Облака космических масштабов: что такое туманности и какими они бывают

Захватывающие дух снимки далеких туманностей, сделанные с помощью наземных и космических телескопов, привлекают к себе внимание и нередко становятся призерами различных конкурсов астрофотографий. Но о том, что такое космические туманности, какими они бывают и представляют ли опасность для Земли, задумываются немногие. Ответы на эти и другие вопросы, связанные с изучением туманностей, Vokrugsveta.ru искал вместе с профессором РАН, заведующим отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрием Вибе.

Что такое туманность

Сегодня ученые понимают под туманностью (англ. nebula) насыщенную газом (преимущественно водородом) и пылью область межзвездной среды, которая испускает или поглощает излучение не так, как окружающее ее вещество.

— Туманность — это не объект, а его наблюдательное проявление, — говорит астроном Дмитрий Вибе. — Это любое «нечто», которое, в отличие от звезды, при наблюдении в телескоп, выглядит размытым туманным пятном.

Как открыли туманности

Первым, кто заинтересовался природой туманностей, стал современник Шарля Мессье Уильям Гершель, занимавшийся созданием карты звездного неба. Английский астроном заметил, что туманности могут быть достаточно разнообразны по своим формам и размерам. Он начал подозревать, что некоторые из них не являются звездными скоплениями, а представляют собой небесные объекты иного рода. Результатом его научной работы стал каталог звездных скоплений и туманностей, впервые опубликованный в 1786 году.

В XIX веке расширить представления о туманностях и создать их классификацию исследователям помогла спектроскопия — метод фиксации спектра излучения звезд и других объектов в разных диапазонах, позволяющий среди прочего определять их химический состав по пикам или провалам на длинах волн, соответствующих тем или иным элементам и соединениям.

Поначалу ученые применяли спектроскопию в наблюдениях за звездами, а спектр туманности первым получил в 1864 году английский астроном Уильям Хаггинс. Он же предположил, что по спектрам можно отличить туманность от галактики и звездного скопления, если они одинаково выглядят в телескоп. Еще в XIX веке спектры туманностей помогли исследователям установить наличие в них не только водорода, но и азота, а позднее — и кислорода.

Дальнейшие наблюдения позволили астрономам не только открыть новые туманности, но и разработать их классификацию, которая постепенно обрела современный вид. Кстати, туманность Андромеды — первое, что приходит на ум при слове «туманность» благодаря одноименному роману Ивана Ефремова — на поверку оказалась галактикой.

Какие бывают типы туманностей и как они образуются

В зависимости от состава и процессов, в которых участвуют туманности, их можно разделить на две основные группы: светлые и темные (компактные изолированные темные туманности называют также глобулами). Первые обладают собственным излучением или отражают свет других источников, а вторые — поглощают излучение звезд и светлых туманностей, расположенных позади них.

Темные туманности

Астрономы не сразу поняли, что темные туманности представляют собой отдельные объекты, а не пустые участки межзвездного пространства.

— Темные туманности — это всегда газопылевые облака разных форм и размеров. Пыль, которая в них содержится, настолько непрозрачная, что закрывает излучение тех объектов, которые оказались за этим облаком, — рассказывает Вибе.

Темные туманности часто находятся в областях активного звездообразования. Зачастую у них нет четко различимых границ. Хаотично расползающиеся облака порой принимают необычную форму, по которой им и даются названия. Например, темная туманность в созвездии Ориона зовется Конской Головой, а видимую невооруженным глазом темную туманность в созвездии Южного Креста моряки прозвали Угольным Мешком.

— Темные туманности — это наблюдательные проявления газопылевых облаков, в которых рождаются звезды, — объясняет Вибе. — В одном случае это способ посмотреть, как формируются звезды, как, например, в туманности Барнард 68. В другом, если брать ту же Конскую Голову, — возможность исследовать взаимодействие уже родившейся звезды с веществом соседнего молекулярного облака. Если подходить более глобально, то это способ исследования пространственного распределения газопылевой материи в нашей Галактике.

Светлые туманности

Если с темными туманностями все относительно просто, то у светлых есть особенности, которые позволяют разделить их на отражательные и эмиссионные.

Отражательные туманности — те же газопылевые облака, но они видны за счет того, что отражают свет расположенных рядом звезд. Таковы, например, туманности, окружающие звезды скопления Плеяды.

В свою очередь эмиссионные туманности представляют собой светящиеся облака раскаленного газа. Туманности такого типа имеют разную природу, поэтому делятся на три типа:

• остатки сверхновых;

• планетарные туманности;

• зоны ионизированного водорода.

Остатки сверхновых — это туманности, образованные из звездного и межзвездного вещества в результате вспышки сверхновой (коллапса ядра и грандиозного взрыва, которым заканчивается существование некоторых звезд).

Планетарные туманности также являются результатом эволюции звезд, но возникают они после превращения красного гиганта в белый карлик.

— Это более спокойно сброшенная оболочка в финале эволюции звезды типа Солнца. То, что осталось внутри (ядро звезды) продолжает нагревать эту оболочку, и она светится, — говорит Вибе про планетарные туманности.

Что же касается зон ионизированного водорода, то такие туманности являются облаками раскаленной плазмы в областях активного звездообразования, нагревающимися от расположенных внутри молодых массивных звезд. К зонам ионизированного водорода относится, к примеру, знаменитая туманность Ориона, находящаяся примерно в 1500 световых лет от Земли.

— Все зависит от того, за счет чего нагревается газ. Это может быть просто горячий газ, оставшийся после вспышки сверхновой. Или, как в случае с планетарной туманностью, это может быть газ, нагретый горячим ядром бывшей звезды, которое потом превращается в белый карлик. Если это туманность типа зона ионизированного водорода, то там есть горячие массивные звезды, которые нагревают газ, — подытоживает Вибе разницу между тремя типами эмиссионных туманностей.

Как нетрудно догадаться, туманности могут одновременно относиться к разным типам. Например, огромная эмиссионная туманность Киля, расположенная в одноименном созвездии, содержит в себе темные туманности, в частности, туманность Замочная Скважина, описанную сыном Уильяма Гершеля Джоном. Известная Тройная туманность в созвездии Стрельца является одновременно эмиссионной (зоной ионизированного водорода), темной и отражательной. Дмитрий Вибе называет ее «фрагментом молекулярного облака, освещенного горячими звездами».

Что дает науке изучение туманностей

Наблюдения в оптическом диапазоне, с которых начиналось изучение туманностей, давали лишь ограниченное представление о них. Но сегодня в распоряжении астрономов есть также инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и радиотелескопы, которые расширяют наши представления о туманностях и их роли во Вселенной.

— Изучение планетарных туманностей проясняет, как заканчивают свою жизнь маломассивные звезды, — говорит Дмитрий Вибе. — А наблюдения остатков сверхновых дают представление, как гибнут звезды большой массы и как они воздействуют на межзвездное вещество в Млечном Пути и других галактиках. Исследуя остатки сверхновых, мы понимаем, как в межзвездное вещество поступают тяжелые химические элементы.

— В темных и отражательных туманностях ученые исследуют структуры молекулярных облаков. Эмиссионные туманности помогают изучать процессы звездообразования и взаимодействия недавно родившихся звезд с родительскими молекулярными облаками, — добавляет профессор РАН.

Можно ли увидеть, как меняется та или иная туманность? Многолетние наблюдения за упомянутой выше Крабовидной туманностью с помощью космического телескопа «Хаббл» позволили зафиксировать движение ее «волокон». Но в целом различимые изменения в туманностях, даже в тех, что существуют относительно недолго, происходят на временных отрезках, существенно превосходящих человеческую жизнь.

Чем могут быть опасны туманности

Разглядывая фотографии космических туманностей, некоторые задаются вопросом, может ли Земля попасть в туманность и что в таком случае грозит нашей планете. По мнению Дмитрия Вибе, переживать из-за этого не стоит.

Оказаться в планетарной туманности у нас шансов нет (если не считать той, которая через несколько миллиардов лет разлетится от умирающего Солнца). Такие туманности невелики в размерах и постепенно рассеиваются за несколько тысяч лет, а звезды, способные породить планетарную туманность, находятся слишком далеко от Солнца.

Если же Земля попадет в остаток сверхновой, которая вспыхнет рядом с Солнечной системой, то опасность будет представлять, скорее, всплеск излучения, сопровождающий вспышку, а не разреженное вещество образованной в результате туманности. Как полагают ученые, вспышки сверхновых уже становились причиной массовых вымираний на Земле.

— Теоретически любое попадание в какое-либо вещество может оказаться для нас опасным. — считает Вибе. — Сейчас мы тоже летим через межзвездное вещество, которое налетает на Солнечную систему. Но нас от этого потока на расстоянии более 100 астрономических единиц (это далеко за орбитой Плутона) защищает солнечный ветер.

По словам астронома, потенциальная опасность кроется в том, что туманность — это признак наличия молекулярного облака. И если мы влетим именно в него, оно может сжать защитный «пузырь», образованный солнечным ветром, до размеров меньше орбиты Земли. Тогда вещество молекулярного облака (а это преимущественно молекулярный водород, который способен изменить состав атмосферы, сделав ее непригодной для дыхания) начнет выпадать на Землю.

— Но вероятность такого события крайне мала, — утешает ученый. — И о его приближении мы узнаем за миллионы лет.

Считавшиеся «космическим мусором» туманности сегодня можно смело назвать одними из самых красивых и завораживающих объектов во всем Млечном Пути. Одни из них представляют собой звездные колыбели, в которых рождаются новые светила, другие — своеобразные саваны, покрывающие звезды после окончания их основного жизненного цикла. Наблюдая за туманностями, мы узнаем больше не только о звездах, но и о межзвездном пространстве. И не можем сдержать восхищения, глядя на их фотографии.