Svoistva kosmicheskoi pyli

S. V. Bozhokin

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tehnicheskii universitet

Soderzhanie

---

Vvedenie

Mnogie lyudi s vostorgom lyubuyutsya prekrasnym zrelishem zvezdnogo neba, odnogo iz velichaishih tvorenii prirody. V yasnom osennem nebe horosho zametno, kak cherez vse nebo prolegaet slabo svetyashayasya polosa, nazyvaemaya Mlechnym Putem, imeyushaya nepravil'nye ochertaniya s raznoi shirinoi i yarkost'yu. Esli rassmatrivat' Mlechnyi Put', obrazuyushii nashu Galaktiku, v teleskop, to okazhetsya, chto eta yarkaya polosa raspadaetsya na mnozhestvo slabo svetyashihsya zvezd, kotorye dlya nevooruzhennogo glaza slivayutsya v sploshnoe siyanie. V nastoyashee vremya ustanovleno, chto Mlechnyi Put' sostoit ne tol'ko iz zvezd i zvezdnyh skoplenii, no takzhe iz gazovyh i pylevyh oblakov [1-3].

Ogromnye mezhzvezdnye oblaka iz svetyashihsya razrezhennyh gazov poluchili nazvanie gazovyh diffuznyh tumannostei. Odna iz samyh izvestnyh - tumannost' v sozvezdii Oriona, kotoraya vidna dazhe nevooruzhennym glazom okolo srednei iz treh zvezdochek, obrazuyushih "mech" Oriona. Gazy, ee obrazuyushie, svetyatsya holodnym svetom, pereizluchaya svet sosednih goryachih zvezd. V sostav gazovyh diffuznyh tumannostei vhodyat glavnym obrazom vodorod, kislorod, gelii i azot. Takie gazovye ili diffuznye tumannosti sluzhat kolybel'yu dlya molodyh zvezd, kotorye rozhdayutsya tak zhe, kak nekogda rodilas' nasha Solnechnaya sistema. Process zvezdoobrazovaniya nepreryven, i zvezdy prodolzhayut voznikat' i segodnya.

V mezhzvezdnom prostranstve nablyudayutsya takzhe diffuznye pylevye tumannosti. Eti oblaka sostoyat iz mel'chaishih tverdyh pylinok. Esli vblizi pylevoi tumannosti okazhetsya yarkaya zvezda, to ee svet rasseivaetsya etoi tumannost'yu i pylevaya tumannost' stanovitsya neposredstvenno nablyudaemoi (ris. 1). Gazovye i pylevye tumannosti mogut voobshe pogloshat' svet zvezd, lezhashih za nimi, poetomu na snimkah neba oni chasto vidny kak chernye ziyayushie provaly na fone Mlechnogo Puti. Takie tumannosti nazyvayut temnymi. Na nebe yuzhnogo polushariya est' odna ochen' bol'shaya temnaya tumannost', kotoruyu moreplavateli prozvali Ugol'nym meshkom. Mezhdu gazovymi i pylevymi tumannostyami net chetkoi granicy, poetomu chasto oni nablyudayutsya sovmestno kak gazopylevye tumannosti.

Diffuznye tumannosti yavlyayutsya lish' uplotneniyami v toi kraine razrezhennoi mezhzvezdnoi materii, kotoraya poluchila nazvanie mezhzvezdnogo gaza. Mezhzvezdnyi gaz obnaruzhivaetsya lish' pri nablyudeniyah spektrov dalekih zvezd, vyzyvaya v nih dopolnitel'nye . Ved' na bol'shom protyazhenii dazhe takoi razrezhennyi gaz mozhet pogloshat' izluchenie zvezd. Vozniknovenie i burnoe razvitie radioastronomii pozvolili obnaruzhit' etot nevidimyi gaz po tem radiovolnam, kotorye on izluchaet. Ogromnye temnye oblaka mezhzvezdnogo gaza sostoyat v osnovnom iz vodoroda, kotoryi dazhe pri nizkih temperaturah izluchaet radiovolny na dline 21 sm. Eti radiovolny besprepyatstvenno prohodyat skvoz' gaz i pyl'. Imenno radioastronomiya pomogla nam v issledovanii formy Mlechnogo Puti. Segodnya my znaem, chto gaz i pyl', peremeshannaya s bol'shimi skopleniyami zvezd, obrazuyut spiral', vetvi kotoroi, vyhodya iz centra Galaktiki, obvivayut ee seredinu, sozdavaya nechto pohozhee na karakaticu s dlinnymi shupal'cami, popavshuyu v vodovorot.

V nastoyashee vremya ogromnoe kolichestvo veshestva v nashei Galaktike nahoditsya v vide gazopylevyh tumannostei. Mezhzvezdnaya diffuznaya materiya skoncentrirovana sravnitel'no tonkim sloem v ekvatorial'noi ploskosti nashei zvezdnoi sistemy. Oblaka mezhzvezdnogo gaza i pyli zagorazhivayut ot nas centr Galaktiki. Iz-za oblakov kosmicheskoi pyli desyatki tysyach rasseyannyh zvezdnyh skoplenii ostayutsya dlya nas nevidimymi. Melkaya kosmicheskaya pyl' ne tol'ko oslablyaet svet zvezd, no i iskazhaet ih spektral'nyi sostav. Delo v tom, chto kogda svetovoe izluchenie prohodit cherez kosmicheskuyu pyl', to ono ne tol'ko oslablyaetsya, no i menyaet cvet. Pogloshenie sveta kosmicheskoi pyl'yu zavisit ot dliny volny, poetomu iz vsego opticheskogo spektra zvezdy sil'nee pogloshayutsya sinie luchi i slabee - fotony, sootvetstvuyushie krasnomu cvetu. Etot effekt privodit k yavleniyu pokrasneniya sveta zvezd, proshedshih cherez mezhzvezdnuyu sredu.

Dlya astrofizikov ogromnoe znachenie imeet izuchenie svoistv kosmicheskoi pyli i vyyasnenie togo vliyaniya, kotoroe okazyvaet eta pyl' pri izuchenii fizicheskih harakteristik astrofizicheskih ob'ektov. Mezhzvezdnoe pogloshenie i mezhzvezdnaya polyarizaciya sveta, infrakrasnoe izluchenie oblastei neitral'nogo vodoroda, deficit himicheskih elementov v mezhzvezdnoi srede, voprosy obrazovaniya molekul i rozhdenie zvezd - vo vseh etih problemah ogromnaya rol' prinadlezhit kosmicheskoi pyli, rassmotreniyu svoistv kotoroi i posvyashena dannaya stat'ya.

Proishozhdenie kosmicheskoi pyli

Kosmicheskie pylinki voznikayut v osnovnom v medlenno istekayushih atmosferah zvezd - krasnyh karlikov, a takzhe pri vzryvnyh processah na zvezdah i burnom vybrose gaza iz yader galaktik. Drugimi istochnikami obrazovaniya kosmicheskoi pyli yavlyayutsya planetarnye i protozvezdnye tumannosti, zvezdnye atmosfery i mezhzvezdnye oblaka. Vo vseh processah obrazovaniya kosmicheskih pylinok temperatura gaza padaet pri dvizhenii gaza naruzhu i v kakoi-to moment perehodit cherez tochku rosy, pri kotoroi proishodit kondensaciya parov veshestv, obrazuyushih yadra pylinok. Centrami obrazovaniya novoi fazy obychno yavlyayutsya klastery. Klastery predstavlyayut soboi nebol'shie gruppy atomov ili molekul, obrazuyushie ustoichivuyu kvazimolekulu. Pri stolknoveniyah s uzhe sformirovavshimsya zarodyshem pylinki k nemu mogut prisoedinyat'sya atomy i molekuly, libo vstupaya v himicheskie reakcii s atomami pylinki (hemosorbciya), libo dostraivaya formiruyushiisya klaster. V naibolee plotnyh uchastkah mezhzvezdnoi sredy, koncentraciya chastic v kotoryh sm^-3, rost pylinki mozhet byt' svyazan s processami koagulyacii, pri kotoryh pylinki mogut slipat'sya drug s drugom, ne razrushayas' pri etom. Processy koagulyacii, zavisyashie ot svoistv poverhnosti pylinok i ih temperatur, idut tol'ko v tom sluchae, kogda stolknoveniya mezhdu pylinkami proishodyat pri nizkih otnositel'nyh skorostyah soudarenii.

Na ris. 2 pokazan process rosta klasterov kosmicheskoi pylinki s pomosh'yu prisoedineniya monomerov. Poluchayushayasya pri etom amorfnaya kosmicheskaya pylinka mozhet predstavlyat' soboi klaster atomov, obladayushii fraktal'nymi svoistvami [4-7]. Fraktalami nazyvayutsya geometricheskie ob'ekty: linii, poverhnosti, prostranstvennye tela, imeyushie sil'no izrezannuyu formu i obladayushie svoistvom samopodobiya. Samopodobie oznachaet neizmennost' osnovnyh geometricheskih harakteristik fraktal'nogo ob'ekta pri izmenenii masshtaba. Naprimer, izobrazheniya mnogih fraktal'nyh ob'ektov okazyvayutsya ochen' pohozhimi pri uvelichenii razresheniya v mikroskope. Fraktal'nye klastery predstavlyayut soboi sil'no razvetvlennye poristye struktury, obrazuyushiesya v sil'no neravnovesnyh usloviyah pri ob'edinenii tverdyh chastic blizkih razmerov v odno celoe. V zemnyh usloviyah fraktal'nye agregaty poluchayutsya pri relaksacii parov metallov v neravnovesnyh usloviyah, pri obrazovanii gelei v rastvorah, pri koagulyacii chastic v dymah. Model' fraktal'noi kosmicheskoi pylinki pokazana na ris. 3. Otmetim, chto processy koagulyacii pylinok, proishodyashie v protozvezdnyh oblakah i gazopylevyh diskah, znachitel'no usilivayutsya pri turbulentnom dvizhenii mezhzvezdnogo veshestva.

Yadra kosmicheskih pylinok, sostoyashie iz tugoplavkih elementov, razmerom v sotye doli mikrona obrazuyutsya v obolochkah holodnyh zvezd pri plavnom istechenii gaza ili vo vremya vzryvnyh processov. Takie yadra pylinok ustoichivy ko mnogim vneshnim vozdeistviyam.

Potoki gaza, davlenie izlucheniya vynosyat pylinki v mezhzvezdnuyu sredu, gde oni ostyvayut do temperatury K. Pri etom na pylinku namerzaet obolochka iz "gryaznogo" l'da - molekul H₂O i molekul drugih soedinenii. Vremya rosta obolochek sostavlyaet velichinu poryadka 1010 let. Za eto vremya pylinka mozhet popast' v zonu ionizovannogo vodoroda, v goryachii koronal'nyi gaz, v obolochku novoi ili sverhnovoi zvezdy, v spiral'nuyu udarnuyu volnu ili udarnuyu volnu inogo proishozhdeniya, gde takaya ledyanaya obolochka mozhet isparit'sya. Za vremya takogo puteshestviya processy razrusheniya i sozdaniya ledyanoi obolochki pylinki mogut mnogokratno povtoryat'sya i v zavisimosti ot etih processov formiruyutsya sostav pylinok i ih raspredelenie po razmeram. Osnovnym mehanizmom razrusheniya pylevyh chastic yavlyaetsya process vybivaniya poverhnostnyh molekul pri bombardirovke pylinki libo chasticami okruzhayushego gaza, libo kosmicheskimi luchami.

Kosmicheskaya pyl' voznikaet vo mnogih kosmicheskih ob'ektah, gde proishodit bystryi ottok veshestva, soprovozhdaemyi ohlazhdeniem. Ona proyavlyaetsya po infrakrasnomu izlucheniyu goryachih zvezd Vol'fa-Raie s ochen' moshnym zvezdnym vetrom, planetarnyh tumannostei, obolochek sverhnovyh i novyh zvezd. Bol'shoe kolichestvo pyli sushestvuet v yadrah mnogih galaktik (naprimer, M82, NGC253), iz kotoryh idet intensivnoe istechenie gaza. Naibolee yarko vliyanie kosmicheskoi pyli proyavlyaetsya pri izluchenii novoi zvezdy. Cherez neskol'ko nedel' posle maksimuma bleska novoi v ee spektre poyavlyaetsya sil'nyi izbytok izlucheniya v infrakrasnom diapazone, vyzvannyi poyavleniem pyli s temperaturoi okolo K. Dal'neishaya evolyuciya spektra pokazyvaet razlet i ohlazhdenie voznikshei pylevoi obolochki.

Stroenie i svoistva kosmicheskoi pyli

Mikroskopicheskie zvezdnye pylevye chasticy sostavlyayut primerno 0,05% massy vsei Galaktiki, odnako ih rol' v processah evolyucii ee veshestva ochen' velika. Pylinki predstavlyayut soboi melkie kristallicheskie ili amorfnye obrazovaniya, sostoyashie iz silikatov, grafita i, vozmozhno, okislov metallov, pokrytye sverhu obolochkoi iz namerzshih gazov. V nastoyashee vremya net edinogo mneniya o himicheskom sostave, forme i razmerah pylinok. Perechislim osnovnye modeli, kotorye ispol'zuyutsya v astrofizike dlya ob'yasneniya svoistv kosmicheskoi pyli.

• Model' ledyanyh chastic
  

  Soglasno etoi modeli, pylevye chasticy predstavlyayut soboi ledyanye chasticy, sostoyashie iz tugoplavkogo yadra i obolochki iz legkih elementov. Vse kosmicheskie pylinki mozhno uslovno razdelit' na dva klassa: melkie (ih radius men'she 0,01 mkm) i krupnye chasticy, kotoryh primerno v tysyachu raz men'she, chem melkih. V etoi modeli predpolagaetsya, chto v krupnye chasticy vkrapleny atomy magnitnyh elementov, kotorye pridayut pylinkam paramagnitnye svoistva. Takie chasticy mogut byt' chastichno orientirovany v magnitnom pole.

• Model' MRN
  

  V 1977 godu Matis, Rampl i Nordsik (J. Mathis, W. Rumpl, K. Nordsieck. The Size Distribution of Interstellar Grain // Astrophys. J. 1977. Vol. 217. P. 425) vydvinuli model' kosmicheskoi pyli, sostoyashei iz smesi grafitovyh i silikatnyh sfericheskih chastic. V ramkah etoi modeli im udalos' ob'yasnit' krivuyu mezhzvezdnogo poglosheniya sveta s dlinami voln . Chasticy oboih sortov peremeshany pochti porovnu i imeyut stepennoe raspredelenie po radiusu pylinok a s nekotorym stepennym pokazatelem , gde pokazatel' stepeni , a radiusy pylinok lezhat v diapazone 0,005 < a < 0,25 mkm.

• Model' oksidnyh pylinok
  

  Model' oksidnyh pylinok predstavlyaet soboi smes' melkih (a < 0,01 mkm) chastic, sostoyashih iz dvuhatomnyh okislov MgO, SiO, SaO, FeO.

nazad | vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: Mezhzvezdnaya pyl' - zvezdoobrazovanie - infrakrasnoe izluchenie - mezhgalakticheskii gaz - Mezhzvezdnaya sreda - Mlechnyi Put' - otrazhatel'nye tumannosti - Planetarnaya tumannost' - zvezdnaya pyl' - Radioteleskop - Sverhnovye - Skoplenie galaktik - spektroskopiya - temnaya tumannost' - tumannost' - galaktiki - led - vodorod - mezhzvezdnoe pogloshenie Publikacii so slovami: Mezhzvezdnaya pyl' - zvezdoobrazovanie - infrakrasnoe izluchenie - mezhgalakticheskii gaz - Mezhzvezdnaya sreda - Mlechnyi Put' - otrazhatel'nye tumannosti - Planetarnaya tumannost' - zvezdnaya pyl' - Radioteleskop - Sverhnovye - Skoplenie galaktik - spektroskopiya - temnaya tumannost' - tumannost' - galaktiki - led - vodorod - mezhzvezdnoe pogloshenie

Sm. takzhe: Galaktika s polyarnym kol'com NGC 660 Zima i leto na malen'koi planete Puteshestvie k centru Galaktiki Tumannost' Meduza IC 348 i Barnard 3 Mlechnyi Put' nad ostrovom Pashi LDN 43: tumannost' Kosmicheskaya Letuchaya Mysh' Vse publikacii na tu zhe temu >>