Форму, большинство не обладает какой бы то ни было сферической симметрией. Механизмы, благодаря которым возможно образование такого многообразия форм, остаются на сегодняшний день до конца не выясненными. Считается, что большую роль в этом могут играть взаимодействие звёздного ветра и двойных звёзд , магнитного поля и межзвёздной среды .
История исследований
Туманность Гантель в условных цветах
Планетарные туманности в большинстве своём представляют собой тусклые объекты и, как правило, не видны невооружённым глазом. Первой открытой планетарной туманностью была туманность Гантель в созвездии Лисички : Шарль Мессье , занимавшийся поиском комет , при составлении своего каталога туманностей (неподвижных объектов, похожих при наблюдении неба на кометы) в 1764 году занёс её в каталог под номером M27. В 1784 г. Уильям Гершель , первооткрыватель Урана , при составлении своего каталога выделил их в отдельный класс туманностей (class IV nebulae) и предложил для них термин «планетарная туманность» из-за их видимого сходства с диском Урана .
Необычность природы планетарных туманностей обнаружилась в середине XIX века , с началом использования в наблюдениях метода спектроскопии . Уильям Хаггинс стал первым астрономом, получившим спектры планетарных туманностей - объектов, выделявшихся своей необычностью:
«Одними из самых загадочных из этих замечательных объектов являются те, которые при телескопическом наблюдении имеют вид круглых или слегка овальных дисков. … Замечателен и их зеленовато-голубой цвет, чрезвычайно редкий для одиночных звёзд. Кроме того, в этих туманностях нет признаков центрального сгущения. По этим признакам планетарные туманности резко выделяются как объекты, которым присущи свойства, совершенно отличающиеся от свойств Солнца и неподвижных звёзд. Из этих соображений, а также благодаря их яркости, я избрал эти туманности как наиболее подходящие для спектроскопического исследования».
Другой проблемой был химический состав планетарных туманностей: Хаггинс сравнением с эталонными спектрами сумел идентифициировать линии азота и водорода , однако самая яркая из линий с длиной волны 500.7 нм не наблюдалась в спектрах известных тогда химических элементов. Было выдвинуто предположение, что эта линия, соответствует неизвестному элементу. Ему заранее дали название небулий - по аналогии с идеей, приведшей к открытию гелия при спектральном анализе Солнца в 1868 году .
Предположения об открытии нового элемента небулия не подтвердились. В начале XX века Генри Рассел выдвинул гипотезу о том, что линия на 500.7 нм соответствует не новому элементу, а старому элементу в неизвестных условиях.
Возобновление термоядерных реакций позволяет прекратиться дальнейшему сжатию ядра. Выгорающий гелий вскоре создаёт инертное ядро, состоящее из углерода и кислорода , окружённое оболочкой из горящего гелия. Термоядерные реакции с участием гелия очень чувствительны к температуре. Скорость протекания реакции пропорциональна T 40 , то есть увеличение температуры всего на 2 % приведёт к удвоению скорости протекания реакции. Это делает звезду очень нестабильной: малый прирост температуры вызывает быстрое увеличение скорости хода реакций, повышая выделение энергии, что, в свою очередь, заставляет увеличиваться температуру. Верхние слои горящего гелия начинают быстро расширяться, температура понижается, реакция замедляется. Всё это может быть причиной мощных пульсаций, иногда достаточно сильных, чтобы выбросить значительную часть атмосферы звезды в космическое пространство.
Выброшенный газ формирует расширяющуюся оболочку вокруг обнажившегося ядра звезды. По мере того, как всё большая часть атмосферы отделяется от звезды, проявляются всё более и более глубокие слои с более высокими температурами. При достижении обнажённой поверхностью (фотосферой звезды) температуры в 30 000 К энергия испускаемых ультрафиолетовых фотонов становится достаточной для ионизации атомов в выброшенном веществе, что заставляет его светиться. Таким образом, облако становится планетарной туманностью.
Продолжительность жизни
Вещество планетарной туманности разлетается от центральной звезды со скоростью в несколько десятков километров в секунду. В то же время, по мере истечения вещества центральная звезда остывает, излучая остатки энергии; термоядерные реакции прекращаются, так как звезда теперь не обладает достаточной массой для поддержания температуры, требуемой для синтеза углерода и кислорода. В конце концов, звезда остынет настолько, что перестанет излучать достаточно ультрафиолета для ионизации отдалившейся газовой оболочки. Звезда становится белым карликом , а газовое облако рекомбинирует, становясь невидимым. Для типичной планетарной туманности время от образования до рекомбинации составляет 10 000 лет.
Галактические переработчики
Планетарные туманности играют значительную роль в эволюции галактик. Ранняя Вселенная состояла в основном из водорода и гелия , но со временем в результате термоядерного синтеза в звёздах образовались более тяжёлые элементы. Таким образом, вещество планетарных туманностей имеет высокое содержание углерода , азота и кислорода , а по мере расширения и проникновения в межзвёздное пространство оно обогащает его этими тяжёлыми элементами, в общем называемыми астрономами металлами .
Последующие поколения звёзд, формирующиеся из межзвёздного вещества, будут содержать большее начальное количество тяжёлых элементов; хотя их присутствие в составе звёзд остаётся незначительным, они ощутимо влияют на их эволюцию. Звёзды, сформировавшиеся вскоре после образования Вселенной , содержат относительно малые количества металлов - их относят к звёздам II типа . Звёзды, обогащённые тяжёлыми элементами, принадлежат к звёздам I типа (см. Звёздное население).
Характеристики
Физические характеристики
Типичная планетарная туманность имеет среднюю протяжённость в один световой год и состоит из сильно разреженного газа плотностью около 1000 частиц на см³, что пренебрежимо мало в сравнении, например, с плотностью атмосферы Земли, но примерно в 10-100 раз больше, чем плотность межпланетного пространства на расстоянии орбиты Земли от Солнца. Молодые планетарные туманности имеют наибольшую плотность, иногда достигающую 10 6 частиц на см³. По мере старения туманностей их расширение приводит к уменьшению плотности.
Излучение центральной звезды нагревает газы до температур порядка 10 000 . Парадоксально, что температура газа нередко повышается с увеличением расстояния от центральной звезды. Это происходит по той причине, что чем большей энергией обладает фотон , тем менее вероятно, что он будет поглощён. Поэтому во внутренних областях туманности поглощаются малоэнергетические фотоны, а оставшиеся, обладающие высокой энергией, поглощаются во внешних областях, вызывая рост их температуры.
Туманности можно разделить на бедные материей и бедные излучением . Согласно этой терминологии, в первом случае туманность не обладает достаточным количеством материи для поглощения всех ультрафиолетовых фотонов, излучаемых звездой. Поэтому видимая туманность полностью ионизирована. Во втором же случае центральная звезда испускает недостаточно ультрафиолетовых фотонов, чтобы ионизировать весь окружающий газ, и ионизационный фронт переходит в нейтральное межзвёздное пространство.
Так как бо́льшая часть газа планетарной туманности ионизирована (то есть является плазмой), значительный эффект на её структуру оказывает действие магнитных полей , вызывая такие феномены, как волокнистость и нестабильность плазмы.
Количество и распределение
На сегодняшний день в нашей галактике , состоящей из 200 миллиардов звёзд, известно 1500 планетарных туманностей. Их краткая по сравнению со звёздной продолжительность жизни является причиной их малого числа. В основном, все они лежат в плоскости Млечного Пути , причём большей частью сосредоточившись вблизи центра галактики, и практически не наблюдаются в звёздных скоплениях.
Использование ПЗС-матриц вместо фотоплёнки в астрономических исследованиях позволило значительно расширить список известных планетарных туманностей.
Структура
Биполярная планетарная туманность
Большинство планетарных туманностей симметричны и имеют почти сферический вид, что не мешает им иметь множество очень сложных форм. Приблизительно 10 % планетарных туманностей практически биполярны, и лишь малое их число асимметричны. Известна даже прямоугольная планетарная туманность. Причины такого разнообразия форм до конца не выяснены, но считается, что большую роль могут играть гравитационные взаимодействия звёзд в двойных системах. По другой версии, имеющиеся планеты нарушают равномерное растекание материи при образовании туманности. В январе 2005 года американские астрономы объявили о первом обнаружении магнитных полей вокруг центральных звёзд двух планетарных туманностей, а затем выдвинули предположение, что именно они частично или полностью ответственны за создание формы этих туманностей. Существенная роль магнитных полей в планетарных туманностях была предсказана Григором Гурзадяном ещё в 1960-ые годы (см. например Гурзадян Г. А., 1993 и ссылки там). Есть также предположение, что биполярная форма может быть обусловлена взаимодействием ударных волн от распространения фронта детонации в слое гелия на поверхности формирующегося белого карлика (например, в туманностях Кошачий Глаз , Песочные Часы , Муравей).
Текущие вопросы в изучении планетарных туманностей
Одна из проблем в изучении планетарных туманностей - это точное определение расстояния до них. Для некоторых близлежащих планетарных туманностей возможно вычислить удалённость от нас, используя измеренный параллакс расширения: снимки с высоким разрешением, полученные несколько лет назад, демонстрируют расширение туманности перпендикулярно к лучу зрения, а спектроскопический анализ Доплеровского смещения даст возможность вычислить скорость расширения вдоль луча зрения. Сравнение углового расширения с полученной скоростью расширения сделает возможным вычисление расстояния до туманности.
Существование такого разнообразия форм туманностей является темой жарких дискуссий. Широко распространено мнение, что причиной этому может быть взаимодействие между веществом, удаляющимся от звезды с различными скоростями. Некоторые астрономы считают, что двойные звёздные системы ответственны, по крайней мере, за наиболее сложные очертания планетарных туманностей. Недавние исследования подтвердили наличие у нескольких планетарных туманностей мощных магнитных полей, предположения о чём уже неоднократно выдвигались. Магнитные взаимодействия с ионизированным газом также могут играть некоторую роль в становлении формы некоторых из них.
На данный момент существуют две различных методики обнаружения металлов в туманности, основывающиеся на различных типах спектральных линий. Иногда эти два метода дают совершенно непохожие результаты. Некоторые астрономы склонны объяснять это наличием слабых флуктуаций температуры в пределах планетарной туманности. Другие полагают, что различия в наблюдениях слишком разительны, чтобы объяснить их при помощи температурных эффектов. Они выдвигают предположения о существовании холодных сгустков, содержащих очень малое количество водорода. Однако сгустки, наличие которых, по их мнению, способно объяснить разницу в оценке количества металлов, ни разу не наблюдались.
См. также
- Список планетарных туманностей
| Межзвёздная среда | ||
|---|---|---|
| Составляющие | Межзвёздный газ · Межзвёздная пыль · Космические лучи · Магнитное поле |  |
| Туманности | Диффузная (светлая) туманность · Тёмная туманность · Эмиссионная туманность · Отражательная туманность · Остаток сверхновой · Планетарная туманность · Протопланетарная туманность | |
| Области звездообразования | Молекулярное облако · Глобула · Область H II | |
| Околозвёздные образования | Аккреционный диск · Протопланетный диск · Полярные струйные течения · Объект Хербига - Аро | |
| Излучение | ||
Когда звезда вроде нашего собственного Солнца сожжет основные запасы своего ядерного топлива, то его ядро начинает сжиматься и нагреваться, теряя при этом свои внешние слои. Остатки этого "огрызка" через какое-то время "отстреливаются" наружу, в результате чего вокруг звезды образуется расширяющаяся оболочка. Это изгнанное вещество под воздействием ультрафиолетового излучения раскаленной "сердцевины" начинает светиться переизлученным светом, делая видимыми огромные пылающие облака - планетарную туманность, которая напоминают гигантскую космическую медузу. Вся эта красота наблюдается относительно недолго - на протяжении всего нескольких тысяч лет из приблизительно 10-миллиардной жизни типичной звезды. Около четырех пятых всех звезд заканчивают свою жизнь подобным образом, оставляя причудливые пылающие газообразные формы, которые медленно растворяются среди вечной космической ночи. Название "планетарная туманность" досталось нам от астрономов прошлых веков, которым эти облака напоминали планеты. На самом деле к планетам они никакого отношения, конечно, не имеют.
Несколько тысяч лет назад в нашей Галактике произошёл мощный космический взрыв. Порождённое взрывом световое излучение достигло Земли в 1054 г.
Китайские и японские астрологи отметили в этом году вспышку необычайно яркой звезды в созвездии Тельца. Первоначально звезда была видна даже днём подобно Венере, через 23 дня блеск её настолько уменьшился, что днём она уже не была видна, а примерно через год "исчезла" с неба.
Значительно позже, в 18 в., франц. астроном Ш. Мессье обратил внимание на необычный вид туманности в созвездии Тельца и по этой причине поставил её на первое место в своём каталоге туманностей и звёздных скоплений (M1, туманность N 1 в каталоге Мессье).
Туманность имеет волокнистую структуру и по внешнему виду напоминает клешню краба, отсюда и её название. Положение Крабовидной туманности соответствует положению сверхновой 1054 г. Это позволяет с большой достоверностью считать, что она возникла в результате взрыва сверхновой звезды, который наблюдался свыше 900 лет назад.
Это фотография планетарной туманности, именуемой в каталоге NGC 6543. Но неофициальное ее название - "Кошачий глаз". Снимок был сделан космическим телескопом Hubble. По расчетам астрономов, выбросы вещества с поверхности звезды происходили с интервалами в 1500 лет. И в результате этой серии взрывов вокруг ядра умирающей звезды образовалось несколько концентрических газопылевых оболочек. Астрономы пока не могут объяснить цикличность этих взрывов и выдвигают в качестве гипотез пульсации звезды, цикличность ее магнитной активности и влияние соседней звезды (или звезд), вращающейся вокруг взрывающейся звезды.
Примерно 1000 лет назад характер выброса материи с поверхности звезды по непонятной пока причине изменился и внутри пылевых оболочек начал формироваться "кошачий глаз". Сейчас идет процесс его расширения и это подтверждают снимки, сделанные телескопом Hubble в 1994, 1997, 2000 и в 2002 году.
Изображение - соединение снимков, принимаемых в различных длинах волн. Цвета показывают различные газы: красный соответствует водороду, синий - кислороду и зеленый - азоту.
Специальная обработка изображения позволила выявить вокруг планетарной туманности огромное, но очень слабое гало из газообразного вещества, имеющего диаметр около трех световых лет. Изображение построено на основе компиляции данных, полученных Северным оптическим телескопом на Канарских островах. Области излучения атомов азота показаны красным цветом, а области излучения кислорода - оттенками зеленого и голубого.
За выразительность журналисты назвали эту туманность "Глазом Бога". Итоговое изображение является компиляцией фотографий, сделанных с использованием синего, зеленого и красного фильтров. Астрономы предполагают, что возраст этого диска составляет приблизительно 12 тысяч лет. Несмотря на "фотогеничность" и близость к Земле (700 световых лет), NGC 729 была впервые обнаружена только в 1824 году.
Эти две туманности занесены в каталог как M27 (слева) и M76, их популярные названия - Гантель и Малая Гантель. Причина, по которой они получили такие имена, ясна без сложных рассуждений: они обладают похожими формами, напоминающими гантель или песочные часы. Они близки и по размерам, их поперечник - около светового года. Изображения показаны в одном масштабе, поэтому видимое различие размеров объясняется тем, что одна из туманностей ближе к нам. Оценки расстояния - 1200 световых лет для Гантели и более 3000 световых лет для Малой Гантели. Эти глубокие изображения, полученные с узкополосными фильтрами, выделяющими излучение атомов водорода, азота и кислорода в космических облаках, представлены в искусственных цветах и показывают удивительно сложные структуры в M27 и M76.
В центре NGC 3132, необычной и красивой планетарной туманности, находится двойная звезда. Своим происхождением эта туманность, называемая также Туманностью восьми вспышек или Южной кольцевой туманностью, обязана вовсе не яркой, а слабой звезде. Источником светящегося газа являются внешние слои звезды, похожей на наше Солнце. Энергию для горячего голубого свечения вокруг двойной системы, которое вы видите на фото, дает высокая температура на поверхности слабой звезды. Первона-чально планетарная туманность стала объектом исследований благодаря своей необычной симметричной форме. Впоследствии она привлекла к себе внимание, когда у нее обнаружились асимметричные детали. До сих пор не нашли себе объяснения ни странная форма более холодной оболочки, ни структура и происхождение холодных пылевых полос, пересекающих туманность NGC 3132.
Планетарная туманность Красный Паук демонстрирует нам, какую сложную структуру могут породить газы, выбрасываемые нормальной звездой, когда она превращается в белого карлика. Официально обозначаемая NGC 6537, эта планетарная туманность, состоит из двух симметричных взаимопроникающих структур и содержит один из самых горячих известных белых карликов, входящий, вероятно в состав двойной звездной системы. Скорость внутренних ветров, истекающих со звезд в центре системы, согласно проведенным измерениям превышает по 1000 километров в секунду. Эти ветры заставляют туманность расширяться и приводят к столкновениям волн горячего газа и пыли. Туманность Красный Паук находится к созвездии Стрельца. Расстояние до нее точно не известно, но по некоторым оценкам составляет около 4000 световых лет.
Это составное цветное изображение NGC 6751 - прекрасный пример классической планетарной туманности со сложной структурой. Оно было выбрано в апреле 2000 года, чтобы отметить десятую годовщину работы телескопа Хаббла на орбите. Цвета отображают относительную температуру газа - переход от голубого к оранжевому и красному означает изменение температуры газа от самой горячей до самой холодной. Ветры и излучение от исключительно горячей центральной звезды (140 тысяч градусов Цельсия) создали структуру туманности, детали которой похожи на потоки. Диаметр туманности - около 0.8 светового года, что примерно в 600 раз больше размера нашей солнечной системы. NGC 6751 находится на расстоянии 6500 световых лет в созвездии Орла.
Занесенное в каталог как NGC 7635, оно больше известно просто как туманность Пузырь. Для создания этого цветного телескопического изображения была сделана длинная экспозиция с фильтром, пропускающим излучение в линии водорода, позволившая выявить подробности структуры космического пузыря и его окружения. Туманность находится на расстоянии в 11 тысяч световых лет в созвездии Кассиопеи.
Получившая подходящее название "туманность Череп" планетарная туманность NGC 246 окружает умирающую звезду, которая находится на расстоянии около 1600 световых лет в созвездии Кита. Быстрое движение звезды и туманности на этом изображении направлено вверх, поэтому верхний край туманности более яркий. На расстоянии NGC 246 это четкое изображение охватывает область размером более 2.5 световых лет. На нем можно также увидеть далекие галактики, некоторые просвечивают сквозь туманность в ее нижней части.
Снимки в инфракрасном диапазоне, полученные с помощью нового космического телескопа "Спитцер" (Spitzer Space Telescope), направленного в сторону планетарной туманности NGC 246, продемонстрировали то, чего не удавалось разглядеть никогда прежде: комковатое кольцо из вещества, выброшенного погибающей звездой. Состав этого чудовищного "пончика" и история его формирования пока представляют собой тайну, однако ученые надеются вскоре ее разгадать.
NGC 2818 расположено внутри рассеянного звездного скопления NGC 2818A, которое находится на расстоянии около 10 тысяч световых лет в южном созвездии Компас. Обычно рассеянные звездные сколения распадаются за несколько сотен миллионов лет, это скопление должно быть исключительно старым, чтобы одна из входящих в него звезд проэволюционировала до стадии планетарной туманности. Если планетарная туманность NGC 2818 находится на том же расстоянии, что и звездное скопление, то ее диаметр составляет около 4 световых лет. Картинка смонтирована из изображений, полученных на Космическом телескопе Хаббла с узкополосными фильтрами. Излучение атомов азота, водорода и кислорода показано соответственно красным, зеленым и синим цветами.
Моргающая туманность. Она настолько тусклая, что в небольших телескопах постоянно пропадает из вида. О том, какова природа красных вкраплений по краям объекта, астрономы не знают до сих пор.
Туманность Бумеранг. Это "юное" образование на расстоянии всего 5000 световых лет от Земли все еще находится в стадии формирования.
Туманность Эскимоc. На самом деле в центре два облака газа и пыли, просто одно из них "смотрит" на Землю, закрывая второе.
Гамбургер Гомеса. Черная полоса в центре создается пылью, которая закрывает звезду, создающую туманность.
Песочные часы. По сравнению с собратьями совсем небольшая туманность - всего 0,3 световых года в диаметре. В центре располагается что-то очень похожее на глаз.
Туманность Тухлое яйцо. Астрономы обнаружили в этой туманности присутствие серы и, вероятно, сульфида водорода, который несет ответственность за запах данного испорченного продукта.
Туманность Южный Краб. Необычайная форма обусловлена тем, что в центре взаимодействуют две звезды.
Туманность Кольцо. Эта туманность, открытая более 200 лет назад, располагается на расстоянии 2000 световых лет от Земли.
Сетчатка. Это вид на туманность сбоку, а на самом деле по форме она напоминает пончик. Яркие полосы - это облака пыли и газа, которые испускает умирающая звезда.
Туманность Спирографа. Названа так в честь детской игрушки, которая позволяет рисовать необычные круговые узоры. В данном случае узоры созданы потоками частиц, испускаемыми звездой.
Туманность Бабочка (NGC 6302) одна из самых ярких и необычных туманностей. Она находится на расстоянии 4000 световых лет от нас в направлении созвездия Скорпиона. В ее центре находится супергорячая умирающая звезда, окруженная облаком из "градин". В сердце этого беспорядка находится одна из самых горячих из известных нам звезд. Из-за огромной температуры около 250 000 градусов Цельсия звезду нельзя увидеть непосредственно, ее спектр наиболее ярок в ультрафиолетовом диапазоне. Плотное темное кольцо окружающее центральную звезду содержит огромную массу пыли и это загадка для ученых. Предполагается, что туманность Бабочка образовалась около 10 000 лет назад, однако неизвестно как она образовалась, и как долго кольцо из пыли может выдержать испарение под действием такой горячей звезды.
NGC 2346 - планетарная туманность, находящаяся приблизительно на расстоянии в 2,000 световых лет. Она представляет собой бинарную звездную систему. Эта двухкомпонентная система содержит две звезды, которые облетают по орбите друг друг каждые 16 дней. История образования туманности началась миллионы лет тому назад, когда две звезды были дальше друг от друга. Более массивная звезда начала расширяться до контакта с второй звездой двойной системы, что вызвало их сближение и выброс газовых колец. Позже звезда - красный гигант сбросила оболочку в виде пузырей горячего газа, обнажив свое ядро.
Туманность Мыльный пузырь. Планетарные туманности такой правильной формы являются крайне редкими.
Хотя AE Возничего и называют Пылающей звездой, а окружающую ее туманность IC 405 - туманностью Пылающей звезды, и кажется, что она окутана чем-то вроде красноватого дыма, огня там нет. Вещество, выглядящее как дым - это в основном межзвездный водород, в облаках которого встречаются похожие на дым темные волокна из богатых углеродом пылевых частиц. Туманность Пылающей звезды находится на расстоянии около 1500 световых лет. Ее размер - около 5 световых лет, и ее можно увидеть в небольшой телескоп в созвездии Возничего.
Туманность Орла располагается на расстоянии примерно 7000 световых лет от Земли в созвездии Змеи и была открыта астрономами еще в XVIII веке.
Молодое звездное скопление M16 окружено материнскими облаками космической пыли и светящегося газа туманности Орла. На потрясающе подробном фото запечатлены фантастические формы, которые известны по фото телескопа им. Хаббла с этой области звездообразования. Плотные пылевые колонны, которые поднимаются посередине, называют слоновьими хоботами или Столпами созидания. Их протяженность составляет несколько световых лет. Колонны гравитационно сжимаются, и в них формируются звезды. Энергичное излучение звезд скопления разрушают вещество у концов колонн, обнажая находящиеся внутри новые звезды. У верхнего левого края туманности Вы ви-дите другую колонну звездообразования, которую называют Фея туманности Орла. До M16 и туманности Орла ~7000 световых лет. Эти объекты можно легко найти с помощью бинокуляра или небольшого телескопа в богатом туманностями созвездии Змеи, а точнее у ее хвоста.
На этом изображении, полученном Космическим телескопом Хаббла в 1995 году, видны испаряющиеся газовые глобулы, появляющиеся из столбов, образованных водородом и пылью. Гигантские столбы длиной в несколько световых лет имеют настолько большую плотность, что находящийся внутри газ сжимается под действием собственного тяготения, образуя звезды. Мощное излучение ярких молодых звезд на конце каждого столба испаряет разреженное вещество, обнажая звездные ясли из плотных испаряющихся газовых глобул.
На снимке, полученном с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена так называемая Туманность Ската (Stingray Nebula, официальное обозначение - Henize 1357), самая молодая из всех известных на сегодняшний день планетарных туманностей, получившая такое прозвище потому, что ее форма напоминает характерные изгибы одноименного морского животного - ската или, другими словами, морского кота. Еще двадцать пять лет назад на этом месте не было ничего примечательного, поскольку газ, который окутывает погибающую звезду, заключенную в самом центре туманности, еще не был достаточно горяч, чтобы светиться в оптическом диапазоне.
Возраст Туманности Ската (такой, какой она нам сейчас видится) - это всего лишь мгновение на звездных часах, поскольку достаточный для свечения нагрев происходил в течение всего лишь последних 25 лет, в то время как типичное время существования звезд исчисляется миллионами и миллиардами. Сотня лет существования видимой планетарной туманности делает ее диковинкой, бабочкой-однодневкой и объясняет то, почему никакая другая более молодая планетарная туманность так и не была пока найдена.
Размер Туманности Ската составляет одну десятую размера самой крупной из планетарных туманностей, удалена она от нас на расстояние 18 тысяч световых лет и расположена в направлении на созвездие южного полушария Алтарь (иначе говоря Жертвенник). Из-за небольших угловых размеров этой туманности до полета "Хаббла", начавшего свои наблюдения в 1993 году (сама эта фотография была получена в 1997 году), никакие детали различимы не были, однако теперь структуру туманности вполне можно как следует изучить.
Туманности в космосе — одно из чудес Вселенной, поражающих своей красотой. Ценны они не только визуальной привлекательностью. Исследование туманностей помогает ученым вносить ясность в законы функционирования космоса и его объектов, корректировать теории о развитии Вселенной и жизненном цикле звезд. Сегодня об этих объектах мы знаем многое, но далеко не все.
Смесь газа и пыли
Достаточно длительное время, вплоть до середины позапрошлого века, туманности считались удаленными от нас на значительные расстояния. Применение спектроскопа в 1860 году позволило установить: многие из них состоят из газа и пыли. Английский астроном У. Хеггинс выявил, что свет от туманностей отличен от излучения, идущего от обычных звезд. Спектр первых содержит яркие цветные линии, перемежающиеся с темными, тогда как во втором случае подобных не наблюдается.
Дальнейшие исследования установили, что туманности Млечного пути и других галактик в основном состоят из горячей смеси газа и пыли. Нередко встречают и схожие холодные формирования. Такие облака межзвездного газа также относятся к туманностям.
Классификация
В зависимости от свойств составляющих туманность элементов различают несколько их типов. Все они в большом количестве представлены на просторах космоса и одинаково интересны для астрономов. Туманности, излучающие по той или иной причине свет, принято назвать диффузными или светлыми. Противоположные им по основному параметру, естественно, обозначаются как темные. Диффузные туманности бывают трех типов:
отражательные;
эмиссионные;
остатки сверхновой.
Эмиссионные, в свою очередь, подразделяются на области формирования новых звезд (H II) и планетарные туманности. Все названные типы характеризуются определенными свойствами, делающими их уникальными и достойными пристального изучения.
Области формирования звезд
Все эмиссионные туманности — это облака светящегося газа разных форм. Основной элемент, составляющий их, — водород. Под действием звезды, расположенной в центре туманности, он ионизируется и сталкивается с атомами более тяжелых компонентов облака. Результатом этих процессов становится характерное розоватое свечение.
Туманность Орла, или М16 — великолепный представитель этого типа объектов. Здесь располагается область звездообразования, множество молодых, а также массивных горячих светил. Туманность Орла — место, где размещается хорошо известный участок космоса, Столпы творения. Эти газовые сгустки, сформированные под воздействием звездного ветра, являются зоной звездообразования. К формированию светил здесь приводит сжатие газопылевых колонн под действием силы тяжести.
Недавно ученым стало известно, что любоваться Столпами творения мы сможем еще только тысячу лет. Затем они исчезнут. На самом деле разрушение Столпов произошло примерно 6000 лет назад из-за взрыва сверхновой. Однако свет из этой области космоса идет к нам примерно семь тысяч лет, поэтому вычисленное астрономами событие для нас — только дело будущего.
Планетарные туманности
Название следующего типа светящихся газопылевых облаков было введено У. Гершелем. Планетарная туманность — последняя стадия жизни звезды. Сбрасываемые светилом оболочки формируют характерный рисунок. Туманность напоминает диск, обычно окружающий планету при наблюдении ее через небольшой телескоп. На сегодняшний день известно больше тысячи таких объектов.
Планетарные туманности — часть процесса превращения в В центре формирования располагается горячая звезда, по своему спектру схожая со светилами класса О. Ее температура достигает 125 000 К. Планетарные туманности в основном имеют сравнительно небольшие размеры — 0,05 парсек. Большая их часть расположена в центре нашей галактики.
Масса газовой оболочки, сброшенной звездой, мала. Она составляет десятые доли от аналогичного параметра Солнца. Смесь газа и пыли удаляется от центра туманности со скоростью, достигающей 20 км/с. Оболочка существует примерно в течение 35 тысяч лет, а затем становится сильно разреженной и неразличимой.
Особенности
Планетарная туманность может быть различной формы. В основном, так или иначе, она близка к шару. Различают туманности круглые, кольцеобразные, похожие на гантели, неправильной формы. Спектры подобных космических объектов включают эмиссионные линии светящегося газа и центральной звезды, а также иногда линии поглощения из спектра светила.
Планетарная туманность излучает огромное количество энергии. Оно значительно больше аналогичного показателя для центральной звезды. Ядро образования из-за своей высокой температуры испускает ультрафиолетовые лучи. Они ионизируют атомы газа. Частицы разогреваются, вместо ультрафиолета они начинают испускать видимые лучи. Их спектр и содержит эмиссионные линии, характеризующие образование в целом.
Туманность Кошачий глаз
Природа — мастерица на создание неожиданных и красивых форм. Примечательна в этом плане планетарная туманность, из-за сходства названная Кошачьим глазом (NGC 6543). Она была обнаружена в 1786 году и стала первой, которую ученые определили как облако светящегося газа. Туманность Кошачий глаз располагается в и обладает очень интересной сложной структурой.
Она образовалась около 100 лет назад. Тогда центральная звезда сбросила свои оболочки и сформировались концентрические линии газа и пыли, характерные для рисунка объекта. На сегодняшний день остается до конца непонятен механизм формирования наиболее выразительной центральной структуры туманности. Появление такого рисунка хорошо объясняется расположением в сердцевине туманности двойной звезды. Однако пока сведений, свидетельствующих в пользу такого положения вещей, нет.
Температура гало NGC 6543 составляет примерно 15 000 К. Ядро туманности разогрето до 80 000 К. При этом центральная звезда в несколько тысяч раз ярче Солнца.
Колоссальный взрыв
Массивные звезды часто заканчивают свой жизненный цикл впечатляющими «спецэффектами». Огромные по своей мощи взрывы приводят к потере светилом всех внешних оболочек. Они удаляются от центра со скоростью, превышающей 10 000 км/с. Столкновение движущегося вещества со статичным вызывает сильное повышение температуры газа. В результате его частицы начинают светиться. Часто остатки сверхновой представляют собой не шарообразные образования, что кажется логичным, а туманности самой разной формы. Происходит так, потому что выброшенное на огромной скорости вещество неравномерно образует сгустки и скопления.
След тысячелетней давности
Пожалуй, самый известный остаток сверхновой — это крабовидная туманность. Звезда, породившая ее, взорвалась почти тысячу лет назад, в 1054 году. Точную дату удалось установить по китайским летописям, где хорошо описана ее вспышка в небе.
Характерный рисунок крабовидной туманности составляет газ, выброшенный сверхновой и еще не до конца смешавшийся с межзвездным веществом. Объект располагается на расстоянии 3300 световых лет от нас и непрерывно расширяется со скоростью 120 км/с.
В центре крабовидная туманность содержит остаток сверхновой — нейтронную звезду, которая испускает потоки электронов, являющихся источниками непрерывного поляризованного излучения.
Отражающие туманности
Другой тип этих космических объектов состоит из холодной смеси газа и пыли, неспособного самостоятельно излучать свет. Отражающие туманности светятся за счет расположенных рядом объектов. Это могут быть звезды или аналогичные диффузные образования. Спектр рассеянного свет остается таким же, как и у его источников, однако синий свет в нем для наблюдателя преобладает.
Очень интересная туманность этого типа связана со звездой Меропа. Светило из скопления Плеяд уже на протяжении нескольких миллионов лет разрушает пролетающее мимо молекулярное облако. В результате воздействия звезды частицы туманности выстраиваются в определенной последовательности и вытягиваются по направлению к ней. По прошествии некоторого времени (точный срок неизвестен) Меропа может полностью разрушить облако.
Темная лошадка
Диффузным формированиям часто противопоставляется поглощающая туманность. Галактика имеет их немало. Это очень плотные облака пыли и газа, поглощающие свет расположенных за ними эмиссионных и отражательных туманностей, а также звезд. Эти холодные космические образования в основном состоят из атомов водорода, хотя в них встречаются и более тяжелые элементы.
Великолепный представитель этого типа — туманность Она расположена в созвездии Орион. Характерная для туманности форма, столь схожая с головой лошади, образовалась в результате воздействия звездного ветра и излучения. Объект хорошо виден благодаря тому, что фоном ему служит яркое эмиссионное формирование. При этом туманность Конская голова — лишь небольшая часть протяженного поглощающего облака пыли и газа, практически невидимого.
Благодаря телескопу Хаббл туманности, в том числе и планетарные, знакомы сегодня широкому кругу людей. Фотоизображения участков космоса, где они располагаются, впечатляют до глубины души и никого не оставляют равнодушным.
Такие как углерод , азот , кислород и кальций).
В последние годы при помощи снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл », удалось выяснить, что многие планетарные туманности имеют очень сложную и своеобразную структуру. Несмотря на то, что приблизительно пятая часть из них имеет околосферическую форму, большинство не обладает какой бы то ни было сферической симметрией. Механизмы, благодаря которым возможно образование такого многообразия форм, остаются на сегодняшний день до конца не выясненными. Считается, что большую роль в этом могут играть взаимодействие звёздного ветра и двойных звёзд , магнитного поля и межзвёздной среды .
История исследований
Планетарные туманности в большинстве своём представляют собой тусклые объекты и, как правило, не видны невооружённым глазом. Первой открытой планетарной туманностью была туманность Гантель в созвездии Лисички : Шарль Мессье , занимавшийся поиском комет , при составлении своего каталога туманностей (неподвижных объектов, похожих при наблюдении неба на кометы) в 1764 году занёс её в каталог под номером M27. В 1784 году Уильям Гершель , первооткрыватель Урана , при составлении своего каталога выделил их в отдельный класс туманностей (class IV nebulae ) и предложил для них термин «планетарная туманность» из-за их видимого сходства с диском Урана .
Необычность природы планетарных туманностей обнаружилась в середине XIX века , с началом использования в наблюдениях метода спектроскопии . Уильям Хаггинс стал первым астрономом, получившим спектры планетарных туманностей - объектов, выделявшихся своей необычностью:
Одними из самых загадочных из этих замечательных объектов являются те, которые при телескопическом наблюдении имеют вид круглых или слегка овальных дисков. …Замечателен и их зеленовато-голубой цвет, чрезвычайно редкий для одиночных звёзд. Кроме того, в этих туманностях нет признаков центрального сгущения. По этим признакам планетарные туманности резко выделяются как объекты, которым присущи свойства, совершенно отличающиеся от свойств Солнца и неподвижных звёзд . Из этих соображений, а также благодаря их яркости, я избрал эти туманности как наиболее подходящие для спектроскопического исследования .
Другой проблемой был химический состав планетарных туманностей: Хаггинс сравнением с эталонными спектрами сумел идентифицировать линии азота и водорода , однако самая яркая из линий с длиной волны 500,7 нм не наблюдалась в спектрах известных тогда химических элементов. Было выдвинуто предположение, что эта линия соответствует неизвестному элементу. Ему заранее дали название небулий - по аналогии с идеей, приведшей к открытию гелия при спектральном анализе Солнца в 1868 году .
Предположения об открытии нового элемента небулия не подтвердились. В начале XX века Генри Расселл выдвинул гипотезу о том, что линия на 500,7 нм соответствует не новому элементу, а старому элементу в неизвестных условиях.
Возобновление термоядерных реакций препятствует дальнейшему сжатию ядра. Выгорающий гелий вскоре создаёт инертное ядро, состоящее из углерода и кислорода , окружённое оболочкой из горящего гелия. Термоядерные реакции с участием гелия очень чувствительны к температуре. Скорость протекания реакции пропорциональна T 40 , то есть увеличение температуры всего на 2 % приведёт к удвоению скорости протекания реакции. Это делает звезду очень нестабильной: малый прирост температуры вызывает быстрое увеличение скорости хода реакций, повышая выделение энергии, что, в свою очередь, заставляет увеличиваться температуру. Верхние слои горящего гелия начинают быстро расширяться, температура понижается, реакция замедляется. Всё это может быть причиной мощных пульсаций, иногда достаточно сильных, чтобы выбросить значительную часть атмосферы звезды в космическое пространство.
Выброшенный газ формирует расширяющуюся оболочку вокруг обнажившегося ядра звезды. По мере того, как всё большая часть атмосферы отделяется от звезды, проявляются всё более и более глубокие слои с более высокими температурами. При достижении обнажённой поверхностью (фотосферой звезды) температуры в 30 000 К энергия испускаемых ультрафиолетовых фотонов становится достаточной для ионизации атомов в выброшенном веществе, что заставляет его светиться. Таким образом, облако становится планетарной туманностью.
Продолжительность жизни
Вещество планетарной туманности разлетается от центральной звезды со скоростью в несколько десятков километров в секунду. В то же время, по мере истечения вещества центральная звезда остывает, излучая остатки энергии; термоядерные реакции прекращаются, так как звезда теперь не обладает достаточной массой для поддержания температуры, требуемой для синтеза углерода и кислорода. В конце концов, звезда остынет настолько, что перестанет излучать достаточно ультрафиолета для ионизации отдалившейся газовой оболочки. Звезда становится белым карликом , а газовое облако рекомбинирует , становясь невидимым. Для типичной планетарной туманности время от образования до рекомбинации составляет 10 000 лет.
Галактические переработчики
Планетарные туманности играют значительную роль в эволюции галактик. Ранняя Вселенная состояла в основном из водорода и гелия , из которых формировались звёзды II типа . Но со временем в результате термоядерного синтеза в звёздах образовались более тяжёлые элементы. Таким образом, вещество планетарных туманностей имеет высокое содержание углерода , азота и кислорода , а по мере расширения и проникновения в межзвёздное пространство оно обогащает его этими тяжёлыми элементами, в общем называемыми астрономами металлами .
Последующие поколения звёзд, формирующиеся из межзвёздного вещества, будут содержать большее начальное количество тяжёлых элементов. Хотя их доля в составе звёзд остаётся незначительной, но от их наличия ощутимо меняется жизненный цикл звёзд I типа (см. Звёздное население).
Характеристики
Физические характеристики
Типичная планетарная туманность имеет среднюю протяжённость в один световой год и состоит из сильно разреженного газа плотностью около 1000 частиц на см³, что пренебрежимо мало в сравнении, например, с плотностью атмосферы Земли, но примерно в 10-100 раз больше, чем плотность межпланетного пространства на расстоянии орбиты Земли от Солнца. Молодые планетарные туманности имеют наибольшую плотность, иногда достигающую 10 6 частиц на см³. По мере старения туманностей их расширение приводит к уменьшению плотности.
Излучение центральной звезды нагревает газы до температур порядка 10 000 . Парадоксально, что температура газа нередко повышается с увеличением расстояния от центральной звезды. Это происходит по той причине, что чем большей энергией обладает фотон , тем менее вероятно, что он будет поглощён. Поэтому во внутренних областях туманности поглощаются малоэнергетические фотоны, а оставшиеся, обладающие высокой энергией, поглощаются во внешних областях, вызывая рост их температуры.
Туманности можно разделить на бедные материей и бедные излучением . Согласно этой терминологии, в первом случае туманность не обладает достаточным количеством материи для поглощения всех ультрафиолетовых фотонов, излучаемых звездой. Поэтому видимая туманность полностью ионизирована. Во втором же случае центральная звезда испускает недостаточно ультрафиолетовых фотонов, чтобы ионизировать весь окружающий газ, и ионизационный фронт переходит в нейтральное межзвёздное пространство.
Так как бо́льшая часть газа планетарной туманности ионизирована (то есть является плазмой), значительный эффект на её структуру оказывает действие магнитных полей , вызывая такие феномены, как волокнистость и нестабильность плазмы.
Количество и распределение
На сегодняшний день в нашей галактике , состоящей из 200 миллиардов звёзд, известно 1500 планетарных туманностей. Их краткая по сравнению со звёздной продолжительность жизни является причиной их малого числа. В основном, все они лежат в плоскости Млечного Пути , причём большей частью сосредоточившись вблизи центра галактики, и практически не наблюдаются в звёздных скоплениях.
Использование ПЗС-матриц вместо фотоплёнки в астрономических исследованиях позволило значительно расширить список известных планетарных туманностей.
Структура
Большинство планетарных туманностей симметричны и имеют почти сферический вид, что не мешает им иметь множество очень сложных форм. Приблизительно 10 % планетарных туманностей практически биполярны, и лишь малое их число асимметричны. Известна даже прямоугольная планетарная туманность . Причины такого разнообразия форм до конца не выяснены, но считается, что большую роль могут играть гравитационные взаимодействия звёзд в двойных системах. По другой версии, имеющиеся планеты нарушают равномерное растекание материи при образовании туманности. В январе 2005 года американские астрономы объявили о первом обнаружении магнитных полей вокруг центральных звёзд двух планетарных туманностей, а затем выдвинули предположение, что именно они частично или полностью ответственны за создание формы этих туманностей. Существенная роль магнитных полей в планетарных туманностях была предсказана Григором Гурзадяном ещё в 1960-е годы . Есть также предположение, что биполярная форма может быть обусловлена взаимодействием ударных волн от распространения фронта детонации в слое гелия на поверхности формирующегося белого карлика (например, в туманностях Кошачий Глаз , Песочные Часы , даст возможность вычислить скорость расширения вдоль луча зрения. Сравнение углового расширения с полученной скоростью расширения сделает возможным вычисление расстояния до туманности.
Существование такого разнообразия форм туманностей является темой жарких дискуссий. Широко распространено мнение, что причиной этому может быть взаимодействие между веществом, удаляющимся от звезды с различными скоростями. Некоторые астрономы считают, что двойные звёздные системы ответственны, по крайней мере, за наиболее сложные очертания планетарных туманностей. Недавние исследования подтвердили наличие у нескольких планетарных туманностей мощных магнитных полей, предположения о чём уже неоднократно выдвигались. Магнитные взаимодействия с ионизированным газом также могут играть некоторую роль в становлении формы некоторых из них.
На данный момент существуют две различных методики обнаружения металлов в туманности, основывающиеся на различных типах спектральных линий. Иногда эти два метода дают совершенно непохожие результаты. Некоторые астрономы склонны объяснять это наличием слабых флуктуаций температуры в пределах планетарной туманности. Другие полагают, что различия в наблюдениях слишком разительны, чтобы объяснить их при помощи температурных эффектов. Они выдвигают предположения о существовании холодных сгустков, содержащих очень малое количество водорода. Однако сгустки, наличие которых, по их мнению, способно объяснить разницу в оценке количества металлов, ни разу не наблюдались.
Физика планетарных туманностей. - М. : Наука, 1982.
Планетарные туманности порождаются умирающими звездами. По астрономическим меркам планетарные туманности — весьма короткоживущие явления: срок их жизни составляет около десяти тысяч лет. Поэтому астрономам известно не более полутора тысяч подобных объектов в нашей галактике.
Безмолвное космическое пламя умирающей звезды: планетарная туманность NGC 6302
Великолепная планетарная туманность «Улитка» — одна из наиболее ярких и красивых.
Туманность «Кошачий глаз», NGC 6543: фантастические скульптуры из газа и пыли, сфотографированные телескопом «Хаббл».
Еще одно фото NGC 6543 в искусственных цветах. Возраст туманности «Кошачий глаз» около 1000 лет. Ее форма, возможно, свидетельствует о том, что она образовалась из двойной звездной системы.
Знаменитая планетарная туманность М57 в созвездии Лиры, или туманность «Кольцо». На снимках, подобных этому видна сложная структура туманности.
Еще один известный пример планетарной туманности — объект MyCn18, «песочные часы» вокруг умирающей звезды.
Туманность «Медуза» — очень старая планетарная туманность. Она находится примерно в 1500 световых годах от Земли в созвездии Близнецы
Туманность NGC 3132 — озеро света.
Планетарная туманность Abell 39 обладает почти идеально сферическойформой. Ее диаметр составляет почти 5 световых лет, а толщина стенок —треть светового года. Туманность Abell 39 находится на расстоянии 7 000 световых лет от Земли в созвездии Геркулеса.
Умирая, звезда сбрасывает внешние слои, которые, рассеиваясь в космосе,образуют планетарную туманность. Планетарными такие туманности называются исключительно потому, что в небольшие телескопы они похожи на крошечные и тусклые диски. Раньше многие астрономы принимали их за далекие планеты, откуда и повелось название. Но большие и современные инструменты показывают астрономам множество интересных поднобностей. NGC 6369 — еще один пример великолепной планетарной туманности с богатой структурой
Планетарная туманность «Гантель» в созвездии Лисички — один из самых ярких объектов подобного рода. Туманность была обнаружена впервые французским астрономом Шарлем Мессье, который внес ее в свой каталог туманных объектов под номером 27. Расстояние до М27 известно лишь примерно и составляет около 1200 световых лет.
Планетарная туманность NGC 2346
Одна из последних фотографий космического телескопа им. Хаббла — туманность «Ожерелье».
Туманность «Эскимо» или NGC 2392
Туманность «Спирограф»
Туманность Джонс-1 (Jones 1), известная также под номером PK 104-29.1, — очень тусклая, похожая на призрак, туманность в созвездии Пегаса. Это изображение получено в 2009 году на телескопе Мэйалла.
Планетарная туманность «Черепаха»
Туманность «Электрический скат» или Hen-1357 — самая молодая из известных планетарных туманностей.
Очень необычная планетарная туманность Sharpless 2-188 (Sh2-188). Имея почти сферическую форму, туманность светится неравномерно. Более яркое свечение юго-восточной части (внизу слева) объясняется столкновением газа с межзвездным веществом, которое и породило эту ударную волну. Именно в эту сторону движется мертвая звезда, породившая туманность.
Шарплесс 2-188 находится в созвездии Кассиопея.
Закрученная подобно спиральной галактике, планетарная туманность K 4-55.
Объект Mz 3 — планетарная туманность «Муравей». Снимок телескопа «Хаббл».
Рассеянный свет туманности «Бумеранг». В 1995 году астрономы при помощи телескопа «Хаббл» измерили температуру материи внутри этой туманности. Оказалось, что вещество туманности всего на 1 градус теплее точки абсолютного нуля. Туманность «Бумеранг» — одно из самых холодных мест во Вселенной
Туманность NGC 7662 или «Голубой снежок».
Планетарная туманность «Мыльный пузырь».
Планетарная туманность NGC 5307, снимок телескопа «Хаббл»