лучей, двигаясь в межзвездных магнитных полях, излучают радиоволны. Это излучение наблюдается нами как радиоизлучение Галактики (так называемое "синхротронное излучением). Таким образом, радиоастрономия открыла возможность изучать космические лучи в глубинах Галактики и даже далеко за ее пределами. Она впервые поставила проблему происхождения космических лучей на прочный научный фундамент. Исследователи, работавшие над проблемой происхождения жизни, до недавнего времени оставляли без внимания вопрос о первичных космических лучах. Между тем уровень жесткой радиации, вызывающей мутации, является, на наш взгляд, весьма существенным эволюционным фактором. Имеются все основания полагать, что ход эволюции жизни был бы совсем другим, если бы уровень жесткой радиации (который сейчас в значительной степени обусловлен первичными космическими лучами) был бы в десятки раз выше современного значения. Отсюда возникает важный вопрос: остается ли постоянным уровень космической радиации на какой-нибудь планете, на которой развивается жизнь? Речь идет о сроках, исчисляемых многими сотнями миллионов дет. Мы увидим в следующих главах этой книги, как современная астрофизика и радиоастрономия отвечают на этот вопрос. Масса межзвездного газа в нашей Галактике близка к миллиарду солнечных масс, что составляет немногим больше 1% от полной массы Галактики, обусловленной в основном звездами. В других звездных системах относительное содержание межзвездного газа меняется в довольно широких пределах. У эллиптических галактик оно очень мало, около 10 -4 и даже меньше, в то время как у неправильных звездных систем (типа Магеллановых Облаков) содержание межзвездного газа доходит до 20 и даже 50%. Это обстоятельство тесно связано с вопросом об эволюции звездных систем, о чем речь будет идти в гл. 6 .- * Собственные линии поглощения ионизованного кальция у таких звезд отсутствуют, ак как температуры их поверхностных слоев слишком высоки.
- ** Линия ОН состоит из четырех близких по частотам компонент (1612, 1665, 1667 и 1720 МГц).
- *** Линия поглощения 21 см, обусловленная межзвездным водородом, образуется в радиоспектре какого-либо источника совершенно таким же образом, как линии межзвездного кальция в спектрах удаленных горячих звезд.
- **** Радиоизлучение от мегагалактических источников линейно поляризовано, причем степень поляризации рбычно порядка нескольких процентов. Поляризация этого радиоизлучения объясняется его синхротроннои природой (см. ниже).
Пространство между звездами заполняют разреженный газ, пыль, магнитные поля и космические лучи.
Межзвездный газ. Его полная масса довольно велика - несколько процентов суммарной массы всех звезд нашей Галактики. Плотность газа в среднем составляет около 10 -21 кг/м 3 . При такой плотности в 1-2 см 3 межзвездного пространства содержится всего один атом газа.
Химический состав межзвездного газа примерно такой же, как и у звезд: больше всего водорода, затем идет гелий и очень немного всех остальных химических элементов.
Межзвездный газ прозрачен. Поэтому сам он не виден ни в какие телескопы, за исключением тех случаев, когда находится вблизи горячих звезд. Ультрафиолетовые лучи, в отличие от лучей видимого света, поглощаются газом и отдают ему свою энергию. Благодаря этому горячие звезды своим ультрафиолетовым излучением нагревают окружающий газ до температуры примерно 10 000 К. Нагретый газ начинает сам излучать свет, и мы наблюдаем его как светлую газовую туманность (см. Туманности).
Более холодный, «невидимый» газ наблюдают радиоастрономическими методами (см. Радиоастрономия). Атомы водорода в разреженной среде излучают радиоволны на длине волны около 21 см. Поэтому из областей межзвездного газа непрерывно распространяются потоки радиоволн. Принимая и анализируя это излучение, ученые узнают о плотности, температуре и движении межзвездного газа в космическом пространстве.
Оказалось, что он распределен в пространстве неравномерно. Существуют газовые облака размером от одного до нескольких сотен световых лет и с низкой температурой - от десятков до сотен градусов Кельвина. Пространство между облаками заполнено более горячим и разреженным межоблачным газом.
Вдали от горячих звезд газ нагревается главным образом рентгеновскими и космическими лучами, непрерывно пронизывающими во всех направлениях межзвездное пространство. До больших температур его могут разогреть и сверхзвуковые волны сжатия - ударные волны, распространяющиеся с огромной скоростью в газе. Они образуются при взрывах сверхновых звезд и при столкновениях быстро движущихся масс газа.
Чем выше плотность газа или чем массивнее газовое облако, тем больше энергии требуется, чтобы его нагреть. Поэтому в плотных облаках температура межзвездного газа очень мала: встречаются облака с температурой от нескольких единиц до нескольких десятков градусов Кельвина. В таких областях водород и другие химические элементы объединяются в молекулы. При этом слабеет радиоизлучение на волне 21 см, потому что водород из атомарного (Н) становится молекулярным (Н 2). Но зато появляются линии радиоизлучения различных молекул на длинах волн от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров. Эти линии наблюдаются, и по ним можно судить о физическом состоянии газа в холодных облаках, которые часто так и называют: молекулярные облака или молекулярные газовые комплексы.
Путем радионаблюдений в линиях излучения молекул в нашей Галактике было обнаружено большое число гигантских молекулярных облаков с массой не менее 100 тыс. масс Солнца. Полное количество газа, содержащегося в них, сопоставимо с количеством атомарного водорода в Галактике. Области с наиболее высокой плотностью молекулярного газа образуют в Галактике широкое кольцо вокруг центра с радиусом 5-7 кпс.
По линиям радиоизлучения в межзвездной среде астрономам удалось обнаружить несколько десятков типов молекул: от простых двухатомных молекул СН, СО, CN до таких, как молекула муравьиной кислоты, этилового или метилового спирта, и более сложных многоатомных молекул. Но самыми распространенными молекулами все же являются молекулы водорода Н 2 .
Плотность и температура молекулярных облаков таковы, что газ в них стремится сжаться и уплотниться под действием собственной гравитации. Этот процесс, по-видимому, приводит к образованию звезд. Действительно, холодные молекулярные облака очень часто соседствуют с молодыми звездами.
Из-за превращения межзвездного газа в звезды его запасы в Галактике постепенно истощаются. Но газ частично возвращается из звезд в межзвездную среду. Это происходит при вспышках новых и сверхновых звезд, при истечении вещества с поверхности звезд и при образовании звездами планетарных туманностей.
В нашей Галактике, как и в большинстве других, газ концентрируется к плоскости звездного диска, образуя слой толщиной примерно в 100 пс. К краю Галактики толщина этого слоя постепенно увеличивается. Наибольшей плотности газ достигает в ядре Галактики и на расстоянии 5÷7 кпс от него.
На большом расстоянии от диска Галактики пространство заполнено очень горячим (более миллиона градусов) и крайне разреженным газом, но его полная масса невелика по сравнению с массой межзвездного газа вблизи плоскости Галактики.
Межзвездная пыль. В межзвездном газе в качестве небольшой примеси к нему (около 1% по массе) содержится пыль. Присутствие пыли заметно, прежде всего, по поглощению и отражению света звезд. Из-за поглощения света пылью мы почти не видим в направлении на Млечный Путь тех звезд, которые расположены дальше, чем 3-4 тыс. световых лет от нас. Ослабление света особенно сильно в синей (коротковолновой) области спектра. Поэтому далекие звезды выглядят покрасневшими. Особенно непрозрачны из-за большой плотности пыли плотные газопылевые облака - глобулы.
Отдельные пылинки имеют очень маленький размер - несколько десятитысячных долей миллиметра. Они могут состоять из углерода, кремния и различных смерзшихся газов. Зародыши или ядра пылинок, скорее всего, образуются в атмосферах холодных звезд-гигантов. Оттуда они давлением света звезды «выдуваются» в межзвездное пространство, где на них «намерзают» молекулы водорода, воды, метана, аммиака и других газов.
Межзвездное магнитное поле. Межзвездная среда пронизана слабым магнитным полем. Оно примерно в 100 000 раз слабее магнитного поля Земли. Но межзвездное поле охватывает гигантские объемы космического пространства, и поэтому его полная энергия очень велика.
Межзвездное магнитное поле практически не оказывает никакого влияния на звезды или планеты, но оно активно взаимодействует с движущимися в межзвездном пространстве заряженными частицами - космическими лучами. Действуя на быстрые электроны, магнитное поле «заставляет» их излучать радиоволны. Магнитное поле ориентирует определенным образом межзвездные пылинки, имеющие вытянутую форму, и свет далеких звезд, проходящий сквозь межзвездную пыль, приобретает новое свойство - становится поляризованным.
Очень большое влияние оказывает магнитное поле на движение межзвездного газа. Оно способно, например, затормозить вращение газовых облаков, воспрепятствовать сильному сжатию газа или таким образом направить движение газовых облаков, чтобы заставить их собраться в огромные газопылевые комплексы.
О космических лучах подробно рассказано в соответствующей статье.
Все четыре составляющие межзвездной среды тесно связаны друг с другом. Их взаимодействие сложно и еще не совсем ясно. При изучении межзвездной среды астрофизики опираются как на непосредственные наблюдения, так и на такие теоретические разделы физики, как физика плазмы, атомная физика и магнитная газодинамика.
«Вояджер-2» прошел невероятную веху в своем исследовании Cолнечной системы, войдя в межзвездное пространство, но ни его путешествие, ни научные исследования на этом не заканчиваются.
Во время пресс-конференции на ежегодном собрании Американского геофизического союза 10 декабря ученые и инженеры заявили, что, хотя они взволнованы пересечением границы, «Вояджер-2» и его собрат «Вояджер-1» еще достаточно работоспособны. Собранные ими данные помогут пролить свет на то, как частицы, исходящие от Солнца, сталкиваются с частицами в межзвездном ветре за его пределами.
«Вояджеры» - это первые на сегодняшний день космические корабли, которые люди отправили на границу Солнечной системы, называемую гелиопаузой. Если все пойдет хорошо, оба корабля будут продолжать путешествовать долгие годы.
Ключевой проблемой для «Вояджера-2» является преодоление постепенной потери тепла и энергии. В настоящее время корабль работает при температуре около 3,6 °C, и за каждый год производительность электроэнергии падает на 4 Вт. Это означает, что в конечном счете команде придется отключить инструменты.
По оценкам, аппараты проработают еще как минимум 5–10 лет, но количество научных данных будут постепенно сокращаться. Хотя «Вояджер-1» первым преодолел гелиопаузу, «Вояджер-2» предлагает несколько новых возможностей. Он имеет работающий детектор плазмы, в то время как у его предшественника этот инструмент прекратил работу десятилетия назад. И из-за текущей стадии солнечного цикла «Вояджер-2» может снова оказаться в гелиопаузе, когда солнечный пузырь расширится.
Даже когда гелиосфера окажется позади «Вояджера-2», он сможет рассказать ученым о потоке межзвездного ветра, влияющего на гелиопаузу, и о местном пузыре, окружающем гелиосферу. С его помощью ученые смогут зафиксировать галактические космические лучи, высоконергетические атомы и целый ряд элементов, которые движутся по всей Вселенной почти со скоростью света.
«Галактическое космическое излучение действует как посланник наших местных галактических окрестностей. И теперь мы можем взглянуть на галактику сквозь затуманенную линзу нашей гелиосферы», - заявил астрофизик из НАСА Джордж Денольфо.
«Вояджер-2» может не только рассказать нам о наших собственных окрестностях, но и сформировать понимание экзопланет. Каждая солнечная система расположена в своем эквиваленте гелиосферы, соприкасаясь со своим локальным межзвездным пространством. Этот пограничный баланс определяет, насколько эти планеты пригодны для жизни.
Хотя инструменты «Вояджеров» не вечны, оба космических корабля будут продолжать свой путь. В течение примерно 300 лет они достигнут внутреннего края Облака Оорта - сферы комет, окружающей Солнечную систему. Переход через это поле займет около 30 000 лет. Как только зонды полностью покинут нашу систему, они выйдут на длинную орбиту вокруг сердца Млечного Пути, на которой будут кружить миллионы, если не миллиарды лет, став первыми посланниками человечества на таком расстоянии.
Каждый школьник знает, что существуют планеты, звезды, галактики, которые в своей совокупности вместе с физическими законами и константами образуют Вселенную. Одним из интересных вопросов является о том, что такое межгалактическое пространство, что оно собой представляет. Предлагается рассмотреть его подробнее.
Общие представления о наблюдаемой Вселенной
Перед тем как переходить к рассмотрению вопроса о межгалактическом пространстве, необходимо познакомиться с нашей Вселенной.
Как уже было сказано выше, Вселенная - это совокупность физических законов, пространственно-временных координат, различных физических постоянных и материи.
В настоящее время установлено, что физические законы, известные человечеству, выполняются во всех уголках наблюдаемой Вселенной, и не найдено еще места в космосе, где эти законы бы нарушались.
Что касается материи, то она во Вселенной организована специальным образом: планеты вращаются вокруг своих звезд, звезды объединяются в скопления, которые носят названия галактик. В свою очередь, галактики объединяются в местные и в суперскопления, а уже суперскопления разбросаны по всей Вселенной, являются практически независимыми.
Также важно знать, что основными силами, действующими в космических масштабах, являются силы гравитации. Благодаря этим силам наша Земля вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, вращается вокруг центра нашей спиралевидной галактики Млечный Путь.
Галактики во Вселенной
Как уже было отмечено, вся наблюдаемая материя во Вселенной сконцентрирована в галактиках. Под этим словом понимают гигантские которые связаны гравитационными силами, и что имеют определенную пространственную форму. Например, бывают эллиптические, спиральные, линзообразные галактики, а также неправильной формы. Галактики могут быть маленькими (10 7 звезд) и большими (10 14 звезд). Для примера можно отметить, что в нашей галактике содержится порядка 10 11 звезд.
Галактики объединяются в скопления, в которых они взаимодействуют друг с другом благодаря все тем же гравитационным силам. Различные их суперскопления удаляются друг от друга, а вот внутри скоплений они могут двигаться и навстречу друг другу. Так, галактика Туманность Андромеды движется навстречу нашей со скоростью 300 км/c, поэтому в будущем обе они соединятся в одно большое скопление.
Межгалактическое пространство
Под этими словами понимается пространство, разделяющее галактики. При этом сами галактики могут быть соседними, как например наш Млечный Путь и Туманность Андромеды, так и удаленными на миллионы и сотни миллионов парсек.
Согласно полученному определению, можно сделать вывод, что пространство между галактиками - это самая пустая часть Вселенной, которая занимает наибольший ее объем, поскольку размер их оценивается в сотни и сотни тысяч парсек, а расстояния между ними измеряются в миллионах и миллиардах парсек. Напомним, что парсек - это единица измерения расстояний в космосе, которая приблизительно равна дистанции, проходимой светом в пустом космическом пространстве за 3,2 земных года.
Что находится в пространстве между галактиками?
Если ответить на этот вопрос, что между галактиками ничего нет, то такой ответ будет максимально близок к истине. По современным оценкам средняя плотность материи во Вселенной составляет один атом водорода на 1 м 3 космического пространства. Однако эта цифра не говорит ни о чем, если принять во внимание неоднородное распределение материи во Вселенной.
Если говорить строго, то межгалактическое пространство не является абсолютно пустым. В нем существуют заряженные элементарные частицы (протоны, электроны). Более того, пространство между галактиками пронизано электромагнитным излучением, идущим от звезд. Благодаря этому факту мы можем видеть самые далекие от нас галактики. Температура рассматриваемого пространства оценивается в 2,73 К.
Исходя из приведенной выше информации, каждый может ответить на вопрос, есть ли звезды в межгалактическом пространстве. Конечно же, их там нет.
Пространство во Вселенной расширяется
Как выше уже было отмечено, находящиеся на больших расстояниях друг от друга галактики, удаляются. Скорость этого процесса можно рассчитать, если воспользоваться так называемым законом Хаббла. Экспериментальное подтверждение расширения Вселенной было обнаружено в конце XX века, благодаря изучению красного смещения электромагнитного спектра далеких галактик.
Самое интересное заключается в том, что согласно закону Хаббла, чем дальше находятся галактики друг от друга, тем быстрее они разлетаются. Это означает, что существуют такие, которые удаляются друг от друга быстрее, чем скорость света! В этом факте нет никакого нарушения теории относительности Эйнштейна, поскольку не сами галактики движутся быстрее скорости света, а само пространство расширяется с огромными скоростями.
Будущее Вселенной
Поскольку Вселенная расширяется, и межгалактическое пространство постоянно увеличивается, то, согласно самой популярной на сегодняшний день гипотезе, наша Вселенная, в конце концов, замерзнет и погрузится в вечный мрак, поскольку все вещество в ней полностью распылится, будет представлено в виде атомов и субатомных частиц.
