Что находится в межзвездном пространстве
МЕЖЗВЕЗДНОЕ ВЕЩЕСТВО
Полезное
Смотреть что такое «МЕЖЗВЕЗДНОЕ ВЕЩЕСТВО» в других словарях:
Межзвездное вещество — Карта местного межзвездного облака Межзвёздная среда (МЗС) это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик.[1] Состав: межзвёздный газ, пыль(1 % от массы газа), межзвёздные магнитные поля,космические лучи, а также… … Википедия
Межзвёздное вещество — Карта местного межзвездного облака Межзвёздная среда (МЗС) это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик.[1] Состав: межзвёздный газ, пыль(1 % от массы газа), межзвёздные магнитные поля,космические лучи, а также… … Википедия
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА — Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела 9 планет, более 63 спутников, четыре системы колец у планет гигантов, десятки тысяч астероидов, несметное количество метеороидов размером от валунов до пылинок, а также миллионы комет. В… … Энциклопедия Кольера
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ — туманное свечение на ночном небе от миллиардов звезд нашей Галактики. Полоса Млечного Пути опоясывает небосвод широким кольцом. Особенно хорошо Млечный Путь виден вдали от городских огней. В Северном полушарии его удобно наблюдать около полуночи… … Энциклопедия Кольера
ТУМАННОСТИ — Раньше астрономы называли так любые небесные объекты, неподвижные относительно звезд, имеющие, в отличие от них, диффузный, размытый вид, как у маленького облачка (употребляемый в астрономии для туманности латинский термин nebula означает облако… … Энциклопедия Кольера
ЗВЕЗДЫ — горячие светящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звезды различаются по размеру, температуре и яркости. По многих параметрам Солнце типичная звезда, хотя кажется гораздо ярче и больше всех остальных звезд, поскольку расположено намного ближе к… … Энциклопедия Кольера
ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЕЗДЫ — звезды, блеск которых заметно изменяется со временем. Большинство переменных звезд либо очень молоды, либо стары. Поэтому удобнее всего классифицировать их в соответствии с возрастом, т. е. со стадией их эволюции. См. также ЗВЕЗДЫ. Молодые… … Энциклопедия Кольера
ГАММА-АСТРОНОМИЯ — изучает высокопроникающее электромагнитное гамма излучение, приходящее из космоса. Наши знания о космосе базируются на изучении попадающих на Землю космического вещества и излучения. Вещество попадает в форме метеоритов и космических лучей, т.е.… … Энциклопедия Кольера
РАДИОАСТРОНОМИЯ — раздел астрономии, изучающий космические объекты путем анализа приходящего от них радиоизлучения. Многие космические тела излучают радиоволны, достигающие Земли: это, в частности, внешние слои Солнца и атмосфер планет, облака межзвездного газа.… … Энциклопедия Кольера
Спиральная галактика — галактика, отличающаяся спиральной структурой. Любая галактика со спиральными рукавами. Эдвин Хаббл разделил спиральные галактики на две обширные группы с центральной перемычкой (SB галактики) и без нее (S). Каждая группа далее подразделяется на… … Астрономический словарь
Что такое межзвездное пространство?
Вселенная > Что такое межзвездное пространство?
Границы и пределы всегда интригуют, потому что за ними скрывается неизведанное и тайное. Раньше подобное манило к себе завоевателей, царей и отважных исследователей. Но Земля практически исчерпала себя. Теперь человечеству приходится вырываться за пределы родной планеты к звездам, чтобы снова отыскать такие места. Сейчас интерес сосредоточен на межзвездном пространстве и чем оно заполнено. Это может быть пространство между звездами или галактиками.
Мы говорим о пустых участках космоса. То есть, на их территории нет звезд или планет. Но не думайте, что они совершенно пустые. Фактически, межзвездное пространство заполнено газом, пылью и радиацией. В первых двух случаях речь идет о межзвездной среде (ISM), заполняющей межзвездное пространство и плавно перетекающей в межгалактическое. А вот энергия в виде электромагнитных излучений – межзвездное поле излучения. ISM состоит по большей части из плазмы (ионизированный водород).
Там где заканчивается гелиопауза, начинается межзвездное пространство
Межзвездная среда и ее структура были загадкой для ученых многие века. Сам термин появился в 17 веке в трудах Фрэнсиса Бэкона и Роберта Бойля. Перед тем как выработалась электромагнитная теория, физики полагали, что космическое пространство наполнено невидимым эфиром, через который проходит свет. Только в 20-м веке стало понятно, что в этих участках присутствуют материя и газ. Обнаружение космических волн в 1912 году было еще одной ступенькой в изучении. Дальше появились ультрафиолетовые, рентгеновские, микроволновые и гамма-детекторы, благодаря которым ученым удалось «увидеть» все эти разновидности энергии.
Более того, исследователи даже запускали спутники, которые должны были покинуть межзвездное пространство. Среди них фигурируют Вояджер 1 и 2, покинувшие границы Солнечной системы и вошедшие в гелиопаузу. Они проработают еще 25-30 лет, и все это время будут снабжать сведениями о магнитных полях и межзвездных частичках. Посмотрите видео, чтобы узнать больше про межзвездное пространство Вселенной.
Межзвездная среда
«Вояджер-1» достиг МНБ 25 августа 2012 года, что сделало его первым искусственным объектом с Земли, сделавшим это. Межзвездная плазма и пыль будут изучаться до конца миссии в 2025 году. Его двойник, Вояджер-2, вошел в ISM 5 ноября 2018 года [4].
Содержание
Межзвездное вещество [ править ]
В таблице 1 представлена разбивка свойств компонентов ISM Млечного Пути.
Компонент | Дробный объем | Высота шкалы ( шт ) | Температура ( K ) | Плотность (частиц / см 3 ) | Состояние водорода | Основные методы наблюдения |
---|---|---|---|---|---|---|
Молекулярные облака | 2 –10 6 | молекулярный | Линии радио- и инфракрасного излучения и поглощения молекул | |||
Холодная нейтральная среда (CNM) | 1–5% | 100–300 | 50–100 | 20–50 | нейтральный атомный | H I 21 см линейное поглощение |
Теплая нейтральная среда (WNM) | 10–20% | 300–400 | 6000–10000 | 0,2–0,5 | нейтральный атомный | H I линия излучения 21 см |
Теплая ионизированная среда (WIM) | 20–50% | 1000 | 8000 | 0,2–0,5 | ионизированный | Излучение Hα и дисперсия пульсаров |
H II регионы | 2 –10 4 | ионизированный | Излучение Hα и дисперсия пульсаров | |||
Корональный газ Горячая ионизированная среда (ГИМ) | 30–70% | 1000–3000 | 10 6 –10 7 | 10 −4 –10 −2 | ионизированный (металлы также сильно ионизированы) | Рентгеновское излучение; линии поглощения высокоионизированных металлов, прежде всего в ультрафиолетовом |
Трехфазная модель [ править ]
Филд, Голдсмит и Хабинг (1969) предложили модель статического двухфазного равновесия для объяснения наблюдаемых свойств ISM. Их смоделированный ISM включал холодную плотную фазу ( T 4 K ), состоящую из разреженного нейтрального и ионизированного газа. McKee & Ostriker (1977) добавили динамическую третью фазу, которая представляла очень горячий ( T
10 6 K ) газ, который был ударно нагрет от сверхновых.и составляли большую часть объема ISM. Эти фазы представляют собой температуры, при которых нагревание и охлаждение могут достичь устойчивого равновесия. Их статья послужила основой для дальнейших исследований за последние три десятилетия. Однако относительные пропорции фаз и их подразделение до сих пор не совсем понятны. [3]
Модель атомарного водорода [ править ]
1 наносекунды световых импульсов, которые составляют обычный, некогерентный во времени свет.
Межзвездная среда
«Вояджер-1» достиг МНБ 25 августа 2012 года, что сделало его первым искусственным объектом с Земли, который сделал это. Межзвездная плазма и пыль будут изучаться до конца миссии в 2025 году. Его двойник, Вояджер-2, вошел в ISM 5 ноября 2018 года [4].
Содержание
Межзвездное вещество [ править ]
В таблице 1 представлена разбивка свойств компонентов ISM Млечного Пути.
Компонент | Дробный объем | Высота шкалы ( шт ) | Температура ( K ) | Плотность (частиц / см 3 ) | Состояние водорода | Основные методы наблюдения |
---|---|---|---|---|---|---|
Молекулярные облака | 2 –10 6 | молекулярный | Линии радио- и инфракрасного излучения и поглощения молекул | |||
Холодная нейтральная среда (CNM) | 1–5% | 100–300 | 50–100 | 20–50 | нейтральный атомный | H I 21 см линейное поглощение |
Теплая нейтральная среда (WNM) | 10–20% | 300–400 | 6000–10000 | 0,2–0,5 | нейтральный атомный | H I линия излучения 21 см |
Теплая ионизированная среда (WIM) | 20–50% | 1000 | 8000 | 0,2–0,5 | ионизированный | Излучение Hα и дисперсия пульсаров |
H II регионы | 2 –10 4 | ионизированный | Излучение Hα и дисперсия пульсаров | |||
Корональный газ Горячая ионизированная среда (ГИМ) | 30–70% | 1000–3000 | 10 6 –10 7 | 10 −4 –10 −2 | ионизированный (металлы также сильно ионизированы) | Рентгеновское излучение; линии поглощения высокоионизированных металлов, прежде всего в ультрафиолетовом |
Трехфазная модель [ править ]
Филд, Голдсмит и Хабинг (1969) предложили модель статического двухфазного равновесия для объяснения наблюдаемых свойств ISM. Их смоделированный ISM включал холодную плотную фазу ( T 4 K ), состоящую из разреженного нейтрального и ионизированного газа. McKee & Ostriker (1977) добавили динамическую третью фазу, которая представляла очень горячий ( T
10 6 K ) газ, который был ударно нагрет от сверхновых.и составляли большую часть объема ISM. Эти фазы представляют собой температуры, при которых нагревание и охлаждение могут достичь устойчивого равновесия. Их статья послужила основой для дальнейших исследований за последние три десятилетия. Однако относительные пропорции фаз и их подразделение до сих пор не совсем понятны. [3]
Модель атомарного водорода [ править ]
1 наносекунды световых импульсов, которые составляют обычный, некогерентный во времени свет.
Межзвёздная среда
Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. Основная особенность МЗС — её крайне низкая плотность — 0,1..1000 атомов в кубическом сантиметре.
Содержание
История открытия
После создания современной электромагнитной теории некоторые физики постулировали, что невидимый светоносный эфир является средой для передачи световых волн. Они также полагали, что эфир заполняет межзвёздное пространство. Р. Паттерсон в 1862 году писал [3] : «Это истечение является основой вибраций или колебательных движений в эфире, который заполняет межзвёздное пространство».
Применение глубоких фотографических обзоров ночного неба позволило Э. Барнарду получить первое изображение тёмной туманности, которое силуэтом выделялось на фоне звёзд галактики. Однако, первое открытие холодной диффузной материи было сделано Д. Гартманом в 1904 году после обнаружения неподвижного спектра поглощения в спектре излучения двойных звёзд, наблюдавшихся с целью проверки эффекта Доплера.
В своём историческом исследовании спектра Дельты Ориона 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. Гартман писал, что «линия поглощения 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 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 межзвездной среды.
Дальнейшие исследования линий «H» и «K» кальция Билзом [5] (1936) позволили обнаружить двойные и несимметричные профили спектра Эпсилон и Дзета Ориона. Это были первые комплексные исследования межзвёздной среды в созвездии 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 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 эффекта Доплера, линии поглощения сдвигались, либо в фиолетовую, либо в красную сторону соответственно. Это исследование подтвердило, что материя не распределена равномерно по межзвёздному пространству.
В тот же год Виктор Гесс открыл космические лучи, энергичные заряженные частицы, которые бомбардируют Землю из космоса. Это позволило заявить некоторым исследователям, что они также наполняют собой межзвёздную среду. Норвежский физик Кристиан Биркланд в 1913 году писал: «Последовательное развитие нашей точки зрения заставляет предполагать, что всё пространство заполнено электронами и свободными ионами 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 Вселенной, может быть найдена не в звёздных системах или туманностях, но в „пустом“ пространстве» [7]
Наблюдательные проявления
Перечислим основные наблюдательные проявления:
Структура МЗС крайне нетривиальна и неоднородна: гигантские молекулярные облака, отражательная туманность, протопланетная туманность, планетарная туманность, глобула и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов происходящих в среде. Далее в таблице приведены свойства основных компонентов среды для диска:
Фаза | Температура (К) | Концентрация | Масса облаков ( | Размер (пк) | Доля занимаемого объёма | Способ наблюдения |
---|---|---|---|---|---|---|
Корональный газ | ≈5· | Рентген, линии поглощения металлов в УФ | ||||
Яркие области HII | ≈ | Яркая линия Hα | ||||
Зоны HII низкой плотности | ≈ | Линия Hα | ||||
Межоблачная среда | ≈ | Линия Lyα | ||||
Тёплые области HI | Излучения HI на λ=21 см | |||||
Мазерные кондесации | Мазерное излучение | |||||
Облака HI | ≈80 | Поглощения HI на λ=21 см | ||||
Гигантские молекулярные облака | ||||||
Молекулярные облака | ≈10 | Линии поглощения и излучения молекулярного водорода в радио и инфракрасном спектре. | ||||
Глобулы | ≈10 | Поглощение в оптическом диапазоне. |
Мазерный эффект
В 1965 г. в ряде спектров радиоизлучения были обнаружены очень интенсивные и узкие линии c λ=18 см. Дальнейшие исследования показали, что линии принадлежат молекуле OH, а их необычные свойство — результат мазерного излучения. В 1969 открывает мазерные источники от молекулы воды на λ=1,35 см, позже были обнаружены мазеры работающие и на других молекулах. Для мазерного излучения необходима инверсная населённость уровней (количество атомов на верхнем резонансном уровне больше чем на нижнем). Тогда проходя сквозь вещество свет с резонансной частотой волны усиливается, а не ослабевает (это и называется мазерным эффектом). Для поддержания инверсной населённости необходима постоянная накачка энергией, поэтому все космические мазеры делятся на два типа:
Физические особенности
Отсутствие локального термодинамического равновесия (ЛТР)
В межзвёздной среде концентрация атомов мала и оптические толщи малы. Это значит, что температура излучения — это температура излучения звёзд (
5000 К) и никак не соответствует температуре самой среды. При этом электронная и ионная температуры плазмы могут сильно отличаться друг от друга, поскольку обмен энергии при соударении происходит крайне редко. Таким образом, не существует единой температуры даже в локальном смысле.
Распределение числа атомов и ионов по населённостям уровней определяется балансом процессов рекомбинации и ионизации. ЛТР требует, чтобы эти процессы были в равновесии, чтобы выполнялось условие детального баланса, однако, в межзвёздной среде прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, и поэтому детальный баланс установиться не может.
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.
Однако, несмотря на отсутствие ЛТР, даже в очень разреженной космической плазме устанавливается максвелловское распределение электронов по скоростям, соответствующее температуре среды, поэтому для распределения частиц по энергиям можно пользоваться формулой Больцмана и говорить о температуре. Происходит так из-за дальнодействия кулоновских сил за довольно короткое время (для чисто водородной плазмы это время порядка с), гораздо меньше времени соударения между частицами.
Для описания состояния газа введём объёмный коэффициент нагревания и коэффициент объёмного нагрева
. Тогда закон сохранения энергии элемента объёма
с внутренней энергией
и давлением
запишется:
При тепловом равновесии dQ/dt=0, а значит равновесную температуру среды можно найти из соотношения Γ=Λ.
Механизмы нагрева
Говоря, что среда нагревается, мы подразумеваем рост средней кинетической энергии. При объёмном нагреве увеличивается кинетическая энергия каждой частицы. И каждая частица в единицу времени может увеличить свою энергию на конечную величину, а при отсутствии термодинамического равновесия, это означает, что скорость нагрева среды прямо пропорционально количеству частиц в единице объёма, то есть концентрации Γ(n,T)=nG(T). Функция G(T)[эрг/c]называется эффективностью нагрева и рассчитывается через элементарные процессы взаимодействия и излучения.
Ультрафиолетовое излучение звёзд (фотоионизация)
Классический фотоэффект: энергия кванта уходит на ионизацию атома с произвольного уровня i и кинетическую энергию электрона. Потом электроны соударяются с различными частицами и кинетическая энергия переходит в энергию хаотического движения, газ нагревается.
Однако не все так просто. Межзвёздный газ состоит из водорода, ионизовать который можно только жёстким УФ. И основными «перехватчиками» УФ-квантов оказываются атомы примесей: железа, кремния, серы, калия и др. Они играют важную роль в установлении теплового баланса холодного газа.
Ударные волны возникают при процессах, идущих со сверхзвуковыми скоростями (для МЗС это 1-10 км/с). Так происходит при вспышке сверхновой, сбросе оболочки, столкновения газовых облаков между собой, гравитационный коллапс 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 берет на себя турбулентность.
Проникающая радиация и космические лучи
Ионизация и нагрев с помощью мягкого диффузного рентгена от горячего газа ничем принципиально не отличается от нагрева космическими лучами. Всё различие в скорости нагрева (она у космических лучей на порядок выше) и в намного большем сечении фотоионизации с внутренних оболочек у рентгеновского излучения.
Жёсткое электромагнитное излучение (рентгеновские и гамма-кванты)
Осуществляется в основном вторичными электронами при фотоионизации и при комптоновском рассеянии. При этом передаваемая энергия покоящемуся электрону равна
для сечение рассеяние равно томсоновскому:
см².
Механизмы охлаждения
Как уже говорилось, межзвёздная среда оптически тонка и имеет невеликую плотность, а раз так, то основной механизм охлаждения — это излучение фотонов. Испускание же квантов зависит с бинарными процессами взаимодействия (частица-частица), поэтому суммарную скорость объёмного охлаждения можно представить в виде . Где функция охлаждения(λ) зависит только от температуры и химического состава.
Свободно-свободное (тормозное) излучение
Свободно-свободное (тормозное) излучение в космической плазме вызвано кулоновскими силами притяжения или отталкивания. Электрон ускоряется в поле иона и начинают излучать электромагнитные волны. Электрон начинает переходить с одной орбиты на другую, но оставаясь свободным. При этом излучается весь спектр от рентгена до радио. Выделяющаяся при этом энергия из единицы объёма внутри телесного угла в ед. времени равна:
[эрг/см³]
Где показатель преломления. g — множитель Гаунта,
и
— концентрация электронов и ионов соответственно. Для чисто водородной плазмы с равной концентрацией протонов и электронов коэффициент объёмного охлаждения равен:
[эрг/(см³ с)]
Однако космическая плазма не чисто водородная, в ней есть тяжёлые элементы, благодаря большому заряду которых, увеличивается эффективность охлаждения. Для полностью ионизированной среды с нормальным космическим содержанием элементов . Этот механизм особенно эффективен для плазмы с T>
.
Возникает при запрещённых резонансных переходах с уровней в водороде, при этом излучается два фотона, и с
уровня в гелии и гелиеподобных ионах с испусканием также двух фотонов. Возбуждается 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, кое мы видим в зонах HII. Эти фотоны имеют длину волны больше чем у Лайман-альфы и уходят из среды, являясь основной причиной охлаждения горячей космической плазмы с Т=
К.
Обратное комптоновское рассеяние
Если рассеяние фотона с энергией происходит на быстром электроне с энергией
важным становится передача энергии и импульса от электрона фотону. Лоренц-преобразование в системе электрона даёт энергию фотона
. Воспользуемся формулой эффекта Комптона и перейдём обратно получаем
. 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 и температурой T имеем
= =3kT/m_e c^2 » border=»0″ />. Принимая
. Объёмное охлаждение такой среды составит:
Комптоновское охлаждение обычно доминирует в высокоионизированной и сильно нагретой плазме вблизи источников рентгеновского излучения. Благодаря ему среда не может нагреться выше . Этот механизм был важен в ранней вселенной до эпохи рекомбинации. В обычных условиях МЗС эффектом можно пренебречь.
Ионизация электронным ударом
Если все остальные механизмы охлаждения излучательные, энергия уносится фотонами, то этот безызлучательный. Тепловая энергия расходуется на отрыв электрона и запасается в виде внутренней энергии связи ион-электрон. Потом она высвечивается при рекомбинациях.
Излучение в спектральных линиях
Основной механизм охлаждения МЗС при Т