Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

имеет темно-красный цвет с длиной волны 656,28 нм, а эти светящиеся облака – областями HII, или областями ионизированного водорода (HI – символ нейтрального неионизированного водорода, а HII – ионизированного). На протяжении книги мы будем возвращаться и к другим газовым компонентам галактик.

Не все звездные скопления глобулярные. Изображенный на снимке открытый звездный кластер в нашей Галактике называется NGC 3603. На дисках галактик, подобных нашей, звезды рождаются в гигантских облаках молекулярного газа, которые в процессе гравитационного коллапса могут породить сразу множество звезд, что приводит к возникновению подобных кластеров (хотя не все звезды рождаются скоплениями). Вокруг скопления можно заметить свечение от межзвездного газа (его испускают элементы водорода, серы и железа), заряженного радиацией, которую излучают молодые массивные звезды. Детальное понимание физических процессов звездообразования, основанное на изучении регионов активного звездного роста в нашей Галактике, дает нам жизненно важные данные для понимания процесса развития звездообразующих галактик дальней (и ранней) Вселенной

В астрономии все элементы, кроме водорода и гелия (точнее говоря, дейтерия и лития), обозначаются удобным названием «металлы». Металличность региона – это показатель концентрации в нем других элементов, которые тяжелее изначальных водорода и гелия, и измеряется она, как правило, в единицах сопоставления с металличностью Солнца. Но как появляются металлы? Уже давно стало расхожим клише утверждение, что Земля и все на ней, включая нас, есть «звездная пыль» – в том смысле, что все мы являемся результатом мириад мутаций и трансфигураций праха давно умерших звезд. Конечно, это правда, и она прекрасно подчеркивает фундаментальные космические процессы. Звезды – алхимики Вселенной; это фабрики, на которых из базовых элементов – водорода и гелия – образуются более сложные формы; этот процесс называется нуклеосинтезом. Все известные нам элементы сформированы либо в ходе термоядерного синтеза, являющегося источником энергии звезд в течение всей их жизни, либо (если это любые элементы тяжелее нашего железа) в ходе взрывного ядерного синтеза – экстремальных условий, возникающих во время гибели звезд, которые мы называем сверхновыми. Золото вашего кольца сформировалось во время взрыва одной или, скорее, даже нескольких звезд, а бриллиант, который его украшает, выкован в самом сердце звезды. У вас нет бриллиантового кольца? Ну что же, железо в вашей крови образовалось точно так же.

«Звездные ясли» нашей Галактики называются IC 2944. Красный цвет, который доминирует на этой фотографии, – результат свечения ионизированного водорода. Каждый раз, когда электрон воссоединяется с ионизированным атомом (то есть атомом, у которого «оторвало» электрон при поглощении им высокоэнергетического протона, испущенного, скажем, близлежащей юной, массивной и яркой звездой), испускается свет с определенной длиной волны. Ее точная длина зависит от энергии перехода: правила квантовой механики говорят нам, что различные возможные энергетические переходы электронов в атомах различаются, как ступени на лестнице. Один из самых частых переходов в астрофизической среде, насыщенной водородом и ультрафиолетовым изучением, – H-альфа. Это изображение показывает яркие, молодые звезды, излучающие H-альфа, и темные сгустки, силуэт которых вырисовывается на красном фоне. Это глобулы Теккерея – плотные облака пыли и газа. Видимому свету туманности, которая подсвечивает глобулы, не так-то легко пройти сквозь них, поэтому они кажутся темными. Постепенно глобулы испаряются: они плещутся в океане интенсивной радиации, излучаемой этими горячими молодыми звездами, которые сжигают их пыль и рассеивают газ

В результате этой космической алхимии в составе галактик могут быть не только металлы, но и большие запасы «пыли». Пыль – общий термин, используемый для описания углеродистой и силикатной материи в виде гранул, по консистенции похожей на сигарный дым, но только более диффузный. Пыль также возникла в процессе звездной эволюции. Когда звезда умирает, либо сбрасывая внешние слои на белый карлик, либо взрываясь как сверхновая, эта пыль распространяется в межзвездное пространство. Она собирается в плотные облака в местах наиболее активного звездообразования – как действующего, так и уже закончившегося – и становится заметной, когда мы составляем большие карты Галактики в видимом излучении.

Пыль в целом не пропускает фотоны видимого излучения, которые поглощаются и рассеиваются пылевыми гранулами; точно так же было бы трудно что-то разглядеть в задымленном помещении. Лучше всего пыль поглощает и рассеивает фотоны с короткой длиной волны, то есть синий свет, так что пробиваются сквозь нее в основном фотоны «покраснее» – этот эффект называется межзвездным покраснением света. Это означает, что в регионах с высокой концентрацией пыли использование только оптического наблюдения даст нам неполное представление о происходящем, так как бо́льшая часть излучения блокируется. Этот эффект можно наблюдать на диске Млечного Пути: любой снимок с длинной выдержкой этой насыщенной звездами плоскости покажет на ней более темные пятна и завихрения. Пятна – это пыль, сконцентрированная на плоскости галактического диска и блокирующая часть света от звезд за ней. Чтобы видеть сквозь пыль, нам нужно использовать более длинные световые волны, так как они легче проходят сквозь пылевую завесу. Кроме видимого света существует также ближняя инфракрасная область (ближняя, потому что она располагается между видимым светом и средней инфракрасной областью), длина волн которой составляет от одного до нескольких микрон. Фотоны ближнего инфракрасного излучения устойчивы к поглощению пылью, так что наблюдение в этом диапазоне открывает нам еще одно окно для изучения галактик.

Туманность Лагуна – это гигантское межзвездное облако и область HII в нашей Галактике. Ее красный цвет говорит о свечении ионизированного водорода, а темные пятна вокруг выдают присутствие большого и плотного газопылевого облака. На снимке изображен регион, который в восемь раз больше размера Луны на небе. Изучая диски близлежащих звездообразующих галактик, мы нередко видим их спиральные рукава, обильно приправленные такими HII-областями, как эта

Пыль также может обладать собственным характерным свечением, нагреваясь по мере поглощения ультрафиолета и синих фотонов, излучаемых звездами. Эта «тепловая» энергия перевыпускается как инфракрасное излучение. В отличие от ближней инфракрасной области, эти фотоны отличаются значительно большей длиной волны – от 10 до 100 микрон между средней и дальней инфракрасными областями. Если посмотреть на Галактику на этих волнах, то пыль внезапно станет прозрачной, поскольку она – самый сильный излучатель таких инфракрасных фотонов. Сами звезды испускают не так много излучения на этих волнах. Некоторые из наиболее активных галактик во Вселенной – те, в которых формируется самое большое количество звезд, – также оказываются и самыми «пыльными». Пыль в них блокирует бо́льшую часть видимого света, излучаемого звездами, но переработанное инфракрасное излучение не пропускает остальной свет галактики, так что эти закрытые пылью галактики могут