Коллекция документов КСЭ по изучению Тунгусского метеорита. Бояркина а.п., гиндилис л.м

Здравствуйте. На этой лекции мы поговорим с вами о пыли. Но не о той, которая скапливается в ваших комнатах, а о космической пыли. Что же это такое?

Космическая пыль - это очень мелкие частицы твердого вещества, находящиеся в любой части Вселенной, в том числе, метеоритная пыль и межзвездное вещество, способное поглощать звездный свет и образующее темные туманности в галактиках. Сферические частицы пыли диаметром около 0,05 мм находят в некоторых морских отложениях; считается, что это остатки тех 5000 тонн космической пыли, которые ежегодно выпадают на земном шаре.

Ученые считают, что космическая пыль образуется не только от столкновения, разрушения мелких твердых тел, но и вследствие сгущения межзвездного газа. Космическую пыль различают по ее происхождению: пыль бывает межгалактическая, межзвездная, межпланетная и околопланетная (обычно в кольцевой системе).

Целые облака космической пыли, которые находятся в слое звезд, образующих Млечный Путь, мешают нам наблюдать дальние звездные скопления. Такое звездное скопление, как Плеяды, полностью погружено в пылевое облако. Самые яркие звезды, которые находятся в этом скоплении, освещают пыль, как фонарь освещает ночью туман. Космическая пыль может светить только отраженным светом.

Синие лучи света, проходя сквозь космическую пыль, ослабляются сильнее, чем красные, поэтому свет звезд, доходящий к нам, кажется желтоватым и даже красноватым. Целые области мирового пространства остаются закрытыми для наблюдения именно из-за космической пыли.

Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли - материя довольно изученная. 3аполняющая 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.

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 жизненны й 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.

Посмотрев на время, профессор слегка улыбнулся.

Но эту тайну вы попробуете разгадать дома. Запишем задание.

Домашнее задание.

1. Попробуйте порассуждать, что появилось раньше, первая звезда или все же пыль?

Дополнительное задание.

1. Доклад про любой вид пыли (межзвездная, межпланетная, околопланетная, межгалактическая)

2. Сочинение. Представьте себя ученым, которому поручили исследовать космическую пыль.

3. Картинки.

Домашнее задание для студентов:

1. Зачем в космосе нужна пыль?

Дополнительное задание.

1. Доклад про любой вид пыли. Бывшие ученики школы правила помнят.

2. Сочинение. Исчезновение космической пыли.

3. Картинки.

Во вселенной существуют миллиарды звезд и планет. И если звезда представляет собой пылающую сферу газа, то планеты, такие как Земля, составлены из твердых элементов. Планеты формируются в облаках пыли, которые циркулируют вокруг недавно сформировавшейся звезды. В свою очередь, зерна этой пыли составлены из таких элементов, как углерод, кремний, кислород, железо и магний. Но откуда же частицы космической пыли берутся? В новом исследовании, проведенном в Институте Нильса Бора в Копенгагене, показано, что зерна пыли могут не только сформироваться в гигантских взрывах сверхновых, они могут так же пережить последующие ударные волны различных взрывов, которые воздействуют на пыль.

Компьютерное изображение того, как формируется космическая пыль при взрывах сверхновых звезд. Источник: ESO/M. Kornmesser

То, как космическая пыль была сформирована, долго было тайной для астрономов. Сами по себе элементы пыли образуются в пылающем водородном газе в звездах. Атомы водорода соединяются друг с другом во все боле и более тяжелые элементы. В результате этого звезда начинает испускать излучение в виде света. Когда весь водород будет исчерпан и не получится больше извлекать энергию, звезда умирает, а ее оболочка улетает в космическое пространство, которая формирует различные туманности, в которых опять могут рождаться молодые звезды. Тяжелые элементы формируются, прежде всего, в сверхновых, прародителями которых являются массивные звезды, погибающие в гигантском взрыве. Но как одиночные элементы слипаются вместе чтобы сформировать космическую пыль – оставалось загадкой.

“Проблема состояла в том, что даже если бы пыль формировалась вместе с элементами при взрывах сверхновых звезд, само по себе это событие такое сильное, что эти мелкие зерна просто не должны были выжить. Но космическая пыль существует, причем ее частички могут быть совершенно разных размеров. Наше исследование проливает свет на эту проблему”, – профессор Йенс Хйорт, глава центра Темной космологии в Институте Нильса Бора.

Снимок телескопа Хаббл необычной карликовой галактики, в которой возникла яркая сверхновая SN 2010jl. Снимок был получен до ее появления, поэтому стрелкой показана ее звезда-прародитель. Взорвавшаяся звезда была очень массивной, приблизительно 40 солнечных масс. Источник: ESO

В исследованиях космической пыли ученые наблюдают за сверхновыми с помощью астрономического инструмента X-shooter, установленного на комплексе Очень большой телескоп (VLT) в Чили. Он обладает удивительной чувствительностью, а три спектрографа, входящие в его состав. могут наблюдать весь световой диапазон сразу, от ультрафиолетового и видимого до инфракрасного. Хйорт объясняет, что сначала они ожидали появления “правильного” взрыва сверхновой звезды. И вот, когда это произошло, началась кампания по ее наблюдению. Наблюдаемая звезда была необычайно яркой, в 10 раз ярче обычно средней сверхновой, а ее масса была в 40 раз больше солнечной. Всего наблюдение за звездой заняло у исследователей два с половиной года.

“Пыль поглощает свет, а пользуясь нашими данными мы смогли вычислить функцию, которая могла бы нам рассказать о количестве пыли, ее составе и размере зерен. В результаты мы обнаружили действительно нечто захватывающее”, – Криста Гол.

Первый шаг на пути формирования космической пыли – мини взрыв, в котором звезда выбрасывает в космос материал, содержащий водород, гелий и углерод. Это газовое облако становится своеобразной раковиной вокруг звезды. Еще немного подобных вспышек и раковина становится плотнее. Наконец, звезда взрывается, и плотное газовое облако полностью окутывает ее ядро.

“Когда звезда взрывается, ударная взрывная волна сталкивается с плотным газовым облаком как кирпич, налетевший на бетонную стену. Все это происходит в газовой фазе при невероятных температурах. Но то место, куда ударил взрыв, становится плотным и остывает до 2000 градусов Цельсия. При такой температуре и плотности элементы могут образовать ядро и сформировать твердые частицы. Мы обнаружили зерна пыли размерами в один микрон, что является очень большим значением для этих элементов. С такими размерами они вполне смогут пережить свое будущее путешествие сквозь галактику”.

Таким образом, ученые полагают, что нашли ответ на вопрос о том, как формируется и живет космическая пыль.

Меж звезд и планет

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 е 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 3емли, 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 интригyющая 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 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 меж звездного 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 тyманности, 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 ХIХ 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.

Стадия
	Гигантское галактическое молекулярное облако размером 100 парсек, массой 100 000 солнц, температурой 50К, плотностью 100 частиц на куб см. Внутри этого облака имеются крупномасштабные конденсации - диффузные газопылевые иуманности (1-10 пк, 10 000 солнц, 20 К, 1000 частиц на куб см) и мелкие конденсации - газопылевые туманности (до 1 пк, 100-1000 солнц, 20 К, 10 000 частиц на куб см). Внутри последних как раз и находятся сгустки-глобулы размером 0,1 пк, массой 1-10 солнц и плотностью 10 5 -10 6 частиц/см 3 , где формируются новые звезды.
	Рождение звезды внутри газопылевого облака
	Новая звезда своим излучением и звездным ветром разгоняет от себя окружающий газ
	Молодая звезда выходит в чистый и свободный от газа и пыли космос, отодвинув породивщую ее туманность
	Этапы "эмбрионального" развития звезды, по массе равной Солнцу
	Зарождение гравитационно-неустойчивого облака размером 2 000 000 солнц, с температурой 15 К и исходной плотностью 10 -19 г/см 3 .
	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.
	На этой стадии ядро с температурой до 2000 К резко сжимается из-за ионизации водорода и одновременно разогревается до разогревается до 20 000 К, скорость падения вещества на растущую звезду достигает 100 км/с.
	Протозвезда размером с два солнца с температурой в центре 2х100000 К, а не поверхности - 3х1000 К.
	Последний этап предэволюции звезды - медленное сжатие, в процессе которого выгорают изотопы лития и бериллия. Только после повышения температуры до 6х10 6 K 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.
Стадия	Описание стадий развития газопылевого облака в звезду

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

Дело в том, что поверхность пылинки может служить одновременно и реактором, в котором образуются из атомов молекулы, и ката лизатором 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 3емлю 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.

Космический рентгеновский фон

Колебания и волны: Характеристики различных колебательных систем (осцилляторов).

Разрыв Вселенной

Пылевые околопланетные комплексы: fig4

Свойства космической пыли

С. В. Божокин Санкт-Петербургский государственный технический университет	Содержание

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

Космическая пыль

частицы вещества в межзвёздном и межпланетном пространстве. Поглощающие свет сгущения К. п. видны как тёмные пятна на фотографиях Млечного Пути. Ослабление света вследствие влияния К. п. - т. н. межзвёздное поглощение, или экстинкция, - неодинаково для электромагнитных волн разной длины λ , вследствие чего наблюдается покраснение звёзд. В видимой области экстинкция приблизительно пропорциональна λ -1 , в близкой же ультрафиолетовой области почти не зависит от длины волны, но около 1400 Å имеется дополнительный максимум поглощения. Большая часть экстинкции объясняется рассеянием света, а не его поглощением. Это следует из наблюдений содержащих К. п. отражательных туманностей, видимых вокруг звёзд спектрального класса B и некоторых др. звёзд, достаточно ярких, чтобы осветить пыль. Сопоставление яркости туманностей и освещающих их звёзд показывает, что Альбедо пыли велико. Наблюдаемые экстинкция и альбедо приводят к заключению, что К. п. состоит из диэлектрических частиц с примесью металлов при размере немного меньше 1 мкм. Ультрафиолетовый максимум экстинкции может быть объяснён тем, что внутри пылинок имеются графитовые чешуйки размером около 0,05 × 0,05 × 0,01 мкм. Из-за дифракции света на частице, размеры которой сравнимы с длиной волны, свет рассеивается преимущественно вперёд. Межзвёздное поглощение часто приводит к поляризации света, которая объясняется анизотропией свойств пылинок (вытянутой формой у диэлектрических частиц или анизотропией проводимости графита) и их упорядоченной ориентацией в пространстве. Последняя объясняется действием слабого межзвёздного поля, которое ориентирует пылинки их длинной осью перпендикулярно силовой линии. Т. о., наблюдая поляризованный свет далёких небесных светил, можно судить об ориентации поля в межзвёздном пространстве.

Относительное количество пыли определяется из величины среднего поглощения света в плоскости Галактики - от 0,5 до нескольких звёздных величин на 1 килоПарсек в визуальной области спектра. Масса пыли составляет около 1% массы межзвёздного вещества. Пыль, как и газ, распределена неоднородно, образуя облака и более плотные образования - Глобулы . В глобулах пыль является охлаждающим фактором, экранируя свет звёзд и излучая в инфракрасном диапазоне энергию, получаемую пылинкой от неупругих столкновений с атомами газа. На поверхности пыли происходит соединение атомов в молекулы: пыль является катализатором.

С. Б. Пикельнер.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Космическая пыль" в других словарях:

Частицы конденсированного вещества в межзвездном и межпланетном пространстве. По современным представлениям, космическая пыль состоит из частиц размером ок. 1 мкм с сердцевиной из графита или силиката. В Галактике космическая пыль образует… … Большой Энциклопедический словарь

КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ, очень мелкие частицы твердого вещества, находящиеся в любой части Вселенной, в том числе, метеоритная пыль и межзвездное вещество, способное поглощать звездный свет и образующее темные ТУМАННОСТИ в галактиках. Сферические… … Научно-технический энциклопедический словарь

КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ - метеорная пыль, а также мельчайшие частицы вещества, образующие пылевые и др. туманности в межзвёздном пространстве … Большая политехническая энциклопедия

космическая пыль - Очень маленькие частицы твердого вещества, присутствующие в мировом пространстве и выпадающие на Землю … Словарь по географии

Частицы конденсированного вещества в межзвёздном и межпланетном пространстве. По современной представлениям, космическая пыль состоит из частиц размером около 1 мкм с сердцевиной из графита или силиката. В Галактике космическая пыль образует… … Энциклопедический словарь

Образуется в космосе частицами размером от нескольких молекул до 0,1 мм. 40 килотонн космической пыли каждый год оседает на планете Земля. Космическую пыль можно также различать по её астрономическому положению, например: межгалактическая пыль,… … Википедия

космическая пыль - kosminės dulkės statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cosmic dust; interstellar dust; space dust vok. interstellarer Staub, m; kosmische Staubteilchen, m rus. космическая пыль, f; межзвёздная пыль, f pranc. poussière cosmique, f; poussière… … Fizikos terminų žodynas

космическая пыль - kosminės dulkės statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Atmosferoje susidarančios meteorinės dulkės. atitikmenys: angl. cosmic dust vok. kosmischer Staub, m rus. космическая пыль, f … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

Частицы конденсированного в ва в межзвёздном и межпланетном пространстве. По совр. представлениям, К. п. состоит из частиц размером ок. 1 мкм с сердцевиной из графита или силиката. В Галактике К. п. образует сгущения облака и глобулы. Вызывает… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Частицы конденсированного вещества в межзвёздном и межпланетном пространстве. Состоит из частиц размером около 1 мкм с сердцевиной из графита или силиката, в Галактике образует облака, которые вызывают ослабление света, испускаемого звёздами и… … Астрономический словарь

Книги

99 секретов астрономии , Сердцева Н.. В этой книге спрятано 99 секретов астрономии. Откройте ее и узнайте о том, как устроена Вселенная, из чего состоит космическая пыль и откуда берутся черные дыры. . Забавные и простые тексты…

Печать

Также интересно:

Как закоптить сома горячего и холодного копчения

Боярышник: посадка и уход в открытом грунте, свойства

Общий анализ крови и мочи что показывает

Рекомендуем почитать:

2024-05-04 03:49:20

Мертвец ожил по соннику Видеть покойника во сне живым, к чему умерший снится живым

2024-05-04 03:49:20

К чему снится пуля по соннику Сонник прятаться от пуль

2024-05-04 03:49:20

Новогодние приметы: как новый год встретишь – так и проведешь!

В продолжение темы:

Советы

Значение гельмонт ян баптист ван в большой советской энциклопедии, бсэ Какой научный термин ввел ван гельмонт

ВАН ГЕЛЬМОНТ (van Helmont), Ян Баптист Голландский естествоиспытатель, врач и теософ-мистик Ян Баптист ван Гельмонт родился в Брюсселе; в Лувене он получил теологическое и...

Новые статьи