Космическая пыль. Тайны особой субстанции Частицы космической пыли поглощают свет

Во вселенной существуют миллиарды звезд и планет. И если звезда представляет собой пылающую сферу газа, то планеты, такие как Земля, составлены из твердых элементов. Планеты формируются в облаках пыли, которые циркулируют вокруг недавно сформировавшейся звезды. В свою очередь, зерна этой пыли составлены из таких элементов, как углерод, кремний, кислород, железо и магний. Но откуда же частицы космической пыли берутся? В новом исследовании, проведенном в Институте Нильса Бора в Копенгагене, показано, что зерна пыли могут не только сформироваться в гигантских взрывах сверхновых, они могут так же пережить последующие ударные волны различных взрывов, которые воздействуют на пыль.

Компьютерное изображение того, как формируется космическая пыль при взрывах сверхновых звезд. Источник: ESO/M. Kornmesser

То, как космическая пыль была сформирована, долго было тайной для астрономов. Сами по себе элементы пыли образуются в пылающем водородном газе в звездах. Атомы водорода соединяются друг с другом во все боле и более тяжелые элементы. В результате этого звезда начинает испускать излучение в виде света. Когда весь водород будет исчерпан и не получится больше извлекать энергию, звезда умирает, а ее оболочка улетает в космическое пространство, которая формирует различные туманности, в которых опять могут рождаться молодые звезды. Тяжелые элементы формируются, прежде всего, в сверхновых, прародителями которых являются массивные звезды, погибающие в гигантском взрыве. Но как одиночные элементы слипаются вместе чтобы сформировать космическую пыль – оставалось загадкой.

“Проблема состояла в том, что даже если бы пыль формировалась вместе с элементами при взрывах сверхновых звезд, само по себе это событие такое сильное, что эти мелкие зерна просто не должны были выжить. Но космическая пыль существует, причем ее частички могут быть совершенно разных размеров. Наше исследование проливает свет на эту проблему”, – профессор Йенс Хйорт, глава центра Темной космологии в Институте Нильса Бора.

Снимок телескопа Хаббл необычной карликовой галактики, в которой возникла яркая сверхновая SN 2010jl. Снимок был получен до ее появления, поэтому стрелкой показана ее звезда-прародитель. Взорвавшаяся звезда была очень массивной, приблизительно 40 солнечных масс. Источник: ESO

В исследованиях космической пыли ученые наблюдают за сверхновыми с помощью астрономического инструмента X-shooter, установленного на комплексе Очень большой телескоп (VLT) в Чили. Он обладает удивительной чувствительностью, а три спектрографа, входящие в его состав. могут наблюдать весь световой диапазон сразу, от ультрафиолетового и видимого до инфракрасного. Хйорт объясняет, что сначала они ожидали появления “правильного” взрыва сверхновой звезды. И вот, когда это произошло, началась кампания по ее наблюдению. Наблюдаемая звезда была необычайно яркой, в 10 раз ярче обычно средней сверхновой, а ее масса была в 40 раз больше солнечной. Всего наблюдение за звездой заняло у исследователей два с половиной года.

“Пыль поглощает свет, а пользуясь нашими данными мы смогли вычислить функцию, которая могла бы нам рассказать о количестве пыли, ее составе и размере зерен. В результаты мы обнаружили действительно нечто захватывающее”, – Криста Гол.

Первый шаг на пути формирования космической пыли – мини взрыв, в котором звезда выбрасывает в космос материал, содержащий водород, гелий и углерод. Это газовое облако становится своеобразной раковиной вокруг звезды. Еще немного подобных вспышек и раковина становится плотнее. Наконец, звезда взрывается, и плотное газовое облако полностью окутывает ее ядро.

“Когда звезда взрывается, ударная взрывная волна сталкивается с плотным газовым облаком как кирпич, налетевший на бетонную стену. Все это происходит в газовой фазе при невероятных температурах. Но то место, куда ударил взрыв, становится плотным и остывает до 2000 градусов Цельсия. При такой температуре и плотности элементы могут образовать ядро и сформировать твердые частицы. Мы обнаружили зерна пыли размерами в один микрон, что является очень большим значением для этих элементов. С такими размерами они вполне смогут пережить свое будущее путешествие сквозь галактику”.

Таким образом, ученые полагают, что нашли ответ на вопрос о том, как формируется и живет космическая пыль.

Космический рентгеновский фон

Колебания и волны: Характеристики различных колебательных систем (осцилляторов).

Разрыв Вселенной

Пылевые околопланетные комплексы: fig4

Свойства космической пыли

С. В. Божокин Санкт-Петербургский государственный технический университет	Содержание

Введение

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

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

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

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

В настоящее время огромное количество вещества в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав . Дело в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее - фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду.

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

Происхождение космической пыли

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

На рис. 2 показан процесс роста кластеров космической пылинки с помощью присоединения мономеров . Получающаяся при этом аморфная космическая пылинка может представлять собой кластер атомов, обладающий фрактальными свойствами . Фракталами называются геометрические объекты : линии, поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и обладающие свойством самоподобия . Самоподобие означает неизменность основных геометрических характеристик фрактального объекта при изменении масштаба. Например, изображения многих фрактальных объектов оказываются очень похожими при увеличении разрешения в микроскопе. Фрактальные кластеры представляют собой сильно разветвленные пористые структуры, образующиеся в сильно неравновесных условиях при объединении твердых частиц близких размеров в одно целое. В земных условиях фрактальные агрегаты получаются при релаксации паров металлов в неравновесных условиях , при образовании гелей в растворах, при коагуляции частиц в дымах. Модель фрактальной космической пылинки показана на рис. 3. Отметим, что процессы коагуляции пылинок, происходящие в протозвездных облаках и газопылевых дисках , значительно усиливаются при турбулентном движении межзвездного вещества.

Ядра космических пылинок, состоящие из тугоплавких элементов , размером в сотые доли микрона образуются в оболочках холодных звезд при плавном истечении газа или во время взрывных процессов. Такие ядра пылинок устойчивы ко многим внешним воздействиям.

КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ, твёрдые частицы с характерными размерами от около 0,001 мкм до около 1 мкм (и, возможно, до 100 мкм и более в межпланетной среде и протопланетных дисках), обнаруженные почти во всех астрономических объектах: от Солнечной системы до очень далёких галактик и квазаров. Характеристики пыли (концентрация частиц, химический состав, размер частиц и т. д.) значительно меняются от одного объекта к другому, даже для объектов одного типа. Космическая пыль рассеивает и поглощает падающее излучение. Рассеянное излучение с той же длиной волны, что и падающее, распространяется во все стороны. Излучение, поглощённое пылинкой, трансформируется в тепловую энергию, и частица излучает обычно в более длинноволновой области спектра по сравнению с падающим излучением. Оба процесса дают вклад в экстинкцию - ослабление излучения небесных тел пылью, находящейся на луче зрения между объектом и наблюдателем.

Пылевые объекты исследуют почти во всём диапазоне электромагнитных волн - от рентгеновского до миллиметрового. Электрическое дипольное излучение быстро вращающихся ультрамелких частиц, по-видимому, даёт некоторый вклад в микроволновое излучение на частотах 10-60 ГГц. Важную роль играют лабораторные эксперименты, в которых измеряют показатели преломления, а также спектры поглощения и матрицы рассеяния частиц - аналогов космических пылинок, моделируют процессы образования и роста тугоплавких пылинок в атмосферах звёзд и протопланетных дисках, изучают образование молекул и эволюцию летучих пылевых компонентов в условиях, похожих на существующие в тёмных межзвёздных облаках.

Космическую пыль, находящуюся в различных физических условиях, непосредственно изучают в составе упавших на поверхность Земли метеоритов, в верхних слоях земной атмосферы (межпланетная пыль и остатки небольших комет), при полётах КА к планетам, астероидам и кометам (околопланетная и кометная пыль) и за пределы гелиосферы (межзвёздная пыль). Наземные и космические дистанционные наблюдения космической пыли охватывают Солнечную систему (межпланетная, околопланетная и кометная пыль, пыль около Солнца), межзвёздную среду нашей Галактики (межзвёздная, околозвёздная и небулярная пыль) и других галактик (внегалактическая пыль), а также очень удалённые объекты (космологическая пыль).

Частицы космической пыли в основном состоят из углеродистых веществ (аморфный углерод, графит) и магниево-железистых силикатов (оливины, пироксены). Они конденсируются и растут в атмосферах звёзд поздних спектральных классов и в протопланетарных туманностях, а затем выбрасываются в межзвёздную среду давлением излучения. В межзвёздных облаках, особенно плотных, тугоплавкие частицы продолжают расти в результате аккреции атомов газа, а также при столкновении и слипании частиц друг с другом (коагуляции). Это ведёт к появлению оболочек из летучих веществ (в основном льдов) и к образованию пористых агрегатных частиц. Разрушение пылинок происходит в результате распыления в ударных волнах, возникающих после вспышек сверхновых звёзд, или испарения в процессе звездообразования, начавшемся в облаке. Оставшаяся пыль продолжает эволюционировать вблизи сформировавшейся звезды и позднее проявляется в форме межпланетного пылевого облака или кометных ядер. Парадоксально, но вокруг проэволюционировавших (старых) звёзд пыль является «свежей» (недавно образовавшейся в их атмосфере), а вокруг молодых звёзд - старой (проэволюционировавшей в составе межзвёздной среды). Предполагается, что космологическая пыль, возможно существующая в удалённых галактиках, сконденсировалась в выбросах вещества после взрывов массивных сверхновых звёзд.

Лит. смотри при ст. Межзвёздная пыль.

Здравствуйте. На этой лекции мы поговорим с вами о пыли. Но не о той, которая скапливается в ваших комнатах, а о космической пыли. Что же это такое?

Космическая пыль - это очень мелкие частицы твердого вещества, находящиеся в любой части Вселенной, в том числе, метеоритная пыль и межзвездное вещество, способное поглощать звездный свет и образующее темные туманности в галактиках. Сферические частицы пыли диаметром около 0,05 мм находят в некоторых морских отложениях; считается, что это остатки тех 5000 тонн космической пыли, которые ежегодно выпадают на земном шаре.

Ученые считают, что космическая пыль образуется не только от столкновения, разрушения мелких твердых тел, но и вследствие сгущения межзвездного газа. Космическую пыль различают по ее происхождению: пыль бывает межгалактическая, межзвездная, межпланетная и околопланетная (обычно в кольцевой системе).

Целые облака космической пыли, которые находятся в слое звезд, образующих Млечный Путь, мешают нам наблюдать дальние звездные скопления. Такое звездное скопление, как Плеяды, полностью погружено в пылевое облако. Самые яркие звезды, которые находятся в этом скоплении, освещают пыль, как фонарь освещает ночью туман. Космическая пыль может светить только отраженным светом.

Синие лучи света, проходя сквозь космическую пыль, ослабляются сильнее, чем красные, поэтому свет звезд, доходящий к нам, кажется желтоватым и даже красноватым. Целые области мирового пространства остаются закрытыми для наблюдения именно из-за космической пыли.

Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли - материя довольно изученная. 3аполняющая все пространство Солнечной системы и сконцентрированная в плоскости ее экватора, она родилась по большей части в результате случайных столкновений астероидов и разрушения комет, приблизившихся к Солнцу. Состав пыли, по сути, не отличается от состава падающих на Землю метеоритов: исследовать его очень интересно, и открытий в этой области предстоит сделать еще немало, но особенной интриги тут, похоже, нет. Зато благодаря именно этой пыли в хорошую погоду на западе сразу после заката или на востоке перед восходом солнца можно любоваться бледным конусом света над горизонтом. Это так называемый зодиакальный - солнечный свет, рассеянный мелкими космическими пылинками.

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

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль - в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники - новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 - 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.
Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль - продукт эволюции звезд. Иными словами - звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше - яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.
Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них - первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненны й путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет - слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, - тайна.

Посмотрев на время, профессор слегка улыбнулся.

Но эту тайну вы попробуете разгадать дома. Запишем задание.

Домашнее задание.

1. Попробуйте порассуждать, что появилось раньше, первая звезда или все же пыль?

Дополнительное задание.

1. Доклад про любой вид пыли (межзвездная, межпланетная, околопланетная, межгалактическая)

2. Сочинение. Представьте себя ученым, которому поручили исследовать космическую пыль.

3. Картинки.

Домашнее задание для студентов:

1. Зачем в космосе нужна пыль?

Дополнительное задание.

1. Доклад про любой вид пыли. Бывшие ученики школы правила помнят.

2. Сочинение. Исчезновение космической пыли.

3. Картинки.

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