Что такое планетарная туманность
Самая большая, известная и ближайшая к Земле: главные туманности, которые открыли астрономы
В ноябре НАСА отмечает «месяц туманностей» — #NebulaNovember. В честь этого «Хайтек» рассказывает о самых известных, красивых и необычных из них.
Читайте «Хайтек» в
Туманности — одни из самых популярных космических объектов. Это неудивительно — они принимают самые странные и необычные формы. Кроме того, у всех туманностей есть два названия — официальное с буквами и цифрами, а второе появляется в результате фантазии ученых, которые называют их ориентируясь на внешнее сходство.
Еще одно их необычное свойство — они могут быть как следами смерти звезды, так и яслями для новых светил. Космические телескопы, такие как НАСА Spitzer и «Хаббл» сделали очень много изображений далеких туманностей. И вот как выглядят самые известные из них.
Какие бывают туманности?
Туманности представляют собой гигантские облака пыли и газа в межзвездном пространстве. Некоторые из них возникают из-за газа и пыли, выброшенных взрывом умирающей звезды, например, сверхновой. Также туманности — это регионы, где начинают формироваться новые звезды. По этой причине некоторые туманности называют «звездными яслями». Они состоят из пыли и газов, в основном водорода и гелия. Пыль и газы в туманности сильно разнесены, но гравитация сближает их. По мере того, как эти сгустки становятся больше, их гравитация между ними усиливается. В конце концов, сгусток пыли и газа вырастает настолько, что разрушается под действием собственной гравитации. Коллапс заставляет материал в центре облака нагреваться — из этого горячего ядра появляется звезда.
Еще один интересный тип туманности — планетарный. По сути, это огромные ионизованные газовые оболочки, которые окружают горячую компактную звезду, белого карлика. Образуется при сбросе внешних слоев красного гиганта или сверхгиганта на завершающей стадии эволюции. Выглядят они как светлые пятна круглой формы с небольшими угловыми размерами, видимые на звездном небе. Их особенность в том, что они очень мало живут (по астрономическим меркам). Такое явление длится всего несколько десятков тысяч лет. Например, ближайшая к Земле — туманность Улитка (Helix Nebula, NGC 7293) находится от 650 до 700 световых годах от Земли — планетарная. Важно отметить, что к планетам такие туманности никакого отношения не имеют — это, скорее, исторический казус. Первые планетарные туманности были обнаружены в конце XVIII века, и в окулярах телескопов того времени они представали как округлая туманность, напоминающая по виду планету. Отсюда и название.
Самая большая туманность
Рекордсмен среди туманностей — NGC 2070, эмиссионная туманность в созвездии Золотая Рыба. Также известна под названием «Тарантул». Она принадлежит галактике-спутнику Млечного Пути — Большому Магеллановому Облаку. Она — пример «звездных яслей», является обширной областью ионизированного водорода, где происходят процессы активного формирования звезд.
Например, в центре туманности находится небольшое скопление R136, возраст звезд в нем — около 2 млн лет. Кроме того, туманность содержит сверхмассивную звезду R136a1, которая весит как 315 Солнц.
Самая «первая» туманность
Газообразная Крабовидная туманность NGC 1952 находится в созвездии Тельца. Она удалена от Земли на 6,5 тыс. световых лет. Ее особенность в том, что она стала первым номером в списке космических объектов, составленным французским астрономом XVIII века Шарля Мессье. При этом, тогда он еще не знал, что NGC 1952 — остаток взрыва сверхновой, который наблюдали китайские астрономы еще в 1054 году н. э. Внутри нее находится пульсар PSR B0531+21 — молодая нейтронная звезда и остатком сверхновой SN 1054. Диаметр объекта составляет примерно 25 км, а скорость его вращения — 30 раз в секунду или один оборот каждые 33 миллисекунды.
Как и другие туманности, возникла после вспышки сверхновой звезды. Но, в отличие от них является плерионом. Это означает, что ее подпитывает пульсар PSR B0531+21, а точнее ветер его ветер.
Самая популярная туманность
Туманность Орел подарила человечеству один из самых известных астрофотографий — «Столпы творения», область зарождения новых звезд.
Ни одна из тех фотографий, которые сделал «Хаббл» и которые показали публике, не вызывала такой ажиотаж. При этом, «Столпы творения» никакой не объект, это лишь крошечный кусок туманности, который прославил телескоп «Хаббла». Это тоже активная область звездообразования и звездное скопление, так что название вполне соответствует. При этом, сами столпы — это пустоты в межзвездном газе и пыли. Их образовали недавно родившиеся звезды — 4 ярчайших звезды скопления.
Самое удивительное, что «Столпы творения» — они еще видимы, но уже не существуют. По данным другого космического телескопа — инфракрасного «Спитцера», позади туманности Орел около 6 000 лет назад взорвалась сверхновая. Горячие облако пыли и газа расширилось и уничтожили «столпы». При этом, туманность находится на расстоянии 7 000 лет назад, а, значит, что земляне еще тысячу лет смогут наблюдать «Столпы творения», которые уже давно разрушились.
Туманности — одни из красивейших объектов в ночном небе. Изначально так называли любые протяженные астрономические объекты, в которых не удавалось различить звезды. При развитии телескопов термин сузился — теперь он относится лишь к участкам из космической пыли, газа и плазмы, поглощающих или излучающих свет. Возможно, в будущем наше определение туманностей снова изменится.
Эмиссионная (самосветящаяся) туманность — межзвездное облако, излучающее в оптическом диапазоне из-за ионизации собственного газа.
Планетарная туманность
Из Википедии — свободной энциклопедии
Планета́рная тума́нность — астрономический объект, представляющий собой оболочку ионизированного газа вокруг центральной звезды, белого карлика. Образуется при сбросе внешних слоёв красного гиганта или сверхгиганта с массой от 0,8 до 8 солнечных на завершающей стадии его эволюции. Планетарные туманности — эфемерные по астрономическим меркам объекты, существующие всего несколько десятков тысяч лет (при продолжительности жизни звезды-предка в несколько миллиардов лет). Не имеют отношения к планетам и получили название за поверхностное сходство при наблюдении в телескоп. В нашей галактике известно около 1500 планетарных туманностей.
Для планетарных туманностей характерна округлая форма с чётким краем, но в последние годы с помощью космического телескопа «Хаббл» у многих планетарных туманностей удалось обнаружить очень сложную и своеобразную структуру. Околосферическую форму имеют лишь около одной пятой из них. Механизмы, создающие такое многообразие форм, остаются до конца не выясненными. Считается, что большую роль в этом могут играть взаимодействие звёздного ветра и двойных звёзд, магнитного поля и межзвёздной среды.
Процесс образования планетарных туманностей, наряду со вспышками сверхновых, играет важную роль в химической эволюции галактик, выбрасывая в межзвёздное пространство материал, обогащённый тяжёлыми элементами — продуктами звёздного нуклеосинтеза (в астрономии тяжёлыми считаются все элементы, за исключением продуктов первичного нуклеосинтеза Большого взрыва — водорода и гелия, такие как углерод, азот, кислород и кальций).
Планетарная туманность
NGC 6543, туманность Кошачий Глаз — внутренняя область, изображение в псевдоцвете (красный — Hα; синий — нейтральный кислород, 630 нм; зелёный — ионизированный азот, 658,4 нм)
Планета́рная тума́нность — астрономический объект, состоящий из ионизированной газовой оболочки и центральной звезды, белого карлика. Планетарные туманности образуются при сбросе внешних слоёв (оболочек) красных гигантов и сверхгигантов с массой 2,5—8 солнечных на завершающей стадии их эволюции. Планетарная туманность — быстропротекающее (по астрономическим меркам) явление, длящееся всего несколько десятков тысяч лет, при продолжительности жизни звезды-предка в несколько миллиардов лет. В настоящее время в нашей галактике известно около 1500 планетарных туманностей.
Процесс образования планетарных туманностей, наряду со вспышками сверхновых, играет важную роль в химической эволюции галактик, выбрасывая в межзвёздное пространство материал, обогащённый тяжёлыми элементами — продуктами звёздного нуклеосинтеза (в астрономии тяжёлыми считаются все элементы, за исключением продуктов первичного нуклеосинтеза Большого взрыва — водорода и гелия, такие как углерод, азот, кислород и кальций).
В последние годы при помощи снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл», удалось выяснить, что многие планетарные туманности имеют очень сложную и своеобразную структуру. Несмотря на то, что приблизительно пятая часть из них имеет околосферическую форму, большинство не обладает какой бы то ни было сферической симметрией. Механизмы, благодаря которым возможно образование такого многообразия форм, остаются на сегодняшний день до конца не выясненными. Считается, что большую роль в этом могут играть взаимодействие звёздного ветра и двойных звёзд, магнитного поля и межзвёздной среды.
Содержание
История исследований
Туманность Гантель в условных цветах
Необычность природы планетарных туманностей обнаружилась в середине XIX века, с началом использования в наблюдениях метода спектроскопии. Уильям Хаггинс стал первым астрономом, получившим спектры планетарных туманностей — объектов, выделявшихся своей необычностью:
При изучении Хаггинсом спектров туманностей NGC 6543 ( Кошачий Глаз ), M27 ( Гантель ), M57 (кольцевая туманность в Лире) и ряда других, оказалось, что их спектр чрезвычайно отличается от спектров звёзд: все полученные к тому времени спектры звёзд являлись спектрами поглощения (непрерывный спектр с большим количеством тёмных линий), в то время как спектры планетарных туманностей оказались эмиссионными спектрами с небольшим количеством эмиссионных линий, что указывало на их природу, в корне отличающуюся от природы звёзд:
Другой проблемой был химический состав планетарных туманностей: Хаггинс сравнением с эталонными спектрами сумел идентифицировать линии азота и водорода, однако самая яркая из линий с длиной волны 500,7 нм не наблюдалась в спектрах известных тогда химических элементов. Было выдвинуто предположение, что эта линия соответствует неизвестному элементу. Ему заранее дали название небулий — по аналогии с идеей, приведшей к открытию гелия при спектральном анализе Солнца в 1868 году.
Предположения об открытии нового элемента небулия не подтвердились. В начале XX века Генри Расселл выдвинул гипотезу о том, что линия на 500,7 нм соответствует не новому элементу, а старому элементу в неизвестных условиях.
К концу XX века совершенствование технологий позволило более детально изучить планетарные туманности. Космические телескопы позволили исследовать их спектры за пределами видимого диапазона, что невозможно было сделать раньше, проводя наблюдения с поверхности Земли. Наблюдения в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн дали новую, гораздо более точную оценку температуры, плотности и химического состава планетарных туманностей. Применение технологии ПЗС-матриц позволило проводить анализ существенно менее чётких спектральных линий. Использование космического телескопа «Хаббл» раскрыло чрезвычайно сложную структуру планетарных туманностей, ранее считавшихся простыми и однородными.
Принято считать, что планетарные туманности имеют спектральный класс P, хотя такое обозначение редко применяется на практике.
Происхождение
Строение симметричной планетарной туманности. Быстрый звёздный ветер (голубые стрелки) горячего белого карлика — ядра звезды (в центре), сталкиваясь со сброшенной оболочкой — медленным звёздным ветром красного гиганта (красные стрелки), создаёт плотную оболочку (голубого цвета), светящуюся под воздействием ультрафиолетового излучения ядра
Планетарные туманности представляют собой заключительный этап эволюции для многих звёзд. Наше Солнце представляет собой звезду средней величины, и лишь небольшое количество звёзд превосходят его по массе. Звёзды с массой в несколько раз больше солнечной на заключительном этапе существования превращаются в сверхновые. Звёзды средней и малой массы в конце эволюционного пути создают планетарные туманности.
Типичная звезда с массой в несколько раз меньше солнечной светит на протяжении большей части своей жизни благодаря реакциям термоядерного синтеза гелия из водорода в её ядре (часто вместо термина «термоядерный синтез» употребляется термин «горение», в данном случае — горение водорода). Энергия, высвобождаемая в этих реакциях, удерживает звезду от коллапса под силой собственного притяжения, делая её тем самым стабильной.
По прошествии нескольких миллиардов лет запас водорода иссякает, и энергии становится недостаточно для сдерживания внешних слоёв звезды. Ядро начинает сжиматься и нагреваться. В настоящее время температура ядра Солнца составляет приблизительно 15 млн К, но после того, как запас водорода будет исчерпан, сжатие ядра заставит температуру подняться до отметки в 100 млн К. При этом внешние слои охлаждаются и значительно увеличиваются в размерах из-за очень высокой температуры ядра. Звезда превращается в красный гигант. Ядро на этом этапе продолжает сжиматься и нагреваться; при достижении температуры в 100 млн К начинается процесс синтеза углерода и кислорода из гелия.
Выброшенный газ формирует расширяющуюся оболочку вокруг обнажившегося ядра звезды. По мере того, как всё большая часть атмосферы отделяется от звезды, проявляются всё более и более глубокие слои с более высокими температурами. При достижении обнажённой поверхностью (фотосферой звезды) температуры в 30 000 К энергия испускаемых ультрафиолетовых фотонов становится достаточной для ионизации атомов в выброшенном веществе, что заставляет его светиться. Таким образом, облако становится планетарной туманностью.
Продолжительность жизни
Компьютерное моделирование формирования планетарной туманности из звезды с диском неправильной формы, иллюстрирующее, как малая начальная асимметрия может в результате привести к образованию объекта со сложной структурой.
Вещество планетарной туманности разлетается от центральной звезды со скоростью в несколько десятков километров в секунду. В то же время, по мере истечения вещества центральная звезда остывает, излучая остатки энергии; термоядерные реакции прекращаются, так как звезда теперь не обладает достаточной массой для поддержания температуры, требуемой для синтеза углерода и кислорода. В конце концов, звезда остынет настолько, что перестанет излучать достаточно ультрафиолета для ионизации отдалившейся газовой оболочки. Звезда становится белым карликом, а газовое облако рекомбинирует, становясь невидимым. Для типичной планетарной туманности время от образования до рекомбинации составляет 10 000 лет.
Галактические переработчики
Последующие поколения звёзд, формирующиеся из межзвёздного вещества, будут содержать большее начальное количество тяжёлых элементов; хотя их присутствие в составе звёзд остаётся незначительным, они ощутимо влияют на их эволюцию. Звёзды, сформировавшиеся вскоре после образования Вселенной, содержат относительно малые количества металлов — их относят к звёздам II типа. Звёзды, обогащённые тяжёлыми элементами, принадлежат к звёздам I типа (см. Звёздное население).
Характеристики
Физические характеристики
Типичная планетарная туманность имеет среднюю протяжённость в один световой год и состоит из сильно разреженного газа плотностью около 1000 частиц на см³, что пренебрежимо мало в сравнении, например, с плотностью атмосферы Земли, но примерно в 10—100 раз больше, чем плотность межпланетного пространства на расстоянии орбиты Земли от Солнца. Молодые планетарные туманности имеют наибольшую плотность, иногда достигающую 10 6 частиц на см³. По мере старения туманностей их расширение приводит к уменьшению плотности.
Излучение центральной звезды нагревает газы до температур порядка 10 000 К. Парадоксально, что температура газа нередко повышается с увеличением расстояния от центральной звезды. Это происходит по той причине, что чем большей энергией обладает фотон, тем менее вероятно, что он будет поглощён. Поэтому во внутренних областях туманности поглощаются малоэнергетические фотоны, а оставшиеся, обладающие высокой энергией, поглощаются во внешних областях, вызывая рост их температуры.
Туманности можно разделить на бедные материей и бедные излучением. Согласно этой терминологии, в первом случае туманность не обладает достаточным количеством материи для поглощения всех ультрафиолетовых фотонов, излучаемых звездой. Поэтому видимая туманность полностью ионизирована. Во втором же случае центральная звезда испускает недостаточно ультрафиолетовых фотонов, чтобы ионизировать весь окружающий газ, и ионизационный фронт переходит в нейтральное межзвёздное пространство.
Так как бо́льшая часть газа планетарной туманности ионизирована (то есть является плазмой), значительный эффект на её структуру оказывает действие магнитных полей, вызывая такие феномены, как волокнистость и нестабильность плазмы.
Количество и распределение
На сегодняшний день в нашей галактике, состоящей из 200 миллиардов звёзд, известно 1500 планетарных туманностей. Их краткая по сравнению со звёздной продолжительность жизни является причиной их малого числа. В основном, все они лежат в плоскости Млечного Пути, причём большей частью сосредоточившись вблизи центра галактики, и практически не наблюдаются в звёздных скоплениях.
Использование ПЗС-матриц вместо фотоплёнки в астрономических исследованиях позволило значительно расширить список известных планетарных туманностей.
Структура
Текущие вопросы в изучении планетарных туманностей
Существование такого разнообразия форм туманностей является темой жарких дискуссий. Широко распространено мнение, что причиной этому может быть взаимодействие между веществом, удаляющимся от звезды с различными скоростями. Некоторые астрономы считают, что двойные звёздные системы ответственны, по крайней мере, за наиболее сложные очертания планетарных туманностей. Недавние исследования подтвердили наличие у нескольких планетарных туманностей мощных магнитных полей, предположения о чём уже неоднократно выдвигались. Магнитные взаимодействия с ионизированным газом также могут играть некоторую роль в становлении формы некоторых из них.
На данный момент существуют две различных методики обнаружения металлов в туманности, основывающиеся на различных типах спектральных линий. Иногда эти два метода дают совершенно непохожие результаты. Некоторые астрономы склонны объяснять это наличием слабых флуктуаций температуры в пределах планетарной туманности. Другие полагают, что различия в наблюдениях слишком разительны, чтобы объяснить их при помощи температурных эффектов. Они выдвигают предположения о существовании холодных сгустков, содержащих очень малое количество водорода. Однако сгустки, наличие которых, по их мнению, способно объяснить разницу в оценке количества металлов, ни разу не наблюдались.
См. также
Библиография
Ссылки
Выделить Планетарная туманность и найти в:
О планетарных туманностях астрономы знают с давних времен. Еще в восемнадцатом веке У. Гершель, открывший Уран, занимался глубоким изучением мира туманностей. Он разделил их на классы, выделив планетарные образования. Именно Гершель предложил само название «планетарные туманности» из-за сходства этих образований с Ураном. Тусклые, небольшие скопления газов напоминали астроному диск далекой планеты.
Первое объяснение
В 1950-х годах астрофизик И. Шкловский попытался объяснить природу происхождения планетарных туманностей. Как выяснилось, они порождаются умирающими звездами. Во время превращения в белого карлика звезды сбрасывают внешние слои, которые под ультрафиолетовыми лучами ионизируются. В наше время ученые доказали, что планетарные туманности – это объекты со сложной структурой. Это отчетливо видно по фотографиям, сделанных телескопом «Хаббл».
Сколько живет туманность?
По астрономическим меркам, туманность живет не очень долго – около десяти тысяч лет. Из-за такого короткого жизненного цикла астрономы видят не более полутора тысяч различных объектов в нашей галактике. Каждый из них имеет свой уникальный вид: необычную форму, цвет, размер. Известны туманности в Магеллановых Облаках, Туманности Андромеды и в других уголках Вселенной.
Строение объекта
Планетарные туманности представляют собой сложную систему, состоящую из центрального ядра и окружающей его газовой оболочки (их может быть несколько). Оболочка и ядро связаны между собой. Сама оболочка – это полностью ионизированное газовое образование с электронной температурой 10-12 тысяч К. Если в оболочке имеется примесь пылевых частиц, то она подсвечивается красным светом. Свечение может быть самых разных оттенков.
Планетарные туманности возникают в результате гибели звезд. После утраты стабильности объект увеличивается, расширяется, изменяется форма. Постепенно туманность становится слабой и не может удерживать осколки звезды.
Умирающие звезды
Как известно, все планетарные туманности образованы от звезд, которые завершают свое существование и превращаются в белых карликов. Звезды с массами, как у нашего Солнца, после рождения проживают длительную стабильную жизнь, во время которой растапливаются водородные ядра, давая начало ядрам гелия. Как только в центре звезды водород полностью израсходуется, эта часть объекта начинает нагреваться: температура доходит до ста миллионов градусов. Этот процесс вызывает расширение слоев и охлаждение: звезда превращается в красного гиганта. В этот момент звезда теряет стабильность, ее внешние слои могут быть выброшены наружу. Именно эти выбросы образуют оболочку, которая удерживается вокруг белого карлика – того, что остается от распавшейся звезды.
Процесс расширения
Самые известные туманности
Существует немало самых разных планетарных туманностей, среди которых есть объекты, отчетливо видные в любительские телескопы, а есть такие, что с трудом видны даже в телескопы обсерваторий. Среди самых популярных объектов туманности Кольцо, Сова, Гантель, М76, Муравей, Песочные Часы и многие другие.
Туманность Кольцо
Самая знаменитая планетарная туманность в созвездии Лиры – это объект, получивший название Кольцо. У этого образования есть и другое название – М57. Оно располагается в летнем созвездии Лиры, на удалении от Земли примерно на 2300 световых лет.
Кольцо было открыто в 1779 году астрономом А. Даркье де Пельпуа. Ученый описал образование как идеальный диск размером примерно с Юпитер, но имеющий более бледное свечение. Спустя шесть лет англичанином В. Гершелем это тело было названо небесной достопримечательностью.
Кольцо появилось от звезды, температура которой превышает 100000 градусов. Туманность постоянно расширяется – приблизительно со скоростью 25 километров в секунду, поэтому ее зримые размеры увеличиваются примерно на одну секунду в столетие.
Улитка
В телескоп любители могут видеть не менее сотни самых разных объектов, среди которых туманность Улитка, расположенная в созвездии Водолея. Расстояние от Земли до планетарной туманности небольшое: она является самой близкой к нам. В телескопе она кажется зеленоватой. «Хаббл» увидел в ней сотни различных газовых шариков. По мнению ученых, они возникли в момент разрушения звезды.
Сатурн
В 1782 году В. Гершель открыл туманность Сатурна, расположенную в созвездии Водолея. Однако увидеть это образование в телескоп непросто, так как оно достаточно мелкое. При 150-кратном увеличении можно рассмотреть вытянутой формы образование.
Гантель
Гантель, или М27, – это еще одно космическое образование, которое можно увидеть в телескоп. Оно располагается в созвездии Лисички. Астрономы утверждают, что эта туманность возникла приблизительно четыре тысячи лет тому назад.
Если посмотреть на тело в телескоп, то при значительном увеличении можно рассмотреть вытянутую форму, из-за которой она и получила свое название.
У Гантель есть младшая сестра – Маленькая Гантель, или М76. Ее открыли в 1780 году. Однако определить, что это планетарная туманность, а не другое образование, ученые смогли только в 1918-м.
NGC3242
Планетарная туманность NGC3242 или, как ее еще называют, Призрак Юпитера, – это сложное для наблюдения образование. При 100-кратном увеличении ее можно рассмотреть в телескопе достаточно отчетливо, увидеть округлую форму.
В созвездии Большой Медведицы располагается планетарная туманность М97, или Сова. Она была открыта в 1848 году Уильямом Парсонсом. Это уникальное космическое образование напоминает совиные глаза, за что и получила свое необычное название.
При 100-кратном увеличении на телескопе можно рассмотреть округлую форму, а также увидеть два темных пятна внутри М97. По мнению астрономов, Сове уже восемь тысяч лет, а значит, жить ей остается недолго.
Во Вселенной существуют тысячи самых разных туманностей, о которых еще неизвестно. Некоторые из объектов уже полностью распались или близки к этому, а есть и такие, которые только что зародились.