Astronet > Svoistva kosmicheskoi pyli

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Svoistva kosmicheskoi pyli

S. V. Bozhokin

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tehnicheskii universitet

Soderzhanie

Sleduet otmetit', chto sushestvuet bol'shaya neopredelennost' pri opredelenii sostava kosmicheskih pylinok. V otlichie ot gaza, dlya kotorogo harakterny spektry izlucheniya ili poglosheniya s mnozhestvom linii, pozvolyayushih odnoznachno identificirovat' atomy, iony i molekuly i, takim obrazom, opredelit' soderzhanie elementov i ih soedinenii, tverdye tela obladayut nepreryvnym spektrom s malym kolichestvom razmytyh polos, delayushih identifikaciyu neodnoznachnoi. Vazhnuyu informaciyu o sostave pylinok mozhet dat' nablyudaemyi v mezhzvezdnoi srede deficit mnogih elementov, osobenno metallov, po sravneniyu s sostavom solnechnoi atmosfery. Etot deficit elementov v gazovoi faze mezhzvezdnoi sredy obychno svyazyvayut s tem, chto dannye elementy ushli na obrazovanie kosmicheskih pylinok.

Nalipanie na kosmicheskie pylinki elektronov iz mezhzvezdnogo gaza i fotoionizaciya pylinok ul'trafioletovym izlucheniem privodyat k tomu, chto pylinki okazyvayutsya elektricheski zaryazhennymi i ih elektricheskii zaryad mozhet dostigat' velichin poryadka desyatka elementarnyh zaryadov. Sushestvuyushii na kosmicheskoi pylinke elektricheskii zaryad (sila Lorenca) privyazyvaet etu pylinku k mezhzvezdnomu magnitnomu polyu, kotoroe vsegda prisutstvuet v galaktikah. Dlya harakternyh elektricheskih zaryadov i mass kosmicheskih pylinok radius Larmora pri ih dvizhenii po spirali v mezhzvezdnom magnitnom pole s indukciei $B \approx 3\cdot 10^{-6}$ Gs raven 0,03 pk. Napomnim, chto v astronomii edinica dliny 1 parsek sootvetstvuet velichine $1 pk = 3,0587 \cdot 10^{18}$ sm, chto primerno ravnyaetsya rasstoyaniyu, kotoroe prohodit svetovoi luch za 3,26 goda. Takim obrazom, larmorovskii radius okazyvaetsya mnogo men'she harakternyh razmerov bol'shinstva obrazovanii mezhzvezdnoi sredy, poetomu kosmicheskie pylinki okazyvayutsya sceplennymi s magnitnym polem.

Zametim, chto obnaruzhenie uglerodnyh cepochek v kosmose v sochetanii s vozmozhnost'yu laboratornogo podtverzhdeniya ih mezhzvezdnogo proishozhdeniya privelo fizikov k neozhidannomu otkrytiyu. Bylo obnaruzheno, chto gigantskaya molekula, sostoyashaya iz 60 atomov ugleroda C₆₀ , nazvannaya fullerenom, i predstavlyayushaya novuyu formu sushestvovaniya ugleroda [8], ne tol'ko sushestvuet, no i sposobna obrazovyvat'sya samoproizvol'no. Napomnim, chto pod fullerenami ponimayut prostranstvenno sfericheski zamknutuyu strukturu s sp²-gibridizaciei atomov ugleroda, gde kazhdyi atom ugleroda svyazan s tremya blizhaishimi sosedyami. Prostranstvennaya struktura fullerena, sostoyashego iz 60 atomov ugleroda C₆₀ , napominaet strukturu futbol'nogo myacha, sostoyashego iz 12 pravil'nyh pyatiugol'nikov i 20 pravil'nyh shestiugol'nikov, v vershiny kotoryh pomesheny atomy ugleroda. Tak, v 1982 godu V. Kretmer i D. Hafman (Kratschmer W., Fostiropoulos K., Huffman D.R. // Nature. 1990. Vol. 347. P. 354) obnaruzhili zagadochnye osobennosti v spektre ul'trafioletovogo izlucheniya ugol'noi pyli, kotoraya poluchaetsya v uglerodnoi duge pri modelirovanii mezhzvezdnoi pyli (sm. [9]).

Opticheskoe pogloshenie pyl'yu

Konechno, kosmicheskie pylinki privodyat k oslableniyu sveta zvezd, rasseivaya i pogloshaya ih izluchenie. Mezhzvezdnoe pogloshenie sveta proyavlyaetsya v vide razdvoeniya Mlechnogo Puti, kotoroe vyzvano poglosheniem sveta kosmicheskoi pyl'yu, raspolozhennoi vblizi galakticheskoi ploskosti. V opticheskom diapazone dlin voln velichina oslableniya obratno proporcional'na dline volny i iz-za etogo voznikaet yavlenie pokrasneniya cveta zvezd. V napravlenii bol'shinstva zvezd v Galaktike na krivoi mezhzvezdnogo poglosheniya vydelyaetsya yarko vyrazhennyi pik vblizi dliny volny $$ \lambda \approx 2200$ \AA$ . Pri interpretacii nablyudenii mezhzvezdnogo poglosheniya sveta chashe vsego ispol'zuetsya model' odno- ili mnogosloinyh sfericheskih pylinok. V nastoyashee vremya fiziki razrabatyvayut teoriyu opticheskih svoistv kosmicheskih pylinok, poverhnost' kotoryh imeet slozhnuyu fraktal'nuyu strukturu.

Energiya pogloshennogo fotona preobrazuetsya v teplovoe dvizhenie chastic pylinki. Pri etom proishodit izluchenie pylinok v nepreryvnom spektre, prichem ih spektr v obshih chertah podoben plankovskomu i nahoditsya v infrakrasnom diapazone dlin voln. Pri analize infrakrasnogo izlucheniya (IK) Galaktiki izluchenie kosmicheskoi pyli igraet ogromnuyu rol'. Dostatochno skazat', chto infrakrasnaya svetimost' pyli sostavlyaet primerno 30% polnoi svetimosti zvezd Galaktiki. Tak, naprimer, osnovnaya chast' ul'trafioletovogo izlucheniya molodyh zvezd pererabatyvaetsya v infrakrasnoe izluchenie pyli. Obladaya bol'shoi sposobnost'yu k izlucheniyu, kosmicheskaya pyl' yavlyaetsya glavnym ohladitelem mezhzvezdnoi sredy, a znachit, neposredstvenno sposobstvuet processam zvezdoobrazovaniya. Temperatura yavlyaetsya odnoi iz vazhneishih harakteristik pylevoi chasticy. Ravnovesnuyu temperaturu pylevyh chastic rasschityvayut iz usloviya balansa processov nagreva i ohlazhdeniya. Temperaturu kosmicheskoi pylinki T_d mozhno ocenit' sleduyushim obrazom. Izvestno, chto effektivnoi temperaturoi zvezdy T_* nazyvaetsya temperatura absolyutno chernogo tela, moshnost' izlucheniya kotorogo s edinicy poverhnosti ravna moshnosti izlucheniya dannoi zvezdy. Ispol'zuya eto opredelenie i zakon Stefana-Bol'cmana, mozhno vyrazit' svetimost' zvezdy L cherez radius zvezdy R_* i effektivnuyu temperaturu ee poverhnosti T_* sootnosheniem

$L = 4 \pi R^2_* \sigma T^4_*,$

gde $\sigma$ - postoyannaya Stefana-Bol'cmana, ravnaya $\sigma = 5,67 \cdot 10^{-5}$ erg $\cdot$ sm^-2 $\cdot$ s^-1 $\cdot$ grad^-4. Esli pylinka, imeyushaya radius a, predstavlyaet soboi absolyutno chernoe telo i nahoditsya na rasstoyanii r ot zvezdy, to temperatura poverhnosti pylinki T_d mozhet byt' ocenena iz usloviya balansa

$4\pi a^2 \sigma T^4_d = 4 \pi R^2_* \sigma T^4_* \frac{\pi a^2}{4 \pi r^2},$

kotoryi vyrazhaet ravenstvo energii, padayushei na pylinku, i energii, kotoruyu ispuskaet pylinka.

Po temperature vse pylinki mozhno uslovno razdelit' na tri klassa. Osnovnaya massa pyli yavlyaetsya holodnoi: T_d $\approx$ 15-20 K. Takaya pyl' zapolnyaet ves' disk Galaktiki, kondensiruyas' v krupnyh molekulyarnyh oblakah, i nagrevaetsya lish' rasseyannym izlucheniem vseh zvezd. Eta komponenta vnosit primerno 30% v infrakrasnuyu svetimost' pyli. Vtoraya gruppa kosmicheskoi pyli imeet temperaturu T_d $\approx$ 30-40 K, i eta pyl' nagrevaetsya ot sosedstva s goryachimi O- i V-zvezdami, s etoi pyl'yu svyazana polovina IK-izlucheniya Galaktiki. Eta pyl' izluchaet v diapazone $\lambda < 100$ mkm i sluzhit horoshim indikatorom oblastei zvezdoobrazovaniya. Tret'ei gruppoi yavlyaetsya goryachaya pyl', imeyushaya temperaturu T_d $\approx$ 250-500 K. Takaya pyl' vstrechaetsya v protyazhennyh atmosferah zvezd-gigantov spektral'nogo klassa M i delaet takie zvezdy istochnikami moshnogo IK-izlucheniya.

Nablyudaemoe yavlenie mezhzvezdnoi polyarizacii sveta ukazyvaet na to, chto forma pylinok otlichna ot sfericheskoi. Eto proishodit iz-za togo, chto magnitnyi moment pylinki, kotoryi obuslovlen tem, chto v sostav kosmicheskoi pyli vhodyat metally, obladayushie paramagnetizmom, orientiruetsya vdol' silovyh linii mezhzvezdnogo magnitnogo polya.

Sintez molekul na poverhnosti pylinok

Izvestno, chto v kosmose obnaruzheno uzhe okolo sotni razlichnyh molekul, sredi kotoryh mnogo molekul, yavlyayushihsya organicheskimi soedineniyami. Sam po sebe eto netrivial'nyi fakt, poskol'ku pri sverhnizkih temperaturah i plotnostyah, nablyudayushihsya v mezhzvezdnoi srede, himicheskie reakcii prakticheski ne idut. Lish' kvantovaya himiya mozhet principial'no razreshit' etot paradoks. Okazyvaetsya, dazhe pri nizkoi temperature 5-10 K himicheskie reakcii ne prekrashayutsya: oni prodolzhayutsya vnutri i na poverhnosti pylinok. Atomy, adsorbiruyas' na poverhnosti pylinki pri stolknoveniyah s nei, obladayut nekotoroi podvizhnost'yu i mogut vstupat' v himicheskie reakcii s drugimi atomami i molekulami. Prichem eti reakcii proishodyat s pomosh'yu kvantovo-mehanicheskogo podbar'ernogo perehoda, dlya kotorogo uchastnikam reakcii ne trebuetsya bol'shoi energii. Takim obrazom, poverhnost' kosmicheskoi pyli yavlyaetsya prekrasnym katalizatorom dlya formirovaniya molekul iz atomov. Iz naibolee legkih elementov (N, S, N, O) pri sverhnizkih temperaturah sinteziruyutsya prezhde vsego uksusnaya kislota i mochevina. V posleduyushem obrazuyushayasya molekula mozhet otorvat'sya ot poverhnosti kosmicheskoi pylinki. Lyubopytno, chto vo mnogih shemah predbiologicheskoi evolyucii rassmatrivaetsya vzaimodeistvie imenno etih soedinenii. V nastoyashee vremya radioastronomy pokazali, chto ogromnye temnye mezhzvezdnye oblaka soderzhat mnogie slozhnye molekuly (metanol, okis' ugleroda, formal'degid, etanol, sinil'nuyu kislotu, murav'inuyu kislotu i dr.). Molekulyarnaya radioastronomiya pozvolila identificirovat' vse eti molekuly po ih vrashatel'nym spektram v mikrovolnovoi oblasti. Molekuly igrayut vazhnuyu rol' v kollapse mezhzvezdnyh oblakov, privodyashem k obrazovaniyu zvezd. V rezul'tate gravitacionnogo prityazheniya mezhzvezdnye oblaka kollapsiruyut i nagrevayutsya, a vydelyayushayasya pri etom energiya ispuskaetsya za schet vrashatel'nyh perehodov (glavnym obrazom molekul CO). Etot process vyzyvaet dal'neishii kollaps oblaka, privodyashii v konechnom itoge k takim davleniyam i temperaturam, pri kotoryh formiruyutsya novye zvezdy i planety.

Zaklyuchenie

Izuchenie svoistv kosmicheskoi pyli v nastoyashee vremya stalo samostoyatel'noi oblast'yu sovremennoi astrofiziki. Fizika sverhmalyh chastic - kosmicheskih pylinok yavlyaetsya naukoi, ob'edinyayushei osnovnye idei fiziki atomnogo yadra, fiziki sverhmalyh klasterov i fiziki tverdogo tela. Osobyi interes pri etom udelyaetsya izucheniyu svoistv amorfnyh kosmicheskih pylinok, imeyushih slozhnuyu formu. Kosmicheskaya pyl' igraet ogromnuyu rol' pri ob'yasnenii mnogih astrofizicheskih yavlenii: mezhzvezdnogo poglosheniya sveta, mezhzvezdnoi polyarizacii, infrakrasnogo izlucheniya, ohlazhdeniya mezhzvezdnoi sredy. Na poverhnosti kosmicheskih pylinok mogut proishodit' himicheskie reakcii formirovaniya molekul iz atomov. Processy vzaimodeistviya gaza, pyli i izlucheniya, fizicheskie harakteristiki pylinok, processy ih evolyucii - vot daleko ne polnyi perechen' teh voprosov, reshenie kotoryh pomozhet astrofizikam ob'yasnit' mnogie interesnye nablyudatel'nye dannye.

Literatura

1. Haber H. Zvezdy. M.: Slovo, 1989. 48 c.

2. Bochkarev N.G. Osnovy fiziki mezhzvezdnoi sredy. M.: Izd-vo MGU, 1991. 352 s.

3. Voshinnikov N.V. Mezhplanetnaya i mezhzvezdnaya sreda // Itogi nauki i tehniki. Issledovanie kosmicheskogo prostranstva. VINITI, 1986. T. 25. S. 98.

4. Zolotuhin I.V. Fraktaly v fizike tverdogo tela // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1998. N 7. S. 108-113.

5. Zhikov V.V. Fraktaly // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1996. N 12. S. 109-117.

6. Vishik M.I. Fraktal'naya razmernost' mnozhestv // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1998. N 1. S. 122-134.

7. Wright E.L. Fractal Dust Grain around R CrB Stars // Astrophys. J. 1989. Vol. 346. P. L89.

8. Masterov V.F. Fizicheskie svoistva fullerenov // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1997. N 1. S. 92-99.

9. Kroto G. Simmetriya, kosmos, zvezdy i S60 // Uspehi fiz. nauk. 1998. T. 168, N 3. S. 342. Recenzent stat'i A.M. Cherepashuk

nazad

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 >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce