Міжзоряний пил - це продукт різноманітних за своєю інтенсивністю процесів, що протікають у всіх куточках Всесвіту, а його невидимі частки досягають навіть поверхні Землі, літаючи в атмосфері навколо нас.

Багаторазово підтверджений факт – природа не любить порожнечі. Міжзоряний космічний простір, що представляється нам вакуумом, насправді заповнений газом та мікроскопічними, розміром 0,01-0,2 мкм, частинками пилу. Поєднання цих невидимих ​​елементів породжує об'єкти величезної величини, свого роду хмари Всесвіту, здатні поглинати деякі види спектрального випромінювання зірок, іноді повністю приховуючи їхню відмінність від земних дослідників.

З чого складається міжзоряний пил?

Ці мікроскопічні частинки мають ядро, яке формується у газовій оболонці зірок і повністю залежить від її складу. Наприклад, з крупиць вуглецевих світил утворюється графітовий пил, та якщо з кисневих - силікатна. Це цікавий процес, що триває цілими десятиліттями: при охолодженні зірки втрачають свої молекули, які відлітають у простір, з'єднуються в групи і стають основою ядра порошинки. Далі формується оболонка з атомів водню та складніших молекул. В умовах низьких температур міжзоряний пил знаходиться у вигляді кристаликів льоду. Мандруючи Галактикою, маленькі мандрівники втрачають частину газу при нагріванні, але місце молекул займають нові.

Розташування та властивості

Основна частина пилу, що припадає на нашу Галактику, зосереджена в області Чумацького Шляху. Вона виділяється на тлі зірок у вигляді чорних смуг та плям. Незважаючи на те, що вага пилу мізерна в порівнянні з вагою газу і становить лише 1%, вона здатна приховувати від нас небесні тіла. Хоча частинки один від одного і відокремлюють десятки метрів, але навіть у такій кількості найбільш щільні області поглинають до 95% світла, що випромінюється зірками. Розміри газопилових хмар у нашій системі справді величезні, вони вимірюються сотнями світлових років.

Вплив на спостереження

Глобули Теккерея роблять невидимою область неба, розташовану за ними

Міжзоряний пил поглинає більшу частину випромінювання зірок, особливо в синьому спектрі, вона спотворює їхнє світло і полярність. Найбільше спотворення набувають короткі хвилі далеких джерел. Мікрочастинки, змішані з газом, помітні як темних плям на Чумацькому Шляху.

У зв'язку з цим фактором ядро ​​нашої Галактики повністю приховано та доступне для спостереження лише в інфрачервоних променях. Хмари з високою концентрацією пилу стають практично непрозорими, тому частинки, що знаходяться всередині, не втрачають крижану оболонку. Сучасні дослідники та вчені вважають, що саме вони, злипаючись, утворюють ядра нових комет.

Наукою підтверджено вплив гранул пилу на процеси утворення зірок. Ці частинки містять різні речовини, у тому числі метали, які є каталізаторами численних хімічних процесів.

Наша планета щороку збільшує свою масу за рахунок падаючого міжзоряного пилу. Звичайно, ці мікроскопічні частинки непомітні, а щоб їх знайти та вивчити досліджують дно океану та метеорити. Збір та доставка міжзоряного пилу стали однією з функцій космічних апаратів та місій.

При попаданні в атмосферу Землі великі частки втрачають свою оболонку, а дрібні незримо кружляють роками довкола нас. Космічний пил всюдисущий і схожий у всіх галактиках, астрономи регулярно спостерігають темні рисочки на лику далеких світів.

По масі тверді частинки пилу становлять мізерно малу частину Всесвіту, проте саме завдяки міжзоряному пилу виникли і продовжують з'являтися зірки, планети і люди, що вивчають космос і просто ті, що любляться зірками. Що ж це за субстанція така – космічний пил? Що змушує людей споряджати в космос експедиції вартістю в річний бюджет невеликої держави в надії лише, а не в твердій впевненості добути і привезти на Землю хоч крихітну жменьку міжзоряного пилу?

Між зірок та планет

Пилом в астрономії називають невеликі, розміром долі мікрона, тверді частинки, що літають у космічному просторі. Часто космічний пил умовно поділяють на міжпланетний і міжзоряний, хоча, очевидно, і міжзоряний вхід у міжпланетний простір не заборонено. Просто знайти її там, серед «місцевого» пилу, нелегко, ймовірність невисока, та й властивості її поблизу Сонця можуть суттєво змінитись. Ось якщо відлетіти подалі, до меж Сонячної системи, там ймовірність упіймати справжній міжзоряний пил дуже велика. Ідеальний варіант – взагалі вийти за межі Сонячної системи.

Пил міжпланетний, принаймні, у порівняльній близькості від Землі — матерія досить вивчена. Заповнює весь простір Сонячної системи і сконцентрована в площині її екватора, вона народилася здебільшого внаслідок випадкових зіткнень астероїдів та руйнування комет, що наблизилися до Сонця. Склад пилу, по суті, не відрізняється від складу метеоритів, що падають на Землю: досліджувати його дуже цікаво, і відкриттів у цій галузі належить зробити ще чимало, але особливої ​​інтриги тут, схоже, немає. Зате завдяки цьому пилу в хорошу погоду на заході відразу після заходу сонця або на сході перед сходом сонця можна милуватися блідим конусом світла над горизонтом. Це так зване зодіакальне — сонячне світло, розсіяне дрібними космічними порошинками.

Куди цікавіший пил міжзоряний. Відмінна її особливість – наявність твердого ядра та оболонки. Ядро складається, мабуть, в основному з вуглецю, кремнію та металів. А оболонка — переважно з газоподібних елементів, що намерзли на поверхню ядра, закристалізувалися в умовах «глибокого заморожування» міжзоряного простору, а це близько 10 кельвінів, водню та кисню. Втім, бувають у ній домішки молекул і складніші. Це аміак, метан і навіть багатоатомні органічні молекули, які налипають на порошинку або утворюються на її поверхні під час поневірянь. Частина цих речовин, зрозуміло, летить з її поверхні, наприклад, під дією ультрафіолету, але цей процес оборотний - одні відлітають, інші намерзають або синтезуються.

Зараз у просторі між зірками або поблизу них вже знайдені, зрозуміло, не хімічними, а фізичними, тобто спектроскопічними методами: вода, оксиди вуглецю, азоту, сірки та кремнію, хлористий водень, аміак, ацетилен, органічні кислоти, такі як мурашина та оцтова, етиловий та метиловий спирти, бензол, нафталін. Знайшли навіть амінокислоту – гліцин!

Цікаво було б зловити і вивчити міжзоряний пил, що проникає в Сонячну систему і, напевно, падає на Землю. Проблема по її «відлову» нелегка, тому що зберегти свою крижану «шубу» в сонячних променях, тим більше в атмосфері Землі, мало якій міжзоряній порошинці вдається. Великі занадто сильно нагріваються - їхня космічна швидкість не може швидко погаситися, і порошинки «обгорають». Дрібні, щоправда, планують в атмосфері роками, зберігаючи частину оболонки, але вже виникає проблема знайти їх і ідентифікувати.

Є ще одна, дуже інтригуюча деталь. Стосується вона того пилу, ядра якого складаються з вуглецю. Вуглець, синтезований в ядрах зірок і що йде в космос, наприклад, з атмосфери старіючих (типу червоних гігантів) зірок, вилітаючи в міжзоряний простір, охолоджується і конденсується приблизно так само, як після спекотного дня збирається в низинах туман з пари води. Залежно від умов кристалізації можуть вийти шаруваті структури графіту, кристали алмазу (тільки уявіть цілі хмари крихітних алмазів!) і навіть порожнисті кульки з атомів вуглецю (фулерени). На них, можливо, як у сейфі чи контейнері, зберігаються частинки атмосфери зірки дуже древньої. Знайти такі порошинки було б величезним успіхом.

Де водиться космічний пил?

Треба сказати, що саме поняття космічного вакууму, як чогось зовсім порожнього, давно залишилося лише поетичною метафорою. Насправді весь простір Всесвіту, і між зірками, і між галактиками, заповнений речовиною, потоками елементарних частинок, випромінюванням та полями – магнітним, електричним та гравітаційним. Все, що можна, умовно кажучи, доторкнутися, - це газ, пил і плазма, внесок яких у загальну масу Всесвіту, за різними оцінками, становить близько 1-2% при середній щільності близько 10-24 г/см 3 . Гази у просторі найбільше, майже 99%. В основному це водень (до 77,4%) та гелій (21%), на частку інших припадає менше двох відсотків маси. А ще є пил - за масою його майже в сто разів менше, ніж газу.

Хоча іноді порожнеча у міжзоряному та міжгалактичному просторах майже ідеальна: часом на один атом речовини там припадає 1 л простору! Такого вакууму немає в земних лабораторіях, ні в межах Сонячної системи. Для порівняння можна навести такий приклад: в 1 см 3 повітря, яким ми дихаємо, приблизно 30 000 000 000 000 000 молекул.

Розподілено цю матерію у міжзоряному просторі дуже нерівномірно. Більшість міжзоряного газу та пилу утворює газопиловий шар поблизу площини симетрії диска Галактики. Його товщина в нашій Галактиці – кілька сотень світлових років. Найбільше газу та пилу в її спіральних гілках (рукавах) та ядрі зосереджено переважно у гігантських молекулярних хмарах розмірами від 5 до 50 парсек (16—160 світлових років) та масою в десятки тисяч і навіть мільйони мас Сонця. Але й усередині цих хмар речовина розподілена теж неоднорідно. В основному обсязі хмари, так званій шубі, переважно з молекулярного водню, щільність часток становить близько 100 штук на 1 см 3 . В ущільненнях усередині хмари вона досягає десятків тисяч частинок в 1 см 3 , а в ядрах цих ущільнень - взагалі мільйонів частинок в 1 см 3 . Ось цієї нерівномірності у розподілі речовини у Всесвіті зобов'язані існуванням зірки, планети і зрештою ми самі. Тому що саме у молекулярних хмарах, щільних та порівняно холодних, і зароджуються зірки.

Що цікаво: чим вища щільність хмари, тим різноманітніша вона за складом. При цьому є відповідність між щільністю та температурою хмари (або окремих її частин) та тими речовинами, молекули яких там зустрічаються. З одного боку, це зручно для вивчення хмар: спостерігаючи за окремими їх компонентами в різних спектральних діапазонах за характерними лініями спектру, наприклад, СО, ВІН або NH 3 можна «зазирнути» в ту чи іншу його частину. А з іншого — дані про склад хмари дозволяють багато дізнатися про процеси, що в ньому відбуваються.

Крім того, у міжзоряному просторі, судячи з спектрів, є й такі речовини, існування яких у земних умовах просто неможливе. Це іони та радикали. Їхня хімічна активність настільки висока, що на Землі вони негайно вступають у реакції. А у розрідженому холодному просторі космосу вони живуть довго та цілком вільно.

Загалом газ у міжзоряному просторі буває не лише атомарним. Там, де холодніше, трохи більше 50 кельвінів, атомам вдається утриматися разом, утворюючи молекули. Проте велика маса міжзоряного газу перебуває все-таки в атомарному стані. Здебільшого це водень, його нейтральна форма виявили порівняно недавно — 1951 року. Як відомо, він випромінює радіохвилі завдовжки 21 см (частота 1420 МГц), за інтенсивністю яких і встановили, скільки ж його в Галактиці. До речі, він і в просторі між зірками розподілений неоднорідно. У хмарах атомарного водню його концентрація досягає декількох атомів в 1 см 3 але між хмарами вона на порядки менше.

Нарешті, поблизу гарячих зірок газ існує як іонів. Потужне ультрафіолетове випромінювання нагріває та іонізує газ, і він починає світитися. Саме тому області з високою концентрацією гарячого газу, з температурою близько 10 000 К виглядають як хмари, що світяться. Їх і називають світлими газовими туманностями.

І в будь-якій туманності, у більшій чи меншій кількості, є міжзоряний пил. Незважаючи на те, що умовно туманності ділять на пилові та газові, пил є і в тих, і в інших. І в будь-якому випадку саме пил, мабуть, допомагає зіркам утворюватися в надрах туманностей.

Туманні об'єкти

Серед усіх космічних об'єктів туманності, можливо, найкрасивіші. Щоправда, темні туманності у видимому діапазоні виглядають просто як чорні плями на небі — найкраще їх спостерігати на тлі Чумацького Шляху. Зате в інших діапазонах електромагнітних хвиль, наприклад, інфрачервоному, вони видно дуже добре — і картинки виходять дуже незвичайними.

Туманностями називають відокремлені у просторі, пов'язані силами гравітації чи зовнішнім тиском скупчення газу та пилу. Їхня маса може бути від 0,1 до 10 000 мас Сонця, а розмір - від 1 до 10 парсек.

Спочатку туманності астрономів дратували. Аж до середини XIX століття виявлені туманності розглядали як прикру заваду, що заважала спостерігати зірки та шукати нові комети. У 1714 році англієць Едмонд Галлей, ім'я якого носить знаменита комета, навіть склав «чорний список» із шести туманностей, щоб ті не вводили в оману «ловців комет», а француз Шарль Месьє розширив цей список до 103 об'єктів. На щастя, туманностями зацікавилися закоханий в астрономію музикант сер Вільям Гершель, його сестра та син. Спостерігаючи небо за допомогою побудованих своїми руками телескопів, вони залишили по собі каталог туманностей і зоряних скупчень, що налічує відомості про 5079 космічних об'єктів!

Гершелі практично вичерпали можливості оптичних телескопів тих років. Однак винахід фотографії і великий час експонування дозволили знайти і об'єкти, що зовсім слабко світяться. Трохи пізніше спектральні методи аналізу, спостереження у різних діапазонах електромагнітних хвиль надали можливість надалі не лише виявляти багато нових туманностей, а й визначати їхню структуру та властивості.

Міжзоряна туманність виглядає світлою у двох випадках: або вона настільки гаряча, що її газ сам світиться, такі туманності називають емісійними; або сама туманність холодна, але її пил розсіює світло яскравої зірки, що знаходиться поблизу, - це відбивна туманність.

Темні туманності - це також міжзоряні скупчення газу та пилу. Але на відміну від світлих газових туманностей, відомих часом навіть у сильний бінокль чи телескоп, як, наприклад, туманність Оріона, темні туманності світло не випромінюють, а поглинають. Коли світло зірки проходить крізь такі туманності, пил може повністю поглинути його, перетворивши на ІЧ-випромінювання, невидиме оком. Тому виглядають такі туманності, як беззорі провали на небі. В. Гершель називав їх «дірками в небі». Можливо, найефектніша з них — туманність кінської голови.

Втім, порошинки можуть не повністю поглинути світло зірок, але лише частково розсіяти його, при цьому вибірково. Справа в тому, що розмір часток міжзоряного пилу близький до довжини хвилі синього світла, тому він сильніше розсіюється і поглинається, а до нас краще доходить "червона" частина світла зірок. Між іншим, це хороший спосіб оцінити розмір порошинок після того, як вони послаблюють світло різних довжин хвиль.

Зірка з хмари

Причини, з яких виникають зірки, точно не встановлені - є тільки моделі, які більш-менш достовірно пояснюють експериментальні дані. Крім того, шляхи освіти, властивості та подальша доля зірок дуже різноманітні та залежать від дуже багатьох факторів. Проте є усталена концепція, вірніше, найбільш опрацьована гіпотеза, суть якої, у найзагальніших рисах, у тому, що зірки формуються з міжзоряного газу областях з підвищеною щільністю речовини, тобто у надрах міжзоряних хмар. Пил як матеріал можна було б не враховувати, але його роль формуванні зірок величезна.

Відбувається це (в самому примітивному варіанті, для одиночної зірки), мабуть, так. Спочатку з міжзоряного середовища конденсується протозоряна хмара, що, можливо, відбувається через гравітаційну нестійкість, проте причини можуть бути різними і до кінця ще не зрозумілі. Так чи інакше, воно стискується і притягує до себе речовину з навколишнього простору. Температура і тиск у його центрі зростають до тих пір, поки молекули в центрі цієї газової кулі, що стискається, не починають розпадатися на атоми і потім на іони. Такий процес охолоджує газ і тиск усередині ядра різко падає. Ядро стискається, а всередині хмари поширюється ударна хвиля, що відкидає зовнішні шари. Утворюється протозірка, яка продовжує стискатися під дією сил тяжіння доти, доки в центрі її не починаються реакції термоядерного синтезу — перетворення водню на гелій. Стиснення триває ще якийсь час, доки сили гравітаційного стиску не врівноважаться силами газового та променистого тиску.

Зрозуміло, що маса зірки, що утворилася, завжди менша за масу «породила» її туманності. Частина речовини, що не встигла впасти на ядро, під час цього процесу «вимітається» ударною хвилею, випромінюванням і потоками частинок просто в навколишній простір.

На процес формування зірок і зоряних систем впливають багато факторів, у тому числі і магнітне поле, яке часто сприяє «розриву» протозіркової хмари на два, рідше три фрагменти, кожен з яких під дією гравітації стискається у свою протозірку. Так виникають, наприклад, багато подвійних зіркових систем — дві зірки, які обертаються навколо загального центру мас і переміщуються у просторі як єдине ціле.

У міру «старіння» ядерне паливо в надрах зірок поступово вигоряє, причому тим швидше, чим більша зірка. У цьому водневий цикл реакцій змінюється гелієвим, потім результаті реакцій ядерного синтезу утворюються дедалі важчі хімічні елементи, до заліза. Зрештою ядро, що не отримує більше енергії від термоядерних реакцій, різко зменшується в розмірі, втрачає свою стійкість, і його речовина як би падає сама на себе. Відбувається потужний вибух, під час якого речовина може нагріватися до мільярдів градусів, а взаємодії між ядрами призводять до утворення нових хімічних елементів, аж до найважчих. Вибух супроводжується різким вивільненням енергії та викидом речовини. Зірка вибухає - цей процес називають спалахом надновим. Зрештою зірка, залежно від маси, перетвориться на нейтронну зірку або чорну дірку.

Напевно, так все й трапляється насправді. У всякому разі, не викликає сумнівів той факт, що молодих, тобто гарячих, зірок та їх скупчень найбільше саме в туманностях, тобто в областях з підвищеною щільністю газу та пилу. Це добре видно на фотографіях, отриманих телескопами у різних діапазонах довжин хвиль.

Зрозуміло, це лише грубе виклад послідовності подій. Для нас принципово важливі два моменти. Перший — якою є роль пилу в процесі утворення зірок? І другий – звідки, власне, вона береться?

Всесвітній холодоагент

У загальній масі космічної речовини власне пилу, тобто об'єднаних у тверді частки атомів вуглецю, кремнію та деяких інших елементів, настільки мало, що їх, у всякому разі, як будівельний матеріал для зірок, начебто, можна й не брати до уваги. Проте насправді їхня роль велика — саме вони охолоджують гарячий міжзоряний газ, перетворюючи його на ту саму холодну щільну хмару, з якої потім виходять зірки.

Справа в тому, що сам собою міжзоряний газ охолонитися не може. Електронна структура атома водню така, що надлишок енергії, якщо такий є, він може віддати, випромінюючи світло у видимій та ультрафіолетовій областях спектру, але не в інфрачервоному діапазоні. Образно кажучи, водень не вміє випромінювати тепло. Щоб добре охолонути, йому потрібен «холодильник», роль якого якраз і грають частинки міжзоряного пилу.

Під час зіткнення з порошинками на великій швидкості - на відміну від більш важких і повільних порошинок молекули газу літають швидко - вони втрачають швидкість і їхня кінетична енергія передається порошинці. Так само нагрівається і віддає це надлишкове тепло в навколишній простір, у тому числі у вигляді ІЧ-випромінювання, а сама при цьому остигає. Так, приймаючи він тепло міжзоряних молекул, пил діє як своєрідний радіатор, охолоджуючи хмару газу. За масою її небагато - близько 1% від маси всієї речовини хмари, але цього достатньо, щоб за мільйони років відвести надлишок тепла.

Коли ж температура хмари падає, падає і тиск, хмара конденсується і вже можуть народитися зірки. Залишки ж матеріалу, з якого народилася зірка, є у свою чергу вихідним для утворення планет. Ось у їх склад порошинки вже входять, причому у більшій кількості. Тому що, народившись, зірка нагріває та розганяє навколо себе весь газ, а пил залишається літати поблизу. Адже вона здатна охолоджуватись і притягується до нової зірки набагато сильніше, ніж окремі молекули газу. Зрештою, поруч із новонародженою зіркою виявляється пилова хмара, а на периферії — насичений пилом газ.

Там народжуються газові планети, такі як Сатурн, Уран та Нептун. А поблизу зірки з'являються тверді планети. У нас це Марс, Земля, Венера та Меркурій. Виходить досить чіткий поділ на дві зони: газові планети та тверді. Так що Земля значною мірою виявилася зроблена саме з міжзоряних порошинок. Металеві порошинки увійшли до складу ядра планети, і зараз Земля має величезне залізне ядро.

Таємниця юного Всесвіту

Якщо галактика сформувалася, то звідки в ній береться пил — у принципі, вченим зрозуміло. Найбільш значні її джерела — нові та наднові, що втрачають частину своєї маси, «скидаючи» оболонку в навколишній простір. Крім того, пил народжується і в атмосфері червоних гігантів, що розширюється, звідки вона буквально вимітається тиском випромінювання. У їхній прохолодній, за мірками зірок, атмосфері (близько 2,5 - 3 тисячі кельвінів) досить багато порівняно складних молекул.

Але загадка, не розгадана досі. Завжди вважалося, що пил є продуктом еволюції зірок. Іншими словами - зірки повинні зародитися, проіснувати якийсь час, постаріти і, скажімо, в останньому спалаху наднової зробити пил. Тільки що з'явилося раніше — яйце чи курка? Перший пил, необхідний для народження зірки, або перша зірка, яка чомусь народилася без допомоги пилу, постаріла, вибухнула, утворивши найперший пил.

Що було спочатку? Адже коли 14 млрд. років тому стався Великий вибух, у Всесвіті були лише водень та гелій, жодних інших елементів! Це потім з них почали зароджуватися перші галактики, величезні хмари, а в них перші зірки, яким треба було пройти довгий життєвий шлях. Термоядерні реакції в ядрах зірок повинні були «зварити» складніші хімічні елементи, перетворити водень і гелій на вуглець, азот, кисень і так далі, а вже після цього зірка повинна була викинути все це в космос, вибухнувши або поступово скинувши оболонку. Потім цій масі потрібно було охолоне, охолонути і, нарешті, перетворитися на пил. Але вже через 2 млрд. років після Великого вибуху, в ранніх галактиках, пил був! За допомогою телескопів її виявили в галактиках, що віддалені від нашої на 12 млрд. світлових років. Водночас 2 млрд. років — надто маленький термін для повного життєвого циклу зірки: за цей час більшість зірок не встигає постаріти. Звідки в юній Галактиці взявся пилюка, якщо там не повинно бути нічого, крім водню та гелію, — таємниця.

Пилинка - реактор

Мало того, що міжзоряний пил виступає в ролі своєрідного всесвітнього холодоагенту, можливо, саме завдяки пилу в космосі з'являються складні молекули.

Справа в тому, що поверхня порошинки може служити одночасно і реактором, в якому утворюються атоми молекули, і каталізатором реакцій їх синтезу. Адже ймовірність того, що відразу багато атомів різних елементів зіткнуться в одній точці, та ще й провзаємодіють між собою при температурі трохи вище за абсолютного нуля, неймовірно мала. Зате ймовірність того, що порошинка послідовно зіткнеться в польоті з різними атомами або молекулами, особливо всередині холодної щільної хмари, досить велика. Власне, це і відбувається - так утворюється оболонка міжзоряних порошинок з намерзлих на неї зустрінутих атомів і молекул.

На твердій поверхні атоми виявляються поруч. Мігруючи по поверхні порошинки у пошуках найбільш енергетично вигідного становища, атоми зустрічаються і, опиняючись у безпосередній близькості, отримують можливість прореагувати між собою. Зрозуміло, дуже повільно - відповідно до температури порошинки. Поверхня частинок, що особливо містять в ядрі метал, може виявити властивості каталізатора. Хіміки на Землі добре знають, що найефективніші каталізатори - це якраз частинки розміром у частки мікрона, на яких збираються, а потім і вступають у реакції молекули, у звичайних умовах один до одного абсолютно «байдужі». Мабуть, так утворюється і молекулярний водень: його атоми «налипають» на порошинку, а потім відлітають із неї — але вже парами, як молекул.

Дуже можливо, що маленькі міжзоряні порошинки, зберігши у своїх оболонках кілька органічних молекул, у тому числі найпростіших амінокислот, і занесли на Землю перше «насіння життя» близько 4 млрд. років тому. Це, звичайно, не більш ніж гарна гіпотеза. Але на її користь свідчить те, що у складі холодних газопилових хмар знайдено амінокислоту — гліцин. Може, є й інші, просто поки що можливості телескопів не дозволяють їх виявити.

Полювання за пилом

Досліджувати властивості міжзоряного пилу можна, зрозуміло, з відривом — з допомогою телескопів та інших приладів, розташованих Землі чи її супутниках. Але куди привабливіше міжзоряні порошинки зловити, а потім вже докладно вивчити, з'ясувати - не теоретично, а практично, з чого вони складаються, як влаштовані. Варіантів тут два. Можна дістатися космічних глибин, набрати там міжзоряного пилу, привезти Землю і проаналізувати усіма можливими способами. А можна спробувати вилетіти за межі Сонячної системи та шляхом аналізувати пил прямо на борту космічного корабля, відправляючи на Землю отримані дані.

Першу спробу привезти зразки міжзоряного пилу і взагалі речовини міжзоряного середовища кілька років тому зробило NASA. Космічний корабель оснастили спеціальними пастками - колекторами для збирання міжзоряного пилу та частинок космічного вітру. Щоб упіймати порошинки, не втративши при цьому їхню оболонку, пастки наповнили особливою речовиною — так званим аерогелем. Ця дуже легка піниста субстанція (склад якої – комерційна таємниця) нагадує желе. Потрапивши в неї, порошинки застрягають, а далі, як у будь-якій пастці, кришка захлопується, щоб бути відкритою вже на Землі.

Цей проект так і називався Stardust - Зоряний пил. Програма у нього грандіозна. Після старту в лютому 1999 року апаратура на його борту зрештою має зібрати зразки міжзоряного пилу і окремо - пил у безпосередній близькості від комети Wild-2, що пролітала неподалік Землі у лютому минулого року. Тепер із контейнерами, наповненими цим найціннішим вантажем, корабель летить додому, щоб приземлитися 15 січня 2006 року в штаті Юта, неподалік Солт-Лейк-Сіті (США). Ось тоді астрономи нарешті побачать на власні очі (за допомогою мікроскопа, звичайно) ті самі порошинки, моделі складу і будівлі яких вони вже спрогнозували.

А у серпні 2001 року за зразками речовини із глибокого космосу полетів Genesis. Цей проект NASA був націлений в основному на затримання частинок сонячного вітру. Провівши в космічному просторі 1127 днів, за які він пролетів близько 32 млн. км, корабель повернувся і скинув на Землю капсулу з отриманими зразками - пастками з іонами, частинками сонячного вітру. На жаль, сталося нещастя - парашут не розкрився, і капсула з усього маху шльопнулася об землю. І розбилася. Звичайно, уламки зібрали та ретельно вивчили. Втім, у березні 2005-го на конференції в Х'юстоні учасник програми Дон Барнетті заявив, що чотири колектори з частинками сонячного вітру не постраждали, і їх вміст, 0,4 мг упійманого сонячного вітру, вчені активно вивчають у Х'юстоні.

Втім, зараз NASA готує третій проект, ще грандіозніший. Це буде космічна місія InterStellar Probe. На цей раз космічний корабель відійде на відстань 200 а. е. від Землі (а. е. - відстань від Землі до Сонця). Цей корабель ніколи не повернеться, але весь буде «напханий» найрізноманітнішою апаратурою, у тому числі й для аналізу зразків міжзоряного пилу. Якщо все вийде, міжзоряні порошинки з глибокого космосу будуть нарешті спіймані, сфотографовані та проаналізовані автоматично, прямо на борту космічного корабля.

Формування молодих зірок

1. Гігантська галактична молекулярна хмара розміром 100 парсек, масою 100 000 сонців, температурою 50 К, щільністю 10 2 частинок/см 3 . Усередині цієї хмари є великомасштабні конденсації - дифузні газопилові туманності (1-10 пк, 10 000 сонць, 20 К, 10 3 частинок/см 3) і дрібні конденсації - газопилові туманності (до 1пк, 100-1 00сол 4 частинок/см3). Усередині останніх якраз і знаходяться згусткиглобули розміром 0,1 пк, масою 1-10 сонців і щільністю 10 -10 6 частинок/см 3 де формуються нові зірки

2. Народження зірки всередині газопилової хмари

3. Нова зірка своїм випромінюванням та зоряним вітром розганяє від себе навколишній газ

4. Молода зірка виходить у чистий і вільний від газу і пилу космос, відсунувши туманність, що породила її.

Етапи «ембріонального» розвитку зірки, за масою, що дорівнює Сонцю

5. Зародження гравітаційно-нестійкої хмари розміром 2 000 000 сонців з температурою близько 15 К і вихідною щільністю 10 -19 г/см 3

6. Через кілька сотень тисяч років у цієї хмари утворюється ядро ​​з температурою близько 200 К і розміром 100 сонців, маса його поки що дорівнює лише 0,05 від сонячної.

7. На цій стадії ядро ​​з температурою до 2000 К різко стискається через іонізації водню і одночасно розігрівається до 20 000 К, швидкість падіння речовини на зірку, що росте, досягає 100 км/с

8. Протозірка розміром два сонця з температурою в центрі 2x10 5 К, а на поверхні — 3x10 3 К

9. Останній етап передеволюції зірки - повільне стиснення, у процесі якого вигоряють ізотопи літію та берилію. Тільки після підвищення температури до 6x10 6 До надрах зірки запускаються термоядерні реакції синтезу гелію з водню. Загальна тривалість циклу зародження зірки типу Сонця становить 50 млн. років, після чого така зірка може спокійно горіти мільярди років

Ольга Максименко, кандидат хімічних наук

Космічний рентгенівський фон

Коливання та хвилі: Характеристики різних коливальних систем (осциляторів).

Розрив Всесвіту

Пилові навколопланетні комплекси: fig4

Властивості космічного пилу

С. В. Божокін Санкт-Петербурзький державний технічний університет	Зміст

Вступ

Багато людей із захопленням милуються прекрасним видовищем зоряного неба, одного з найбільших творів природи. У ясному осінньому небі добре помітно, як через все небо пролягає смуга, що слабо світиться, звана Чумацьким Шляхом, що має неправильні обриси з різною шириною і яскравістю. Якщо розглядати Чумацький Шлях, що утворює нашу Галактику, в телескоп, то виявиться, що ця яскрава смуга розпадається на безліч зірок, що слабко світяться, які для неозброєного ока зливаються в суцільне сяйво. В даний час встановлено, що Чумацький Шлях складається не тільки із зірок та зоряних скупчень, але також із газових та пилових хмар.

Величезні міжзоряні хмаризі світних розріджених газівотримали назву газових дифузних туманностей. Одна з найвідоміших - туманність у сузір'ї Оріону, Яка видно навіть неозброєним оком близько середньої з трьох зірочок, що утворюють "меч" Оріона. Гази, що її утворюють, світяться холодним світлом, перевипромінюючи світло сусідніх гарячих зірок. До складу газових дифузних туманностей входять головним чином водень, кисень, гелій та азот. Такі газові або дифузні туманності є колискою для молодих зірок, які народжуються так само, як колись народилася наша сонячна система. Процес зореутворення безперервний, і зірки продовжують виникати й сьогодні.

В міжзоряному просторіспостерігаються також дифузні пилові туманності. Ці хмари складаються з найдрібніших твердих порошин. Якщо поблизу пилової туманності виявиться яскрава зірка, то її світло розсіюється цією туманністю і пилова туманність стає безпосередньо спостерігається(Рис. 1). Газові та пилові туманності можуть взагалі поглинати світло зірок, що лежать за ними, тому на знімках неба вони часто видно як чорні провали на тлі Чумацького Шляху. Такі туманності називають темними. На небі південної півкулі є одна дуже велика темна туманність, яку мореплавці прозвали Вугільним мішком. Між газовими та пиловими туманностями немає чіткої межі, тому часто вони спостерігаються як газопилові туманності.

Дифузні туманності є лише ущільненнями у тій вкрай розрідженій міжзоряної матерії, яка отримала назву міжзоряного газу. Міжзоряний газ виявляється лише за спостереження спектрів далеких зірок, викликаючи у яких додаткові. Адже на великій протяжності навіть такий розріджений газ може поглинати випромінювання зірок. Виникнення та бурхливий розвиток радіоастрономіїдозволили виявити цей невидимий газ по тих радіохвилях, які він випромінює. Величезні темні хмари міжзоряного газу складаються в основному з водню, який навіть за низьких температур випромінює радіохвилі на довжині 21 см. Ці радіохвилі безперешкодно проходять крізь газ та пил. Саме радіоастрономія допомогла нам у дослідженні форми Чумацького Шляху. Сьогодні ми знаємо, що газ і пил, перемішаний з великими скупченнями зірок, утворюють спіраль, гілки якої, виходячи з центру Галактики, обвивають її середину, створюючи щось схоже на каракатиці з довгими щупальцями, що потрапила у вир.

В даний час велика кількість речовини в нашій Галактиці знаходиться у вигляді газопилових туманностей. Міжзоряна дифузна матерія сконцентрована порівняно тонким шаром в екваторіальної площининашої зіркової системи. Хмари міжзоряного газу та пилу загороджують від нас центр Галактики. Через хмари космічного пилу десятки тисяч розсіяних зоряних скупчень залишаються для нас невидимими. Дрібний космічний пил не лише послаблює світло зірок, а й спотворює їх спектральний склад. Справа в тому, що коли світлове випромінювання проходить через космічний пил, воно не тільки послаблюється, але і змінює колір. Поглинання світла космічним пилом залежить від довжини хвилі, тому з усього оптичного спектру зіркисильніше поглинаються сині промені та слабші - фотони, що відповідають червоному кольору. Цей ефект призводить до явища почервоніння світла зірок, що пройшли через міжзоряне середовище.

Для астрофізиків велике значення має вивчення властивостей космічного пилу та з'ясування того впливу, який надає цей пил щодо фізичних характеристик астрофізичних об'єктів. Міжзоряне поглинання та міжзоряна поляризація світла, інфрачервоне випромінювання областей нейтрального водню, дефіцит хімічних елементіву міжзоряному середовищі, питання освіти молекул і народження зірок - у всіх цих проблемах велика роль належить космічного пилу, розгляду якостей якого і присвячена дана стаття.

Походження космічного пилу

Космічні порошинки виникають в основному в атмосферах зірок, що повільно закінчуються. червоних карликів, а також під час вибухових процесів на зірках та бурхливому викиді газу з ядер галактик . Іншими джерелами утворення космічного пилу є планетарні та протозоряні туманності , зіркові атмосферита міжзоряні хмари. У всіх процесах утворення космічних порошинок температура газу падає при русі газу назовні і в якийсь момент переходить через точку роси, при якій відбувається конденсація пар речовин, що утворюють ядра порошинок. Центрами утворення нової фази зазвичай є кластери. Кластери є невеликими групами атомів або молекул, що утворюють стійку квазімолекулу. При зіткненнях з зародком, що вже сформувався, порошинки до нього можуть приєднуватися атоми і молекули, або вступаючи в хімічні реакції з атомами порошинки (хемосорбція), або добудовуючи кластер, що формується. У найбільш щільних ділянках міжзоряного середовища, концентрація частинок в яких см -3 зростання палички може бути пов'язаний з процесами коагуляції , при яких порошинки можуть злипатися один з одним, не руйнуючись при цьому. Процеси коагуляції, що залежать від властивостей поверхні порошинок та їх температур, йдуть тільки в тому випадку, коли зіткнення між порошинками відбуваються при низьких відносних швидкостях зіткнень.

На рис. 2 показаний процес зростання кластерів космічної порошинки за допомогою приєднання мономерів. Отримана при цьому аморфна космічна порошинка може бути кластером атомів, що володіє фрактальними властивостями . Фракталаминазиваються геометричні об'єкти: лінії, поверхні, просторові тіла, що мають сильно порізану форму і мають властивість самоподібності . Самоподібністьозначає незмінність основних геометричних характеристик фрактального об'єктузміни масштабу. Наприклад, зображення багатьох фрактальних об'єктів виявляються дуже схожими зі збільшенням роздільної здатності в мікроскопі. Фрактальні кластери є сильно розгалужені пористі структури, що утворюються в сильно нерівноважних умовах при об'єднанні твердих частинок близьких розмірів в одне ціле. У земних умовах фрактальні агрегати виходять за релаксації париметалів у нерівноважних умовахпри утворенні гелів у розчинах, при коагуляції частинок у димах. Модель фрактальної космічної порошинки показана на рис. 3. Зазначимо, що процеси коагуляції порошин, що відбуваються в протозоряних хмарах та газопилових дисках, значно посилюються при турбулентному русіміжзоряної речовини.

Ядра космічних порошинок, що складаються з тугоплавких елементів, розміром соті частки мікрона утворюються в оболонках холодних зірок при плавному закінченні газу або під час вибухових процесів. Такі ядра порошинок стійкі до багатьох зовнішніх впливів.

Наука

Вчені помітили велику хмару космічного пилу, створену спалахом наднової.

Космічний пил може дати відповіді на питання про те, як на Землі з'явилося життя- чи зародилася вона тут, чи була занесена з кометами, що впали на Землю, чи була тут вода з самого її початку, чи вона була також занесена з космосу.

Недавній знімок хмари космічного пилу, який стався після спалаху наднового, доводить, щонаднові зіркиздатні виробляти достатньокосмічного пилу для створення таких планет як наша Земля.

Більше того, вчені вважають, що цього пилу вистачить, щоб створити тисячі такихпланет як Земля.

Дані телескопа показують теплий пил (білий колір), який вижив усередині залишку наднового. Хмара залишку наднової Стрілець А Схід показано синім кольором. Радіовипромінювання (червоний колір) вказує на зіткнення ударної хвилі, що розширюється, з навколишніми міжзоряними хмарами (зелений колір).

Варто зазначити, що космічний пил брало участь у створенні як нашої планети, так і багатьох інших космічних тіл. Вонаскладається з дрібних частинок розміром до 1 мікрометра.

Сьогодні вже відомо, що комети містять первинний пил, якому мільярди років, і який відігравав головну роль в утворенні Сонячної системи. Дослідивши цей пил можна багато дізнатися про те,як починала створюватися Всесвіт і наша Сонячна системазокрема, а також дізнатися більше про склад першої органічної матерії та води.

За словами Райана Лау (Ryan Lau) з Корнельського університету в Ітаці, Нью-Йорк,спалах,нещодавнознята телескопом, сталася 10 000 років тому, і в результаті утворилася хмара пилу достатнього розміру, щоб з ньоговийшло 7 000 планет, схожих на Землю.

Спостереження наднової зірки (Supernova)

За допомогою Стратосферна обсерваторія ІЧ-астрономії (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA), вчені вивчили інтенсивність випромінювань і змогли порахувати загальну масу космічного пилу в хмарі.

Варто зазначити, що SOFIA є спільним проектом НАСА та Німецького центру авіації та космонавтики. Метою проекту є створення та використання телескопа системи Кассегрена на борту літака Боїнг-474.

Під час польоту на висоті 12-14 кілометрів, Телескоп з діаметром кола 2,5 метра здатний створювати фотографії космосу, наближені за якістю до фотографій, які роблять космічні обсерваторії.

Під керівництвом Лау, команда використала телескоп SOFIA із спеціальною камероюFORCAST на борту,щоб зробити інфрачервоні знімки хмари з космічного пилу, також відомою, як залишок наднової Стрілець А Схід. FORCAST єінфрачервоною камерою виявлення слабоконтрастних об'єктів.

КОСМІЧНИЙ ПИЛ, тверді частинки з характерними розмірами від близько 0,001 мкм до близько 1 мкм (і, можливо, до 100 мкм і більше в міжпланетному середовищі та протопланетних дисках), виявлені майже у всіх астрономічних об'єктах: від Сонячної системи до дуже далеких гала . Характеристики пилу (концентрація частинок, хімічний склад, розмір часток тощо) значно змінюються від одного об'єкта до іншого, навіть для об'єктів одного типу. Космічний пил розсіює та поглинає падаюче випромінювання. Розсіяне випромінювання з тією ж довжиною хвилі, що і падаюче, поширюється на всі боки. Випромінювання, поглинене порошинкою, трансформується в теплову енергію, і частка випромінює зазвичай у більш довгохвильовій області спектра в порівнянні з падаючим випромінюванням. Обидва процеси дають внесок в екстинкцію - ослаблення випромінювання небесних тіл пилом, що перебуває на промені зору між об'єктом та спостерігачем.

Пилові об'єкти досліджують майже у всьому діапазоні електромагнітних хвиль – від рентгенівського до міліметрового. Електричне дипольне випромінювання ультрадрібних частинок, що швидко обертаються, мабуть, дає деякий внесок у мікрохвильове випромінювання на частотах 10-60 ГГц. Важливу роль відіграють лабораторні експерименти, в яких вимірюють показники заломлення, а також спектри поглинання та матриці розсіювання частинок - аналогів космічних порошинок, моделюють процеси утворення та зростання тугоплавких порошинок в атмосферах зірок і протопланетних дисках, вивчають утворення молекул та еволюцію. схожих на існуючі у темних міжзоряних хмарах.

Космічний пил, що знаходиться в різних фізичних умовах, безпосередньо вивчають у складі метеоритів, що впали на поверхню Землі, у верхніх шарах земної атмосфери (міжпланетний пил і залишки невеликих комет), при польотах КА до планет, астероїдів і комет (близькопланетна і кометна) межі геліосфери (міжзоряний пил). Наземні та космічні дистанційні спостереження космічного пилу охоплюють Сонячну систему (міжпланетний, навколопланетний та кометний пил, пил біля Сонця), міжзоряне середовище нашої Галактики (міжзоряний, призоряний та небулярний пил) та інших галактик (внегалактична пил).

Частинки космічного пилу в основному складаються з вуглецевих речовин (аморфний вуглець, графіт) та магнієво-залізистих силікатів (олівіни, піроксени). Вони конденсуються і ростуть в атмосферах зірок пізніх спектральних класів і протопланетарних туманностях, а потім викидаються в міжзоряне середовище тиском випромінювання. У міжзоряних хмарах, особливо щільних, тугоплавкі частинки продовжують зростати внаслідок акреції атомів газу, а також при зіткненні та злипанні частинок один з одним (коагуляції). Це веде до появи оболонок з летких речовин (в основному льодів) та утворення пористих агрегатних частинок. Руйнування порошинок відбувається в результаті розпилення в ударних хвилях, що виникають після спалахів наднових зірок, або випаровування в процесі зіркоутворення, що почалося у хмарі. Пил, що залишився, продовжує еволюціонувати поблизу сформованої зірки і пізніше проявляється у формі міжпланетної пилової хмари або кометних ядер. Парадоксально, але навколо зір, що проеволюціонували (старих), пил є «свіжим» (що нещодавно утворився в їх атмосфері), а навколо молодих зірок - старим (що проеволюціонував у складі міжзоряного середовища). Передбачається, що космологічний пил, можливо наявний у віддалених галактиках, сконденсувався у викидах речовини після вибухів масивних наднових зірок.

Літ. дивись за ст. Міжзоряний пил.