Эдвин Хаббл и свечение космических туманностей

Один из самых красивых объектов на звездном небе, это хорошо видимая в телескоп туманность Ориона. Её мягкий, с зеленоватым оттенком цвет, постепенно тускнеющий к краям, блуждающие тени, местами мягкие, местами грубые и резкие, алмазное сияние четырёх близких друг к другу звёзд, трапеции — всё это создаёт картину непревзойдённой красоты.

Ни один телескоп ещё не смог разделить эту светящуюся массу на звёзды, а спектральные данные показывают, что и не разделит никогда, так как туманность Ориона это действительно лишь туманное облако газа, сверкающее в свете центральных звёзд. Но, что заставляет туманность светиться?

светлые и темные космические туманности

Диффузная туманность M 8 (NGC 6530)

Туманность в Орионе имеет яркий линейчатый спектр, в котором преобладают линии водорода, сильно ионизованного кислорода и гелия. Но, другие туманности имеющие подобный состав не светятся совсем! Так в чем же дело?

В свое время великий астроном Эдвин Хаббл показал, что в непосредственном соседстве с каждой диффузной туманностью находится очень горячая звезда со спектром, подобным спектру туманности в Орионе.

Так что, физическая теория, объясняющая, как и почему светят такие туманности, весьма проста. Плотности и давления в туманностях так малы, что по земным масштабам мы считали бы любую такую туманность абсолютным вакуумом. В наших физических лабораториях атом никогда не удаётся изолировать; он постоянно сталкивается либо с одним из своих сотоварищей, либо с атомами стенок сосуда.

Космические туманности светятся сами или отражают свет звезд?

Желая наблюдать атомные процессы в их величественной простоте, мы должны обратиться к диффузным туманностям или к межзвёздному газу, которые, очевидно, являются местами, где атомам предоставлена свобода действовать практически без всяких возмущений.

Атомы газа бомбардируются излучением окружающих звёзд. Возбудить их могут только световые кванты очень высокой частоты, в изобилии посылаемые белыми гигантами спектральных классов В и О. Большинство квантов низких частот просто пройдёт через газ, не взаимодействуя с ним заметным образом.

Высокочастотный квант, сталкиваясь с нейтральным атомом, может передать ему достаточно энергии, чтобы вызвать отрыв одного из электронов. Атом при этом не остаётся электрически нейтральным, а становится положительно заряженным или ионизованным.



Электрон освобождается и отправляется в самостоятельное путешествие по межзвёздному пространству. Что может случиться с таким электроном? Со своим отрицательным зарядом он всегда готов объединиться с любым доступным положительным ионом, но таких ионов очень мало. Наш первоначальный ион встречает то же препятствие в поисках электрона, который бы вернул его в нейтральное состояние.

Однажды ионизованный атом может путешествовать в космическом вакууме в течение нескольких дней, прежде чем он столкнётся со свободным электроном, который нейтрализует его заряд, ведь в «межзвёздных лабораториях» физические процессы идут медленно. Атомы в недрах звёзд или в наших земных физических лабораториях постоянно сталкиваются друг с другом. Атомы же в диффузных туманностях находятся на огромных расстояниях друг от друга и сталкиваются очень редко.

Эдвин Хаббл первым понял природу свечения космических туманностей

Эдвин Хаббл

Время от времени один из свободных электронов будет захватываться положительно заряженным ионом. Допустим, что электрон захватывается ионом водорода, т. е. протоном. Согласно современной атомной теории захваченный электрон может попасть на любую из стационарных орбит нейтрального атома водорода. Если электрон попадает на самую глубокую орбиту, соответствующую минимальной энергии, то на этом процесс прекращается. Как побочный продукт при захвате будет излучён единственный ультрафиолетовый квант.

Нередко свободный электрон будет попадать на орбиты большей энергии. Водородный атом не может находиться в возбуждённом состоянии дольше малой доли секунды, и захват немедленно сопровождается перестройкой вновь образованного нейтрального атома. Электрон каскадно падает с орбиты на орбиту, пока не достигнет самой глубокой. Там он остаётся до тех пор, пока атом не подвергнется воздействию нового ультрафиолетового кванта и не начнётся новая последовательность.

В честь Эдвина Хаббла назван астероид № 2069, открытый в 1955 году, а также космический телескоп «Хаббл», работающий с 1990 года.

Во время каскадного процесса электрон спускается с орбит, соответствующих высокому энергетическому уровню, на орбиты с низкими уровнями. Есть некоторая вероятность, что в ходе этого процесса будет испущен квант, соответствующий одному из бальмеровских переходов. То есть, в буквальном смысле «родится свет», а если точнее, то не родится, а отражается.

Таким образом, Э. Хаббл установил, что туманности со «спектром испускания», то есть «светящиеся» для стороннего наблюдателя, всегда находятся близко от очень горячих звёзд спектральных классов О, ВО и В1. Туманности же со «спектром поглощения» всегда связаны с более холодными звёздами.

Другими словами, светится не сама туманность — её спектр полностью совпадает со спектром «подсвечивающей» её звезды, стало быть, туманность служит своеобразной зеркальной антенной, «транслирующей» в пространство отраженный свет ближайшей крупной и горячей звезды. Именно поэтому, туманности этой группы стали называть отражающими.

Отсутствие же спектра испускания у этих туманностей объясняется тем, что более холодные звёзды испускают недостаточно ультрафиолетовых лучей. То есть для «подсветки» своей туманности, им просто не хватает сил.


Список источников литературы