Реферат: Туманности
Введение
Длялюдей далекого прошлого Вселенная была если и не всегда безопасным, но и все жеустойчивым миром, созданным, казалось бы, единственно для удобства родачеловеческого. Едва ли человек тогда сомневался, что его обитель — Земля — занимает главенствующее, центральное положение, тогда как Солнце оправдываетсвое существование, снабжая человечество светом и теплом. Сверкающие звезды,приклепленные к вращающейся небесной сфере, рассматривались как элементыкосмической мозаики, предназначенной для украшения ночи.
Вполне естественно было также, что деталинебесного пейзажа стали отождествляться с героями мифологии; это отождествлениесохранилось до нашего времени в виде названий групп звезд или созвездий. Стечением времени легенды, отражающие самые первые попытки установить свое местов окружающем мире, сменились объективными исследованиями неба.
Астроном-исследовательобнаружил, что Вселенная — это сокровищница, полная открытий, причем каждыйновый серьезный вклад в совокупности уже извесных сведений ведет квозникновению множества новых нерешенных вопросов, что еще более усиливаетинтерес к погоне за новыми фактами. Загадки будут, вероятно, возникать до техпор, пока существуют люди, способные их разгадывать.
В ходе истории были открыты объектывсевозможных видов — не только одиночные звезды, но также облака из газа идиффузного <img src="/cache/referats/1139/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
вещества.Эти облака, видимые невооруженным или вооруженным глазом через мощный телескоп,представляют собой туманности. Также в виде туманностей нам представляютсядалекие галактики.
Далекие туманные объекты — туманности былизамечены астрономами еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды впервыеупомянул современник Галилея С.Мариус в 1612 году. Француский астрономШ.Мессье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометыс туманностями (схожесть можно было наблюдать 20-26 марта 1996 года на примерекометы ХИЯКУТАКЕ) составил первый список туманностей, содержавший около 100объектов, но лишь в 20-x годах нашего века удалось установить, что некоторыетуманности — это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределаминашей Галактики — Млечного Пути.
Многиеученые занимались вопросами практического отличия галактики от туманности. Своитеории создавали такие ученые как Т.Райт, Мопертюи, но наиболее продвинулся вэтой области в свое время немецкий философ Иммануил Кант. Гипотезу Канта можнорассматривать как логическое развитие идеи Райта на основе физики Ньютона. Нозатем Кант делает новый шаг, безусловно свидетельствующий о его богатомвоображении. Трудно сказать об этом лучше самого Канта:
Яподхожу теперь к той части излагаемой теории, которая, давая возвышенноепредставление о плане мироздания, больше всего делает эту теорию привлекательной. К этому пунктупривели меня некоторые простые мысли. Их можно изложить следующим образом. Еслисистема неподвижных звезд, расположенных около одной общей плоскости, как мывидим в Млечном Пути, настолько удалена от нас, что даже в телескоп нельзяразличить отдельные звезды, из которых она состоит, если расстояние ее от звездМлечного Пути относительно такое же, как расстояние Солнца от нас,- словом,если такой мир неподвижных звезд рассматривается наблюдателем, находящимся вне его, с подобного неизмеримо далекогорасстояния, то под малым углом зрения этот звездный мир представится глазу ввиде слабо светящегося пятнышка — совершенно круглой формы, когда его плоскостьобращена прямо к глазу, и эллиптической, когда его рассматривают сбоку.Слабость света, форма и заметная величина диаметра будут резко отличать такоеявление, если оно имеет место, от всех звезд, наблюдаемых порознь.
Искать это явление среди наблюденийастрономов нам придется не очень долго. Оно было отчетливо отмечено различныминаблюдателями. Необыкновенность его вызвала удивление, о нем строили догадки,отдавая дань то диковинным, то мнимо научным понятиям, в действительности,однако, столь же необоснованным, как и первые. Я полагаю, что это звездныетуманности, или, вернее, один из видов их, о котором господин Мопертюи[“Discours sur la Figure des Astres”,(“Речь о форме звезд”), Paris, 1742] пишетследующие: “ на темном небесном своде встречаются небольшие слабо светящиесяпятна, несколько более освещенные, чем темные пространства пустого неба, иобщее у них всех то, что они представляют собой более или менее открытыеэллипсы, свет которых, однако, гораздо слабее любого другого света,наблюдаемого на небе.”
Кантутверждал, что, если бы “светящиеся пятна” представляли собой звезды гиганскихразмеров, их поверхносная яркость была бы гораздо больше наблюдаемой. Менее чемчерез 100 лет английский любитель астрономии Уильям Хаггинс сконструировалпервый спектроскоп, пригодный для астрономических наблюдений, и использовал егодля систематического изучения звезд и туманностей. Он обнаружил, что спиральныетуманности, которые Кант отождествлял с далекими звездными системами, имеют,как предсказывал Кант, непрерывный спектр, подобный спектру обычных звезд.Спектры туманностей, которые выглядели как однородные и бесструктурные пятнадаже при наблюдении в более мощные телескопы, наоборот, состояли из отдельныхузких и ярких линий. Это были истинные туманности — протяженные облака горячегогаза. В соответсвии с этим туманности разделяются на внегалактические(туманость Андромеды (рис.1)) и галактические — облака газа и пыли.
Внегалактические туманности
Истиннуюприроду галактик трудно было установить главным образом из-за колоссальныхрасстояний до них. Все они, за исключением самых близких, имеют вид туманностидаже при надлюдении с крупнейшими телескопами. Фактически до конца XIX в. многочисленные типы туманныхобъектов (галактические, планетарые туманности, неразрешимые на звезды шаровыескопления, галактики) при наблюдении в телескопы средних размеров былинеотличимы друг от друга. К концу XIX в. применение фотографий позволилозаметить некоторые различия в их виде. Было установлено, что галактическиетуманности имеют неправильную, чрезвычайно разнообразную форму; галактики жеимеют довольно четкую эллиптическую форму, в которой иногда можно предположитьспиральную структуру. Но обе группы именовались “туманностями”. Даже теперьгалактики называет “внегалактическими туманностями”. Превалирующие мнение об ихприроде выразила в 1890 г. Кларк:
Вопросо том, являются ли туманности внешними галактиками, едва ли нуждается вдальнейшем обсуждении. На него дан ответ самим прогрессом исследований. Можно суверенностью сказать, что ни один компетентный ученый, располагающий всемиимеющимися доказтельствами, не станет придерживаться мнения, что хотя бы однатуманность является звездной, сравнимой по размерам с Млечным Путем.Практически установлено, что все объекты, наблюдаемые на небе (как звезды, таки туманности), принадлежат к одному огромному агрегату.
В1899 г. были получены некоторые результаты, противоречащие общепринятомумнению, выраженному Кларк. Шейнер (немецкий астроном (1870-1964)) нашелсходство между спектрами туманности Андромеды и Солнца и сделал на этомосновании вывод, что туманность Андромеды, возможно, является <img src="/cache/referats/1139/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026"> <img src="/cache/referats/1139/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">
обширнойсовокупностью звезд, подобных Солнцу. Он же высказал гипотезу о принципиальномсходстве нашей системы и т. Андромеды: по его мнению ядро т. Андромеды моглобыть аналогично совокупности звезд, окружающих Солнце, а ее спиральные ветви — облакам Млечного Пути. В дальнейшем интерес к проблеме возрос благодаряпоявлению фотографий множества туманностей, главным образом со спиральнойструктурой. Они показали, что туманностей несравненно больше, чемпредполагалось ранее.
Фотографии не давали ключа к разгадкефизической природы спиралей. Последующие два десятилетия разнообразныеисследования подтвердили мнения, что спиральные туманности являются небольшимиобъектами, расположенными в пределах системы Млечного Пути или очень близко отнее.
Спектроскопические наблюдения Шейнера, хотяони были совершенно правильными, в значительной степени потеряли свою ценностьпосле того, как Слайфер (американский астроном (1875-1969), челен НациональнойАН. Научные работы в области астроспектроскопии.) открыл отражательный спектртуманности в Плеядах (рис.3), относительно которой было определенно известно,что она принадлежит Млечному Пути. Слайфер писал:
Этонаблюдение туманности в Плеядах навело меня на мысль, что туманность Андромедыи подобные спиральные туманности могут состоять из центральной звезды,окруженной и затемненной клочковатой и разряженной материей, которая сияетотраженым светом центрального солнца.
Фотографическиеизображения сгущений в спиральных туманностях также казались туманными даже нафотографиях, полученых с 60-дюймовым телескопом. Ричи (американский астроном иконструктор телескопов (1864-1945)) писал о них в 1910 г. :
Всеэти спиральные туманности состоят из большого числа нерезких звездообразных
<img src="/cache/referats/1139/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028"> <img src="/cache/referats/1139/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">
сгущений, которые я буду называтьтуманными звездами. Они, вероятно, представляют звезды в процессе ихформирования.
В20-е годы стало известно, что этот туманный вид сгущений объясняетсянесовершенством наших инструментов. В 1920 году Сирс (американский астроном(1873-1964), член Национальной АН)) на основе распределения и светимости звездоценил поверхностную яркость нашей Галактики и нашел, что она гораздо меньше,чем у спиральных туманностей. Он сделал вывод, что
… спиральные туманности отличаются отгалактической системы и либо являются туманностями, либо должны иметь намногобольшие размеры, или же состоят из большего числа или из более ярких звезд.
Посколькупредполагалось, что спиральные туманности, если они являются галактиками,подобными Млечному Пути, должны иметь приблизительно такие же размеры, то перваявозможность представлялась более правдоподобной. Ошибка крылась между тем внедооценке размеров нашей Галактики. Окончательное доказательство истиннойприроды туманностей могло быть получено, если бы удалось измерить расстояния доспиралей: расстояния, сравнимые с размерами Млечного Пути, указали бы, чтотуманности находятся за пределами галактики, и, следовательно, подтвердили бытеорию островных вселенных.
Галактические туманности
“Дыры” в небесах
Существуетмного видов галактических туманностей. Их объединяет то, что они представляютсобой большие концентрации межзвездного вещества, которое легко обнаруживает свое сушествование в видетемных или светящихся пятен. Существование темных областей в Млечном Пути былоизвестно астрономам с тех пор как английский астроном Вильям Гершельпровозгласил: “ Несомненно, это дыра в небесах!” И прошло немало времени,прежде чем они были правильно объяснены. В 1903 году Кларк писала :
О том, чтотемные звезды существуют поодиночке и группами, как и темные туманности, мызаключаем почти с неизбежностью; но эти провалы в Галактике не могут бытьзанесены в число проявлений темной материи. Они, наоборот, являются тем, чемкажутся, — промежутками беззвездного пространства между соседними звезднымиоблаками и свидетельствуют о процессах распада облаков, и продвигающихсяневероятно медленно к своему невообразимому концу. <img src="/cache/referats/1139/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/1139/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031">
<img src="/cache/referats/1139/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1032">
Ав 1919 году Барнард ( американский астроном (1857-1923), член Национальной АН)заметил:
Я сначала не верил в существование этих темныхпоглащающих масс. Доказательства их реальности не были до конца убедительными.Однако позднее, после изучения полученных мною фотографий и особенно послевизуального исследования некоторых темных областей, я пришел к выводу, чтомногие из этих пятен вызваны не просто недостатком звезд, но являются реальнымипоглощающими свет телами, более близкими к нам, чем далекие звезды.
Барнардсоздал каталог темных облаков. Он подтвердил ранее подмеченное обстоятельство,что темные туманности имеют сильную тенденцию располагаться вдольгалактического экватора (пересечение плоскости Галактики и небесной сферы).Примером темных облаков служит туманность Конская голова в Орионе (Рис. 5).
Эмиссионные туманности
Бросающейся в глаза особенностью эмиссионныхтуманностей (туманность Ориона (Рис. 4) и Трехраздельная туманность (Рис. 7)принадлежат этому типу) является множество ярких эмиссионных линий в ихспектрах. Эти спектральные линии являются как бы опознавательными “ярлыками”.Именно эти линии и привели к открытию туманностей во всех частях Млечного Путии даже в далеких галактиках. Наилучшим образцом эмиссионной туманности можетслужить туманность Тарантул в БольшомМагеллановом Облаке (Рис. 9). Туманности в Малом Магеллановом Облаке менееяркие и менее заметные (Рис. 11). Эмиссионная туманность излучает свет,характерный для вещества, из которого она состоит, если ее подходящим образомосвещает звезда. Мы можем себе представить звезды как гигантские фонари,которые освещают смесь флуоресци-рующего вещества (атомы) и отражающих светчастиц (пыль). Непрерывные спектры эмиссион-ных туманностей, по-видимому,образуются не только вследствие отражения света от пылинок, но также врезультате эмиссионных процессов, в которых принимают участие тяжелые атомы.Если свет “фонаря” богат ультрафиолетом, газ флуоресцирует и появляются яркиелинии. Но когда присутствуют лишь сравнительно холодные звезды, то нет тогоизобилия ультрафиолетовой радиации, которую атом может поглощать и излучатьзаново в форме видимых ярких линий.
<img src="/cache/referats/1139/image018.jpg" v:shapes="_x0000_i1033">
Втаком случае звездный свет, падающий на туманность, рассеивается частичкамипыли и спектр туманности оказывается простым отраже-нием спектра звезды.Эмиссионные туманности являются истинными туманностями, оправдываю-щими своеназвание.
<img src="/cache/referats/1139/image020.jpg" v:shapes="_x0000_i1034">
Отражательные туманности
Отражательныетуманности были открыты Слайфером, который в 1913 году наблюдал спектртуманностей в Плеядах (Рис. 3). Вместо ожидаемых эмиссионных линий он нашелнепрерывный спектр, испещренный линиями по-глощения, и заметил, что “… весьспектр является точной копией спектров ярких звезд в Плеядах”. В этихтуманностях свет звезды отражается мелкими пылевыми частицами. Большая частьтаких туманностей освещается горячими голубыми звездами высокой свети-мости.Туманности также являются голубыми; по-видимому, они даже голубее, чемосвещающие их звезды, т.к. свет звезды, проходя через облака из очень маленькихпылевых частиц, краснеет; следовательно, рассеяный отражаю-щими туманностямисвет кажется голубее.
Планетарныетуманности
Планетарные туманности выглядят как маленькие,слабо святящиеся диски или кольца, слегка напоминающие диски планеты.Планетарные туманности состоят из газа, но они не являются ни планетами, нинастоящими туманностями, так что вряд ли можно было бы придумать для них менееудачное название, чем это общепринятое. Наиболее известна Кольцевая туманностьв созвездии Лиры (Рис. 11), открытая в 1779 году. Она состоит из центральнойзвезды, окруженной газовой оболочкой. При детальном рассмотрении стано-витсязаметно, что на краях сосредоточено больше светящегося вещества, чем в центре,поэтому туманность выглядит как кольцо. Все планетарные туманности расширяются.Их возраст вряд ли может превышать несколько десятков тысяч лет, по имеющимсяоценкам; если газовая оболочка сбрасывается старой звездой (а это, вероятно,так), вещество оболочки не может продолжать светиться много дольше ста тысячлет или около того. По одной из теорий планетарные туманности порождаютсязвездами — красными гигантами, сбрасывающими в пространство свои внешние слои,так что центральные звезды планетарных туманностей представляют собой ядрокрасных гигантов. Идея сброса оболочки хорошо согласуется с предполагаемой эволюционнойпоследователь-ностью, хотя отнюдь нельзя с уверенностью считать, что каждаянормальная звезда неизбежно порождает планетарную туманность на поздних этапахсвоей жизни.
Еще немного о туманностях.
Существуют еще несколько видов туманностей, накоторые они разделены, например, диффузные туманности. Такие диффузныетуманности, как туманность Ориона (Рис. 4), Киля (Рис. 12), Трехраздельная(Рис. 13) — это сложные
<img src="/cache/referats/1139/image022.jpg" v:shapes="_x0000_i1035">
неправильной формы образования, газ и пылькоторых тесно связаны между собой.
Существуют, наконец, туманности,представляющие собой конечный продукт звездной эволюции. Среди них наиболееизвестна Крабовидная туманность (Рис.14). Почти все прочие объекты такого типаимеют значительно больший возраст, и поэтому их особенности не так отчетливовыражены. В любом случае Крабовидная туманность — с необычайным пульсаром вцентре — представ-ляется исключительным объектом. У волокнистой туманностиЛебедя (Рис. 15) хорошо заметна дугообразная форма светящегося вещества; всеговорит о том, что это — остаток взрыва сверхновой, происшедшего вдоисторические времена.
<img src="/cache/referats/1139/image024.jpg" v:shapes="_x0000_i1036"> <img src="/cache/referats/1139/image026.jpg" v:shapes="_x0000_i1037">
Бываюттуманности, связанные с процессом рождения звезд. Тоже можно сказать об обычныхгазовых, или галактических, туманностях, таких, как созвездие Ориона (Рис. 4).В глубине этой туманности находится инфракрас-ный источник, известный подназванием “объект Беклина”, постоянно скрытый от земного наблюдателя веществомтуманности. Это либо очень молодая звезда, либо какой-то чрезвы-чайно мощныйобъект со светимостью, не менее чем в миллион раз превышающий светимостьСолнца.<img src="/cache/referats/1139/image028.jpg" v:shapes="_x0000_i1038">
<img src="/cache/referats/1139/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1039"> <img src="/cache/referats/1139/image032.jpg" v:shapes="_x0000_i1040">
Однакоузнать, что это на самом деле, не представляется возможным: изучению доступнотолько инфракрасное излучение объекта, спо-собное пройти сквозь туманность идостичь Земли. Многие вопросы, связанные с туман-ностями, остаются открытыми и,наверное, новые вопросы будут возникать постоянно в процессе изучения.