Очерки о Вселенной - Воронцов-Вельяминов Борис Александрович - Страница 105

Газовые туманности светятся до некоторой степени подобно тому, как светятся кометы или как газ в газосветной трубке. Их свечение вынужденное.

Вынуждают их к этому звезды: в планетарных туманностях - находящаяся в их центре, а в диффузных - находящаяся где-либо в них, либо даже

по соседству. Но такая звезда должна быть непременно очень горячей. Так оно и есть, - звезды, возбуждающие свечение газовых туманностей, имеют спектральный класс О или В0, - никак не более поздний, т. е. их температура 25-30 тысяч градусов. При таких высоких температурах в спектре этих звезд максимум энергии лежит в невидимой глазу ультрафиолетовой области. Туманность поглощает невидимые глазом мощные потоки ультрафиолетовых лучей, и затем ее атомы излучают поглощенную энергию в области видимых глазом лучей, например излучают зеленые линии. Минимальная порция света или квант видимых лучей содержит меньше энергии, чем квант ультрафиолетовых лучей. Поэтому в силу закона сохранения энергии, чтобы излучить то же количество энергии, какое было поглощено, туманность должна излучить большее число квантов, чем ею получено. Впечатление яркости, воспринимаемое глазом, зависит от числа квантов, падающих на него в секунду. Вот почему газовые туманности в видимых лучах светятся ярче, чем звезды, вызывающие это свечение. Энергия же излученных туманностью видимых лучей равна энергии поглощенных ею ультрафиолетовых.

Под действием высокой температуры звезды газы туманности ионизуются очень сильно, например, там наблюдается четырежды ионизованный кислород. Водород светится, когда его ионы захватывают пролетающие мимо свободные электроны. Запрещенные же линии кислорода излучаются после того, как атомы или ионы кислорода возбудятся за счет энергии столкновения с медленно летящими свободными электронами. Чтобы испустить зеленую линию «небулия», ион кислорода должен быть в возбужденном состоянии сколько ему полагается, а именно не менее нескольких минут. За этот период, следовательно, его не должны потревожить толчком ни кванты света, ни другие атомы, ни электроны. Чтобы столкновения были так редки, число частиц в единице объема (т. е. плотность газа) должно быть очень малым. Вычисления показывают, что плотность газовых туманностей составляет 10-19-10-22 г/см3. При этой плотности от одного столкновения атома до другого проходят часы. Вследствие удаленности от звезды кванты ее света тоже летят далеко друг от друга и редко сталкиваются с ионами. Таким образом, у атомов есть все условия, нужные для излучения ими запрещенных линий, т. е. запрещенных в земных условиях, при большой плотности газов. В земных условиях атомы толкаются гораздо чаще, чем люди на толкучке, а в туманности по сравнению с этим они сталкиваются реже, чем бродячие музыканты встречались друг с другом. В воздухе молекулы от столкновения до столкновения проходят путь длиной в миллионные доли сантиметра, а в туманности длина, как говорят, такого «свободного пробега» измеряется миллионами километров.

Как мы говорили, масса колоссального объема газа, образующего планетарную туманность благодаря ее разреженности, составляет всего лишь одну сотую массы Солнца. Массы больших диффузных туманностей могут быть в сотни раз больше этого. О. Д. Докучаева, пользуясь теорией В. А. Амбарцумяна, оценила, например), массу туманности Ориона в 500 масс Солнца.

Очень часто диффузные газовые туманности перемешаны с пылевыми туманностями, светящимися отраженным светом, и даже с темными пылевыми туманностями. Не происходит ли кое-где сгущение газа в метеоритную пыль? На эту мысль наводят нас и другие соображения.

Некоторые планетарные туманности наряду с яркими линиями излучают и слабый непрерывный спектр. Казалось неправдоподобным, чтобы при большой прозрачности этих туманностей в них присутствовала в заметном количестве пыль, отражающая свет ядра. Эта загадка была решена в 1950 г. эстонским физиком А. Я. Киппером.

Еще раньше знали, что некоторые атомы могут совершить запрещенный переход, излучив не один, а два кванта сразу, причем сумма энергий этих двух квантов равна разности энергий двух соответствующих уровней в атоме. Вероятность такого двухквантового перехода мала, но не слишком. В атоме водорода время жизни на одном из подуровней второго состояния составляет 0,12 сек. Переход с него в основное состояние дает двухквантовое излучение, но в разных случаях сумма энергий распределяется между двумя квантами неодинаково. Так, при наличии множества атомов излучаются подобным образом всевозможные кванты разных частот. В результате излучается непрерывный спектр. Его могут давать в меньшей мере и атомы гелия: нейтрального и ионизованного. Яркость свечения непрерывного спектра водорода пропорциональна населенности второго уровня, а последняя пропорциональна числу рекомбинаций протонов, следовательно, яркости водородных линий. Эта теория и количественно согласуется с наблюдениями, особенно, если учесть еще некоторые тонкости процесса и то, что при рекомбинациях водородных атомов излучается некоторый слабый непрерывный спектр (его излучают также электроны, тормозящиеся при пролете вблизи атомов, не способных, однако их захватить). Так загадка непрерывного спектра в газовых туманностях тоже была разрешена теорией.

Диффузные газовые туманности

Газовые диффузные туманности, обычно весьма клочковатые, сильно концентрируются к галактическому экватору. Они бывают самых разнообразных размеров и неопределенных очертаний. Из них наиболее известны туманности Ориона (рис. 169 и на вклейке), Лагуна, Омега, Трехраздельная, Пеликан, Северная Америка. Но существуют и такие более ясно очерченные объекты с усилением яркости к периферии (периферические туманности), как Розетка. В ее середине находится рассеянное звездное скопление, состоящее из горячих звезд классов О и В. Существуют еще немногочисленные волокнистые туманности. Самая известная из них NGC 6960 и 6992, или Рыбачья сеть в созвездии Лебедя является, однако, как полагают, остатком сверхновой звезды (рис. 170).

Рис. 169. Диффузные туманности в созвездии Ориона. (Фотография Д. Я. Мартынова.)

Фотографии, сделанные через красный светофильтр, подавляют свечение ночного неба и позволяют выявить в лучах красной водородной линии очень слабые туманности. Много их открыл на Крымской обсерватории Г. А. Шайн со своими сотрудниками. Он, а также В. Г. Фесенков и Д. А. Рожковский издали прекрасные атласы фотографий этих объектов, показывающие их тонкие детали, в которых можно видеть явные признаки турбулентных движений.

Рис. 170. Волокнистые туманности в созвездии Лебедя. (Фотография Д. Я. Мартынова.)

В туманности Ориона такие движения проявляются и в различии лучевых скоростей от места к месту.

Насчитывают около 300 диффузных газовых туманностей, но их число и размеры в каталогах весьма произвольны в силу того, что часто встречаются комплексы туманностей и каждый такой комплекс можно считать одной туманностью; с другой стороны, можно считать самостоятельной туманностью каждую деталь сильно клочковатой, затейливой туманности.

Под туманностью Ориона, самой яркой, понимают обычно сияние, около одного градуса в поперечнике, окутывающее четыре звезды класса О, называемые «трапецией Ориона». Но слабые туманные области простираются и много дальше и окутывают почти все громадное созвездие Ориона.

Обширные области свечения с неопределенными границами часто встречаются в полосе Млечного Пути и называются водородными полями или областями НИ, так как в них светится в основном ионизованный водород в процессе рекомбинации, как и в планетарных туманностях.

Хаббл давно доказал, что источником свечения газовых туманностей является облучение их ультрафиолетовым светом горячих звезд классов О и В0 - В1, но не более холодных. Так как температура этих звезд ниже, чем температура большинства ядер планетарных туманностей, то в них ионизация и возбуждение ниже: яркие ультрафиолетовые линии λλ 3727-3729 кислорода сильны, а зеленые линии кислорода слабы.