По массе твердые частички пыли составляют ничтожно малую часть Вселенной, однако именно благодаря межзвездной пыли возникли и продолжают появляться звезды, планеты и люди, изучающие космос и просто любующиеся звездами. Что же это за субстанция такая — космическая пыль? Что заставляет людей снаряжать в космос экспедиции стоимостью в годовой бюджет небольшого государства в надежде всего лишь, а не в твердой уверенности добыть и привезти на Землю хоть крошечную горсточку межзвездной пыли?

Меж звезд и планет

Пылью в астрономии называют небольшие, размером в доли микрона, твердые частицы, летающие в космическом пространстве. Часто космическую пыль условно делят на межпланетную и межзвездную, хотя, очевидно, и межзвездной вход в межпланетное пространство не запрещен. Просто найти ее там, среди «местной» пыли, нелегко, вероятность невысока, да и свойства ее вблизи Солнца могут существенно измениться. Вот если отлететь подальше, к границам Солнечной системы, там вероятность поймать настоящую межзвездную пыль весьма велика. Идеальный вариант — вообще выйти за пределы Солнечной системы.

Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли — материя довольно изученная. Заполняющая все пространство Солнечной системы и сконцентрированная в плоскости ее экватора, она родилась по большей части в результате случайных столкновений астероидов и разрушения комет, приблизившихся к Солнцу. Состав пыли, по сути, не отличается от состава падающих на Землю метеоритов: исследовать его очень интересно, и открытий в этой области предстоит сделать еще немало, но особенной интриги тут, похоже, нет. Зато благодаря именно этой пыли в хорошую погоду на западе сразу после заката или на востоке перед восходом солнца можно любоваться бледным конусом света над горизонтом. Это так называемый зодиакальный — солнечный свет, рассеянный мелкими космическими пылинками.

Куда интереснее пыль межзвездная. Отличительная ее особенность — наличие твердого ядра и оболочки. Ядро состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А оболочка — преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства, а это около 10 кельвинов, водорода и кислорода. Впрочем, бывают в ней примеси молекул и посложнее. Это аммиак, метан и даже многоатомные органические молекулы, которые налипают на пылинку или образуются на ее поверхности во время скитаний. Часть этих веществ, разумеется, улетает с ее поверхности, например, под действием ультрафиолета, но процесс этот обратимый — одни улетают, другие намерзают или синтезируются.

Сейчас в пространстве между звездами или вблизи них уже найдены, разумеется, не химическими, а физическими, то есть спектроскопическими, методами: вода, оксиды углерода, азота, серы и кремния, хлористый водород, аммиак, ацетилен, органические кислоты, такие как муравьиная и уксусная, этиловый и метиловый спирты, бензол, нафталин. Нашли даже аминокислоту — глицин!

Интересно было бы поймать и изучить межзвездную пыль, проникающую в Солнечную систему и наверняка падающую на Землю. Проблема по ее «отлову» нелегка, потому как сохранить свою ледяную «шубу» в солнечных лучах, тем более в атмосфере Земли, мало какой межзвездной пылинке удается. Крупные слишком сильно нагреваются — их космическая скорость не может быстро погаситься, и пылинки «обгорают». Мелкие, правда, планируют в атмосфере годами, сохраняя часть оболочки, но тут уж возникает проблема найти их и идентифицировать.

Есть еще одна, очень интригующая деталь. Касается она той пыли, ядра которой состоят из углерода. Углерод, синтезированный в ядрах звезд и уходящий в космос, например, из атмосферы стареющих (типа красных гигантов) звезд, вылетая в межзвездное пространство, охлаждается и конденсируется — примерно так же, как после жаркого дня собирается в низинах туман из остывших паров воды. В зависимости от условий кристаллизации могут получиться слоистые структуры графита, кристаллы алмаза (только представьте — целые облака крошечных алмазов!) и даже полые шарики из атомов углерода (фуллерены). А в них, возможно, как в сейфе или контейнере, хранятся частички атмосферы звезды очень древней. Найти такие пылинки было бы огромной удачей.

Где водится космическая пыль?

Надо сказать, что само понятие космического вакуума как чего-то совершенно пустого давно осталось лишь поэтической метафорой. На самом деле все пространство Вселенной, и между звездами, и между галактиками, заполнено веществом, потоками элементарных частиц, излучением и полями — магнитным, электрическим и гравитационным. Все, что можно, условно говоря, потрогать, — это газ, пыль и плазма, вклад которых в общую массу Вселенной, по разным оценкам, составляет всего около 1—2% при средней плотности около 10-24 г/см 3 . Газа в пространстве больше всего, почти 99%. В основном это водород (до 77,4%) и гелий (21%), на долю остальных приходится меньше двух процентов массы. А еще есть пыль — по массе ее почти в сто раз меньше, чем газа.

Хотя иногда пустота в межзвездном и межгалактическом пространствах почти идеальная: порой на один атом вещества там приходится 1 л пространства! Такого вакуума нет ни в земных лабораториях, ни в пределах Солнечной системы. Для сравнения можно привести такой пример: в 1 см 3 воздуха, которым мы дышим, примерно 30 000 000 000 000 000 000 молекул.

Распределена эта материя в межзвездном пространстве весьма неравномерно. Большая часть межзвездного газа и пыли образует газопылевой слой вблизи плоскости симметрии диска Галактики. Его толщина в нашей Галактике — несколько сотен световых лет. Больше всего газа и пыли в ее спиральных ветвях (рукавах) и ядре сосредоточено в основном в гигантских молекулярных облаках размерами от 5 до 50 парсек (16—160 световых лет) и массой в десятки тысяч и даже миллионы масс Солнца. Но и внутри этих облаков вещество распределено тоже неоднородно. В основном объеме облака, так называемой шубе, преимущественно из молекулярного водорода, плотность частиц составляет около 100 штук в 1 см 3 . В уплотнениях же внутри облака она достигает десятков тысяч частиц в 1 см 3 , а в ядрах этих уплотнений — вообще миллионов частиц в 1 см 3 . Вот этой-то неравномерности в распределении вещества во Вселенной обязаны существованием звезды, планеты и в конечном итоге мы сами. Потому что именно в молекулярных облаках, плотных и сравнительно холодных, и зарождаются звезды.

Что интересно: чем выше плотность облака, тем разнообразнее оно по составу. При этом есть соответствие между плотностью и температурой облака (или отдельных его частей) и теми веществами, молекулы которых там встречаются. С одной стороны, это удобно для изучения облаков: наблюдая за отдельными их компонентами в разных спектральных диапазонах по характерным линиям спектра, например СО, ОН или NH 3 , можно «заглянуть» в ту или иную его часть. А с другой — данные о составе облака позволяют многое узнать о процессах, в нем происходящих.

Кроме того, в межзвездном пространстве, судя по спектрам, есть и такие вещества, существование которых в земных условиях просто невозможно. Это ионы и радикалы. Их химическая активность настолько высока, что на Земле они немедленно вступают в реакции. А в разреженном холодном пространстве космоса они живут долго и вполне свободно.

Вообще газ в межзвездном пространстве бывает не только атомарным. Там, где похолоднее, не более 50 кельвинов, атомам удается удержаться вместе, образуя молекулы. Однако большая масса межзвездного газа находится все же в атомарном состоянии. В основном это водород, его нейтральная форма была обнаружена сравнительно недавно — в 1951 году. Как известно, он излучает радиоволны длиной 21 см (частота 1 420 МГц), по интенсивности которых и установили, сколько же его в Галактике. Между прочим, он и в пространстве между звездами распределен неоднородно. В облаках атомарного водорода его концентрация достигает нескольких атомов в 1 см 3 , но между облаками она на порядки меньше.

Наконец, вблизи горячих звезд газ существует в виде ионов. Мощное ультрафиолетовое излучение нагревает и ионизирует газ, и он начинает светиться. Именно поэтому области с высокой концентрацией горячего газа, с температурой около 10 000 К выглядят как светящиеся облака. Их-то и называют светлыми газовыми туманностями.

И в любой туманности, в большем или меньшем количестве, есть межзвездная пыль. Несмотря на то что условно туманности делят на пылевые и газовые, пыль есть и в тех, и в других. И в любом случае именно пыль, повидимому, помогает звездам образовываться в недрах туманностей.

Туманные объекты

Среди всех космических объектов туманности, может быть, самые красивые. Правда, темные туманности в видимом диапазоне выглядят просто как черные кляксы на небе — лучше всего их наблюдать на фоне Млечного Пути. Зато в других диапазонах электромагнитных волн, например инфракрасном, они видны очень хорошо — и картинки получаются очень необычными.

Туманностями называют обособленные в пространстве, связанные силами гравитации или внешним давлением скопления газа и пыли. Их масса может быть от 0,1 до 10 000 масс Солнца, а размер — от 1 до 10 парсек.

Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. В 1714 году англичанин Эдмонд Галлей, имя которого носит знаменитая комета, даже составил «черный список» из шести туманностей, дабы те не вводили в заблуждение «ловцов комет», а француз Шарль Мессье расширил этот список до 103 объектов. К счастью, туманностями заинтересовались влюбленный в астрономию музыкант сэр Вильям Гершель, его сестра и сын. Наблюдая небо с помощью построенных своими руками телескопов, они оставили после себя каталог туманностей и звездных скоплений, насчитывающий сведения о 5 079 космических объектах!

Гершели практически исчерпали возможности оптических телескопов тех лет. Однако изобретение фотографии и большое время экспонирования позволили найти и совсем слабо светящиеся объекты. Чуть позже спектральные методы анализа, наблюдения в различных диапазонах электромагнитных волн предоставили возможность в дальнейшем не только обнаруживать много новых туманностей, но и определять их структуру и свойства.

Межзвездная туманность выглядит светлой в двух случаях: либо она настолько горячая, что ее газ сам светится, такие туманности называют эмиссионными; либо сама туманность холодная, но ее пыль рассеивает свет находящейся поблизости яркой звезды — это отражательная туманность.

Темные туманности — это тоже межзвездные скопления газа и пыли. Но в отличие от светлых газовых туманностей, видных порой даже в сильный бинокль или телескоп, как, например, туманность Ориона, темные туманности свет не испускают, а поглощают. Когда свет звезды проходит сквозь такие туманности, пыль может полностью поглотить его, преобразовав в ИК-излучение, невидимое глазом. Поэтому выглядят такие туманности как беззвездные провалы на небе. В. Гершель называл их «дырами в небе». Возможно, самая эффектная из них — туманность Конская Голова.

Впрочем, пылинки могут не полностью поглотить свет звезд, но только частично рассеять его, при этом выборочно. Дело в том, что размер частиц межзвездной пыли близок к длине волны синего света, поэтому он сильнее рассеивается и поглощается, а до нас лучше доходит «красная» часть света звезд. Между прочим, это хороший способ оценить размер пылинок по тому, как они ослабляют свет различных длин волн.

Звезда из облака

Причины, по которым возникают звезды, точно не установлены — есть только модели, более или менее достоверно объясняющие экспериментальные данные. Кроме того, пути образования, свойства и дальнейшая судьба звезд весьма разнообразны и зависят от очень многих факторов. Однако есть устоявшаяся концепция, вернее, наиболее проработанная гипотеза, суть которой, в самых общих чертах, заключается в том, что звезды формируются из межзвездного газа в областях с повышенной плотностью вещества, то есть в недрах межзвездных облаков. Пыль как материал можно было бы не учитывать, но ее роль в формировании звезд огромна.

Происходит это (в самом примитивном варианте, для одиночной звезды), по-видимому, так. Сначала из межзвездной среды конденсируется протозвездное облако, что, возможно, происходит из-за гравитационной неустойчивости, однако причины могут быть разными и до конца еще не ясны. Так или иначе, оно сжимается и притягивает к себе вещество из окружающего пространства. Температура и давление в его центре растут до тех пор, пока молекулы в центре этого сжимающегося газового шара не начинают распадаться на атомы и затем на ионы. Такой процесс охлаждает газ, и давление внутри ядра резко падает. Ядро сжимается, а внутри облака распространяется ударная волна, отбрасывающая его внешние слои. Образуется протозвезда, которая продолжает сжиматься под действием сил тяготения до тех пор, пока в центре ее не начинаются реакции термоядерного синтеза — превращения водорода в гелий. Сжатие продолжается еще какое-то время, пока силы гравитационного сжатия не уравновесятся силами газового и лучистого давления.

Понятно, что масса образовавшейся звезды всегда меньше массы «породившей» ее туманности. Часть вещества, не успевшего упасть на ядро, в ходе этого процесса «выметается» ударной волной, излучением и потоками частиц просто в окружающее пространство.

На процесс формирования звезд и звездных систем влияют многие факторы, в том числе и магнитное поле, которое часто способствует «разрыву» протозвездного облака на два, реже три фрагмента, каждый из которых под действием гравитации сжимается в свою протозвезду. Так возникают, например, многие двойные звездные системы — две звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс и перемещаются в пространстве как единое целое.

По мере «старения» ядерное топливо в недрах звезд постепенно выгорает, причем тем быстрее, чем больше звезда. При этом водородный цикл реакций сменяется гелиевым, затем в результате реакций ядерного синтеза образуются все более тяжелые химические элементы, вплоть до железа. В конце концов ядро, не получающее больше энергии от термоядерных реакций, резко уменьшается в размере, теряет свою устойчивость, и его вещество как бы падает само на себя. Происходит мощный взрыв, во время которого вещество может нагреваться до миллиардов градусов, а взаимодействия между ядрами приводят к образованию новых химических элементов, вплоть до самых тяжелых. Взрыв сопровождается резким высвобождением энергии и выбросом вещества. Звезда взрывается — этот процесс называют вспышкой сверхновой. В конечном же итоге звезда, в зависимости от массы, превратится в нейтронную звезду или черную дыру.

Наверное, так все и происходит на самом деле. Во всяком случае, не вызывает сомнений тот факт, что молодых, то есть горячих, звезд и их скоплений больше всего как раз в туманностях, то есть в областях с повышенной плотностью газа и пыли. Это хорошо видно на фотографиях, полученных телескопами в разных диапазонах длин волн.

Разумеется, это не более чем самое грубое изложение последовательности событий. Для нас же принципиально важны два момента. Первый — какова роль пыли в процессе образования звезд? И второй — откуда, собственно, она берется?

Вселенский хладагент

В общей массе космического вещества собственно пыли, то есть объединенных в твердые частицы атомов углерода, кремния и некоторых других элементов, настолько мало, что их, во всяком случае, как строительный материал для звезд, казалось бы, можно и не принимать во внимание. Однако на самом деле их роль велика — именно они охлаждают горячий межзвездный газ, превращая его в то самое холодное плотное облако, из которого потом получаются звезды.

Дело в том, что сам по себе межзвездный газ охладиться не может. Электронная структура атома водорода такова, что избыток энергии, если таковой есть, он может отдать, излучая свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, но не в инфракрасном диапазоне. Образно говоря, водород не умеет излучать тепло. Чтобы как следует остыть, ему нужен «холодильник», роль которого как раз и играют частицы межзвездной пыли.

Во время столкновения с пылинками на большой скорости — в отличие от более тяжелых и медленных пылинок молекулы газа летают быстро — они теряют скорость и их кинетическая энергия передается пылинке. Так же нагревается и отдает это избыточное тепло в окружающее пространство, в том числе в виде ИК-излучения, а сама при этом остывает. Так, принимая на себя тепло межзвездных молекул, пыль действует как своеобразный радиатор, охлаждая облако газа. По массе ее не много — около 1% от массы всего вещества облака, но этого достаточно, чтобы за миллионы лет отвести избыток тепла.

Когда же температура облака падает, падает и давление, облако конденсируется и из него уже могут родиться звезды. Остатки же материала, из которого родилась звезда, являются в свою очередь исходным для образования планет. Вот в их состав пылинки уже входят, причем в большем количестве. Потому что, родившись, звезда нагревает и разгоняет вокруг себя весь газ, а пыль остается летать поблизости. Ведь она способна охлаждаться и притягивается к новой звезде гораздо сильнее, чем отдельные молекулы газа. В конце концов рядом с новорожденной звездой оказывается пылевое облако, а на периферии — насыщенный пылью газ.

Там рождаются газовые планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун. Ну а вблизи звезды появляются твердые планеты. У нас это Марс, Земля, Венера и Меркурий. Получается довольно четкое разделение на две зоны: газовые планеты и твердые. Так что Земля в значительной степени оказалась сделанной именно из межзвездных пылинок. Металлические пылинки вошли в состав ядра планеты, и сейчас у Земли огромное железное ядро.

Тайна юной Вселенной

Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль — в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники — новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 — 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.

Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль — продукт эволюции звезд. Иными словами – звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше — яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.

Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них — первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет — слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, — тайна.

Пылинка — реактор

Мало того что межзвездная пыль выступает в роли своеобразного вселенского хладагента, возможно, именно благодаря пыли в космосе появляются сложные молекулы.

Дело в том, что поверхность пылинки может служить одновременно и реактором, в котором образуются из атомов молекулы, и катализатором реакций их синтеза. Ведь вероятность того, что сразу много атомов различных элементов столкнутся в одной точке, да еще и провзаимодействуют между собой при температуре чуть выше абсолютного нуля, невообразимо мала. Зато вероятность того, что пылинка последовательно столкнется в полете с различными атомами или молекулами, особенно внутри холодного плотного облака, довольно велика. Собственно, это и происходит — так образуется оболочка межзвездных пылинок из намерзших на нее встреченных атомов и молекул.

На твердой поверхности атомы оказываются рядом. Мигрируя по поверхности пылинки в поисках наиболее энергетически выгодного положения, атомы встречаются и, оказываясь в непосредственной близости, получают возможность прореагировать между собой. Разумеется, очень медленно — в соответствии с температурой пылинки. Поверхность частиц, особенно содержащих в ядре металл, может проявить свойства катализатора. Химики на Земле хорошо знают, что самые эффективные катализаторы — это как раз частицы размером в доли микрона, на которых собираются, а затем и вступают в реакции молекулы, в обычных условиях друг к другу совершенно «равнодушные». По-видимому, так образуется и молекулярный водород: его атомы «налипают» на пылинку, а потом улетают с нее — но уже парами, в виде молекул.

Очень может быть, что маленькие межзвездные пылинки, сохранив в своих оболочках немного органических молекул, в том числе и простейших аминокислот, и занесли на Землю первые «семена жизни» около 4 млрд. лет тому назад. Это, конечно, не более чем красивая гипотеза. Но в ее пользу говорит то, что в составе холодных газопылевых облаков найдена аминокислота — глицин. Может, есть и другие, просто пока возможности телескопов не позволяют их обнаружить.

Охота за пылью

Исследовать свойства межзвездной пыли можно, разумеется, на расстоянии — с помощью телескопов и других приборов, расположенных на Земле или на ее спутниках. Но куда заманчивее межзвездные пылинки поймать, а потом уж обстоятельно изучить, выяснить — не теоретически, а практически, из чего они состоят, как устроены. Вариантов тут два. Можно добраться до космических глубин, набрать там межзвездной пыли, привезти на Землю и проанализировать всеми возможными способами. А можно попытаться вылететь за пределы Солнечной системы и по пути анализировать пыль прямо на борту космического корабля, отправляя на Землю полученные данные.

Первую попытку привезти образцы межзвездной пыли, и вообще вещества межзвездной среды, несколько лет назад предприняло NASA. Космический корабль оснастили специальными ловушками — коллекторами для сбора межзвездной пыли и частиц космического ветра. Чтобы поймать пылинки, не потеряв при этом их оболочку, ловушки наполнили особым веществом — так называемым аэрогелем. Эта очень легкая пенистая субстанция (состав которой — коммерческая тайна) напоминает желе. Попав в нее, пылинки застревают, а дальше, как в любой ловушке, крышка захлопывается, чтобы быть открытой уже на Земле.

Этот проект так и назывался Stardust — Звездная пыль. Программа у него грандиозная. После старта в феврале 1999 года аппаратура на его борту в конечном итоге должна собрать образцы межзвездной пыли и отдельно — пыль в непосредственной близости от кометы Wild-2, пролетавшей неподалеку от Земли в феврале прошлого года. Теперь с контейнерами, наполненными этим ценнейшим грузом, корабль летит домой, чтобы приземлиться 15 января 2006 года в штате Юта, неподалеку от Солт-Лейк-Сити (США). Вот тогда-то астрономы наконец увидят своими глазами (с помощью микроскопа, конечно) те самые пылинки, модели состава и строения которых они уже спрогнозировали.

А в августе 2001 года за образцами вещества из глубокого космоса полетел Genesis. Этот проект NASA был нацелен в основном на поимку частиц солнечного ветра. Проведя в космическом пространстве 1 127 дней, за которые он пролетел около 32 млн. км, корабль вернулся и сбросил на Землю капсулу с полученными образцами — ловушками с ионами, частицами солнечного ветра. Увы, произошло несчастье — парашют не раскрылся, и капсула со всего маху шлепнулась об землю. И разбилась. Конечно, обломки собрали и тщательно изучили. Впрочем, в марте 2005-го на конференции в Хьюстоне участник программы Дон Барнетти заявил, что четыре коллектора с частицами солнечного ветра не пострадали, и их содержимое, 0,4 мг пойманного солнечного ветра, ученые активно изучают в Хьюстоне.

Впрочем, сейчас NASA готовит третий проект, еще более грандиозный. Это будет космическая миссия Interstellar Probe. На этот раз космический корабль удалится на расстояние 200 а. е. от Земли (а. е. — расстояние от Земли до Солнца). Этот корабль никогда не вернется, но весь будет «напичкан» самой разнообразной аппаратурой, в том числе — и для анализа образцов межзвездной пыли. Если все получится, межзвездные пылинки из глубокого космоса будут наконец пойманы, сфотографированы и проанализированы — автоматически, прямо на борту космического корабля.

Формирование молодых звезд

1. Гигантское галактическое молекулярное облако размером 100 парсек, массой 100 000 солнц, температурой 50 К, плотностью 10 2 частиц/см 3 . Внутри этого облака имеются крупномасштабные конденсации — диффузные газопылевые туманности (1—10 пк, 10 000 солнц, 20 К, 10 3 частиц/см 3) и мелкие конденсации — газопылевые туманности (до 1пк, 100—1 000 солнц, 20 К, 10 4 частиц/см 3). Внутри последних как раз и находятся сгусткиглобулы размером 0,1 пк, массой 1—10 солнц и плотностью 10 —10 6 частиц/см 3 , где формируются новые звезды

2. Рождение звезды внутри газопылевого облака

3. Новая звезда своим излучением и звездным ветром разгоняет от себя окружающий газ

4. Молодая звезда выходит в чистый и свободный от газа и пыли космос, отодвинув породившую ее туманность

Этапы «эмбрионального» развития звезды, по массе равной Солнцу

5. Зарождение гравитационно-неустойчивого облака размером 2 000 000 солнц, с температурой около 15 К и исходной плотностью 10 -19 г/см 3

6. Через несколько сотен тысяч лет у этого облака образуется ядро с температурой около 200 К и размером 100 солнц, масса его пока равна только 0,05 от солнечной

7. На этой стадии ядро с температурой до 2 000 К резко сжимается из-за ионизации водорода и одновременно разогревается до 20 000 К, скорость падения вещества на растущую звезду достигает 100 км/с

8. Протозвезда размером с два солнца с температурой в центре 2x10 5 К, а на поверхности — 3x10 3 К

9. Последний этап предэволюции звезды — медленное сжатие, в процессе которого выгорают изотопы лития и бериллия. Только после повышения температуры до 6x10 6 К в недрах звезды запускаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Общая продолжительность цикла зарождения звезды типа нашего Солнца составляет 50 млн. лет, после чего такая звезда может спокойно гореть миллиарды лет

Ольга Максименко, кандидат химических наук

Здравствуйте!

Сегодня мы поговорим на весьма интереснейшую тему, связанною с такой наукой, как астрономия! Речь пойдёт о космической пыли. Предполагаю, что многие впервые узнали о ней. Значит, нужно рассказать о ней всё, что только мне известно! В школе - астрономия была моим одним из любимых предметов, скажу больше - самым любимым, потому, именно по астрономии я сдавала экзамен.

Хотя мне и выпал 13 билет, который был самым сложным, но с экзаменом я сдала прекрасно и осталась довольна!

Ежели сказать совсем доступно, что такое космическая пыль, то можно представить все-все осколки, которые только есть во Вселенной от космического вещества, например, от астероидов. А Вселенная ведь - это не только Космос! Не путайте, дорогие мои и хорошие! Вселенная - это весь наш мир - весь наш огромный Земной шар!

Как образуется космическая пыль?

Например, космическая пыль может образовываться оттого, когда в Космосе сталкиваются два астероида и при столкновении, происходит процесс их разрушения на мелкие частицы. Многие учёные склоняются и к тому, что её образование связано с тем, когда сгущается межзвездный газ.

Как возникает космическая пыль?

Как она образуется, мы с вами только выяснили, теперь узнаем о том, как она возникает. Как правило, эти пылиночки просто возникают в атмосферах красных звездочек, если вы слышали, такие красные звезды называют ещё - звёздами карликами; возникают, когда на звёздах происходят различные взрывы; когда активно выбрасывается газ из самих ядер галактик; протозвёздная и планетарная туманность - тоже способствует её возникновению, впрочем, как и сама звёздная атмосфера и межзвездные облака.

Какие виды космической пыли можно различать, учитывая её происхождение?

Что касается именно видов, относительно происхождения, то выделим следующие виды:

межзвездный вид пыли, когда на звездах происходит взрыв, то происходит огромный выброс газа и мощный выброс энергии

межгалактический,

межпланетный,

околопланетный: появилась, как "мусор", остатки, после образования иных планет.

Есть виды, которые классифицируются не по происхождению, а по внешним признакам?

кружочки чёрного цвета, небольшие, блестящие

кружочки чёрного цвета, но покрупнее размером, имеющие шероховатую поверхность

кружочки шарики чёрно-белого цвета, кои в своём составе имеют силикатную основу

кружочки, которые состоят из стекла и металла, они разнородные, и небольшие (20 нм)

кружочки похожие на порошочек магнетита, они чёрные и похожи на чёрный песок

пепловидноые и шлакообразные кружочки

вид, который образовался от столкновения астероидов, комет, метеоритов

Удачный вопрос! Конечно, может. И от столкновения метеоритов тоже. От столкновения любых небесных тел возможно её образование.

Вопрос об образовании и возникновении космической пыли до сих пор является спорным, и разные ученые выдвигают свои точки зрения, но вы можете придерживаться одной или двух близких вам точек зрения в этом вопросе. Например, той, что более понятна.

Ведь даже относительно её видов нет абсолютно точной классификации!

шарики, основа коих является однородной; их оболочка является окисленной;

шарики, основа коих является силикатной; так как они имеют вкрапления газа, то вид их часто похож на шлаки либо на пену;

шарики, основа коих является металлической с ядром из никеля и кобальта; оболочка тоже окисленная;

кружочки наполнение коих является полым.

они могут быть ледяными, а оболочка их состоит из легких элементов; в крупных ледяных частицах есть даже атомы, имеющие магнитные свойства,

кружочки с силикатными и графитными вкраплениями,

кружочки, состоящие из оксидов, в основе коих есть двухатомные окислы:

Космическая пыль до конца не изучена! Очень много открытых вопросов, ибо они являются спорными, но, думаю, основные представления всё-таки у нас теперь имеются!

Видео обзор

Все(5)

Космическая пыль, ее состав и свойства мало известны человеку, не связанному с изучением внеземного пространства. Однако подобное явление оставляет свои следы на нашей планете! Рассмотрим подробнее, откуда она берется и каким образом влияет на жизнедеятельность на Земле.

Понятие космической пыли

Космическая пыль на Земле чаще всего находится в определенных слоях океанического дна, ледяных щитах полярных областей планеты, отложениях торфа, труднодоступных местах пустыни и метеоритных кратерах. Размер данного вещества - менее 200 нм, что делает его изучение проблематичным.

Обычно понятие космической пыли включает в себя размежевание на межзвездную и межпланетную разновидность. Впрочем, все это является очень условным. Наиболее удобным вариантом для изучения подобного явления считают исследование пыли из космоса на границах Солнечной системы или за ее пределами.

Причина такого проблематичного подхода к исследованию объекта заключается в том, что свойства внеземной пыли кардинально меняются при нахождении рядом с такой звездой, как Солнце.

Теории происхождения космической пыли

Потоки космической пыли постоянно атакуют поверхность Земли. Возникает вопрос, откуда берется это вещество. Его происхождение дает почву для множества дискуссий среди специалистов в этой области.

Выделяют такие теории образования космической пыли:

• Распад небесных тел . Некоторые ученые считают, что космическая пыль - не что иное, как результат разрушения астероидов, комет и метеоритов.
• Остатки облака протопланетного типа . Есть версия, по которой космическую пыль относят к микрочастицам протопланетного облака. Впрочем, такое предположение вызывает некоторые сомнения по причине недолговечности мелкодисперсного вещества.
• Результат взрыва на звездах . Вследствие этого процесса, по мнению некоторых специалистов, происходит мощный выброс энергии и газа, что приводит к образованию космической пыли.
• Остаточные явления после формирования новых планет . Так называемый строительный «мусор» стал основой для возникновения пыли.

По некоторым исследованиям, определенная часть составляющей космической пыли возникла раньше формирования Солнечной системы, что делает это вещество еще более интересным для дальнейшего изучения. На это стоит обратить внимание при оценке и анализе подобного внеземного явления.

Основные разновидности космической пыли

Конкретной классификации видов космической пыли на данный момент не существует. Можно разграничить подвиды по визуальным характеристикам и местообразованию этих микрочастиц.

Рассмотрим семь групп космической пыли в атмосфере, различных по внешним показателям:

1. Серые обломки неправильной формы. Это остаточные явления после столкновения метеоритов, комет и астероидов размером не более 100-200 нм.
2. Частицы шлакообразного и пепловидного образования. Такие объекты сложны в опознании исключительно по внешним признакам, потому что претерпели изменения, пройдя через атмосферу Земли.
3. Зерна округлой формы, что по параметрам схожи с песком черного цвета. Внешне они напоминают порошок магнетита (магнитного железняка).
4. Черные окружности небольшого размера, обладающие характерным блеском. Их диаметр не превышает отметки 20 нм, что делает их изучение кропотливым занятием.
5. Более крупные шарики того же цвета с шероховатой поверхностью. Их размер достигает 100 нм и позволяет детально изучить их состав.
6. Шарики определенной окраски с преобладанием черных и белых тонов с включениями газа. Эти микрочастицы космического происхождения состоят из силикатной основы.
7. Шары разнородной структуры из стекла и металла. Такие элементы характеризуются микроскопическими размерами в пределах 20 нм.

По астрономическому расположению выделяют 5 групп космической пыли:

• Пыль, находящаяся в межгалактическом пространстве. Данный вид может искажать размеры расстояний при определенных расчетах и способен изменять цвет космических объектов.
• Образования в пределах Галактики. Пространство в этих пределах всегда заполнено пылью от разрушения космических тел.
• Вещество, сконцентрированное между звездами. Оно наиболее интересно благодаря наличию оболочки и ядра твердой консистенции.
• Пыль, расположившаяся рядом с определенной планетой. Находится она обычно в кольцевой системе небесного тела.
• Облака из пыли вокруг звезд. Они кружатся по орбитальной траектории самой звезды, отражая ее свет и создавая туманность.

Три группы по общему удельному весу микрочастиц выглядят так:

1. Металлическая группа. Представители этого подвида имеют удельный вес более пяти граммов на кубический сантиметр, и основа их состоит преимущественно из железа.
2. Группа на силикатной основе. Основа - прозрачное стекло с удельным весом приблизительно три грамма на кубический сантиметр.
3. Смешанная группа. Само название этого объединения свидетельствует о наличии в структуре микрочастиц как стекла, так и железа. Основа также включает в себя магнетические элементы.

Четыре группы по сходству внутреннего строения микрочастиц космической пыли:

• Сферулы с полым наполнением. Эта разновидность часто встречается в местах падения метеоритов.
• Сферулы металлического образования. Такой подвид имеет ядро из кобальта и никеля, а также оболочку, которая окислилась.
• Шары однородного сложения. Такие крупинки имеют окисленную оболочку.
• Шарики с силикатной основой. Наличие газовых вкраплений придает им вид обычных шлаков, а иногда и пены.

Следует помнить, что эти классификации весьма условны, но служат определенным ориентиром для обозначения видов пыли из космоса.

Состав и характеристика компонентов космической пыли

Рассмотрим подробнее, из чего состоит космическая пыль. Существует некая проблема при определении состава данных микрочастиц. В отличие от газообразных веществ, твердые тела имеют непрерывающийся спектр с относительно небольшим наличием полос, что размыты. Вследствие этого затрудняется идентификация космических пылинок.

Состав космической пыли можно рассмотреть на примере основных моделей данного вещества. К ним относятся такие подвиды:

1. Ледяные частицы, в структуру которых входит ядро с тугоплавкой характеристикой. Оболочка подобной модели состоит из легких элементов. В частицах крупного размера находятся атомы с элементами магнитного свойства.
2. Модель MRN, состав которой определяется наличием силикатных и графитовых вкраплений.
3. Оксидная космическая пыль, в основу которой входят двухатомные окислы магния, железа, кальция и кремния.

Общая классификация по химическому составу космической пыли:

• Шарики с металлической природой образования. В состав таких микрочастиц входит такой элемент, как никель.
• Металлические шарики с наличием железа и отсутствием никеля.
• Окружности на силиконовой основе.
• Железо-никелевые шарики неправильной формы.

Более конкретно можно рассмотреть состав космической пыли на примере обнаруженной в океаническом иле, осадочных породах и ледниках. Их формула будет мало отличаться одна от другой. Находки при изучении морского дна представляют из себя шарики с силикатной и металлической основой с присутствием таких химических элементов, как никель и кобальт. Также в недрах водной стихии были обнаружены микрочастицы с наличием алюминия, кремния и магния.

Почвы благодатны на присутствие космического материала. Особенно большое количество сферул обнаружено в местах падения метеоритов. Основой для них послужили никель и железо, а также всевозможные минералы типа троилита, кохенита, стеатита и других составляющих.

Ледники также таят в своих глыбах пришельцев из космоса в виде пыли. Силикат, железо и никель служат основой найденных сферул. Все добытые частицы были классифицированы в 10 четко разграниченных групп.

Трудности в определении состава изучаемого объекта и дифференцирование его от примесей земного происхождения оставляют этот вопрос открытым для дальнейших исследований.

Влияние космической пыли на процессы жизнедеятельности

Влияние данной субстанции до конца не изучено специалистами, что дает большие возможности в плане дальнейшей деятельности в этом направлении. На определенной высоте при помощи ракет обнаружили специфический пояс, состоящий из космической пыли. Это дает основание утверждать, что подобное внеземное вещество воздействует на некоторые процессы, происходящие на планете Земля.

Влияние космической пыли на верхние слои атмосферы

Последние исследования свидетельствуют о том, что количество космической пыли способно влиять на изменение верхних слоев атмосферы. Данный процесс очень значим, потому что ведет к определенным колебаниям в климатической характеристике планеты Земля.

Огромное количество пыли, возникшей от столкновения астероидов, заполняет пространство вокруг нашей планеты. Ее количество достигает почти 200 тонн в сутки, что, по мнению ученых, не может не оставить своих последствий.

Наиболее подвержено этой атаке, по мнению тех же специалистов, северное полушарие, климат которого предрасположен к холодным температурам и сырости.

Вопрос воздействия космической пыли на образование облаков и изменение климата еще не изучен в достаточной степени. Новые исследования в этой области порождают все больше вопросов, ответы на которые пока не получены.

Влияние пыли из космоса на преобразование океанического ила

Облучение космической пыли солнечным ветром приводит к тому, что эти частицы попадают на Землю. Статистика свидетельствует о том, что наиболее легкий из трех изотопов гелия в огромном количестве попадает через пылинки из космоса в океанический ил.

Поглощение минералами железомарганцевого происхождения элементов из космоса послужило основой в формировании уникальных рудных образований на океанском дне.

На данный момент количество марганца в областях, которые близки к полярному кругу, ограничено. Все это связано с тем, что космическая пыль не поступает в Мировой океан в тех районах из-за ледяных щитов.

Влияние космической пыли на состав воды Мирового океана

Если рассматривать ледники Антарктиды, то они поражают количеством найденных в них остатков метеоритов и наличием космической пыли, которая в сотню раз превышает обычный фон.

Чрезмерно повышенная концентрация того же гелия-3, ценных металлов в виде кобальта, платины и никеля позволяет с уверенностью утверждать факт вмешательства космической пыли в состав ледникового щита. При этом вещество внеземного происхождения остается в первозданном и не разбавленном водами океана виде, что само по себе является уникальным явлением.

По мнению некоторых ученых, количество космической пыли в таких своеобразных ледяных щитах за последний миллион лет насчитывает порядка нескольких сотен триллионов образований метеоритного происхождения. В период потепления эти покровы тают и несут в Мировой океан элементы космической пыли.

Смотрите видео о космической пыли:

Данное космическое новообразование и его влияние на некоторые факторы жизнедеятельности нашей планеты еще мало изучено. Важно помнить, что вещество способно влиять на изменения климата, структуру океанического дна и концентрацию определенных веществ в водах Мирового океана. Фото космической пыли свидетельствуют о том, как много еще загадок таят в себе эти микрочастицы. Все это делает изучение подобного интересным и актуальным!

В науке воображение особенно востребовано. Это не только математика или логика, но нечто между красотой и поэзией.
- Мария Митчелл

Глядя на необъятность ночного неба, где есть несколько облачков, нет Луны, в достаточно тёмное время суток, вы увидите не просто тысячи крохотных белых точек, освещающих чёрный навес ночи.

Хотя в среднем звёзды белого цвета, тому есть важная причина. Наши глаза в результате эволюции привыкли видеть очень узкую часть спектра, известную нам, как видимый свет, от фиолетового цвета с длиной волны в 400 нм, до красного света с 700 нм.

По сути, эти длины волн ничем особым не выделяются, просто так получилось. Но это случилось на поверхности Земли, которая днём освещена Солнцем!

Это значит, что звёзды, горящие при температурах выше, чем Солнце, будут казаться нам голубыми, а более холодные будут казаться, по мере уменьшения, жёлтыми, оранжевыми, и даже красными. В южном полушарии вид Южного креста и оконечных звёзд демонстрирует этот контраст.

В обоих полушариях великое зимнее созвездие, Орион (восходящий в сентябре в 2 часа утра), включает звёзды, варьирующиеся от тёмно-оранжевого Бетельгейзе до ярко-голубых звёзд в поясе.

И хотя эти звёзды на изображениях такие цветастые, это мало что объясняет.

На обеих картинках можно найти продолжительные красноватые регионы. Это явно не холодные красные звёзды. Картинка «астрономическое изображение дня», появившаяся накануне написания этой статьи, показывала в крупном масштабе этот красноватый регион туманности в Орионе с изображения выше.

Эта замечательная туманность имеет два видимых для человеческих глаз цвета, из тех, что можно встретить в пыльных регионах космоса. Синяя туманность слева ярко контрастирует с большим красным свечением справа.

Оказывается, что районы космоса, светящиеся красным, встречаются немного чаще, но и синих районов также хватает. Вопрос, над которым вы наверняка размышляете, это – отчего так? Давайте подробнее рассмотрим находящийся недалеко пояс Ориона.

Даже если звезда и не голубая, её отражательная туманность обычно голубого цвета (с некоторыми исключениями), по той же причине, почему небо голубое: космическая пыль, как и атмосфера Земли, лучше рассеивает голубой цвет, чем красный!

И когда свет сталкивается с нейтральным, не ионизированным, газом, то красный свет просто проходит насквозь, с отражением лишь небольшой его части, а голубой рассеивается во всех направлениях, в том числе и в нашем!

Поэтому, смотря на огромный комплекс молекулярных облаков в созвездии Ориона – в сотни световых лет в поперечнике – можно увидеть, что он наполнен как испускающими, так и отражательными туманностями, а ещё и тёмными полосками поглощающей пыли!

Вот так горячие звёзды, водород, более тяжёлые элементы и рассеивающая свет пыль, вместе со светом, исходящим от всех окружающих звёзд, работают вместе над освещением глубин космоса всем спектром видимого света!

Если вы начали представлять, что можно было бы увидеть, если бы вместо крохотной части видимого спектра мы могли бы видеть всё, от гамма-лучей до радиоволн, поздравляю! Вы только что поняли, зачем нам нужны телескопы, чувствительные к такому разнообразию длин волн, и почему мы используем композиции ложных цветов со всей этой информацией.

Большое разнообразие информации, видимой нашими глазами, покрывает лишь 1/60 долю всех длин волн электромагнитного спектра на логарифмической шкале! Так что радуйтесь тому, что видите, и причинам, почему оно именно такого света, но не верьте, что существует лишь то, что вы видите. Существует целая Вселенная, и каждый день наука помогает нам видеть её и понимать её ещё чуть больше. Не забывайте, как важно смотреть.

Ф И З И К А

СВОЙСТВА КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

С. В. БОЖОКИН

Санкт-Петербургский государственный технический университет

© Божокин С.В., 2000

COSMIC DUST PROPERTIES

The main processes of the origin of dust and its physical properties are presented. The influence of dust on the processes of self infrared radiation and on interstellar light absorption is discussed. Different processes of the origin and evolution of dust are considered.

Рассмотрены происхождение космической пыли, ее состав и физические свойства. Обсуждается влияние космической пыли на процессы собственного инфракрасного излучения пыли и межзвездного поглощения света. Описываются возникновение и эволюция космической пыли.

www.issep.rssi.ru

ВВЕДЕНИЕ

Многие люди с восторгом любуются прекрасным зрелищем звездного неба, одного из величайших творений природы. В ясном осеннем небе хорошо заметно, как через все небо пролегает слабо светящаяся полоса, называемая Млечным Путем, имеющая неправильные очертания с разной шириной и яркостью. Если рассматривать Млечный Путь, образующий нашу Галактику, в телескоп, то окажется, что эта яркая полоса распадается на множество слабо светящихся звезд, которые для невооруженного глаза сливаются в сплошное сияние. В настоящее время установлено, что Млечный Путь состоит не только из звезд и звездных скоплений, но также из газовых и пылевых облаков .

Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газов получили название газовых диффузных туманностей. Одна из самых известных – туманность в созвездии Ориона, которая видна даже невооруженным глазом около средней из трех звездочек, образующих “меч” Ориона. Газы, ее образующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд. В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород, кислород, гелий и азот. Такие газовые или диффузные туманности служат колыбелью для молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась наша Солнечная система. Процесс звездообразования непрерывен, и звезды продолжают возникать и сегодня.

В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Эти облака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманности окажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылевая туманность становится непосредственно наблюдаемой (рис. 1). Газовые и пылевые туманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому на снимках неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути. Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна очень большая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком. Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто

Ф И З И К А

Рис. 1. Изображение галактики, заполненной космической пылью

они наблюдаются совместно как газопылевые туманности.

Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженной межзвездной материи, которая получила название межзвездного газа. Межзвездный газ обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд, вызывая в них дополнительные линии поглощения. Ведь на большом протяжении даже такой разреженный газ может поглощать излучение звезд. Возникновение и бурное развитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по тем радиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газа состоят в основном из водорода, который даже при низких температурах излучает радиоволны на длине 21 см. Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именно радиоастрономия помогла нам в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня мы знаем, что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль, ветви которой, выходя из центра Галактики, обвивают ее середину, создавая нечто похожее на каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот.

В настоящее время огромное количество вещества

в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав. Дело

в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического

спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее – фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду.

Для астрофизиков огромное значение имеет изучение свойств космической пыли и выяснение того влияния, которое оказывает эта пыль при изучении физических характеристик астрофизических объектов. Межзвездное поглощение и межзвездная поляризация света, инфракрасное излучение областей нейтрального водорода, дефицит химических элементов в межзвездной среде, вопросы образования молекул и рождение звезд – во всех этих проблемах огромная роль принадлежит космической пыли, рассмотрению свойств которой и посвящена данная статья.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

Космические пылинки возникают в основном в медленно истекающих атмосферах звезд – красных карликов, а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик. Другими источниками образования космической пыли являются планетарные и протозвездные туманности, звездные атмосферы и межзвездные облака. Во всех процессах образования космических пылинок температура газа падает при движении газа наружу и в какой-то момент переходит через точку росы, при которой происходит конденсация паров веществ, образующих ядра пылинок. Центрами образования новой фазы обычно являются кластеры. Кластеры представляют собой небольшие группы атомов или молекул, образующие устойчивую квазимолекулу. При столкновениях с уже сформировавшимся зародышем пылинки к нему могут присоединяться атомы и молекулы, либо вступая в химические реакции с атомами пылинки (хемосорбция), либо достраивая формирующийся кластер. В наиболее плотных участках межзвездной среды, концентрация частиц в которыхn 106 см−3 , рост пылинки может быть связан с процессами коагуляции, при которых пылинки могут слипаться друг с другом, не разрушаясь при этом. Процессы коагуляции, зависящие от свойств поверхности пылинок и их температур, идут только в том случае, когда столкновения между пылинками происходят при низких относительных скоростях соударений.

На рис. 2 показан процесс роста кластеров космической пылинки с помощью присоединения мономеров. Получающаяся при этом аморфная космическая пылинка может представлять собой кластер атомов, обладающий фрактальными свойствами . Фракталами называются геометрические объекты: линии, поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и обладающие свойством самоподобия.

Ф И З И К А

Рис. 2. Создание космической пылинки с помощью коагуляции атомных кластеров

Самоподобие означает неизменность основных геометрических характеристик фрактального объекта при изменении масштаба. Например, изображения многих фрактальных объектов оказываются очень похожими при увеличении разрешения в микроскопе. Фрактальные кластеры представляют собой сильно разветвленные пористые структуры, образующиеся в сильно неравновесных условиях при объединении твердых частиц близких размеров в одно целое. В земных условиях фрактальные агрегаты получаются при релаксации паров металлов в неравновесных условиях, при образовании гелей в растворах, при коагуляции частиц в дымах. Модель фрактальной космической пылинки показана на рис. 3. Отметим, что процессы коагуляции пылинок, происходящие в протозвездных облаках и газопылевых дисках, значительно усиливаются при турбулентном движении межзвездного вещества.

Ядра космических пылинок, состоящие из тугоплавких элементов, размером в сотые доли микрона

Рис. 3. Фрактальная модель космической пылинки

образуются в оболочках холодных звезд при плавном истечении газа или во время взрывных процессов. Такие ядра пылинок устойчивы ко многим внешним воздействиям.

Потоки газа, давление излучения выносят пылинки в межзвездную среду, где они остывают до температуры T d ≈ 10–20 K. При этом на пылинку намерзает оболочка из “грязного” льда – молекул H2 O и молекул других соединений. Время роста оболочек составляет величину порядка 1010 лет. За это время пылинка может попасть в зону ионизованного водорода, в горячий корональный газ, в оболочку новой или сверхновой звезды, в спиральную ударную волну или ударную волну иного происхождения, где такая ледяная оболочка может испариться. За время такого путешествия процессы разрушения и создания ледяной оболочки пылинки могут многократно повторяться и в зависимости от этих процессов формируются состав пылинок и их распределение по размерам. Основным механизмом разрушения пылевых частиц является процесс выбивания поверхностных молекул при бомбардировке пылинки либо частицами окружающего газа, либо космическими лучами.

Космическая пыль возникает во многих космических объектах, где происходит быстрый отток вещества, сопровождаемый охлаждением. Она проявляется по инфракрасному излучению горячих звезд Вольфа– Райе с очень мощным звездным ветром, планетарных туманностей, оболочек сверхновых и новых звезд. Большое количество пыли существует в ядрах многих галактик (например, М82, NGC253), из которых идет интенсивное истечение газа. Наиболее ярко влияние космической пыли проявляется при излучении новой звезды. Через несколько недель после максимума блеска

	С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л, ТОМ 6 , № 6 , 2 0 0 0

Ф И З И К А

новой в ее спектре появляется сильный избыток излучения в инфракрасном диапазоне, вызванный появлением пыли с температурой около T d ≈ 1000 K. Дальнейшая эволюция спектра показывает разлет и охлаждение возникшей пылевой оболочки.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ

Микроскопические звездные пылевые частицы составляют примерно 0,05% массы всей Галактики, однако их роль в процессах эволюции ее вещества очень велика. Пылинки представляют собой мелкие кристаллические или аморфные образования, состоящие из силикатов, графита и, возможно, окислов металлов, покрытые сверху оболочкой из намерзших газов. В настоящее время нет единого мнения о химическом составе, форме и размерах пылинок. Перечислим основные модели, которые используются в астрофизике для объяснения свойств космической пыли.

Модель ледяных частиц

Согласно этой модели, пылевые частицы представляют собой ледяные частицы, состоящие из тугоплавкого ядра и оболочки из легких элементов. Все космические пылинки можно условно разделить на два класса: мелкие (их радиус меньше 0,01 мкм) и крупные частицы, которых примерно в тысячу раз меньше, чем мелких. В этой модели предполагается, что в крупные частицы вкраплены атомы магнитных элементов, которые придают пылинкам парамагнитные свойства. Такие частицы могут быть частично ориентированы в магнитном поле.

Модель МRN

В 1977 году Матис, Рампл и Нордсик (J. Mathis, W. Rumpl, K. Nordsieck. The Size Distribution of Interstellar Grain // Astrophys. J. 1977. Vol. 217. P. 425) выдвинули модель космической пыли, состоящей из смеси графитовых и силикатных сферических частиц. В рамках этой модели им удалось объяснить кривую межзвездного поглощения света с длинами волн λ= 1100–10 000Å . Частицы обоих сортов перемешаны почти поровну и имеют степенное распределение по радиусу пылинока с некоторым степенным показателемn (a ) ≈ 1/a q , где показатель степениq ≈ 3,5, а радиусы пылинок лежат в диапазоне 0,005

Модель оксидных пылинок

Модель оксидных пылинок представляет собой смесь мелких (а < 0,01 мкм) частиц, состоящих из двухатомных окислов MgO, SiO, СаO, FeO.

Следует отметить, что существует большая неопределенность при определении состава космических пылинок. В отличие от газа, для которого характерны спектры излучения или поглощения с множеством линий, позволяющих однозначно идентифицировать атомы, ионы и молекулы и, таким образом, определить содержание элементов и их соединений, твердые тела обладают непрерывным спектром с малым количеством размытых полос, делающих идентификацию неоднозначной. Важную информацию о составе пылинок может дать наблюдаемый в межзвездной среде дефицит многих элементов, особенно металлов, по сравнению с составом солнечной атмосферы. Этот дефицит элементов в газовой фазе межзвездной среды обычно связывают с тем, что данные элементы ушли на образование космических пылинок.

Налипание на космические пылинки электронов из межзвездного газа и фотоионизация пылинок ультрафиолетовым излучением приводят к тому, что пылинки оказываются электрически заряженными и их электрический заряд может достигать величин порядка десятка элементарных зарядов. Существующий на космической пылинке электрический заряд (сила Лоренца) привязывает эту пылинку к межзвездному магнитному полю, которое всегда присутствует в галактиках. Для характерных электрических зарядов и масс космических пылинок радиус Лармора при их движении по спирали в межзвездном магнитном поле с индукцией B ≈ 3 10−6 Гс равен 0,03 пк. Напомним, что в астрономии единица длины 1 парсек соответствует величине 1 пк = 3,0587 1018 см, что примерно равняется расстоянию, которое проходит световой луч за 3,26 года. Таким образом, ларморовский радиус оказывается много меньше характерных размеров большинства образований межзвездной среды, поэтому космические пылинки оказываются сцепленными с магнитным полем.

Заметим, что обнаружение углеродных цепочек в космосе в сочетании с возможностью лабораторного подтверждения их межзвездного происхождения привело физиков к неожиданному открытию. Было обнаружено, что гигантская молекула, состоящая из 60 атомов углерода C60 , названная фуллереном, и представляющая новую форму существования углерода , не только существует, но и способна образовываться самопроизвольно. Напомним, что под фуллеренами понимают пространственно сферически замкнутую структуру с sp 2 -гибридизацией атомов углерода, где каждый атом углерода связан с тремя ближайшими соседями. Пространственная структура фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода C60 , напоминает структуру футбольного мяча, состоящего из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников, в вершины которых помещены атомы углерода. Так, в 1982 году

Б О Ж О К И Н С. В. С В О Й С Т В А К О С М И Ч Е С К О Й П Ы Л И

Ф И З И К А

В. Кретмер и Д. Хафман (Kratschmer W .,Fostiropoulos K .,

Huffman D.R . // Nature. 1990. Vol. 347. P. 354) обнаружили загадочные особенности в спектре ультрафиолетового излучения угольной пыли, которая получается в углеродной дуге при моделировании межзвездной пыли (см. ).

ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ПЫЛЬЮ

Конечно, космические пылинки приводят к ослаблению света звезд, рассеивая и поглощая их излучение. Межзвездное поглощение света проявляется в виде раздвоения Млечного Пути, которое вызвано поглощением света космической пылью, расположенной вблизи галактической плоскости. В оптическом диапазоне длин волн величина ослабления обратно пропорциональна длине волны и из-за этого возникает явление покраснения цвета звезд. В направлении большинства звезд в Галактике на кривой межзвездного поглощения выделяется ярко выраженный пик вблизи длины волны λ ≈ 2200Å . При интерпретации наблюдений межзвездного поглощения света чаще всего используется модель одноили многослойных сферических пылинок. В настоящее время физики разрабатывают теорию оптических свойств космических пылинок, поверхность которых имеет сложную фрактальную структуру.

Энергия поглощенного фотона преобразуется в тепловое движение частиц пылинки. При этом происходит излучение пылинок в непрерывном спектре, причем их спектр в общих чертах подобен планковскому и находится в инфракрасном диапазоне длин волн. При анализе инфракрасного излучения (ИК) Галактики излучение космической пыли играет огромную роль. Достаточно сказать, что инфракрасная светимость пыли составляет примерно 30% полной светимости звезд Галактики. Так, например, основная часть ультрафиолетового излучения молодых звезд перерабатывается в инфракрасное излучение пыли.

Обладая большой способностью к излучению, космическая пыль является главным охладителем межзвездной среды, а значит, непосредственно способствует процессам звездообразования. Температура является одной из важнейших характеристик пылевой частицы. Равновесную температуру пылевых частиц рассчитывают из условия баланса процессов нагрева и охлаждения. Температуру космической пылинки T d можно оценить следующим образом. Известно, что эффективной температурой звездыT * называется температура абсолютно черного тела, мощность излучения которого с единицы поверхности равна мощности излучения данной звезды. Используя это определение и закон Стефа- на–Больцмана, можно выразить светимость звездыL через радиус звездыR * и эффективную температуру ее поверхностиT * соотношением

	πR *

где σ – постоянная Стефана–Больцмана, равная σ = = 5,67 10−5 эрг см−2 с−1 град−4 . Если пылинка, имеющая радиусa , представляет собой абсолютно черное тело и находится на расстоянииr от звезды, то температура поверхности пылинкиТ d может быть оценена из условия баланса

			4πR				πa 2
		σT d					----------
							4πr 2

который выражает равенство энергии, падающей на пылинку, и энергии, которую испускает пылинка.

По температуре все пылинки можно условно разделить на три класса. Основная масса пыли является холодной: T d ≈ 15–20 K. Такая пыль заполняет весь диск Галактики, конденсируясь в крупных молекулярных облаках, и нагревается лишь рассеянным излучением всех звезд. Эта компонента вносит примерно 30% в инфракрасную светимость пыли. Вторая группа космической пыли имеет температуруT d ≈ 30–40 K, и эта пыль нагревается от соседства с горячими О- и В-звездами, с этой пылью связана половина ИК-излучения Галактики. Эта пыль излучает в диапазоне λ< 100 мкм и служит хорошим индикатором областей звездообразования. Третьей группой является горячая пыль, имеющая температуруT d ≈250–500 K. Такая пыль встречается в протяженных атмосферах звезд-гигантов спектрального класса M и делает такие звезды источниками мощного ИК-излучения.

Наблюдаемое явление межзвездной поляризации света указывает на то, что форма пылинок отлична от сферической. Это происходит из-за того, что магнитный момент пылинки, который обусловлен тем, что в состав космической пыли входят металлы, обладающие парамагнетизмом, ориентируется вдоль силовых линий межзвездного магнитного поля.

СИНТЕЗ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЫЛИНОК

Известно, что в космосе обнаружено уже около сотни различных молекул, среди которых много молекул, которые являются органическими соединениями. Сам по себе это нетривиальный факт, поскольку при сверхнизких температурах и плотностях, наблюдающихся в межзвездной среде, химические реакции практически не идут. Лишь квантовая химия может принципиально разрешить этот парадокс. Оказывается, даже при низкой температуре 5–10 K химические реакции не прекращаются: они продолжаются внутри и на поверхности пылинок. Атомы, адсорбируясь на поверхности пылинки при столкновениях с ней, обладают некоторой

В настоящее время радиоастрономы показали, что огромные темные межзвездные облака содержат многие сложные молекулы (метанол, окись углерода, формальдегид, этанол, синильную кислоту, муравьиную кислоту и др.). Молекулярная радиоастрономия позволила идентифицировать все эти молекулы по их вращательным спектрам в микроволновой области. Молекулы играют важную роль в коллапсе межзвездных облаков, приводящем к образованию звезд. В результате гравитационного притяжения межзвездные облака коллапсируют и нагреваются, а выделяющаяся при этом энергия испускается за счет вращательных переходов (главным образом молекул CO). Этот процесс вызывает дальнейший коллапс облака, приводящий в конечном итоге к таким давлениям и температурам, при которых формируются новые звезды и планеты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение свойств космической пыли в настоящее время стало самостоятельной областью современной астрофизики. Физика сверхмалых частиц – космических пылинок является наукой, объединяющей основные идеи физики атомного ядра, физики сверхмалых кластеров и физики твердого тела. Особый интерес при этом уделяется изучению свойств аморфных космичес-

ких пылинок, имеющих сложную форму. Космическая пыль играет огромную роль при объяснении многих астрофизических явлений: межзвездного поглощения света, межзвездной поляризации, инфракрасного излучения, охлаждения межзвездной среды. На поверхности космических пылинок могут происходить химические реакции формирования молекул из атомов. Процессы взаимодействия газа, пыли и излучения, физические характеристики пылинок, процессы их эволюции – вот далеко не полный перечень тех вопросов, решение которых поможет астрофизикам объяснить многие интересные наблюдательные данные.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хабер Х . Звезды. М.: Слово, 1989. 48 c.

2. Бочкарев Н.Г . Основы физики межзвездной среды. М.: Издво МГУ, 1991. 352 с.

3. Вощинников Н.В . Межпланетная и межзвездная среда // Итоги науки и техники. Исследование космического пространства. ВИНИТИ, 1986. Т. 25. С. 98.

4. Золотухин И.В. Фракталы в физике твердого тела // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 7. С. 108–113.

5. Жиков В.В . Фракталы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 12. С. 109–117.

6. Вишик М.И . Фрактальная размерность множеств // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 1. С. 122–134.

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

8. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 1. С. 92–99.

9. Крото Г. Симметрия, космос, звезды и С60 // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168, № 3. С. 342.

Рецензент статьи А.М. Черепащук

Сергей Валентинович Божокин, кандидат физико-ма- тематических наук, доцент кафедры “Теоретическая физика” Санкт-Петербургского государственного технического университета. Область научных интересов – астрофизика, биофизика. Автор более 40 статей и двух книг.

Б О Ж О К И Н С. В. С В О Й С Т В А К О С М И Ч Е С К О Й П Ы Л И