Межзвёздная среда: различия между версиями

[[Файл:Localcloud_frisch_bigLocalcloud frisch big.gif |thumb|250px|Карта местного межзвёздного облака]]

В своём историческом исследовании спектра [[Минтака|Дельты Ориона]] [[Хартман, Йоханнес Франц|Гартман]] изучал движение по орбите компаньонов системы Дельты Ориона и свет, приходящий от звезды, и понял, что некоторая часть света поглощается на пути к Земле. [[Хартман, Йоханнес Франц|Гартман]] писал, что «линия поглощения [[Кальций|кальция]] очень слаба», а также, что «некоторым сюрпризом оказалось то, что линии кальция на длине волны 393,4 нанометров не движутся в периодическом расхождении линий спектра, которое присутствует в [[Двойная звезда#Спектрально-двойные звезды|спектроскопически-двойных звёздах]]». Стационарная природа этих линий позволила Гартману предположить, что газ, ответственный за поглощение, не присутствует в атмосфере Дельты Ориона, но, напротив, находится вне звезды и расположен между звездой и наблюдателем. Это исследование и стало началом изучения межзвездноймежзвёздной среды.

Дальнейшие исследования линий «H» и «K» [[Кальций|кальция]] Билзом<ref>[http://adsabs.harvard.edu/abs/1936MNRAS..96..661B Beals, C. S. (1936), «On the interpretation of interstellar lines»], Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 96: 661</ref> (1936) позволили обнаружить двойные и несимметричные профили спектра [[Альнилам|Эпсилон]] и [[Альнитак|Дзета Ориона]]. Это были первые комплексные исследования межзвёздной среды в созвездии [[Орион (созвездие)|Ориона]]. Асимметричность профилей линий поглощения была результатом наложения многочисленных линий поглощения, каждая из которых соответствовала атомным переходам (например, линия «K» кальция) и происходила в межзвёздных облаках, каждое из которых имело свою собственную [[Радиальная скорость|лучевую скорость]]. Так как каждое облако движется с разной скоростью в межзвёздном пространстве, как по направлению к Земле, так и удаляясь от неё, то в результате [[Эффект Доплера|эффекта Доплера]], линии поглощения сдвигались, либо в [[Фиолетовое смещение|фиолетовую]], либо в [[Красное смещение|красную]] сторону соответственно. Это исследование подтвердило, что материя не распределена равномерно по межзвёздному пространству.

В том же 1912-м году [[Гесс, Виктор Франц|Виктор Гесс]] открыл [[космические лучи]], энергичные заряженные частицы, которые бомбардируют [[Земля|Землю]] из космоса. Это позволило заявить некоторым исследователям, что они также наполняют собой межзвёздную среду. Норвежский физик [[Кристиан Биркеланд]] в 1913 году писал: «Последовательное развитие нашей точки зрения заставляет предполагать, что всё пространство заполнено электронами и свободными [[ион]]ами всякого рода. Мы также склонны полагать, что все звёздные системы произошли от заряженных частиц в космосе. И совершенно не кажется невероятным думать, что большая часть массы [[Вселенная|Вселенной]], может быть найдена не в звёздных системах или [[Туманность|туманностях]], но в „пустом“ пространстве»<ref>Birkeland, Kristian, «Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments», The Norwegian Aurora Polaris Expedition, 1902-03, New York: Christiania (Oslo), H. Aschelhoug & Co., pp. 720</ref>

! Температура <br />([[кельвин|КK]])

! Концентрация <br /> (см⁻³)

! Масса облаков <br />({{MoМасса Солнца}})

! Размер <br />([[парсек|пк]])

| ~5·10^{{e|5}}

| ~3·10^{{e|5}}

| ~3·10^{{e|−4}}

| ~3·10^{{e|−9}}

[[Файл:Crab_NebulaCrab Nebula.jpg|thumb|left|200px| [[Крабовидная туманность]], зелёный цвет — мазерное излучение]]

# Мазеры, ассоциирующиеся с молодыми (возраст 10⁵ лет) горячими [[OB-звёзды|ОВOB-звёздами]] (а возможно, и с протозвёздами) и находящиеся в областях звездообразования.

В межзвёздной среде концентрация атомов и, следовательно, [[оптическая толщина]] малы. Это значит, что [[эффективная температура]] излучения — это температура излучения звёзд {{nobr|(~5000 КK)}}, которая никак не соответствует температуре самой среды. При этом электронная и ионная температуры плазмы могут сильно отличаться друг от друга, поскольку обмен энергией при соударении происходит крайне редко. Таким образом, не существует единой температуры даже в локальном смысле.

И наконец, малая [[оптическая толщина]] для жёсткого излучения и быстрых заряженных частиц приводит к тому, что энергия, выделяющаяся в какой-либо области пространства, уносится на большие расстояния, и охлаждение идёт по всему объёму сразу, а не в локальном пространстве, расширяющемся со скоростью звука в среде. Аналогично и идёт нагрев. Теплопроводность не способна передать тепло от удалённого источника, и в дело вступают процессы, нагревающие большие объёмы сразу.

Для описания состояния газа введём объёмный коэффициент охлаждения <math>\Lambda(n,T)</math> и коэффициент объёмного нагрева <math>\Gamma(n,T).</math>. Тогда закон сохранения энергии элемента объёма {{math|''dV''}} с внутренней энергией {{math|''E''}} и давлением {{math|''P''}} запишется как:

Ударные волны возникают при процессах, идущих со сверхзвуковыми скоростями (для МЗС это {{nobr|1—10 км/с}}). Так происходит при вспышке сверхновой, сбросе оболочки, столкновении газовых облаков между собой, гравитационном коллапсе газового облака и т. д. За фронтом ударной волны кинетическая энергия направленного движения быстро переходит в энергию хаотического движения частиц. Порой температура может достигать огромных значений (до миллиарда градусов внутри остатков сверхновой), причём основная энергия приходится на движение тяжёлых ионов (ионная температура). Поначалу температура легкого электронного газа значительно ниже, но постепенно благодаря кулоновским взаимодействиям ионная и электронная температура выравнивается. Если в плазме есть магнитное поле, то роль первой скрипки в выравнивании ионной и электронной температуры беретберёт на себя турбулентность.

Космические лучи и рентгеновское диффузное излучение — основные источники ионизации межзвёздной среды, а не ультрафиолет, как это можно было ожидать. Частицы космических лучей, взаимодействуя со средой, образуют электроны с очень большой энергией. Эта энергия теряется электроном в упругих столкновениях, а также в неупругих, приводящих к ионизации или возбуждению атомов и ионов. Надтепловые электроны с энергией меньше {{nobr|10 эВ}} теряют энергию в упругих столкновениях, нагревая газ. Такой механизм крайне эффективен при температурах {{nobr|10⁶ КK}}. При {{nobr|10⁷ КK}} характерная [[тепловая скорость]] электронов сравнивается с тепловой скоростью низкоэнергетических частиц космических лучей и скорость нагрева резко уменьшается.

Для малых энергий фотонов <math>h\nu\ll m_e c^2</math> [[сечение рассеяния]] равно [[томсоновское рассеяние|томсоновскому]]: <math>\sigma_{T}\simeq 6,65\cdot 10^{-25} </math> см².

Как уже говорилось, межзвёздная среда оптически тонка и имеет невысокую плотность, а раз так, то основной механизм охлаждения — это излучение фотонов. Испускание же квантов связано с бинарными процессами взаимодействия (частица-частица), поэтому суммарную скорость объёмного охлаждения можно представить в виде <math>\Lambda(n,T)=n^2\lambda(T),</math>, где функция охлаждения {{math|λ}} зависит только от температуры и химического состава среды.

; Свободно-свободное (тормозное) излучение

: <center><math>j_{\nu}(T)=\frac{16}{3}\left(\frac{\pi}{6}\right)^{1/2} \frac{n_{\nu}Z^{2}e^6}{m^{2}_e c^3}\left(\frac{m_e}{kT}\right)^{1/2} g\exp{\frac{-h\nu}{kT}}n_e n_i</math> [эрг/(см³·с·ср·Гц)], </center>

: {{math|''g''}} — так называемый множитель Гаунта (учитывает квантовые эффекты и частичную экранировку ядра электронами, близок к 1 в оптическом диапазоне),

: <math>n_e</math> и <math>n_i</math> — концентрация электронов и ионов соответственно,

<math>\Lambda_\mathrm{ff}\approx 1,7\Lambda_\mathrm{ff}(\mathrm{H}).</math>. Этот механизм особенно эффективен для плазмы с {{nobr|{{math|''T''}} > 10⁵ КK}}.

*: При радиативной (излучательной) рекомбинации доля кинетической энергии рекомбинирующего электрона крайне мала в энергии испускаемого фотона <math>h\nu =\xi_i +m_e v^2 </math> (где <math>\xi_i</math> — потенциал ионизации уровня, на который рекомбинирует электрон). Так как почти всегда <math>\xi_i\gg m_ev^2/2,</math>, то бо́льшая часть выделяющейся энергии не тепловая. Поэтому радиативная рекомбинация в общем случае малоэффективна для охлаждения газа. Однако мощность излучения единицы объёма из-за радиативной рекомбинации для равновесной среды с {{nobr|{{math|''T''}} < 10⁵ КK}} превосходит потери на тормозное излучение <math>\Lambda_r\approx 4\Lambda_\mathrm{ff}.</math>.

*: Диэлектронная рекомбинация состоит из двух этапов. Сначала энергичный электрон возбуждает атом или ион так, что образуется неустойчивый ион с двумя возбужденнымивозбуждёнными электронами. Далее либо электрон испускается и ион перестаёт быть неустойчивым (автоионизация), либо испускается фотон с энергией порядка потенциала ионизации и ион вновь становится устойчивым. Для того, чтобы возбудить атом, нужен очень быстрый электрон, с энергией выше средней. При снижении количества таких электронов средняя энергия системы убывает, среда охлаждается. Данный механизм охлаждения начинает доминировать над радиативной рекомбинацией при {{nobr|{{math|''T''}} > 10⁵ КK}}.

При запрещённых резонансных переходах с уровней <math>2s_{1/2}\rightarrow 1s_{1/2}</math> в водороде и с <math>2^1S_0</math> уровня в гелии и гелиеподобных ионах [[двухфотонное излучение|излучается два фотона]] (однофотонный переход запрещён правилами отбора). Возбуждаются же эти уровни в основном за счёт электронных ударов. Суммарная энергия образующихся фотонов соответствует разности энергии между двумя уровнями, но каждый из фотонов не имеет фиксированной энергии и образуется непрерывное излучение, которое и наблюдается в зонах HII (ионизованного водорода). Эти фотоны имеют длину волны больше, чем у линии [[Лаймановская серия|Лайман-альфа]], и, следовательно, неспособны возбудить нейтральный атом водорода в основном состоянии, поэтому они уходят из среды, являясь основной причиной охлаждения горячей космической плазмы с {{nobr|{{math|''T''}} {{=}} 10⁶—10⁸ КK}}.

Если рассеяние фотона с энергией {{math|ε}} происходит на быстром электроне с полной энергией <math> E=\gamma m_e c^2,</math>, то важной становится передача энергии и импульса от электрона фотону. [[Лоренц-преобразование]] к системе покоя электрона даёт энергию фотона в ней {{math|γε}}, где {{math|γ}} — [[лоренц-фактор]]. Воспользуемся вышеприведённой формулой комптон-эффекта, дающей потерю энергию фотона, рассеянного на покоящемся электроне, и, перейдя обратно в лабораторную систему отсчёта, получим энергию рассеянного фотона <math>\varepsilon_1 \sim\gamma^2\varepsilon.</math>. Видно, что низкочастотные кванты превращаются в кванты жёсткого излучения. Усредняя по углам скорость потерь энергии одного такого электрона в поле изотропного излучения, получим

В случае теплового распределения электронов с концентрацией <math>n_e</math> и температурой {{math|''T''}} имеем <math>\langle\beta^2\rangle = \langle(v/c)^2\rangle = 3kT/m_e c^2 .</math>. Если <math>\gamma\approx 1</math> (нерелятивистские, относительно низкоэнергетичные электроны), то объёмное охлаждение такой среды составит:

Основной механизм охлаждения МЗС при {{nobr|{{math|''T''}} < 10⁵ КK}}. Излучение происходит при переходах с уровней, возбуждённых после электронного удара. Спектральный диапазон, в котором уносится энергия, определяется температурой — чем больше температура, тем более высокие уровни возбуждаются, тем энергичнее излучаемые фотоны и тем быстрее идёт охлаждение. В таблице приведены линии, доминирующие при различных температурах.

! Температура, КK

| Рентгеновские линии НH и НеHe-подобных ионов тяжёлых элементов

| {{nobr|2·10^{{e|4 — 10}}—10⁶}}

| Резонансные УФ-линии НеHe и тяжёлых до Fe

| {{nobr|(1—2)·10^{{e|4}}}}

| Линии НH (в основном [[Лаймановская серия|{{math|Ly_α}}]])

| {{nobr|(0,5—1)·10^{{e|4}}}}

| {{nobr|30 — 1030—10⁴}}

| {{nobr|(1—2)·10^{{e|3}}}}

| Вращательные переходы молекул [[угарный газ|СОCO]] и воды H₂O

Теперь, зная все элементарные процессы и механизмы охлаждения и нагрева, мы можем записать уравнения теплового баланса в виде <math>nG(T)=n^2\lambda (T).</math>. Запишем уравнение ионизационного баланса, необходимое, чтобы узнать населённость уровней. Решая, получим равновесную температуру {{math|''T''(''n'')}}. Учитывая, что вещество в межзвёздной среде крайне разрежено, то есть представляет собой идеальный газ, подчиняющийся [[уравнение Менделеева — Клапейрона|уравнению Менделеева — Клапейрона]], найдём равновесное давление {{math|''P''(''n'')}} и обнаружим, что зависимость больше напоминает [[Уравнение Ван-дер-Ваальса|уравнение состояния газа Ван-дер-Вальса]]: существует область давлений, где одному значению {{math|''P''}} соответствует три равновесных значения {{math|''n''}}. Решение на участке с отрицательной производной неустойчиво относительно малых возмущений: при давлении больше, чем у окружающей среды, газовое облако будет расширяться до установления равновесия при меньшей плотности, а при меньшем, чем у окружающей среды, давлении — напротив, сжиматься. Это объясняет наблюдаемое динамическое равновесие разреженной межзвёздной среды и более плотных облаков межзвёздного газа.

Важнейшей запрещённой линией МЗС является [[Радиолиния нейтрального водорода|радиолиния атомарного водорода]] {{nobr|{{math|λ}} {{=}} 21 см}}. Эта линия возникает при переходе между подуровнями сверхтонкой структуры <math>1^2S_{1/2}</math> уровня атома водорода, связанными с наличием спина у электрона и протона: состояние с сонаправленными спинами обладает несколько большей энергией, чем с противоположно направленными (разность энергий уровней составляет лишь 5,87433 микро-электронвольт). [[Коэффициенты Эйнштейна|Вероятность спонтанного перехода]] между этими уровнями <math> A_{10} = 2,9 \cdot 10^{-15} </math> с⁻¹ (то есть время жизни возбуждённого состояния составляет 11 млн лет). Заселение верхнего уровня происходит благодаря столкновению нейтральных атомов водорода, причём населённость уровней <math>n_1=n_\mathrm{H}/4,</math>, <math>n_0=3n_\mathrm{H}/4.</math>. При этом объёмный коэффициент излучения

=== МежзвезднаяМежзвёздная пыль ===

Эволюция межзвёздной среды, а если быть точным, межзвёздного газа, тесно связана с химической эволюцией всей Галактики. Казалось бы, всевсё просто: звездызвёзды поглощают газ, а после выбрасывают его обратно, обогащая его продуктами ядерного горения — тяжёлыми элементами, — таким образом металличность должна постепенно возрастать.

[[Солнечный ветер]] — это поток заряженных частиц (в основном [[водород]]ной и [[гелий|гелиевой]] [[плазма|плазмы]]), с огромной скоростью истекающих из [[солнечная корона|солнечной короны]] с нарастающей скоростью. Скорость солнечного ветра в гелиопаузе составляет примерно 450 км/с. Эта скорость превышает скорость звука в межзвездноймежзвёздной среде. И если представить себе столкновение межзвездноймежзвёздной среды и солнечного ветра как столкновение двух потоков, то при их взаимодействии возникнут ударные волны. А саму среду можно разделить на три области: область, где есть только частицы МЗС, область, где только частицы звездногозвёздного ветра и область их взаимодействия.

И если бы межзвездныймежзвёздный газ был бы полностью ионизован, как изначально предполагалось, то всевсё бы обстояло именно так, как было выше описано. Но, как показали уже первые наблюдения межпланетной среды в Ly-aplha, нейтральные частицы межзвездноймежзвёздной среды проникают в Солнечную систему<ref>{{статья |автор=Adams, T. F.; Frisch, P. C. |заглавие=High-resolution observations of the Lyman alpha sky background |издание=Astrophysical Journal |год=1977 |volume=212 |pages=300–308|bibcode=1977ApJ...212..300A|doi=10.1086/155048}}</ref>. Иными словами, Солнце взаимодействует с нейтральным и ионизированным газом по-разному.

Сначала солнечный ветер тормозится, становится более плотным, тёплым и [[Турбуленция|турбулентным]]. Момент этого перехода называется ''границей ударной волны'' (termination shock) и находится на расстоянии около 85—95 [[Астрономическая единица|а. е.]] от Солнца. (По данным, полученным с космических станций «[[Вояджер-1|«Вояджер-1»]]» и «[[Вояджер-2]]», которые пересекли эту границу в декабре 2004 года и августе 2007.)

Те частицы межзвёздной среды, которым удалось проникнуть в межпланетную среду, куда более интересны с точки зрения наблюдателя. Их не только можно наблюдать, но и получить информацию об:

[[Категория:Межзвёздная среда| ]]