§ 78. Шаровые звездные скопления

Неутомимый искатель комет Шарль Мессье для облегчения своей основной задачи составил в 1781 г. каталог «туманных пятен», в который включил 103 объекта. С тех пор их стали обозначать буквой М с приписанным к ней каталожным номером, например, М 13, М 67 и т. д.

Некоторые из этих объектов оказались туманностями, в то время как другие удалось «разложить» на отдельные звезды -на крупномасштабных фотографических снимках, получаемых мощными астрографами. Часть из таких объектов, шаровые звездные скопления (рис. 151) - удивительные звездные системы, которым было суждено сыграть особую роль в развитии звездной астрономии и космогонии.

Это реальные звездные скопления, содержащие огромное число звезд, удерживаемых силами взаимного притяжения. В центральных частях шарового скопления пространственная плотность распределения звезд в сотни и даже тысячи раз превосходит плотность звездного «населения» в окрестностях Солнца. Если бы Солнце с окружающей его планетной системой оказалось в центре шарового звездного скопления, то на нашем небосводе было бы видно несколько десятков (а в одном из скоплений - несколько тысяч) звезд, обладающих блеском полной Луны! Конечно, это было бы очень красивое зрелище, но развитие астрономии было бы крайне затруднено, так как мы не видели бы всего разнообразия слабо светящихся небесных объектов

(В книге-источнике отсутствуют страницы: 283-284)

астрономических единиц (напоминаем, что астрономическая единица равна 149,6 млн. км), Так как масса оболочки невелика, то средняя плотность ее вещества порядка 10^-18г/см³!

Так же возникает свечение такой огромной оболочки звезды? Горячая звезда облучает оболочку своим интенсивным ультрафиолетовым излучением. Последнее поглощается в оболочке и перерабатьвается ею Под действием ультрафиолетового излучения атомы ионизируются, а затем, захватывая электроны, испускают вместо поглощающего ультрафиолетового излучения эмиссионные линии с большей длиной волы. Низкая плотность вещества оболочки благопрятна для излучения «запрещенных» спектральных линий: «возбужденный» атом столь длительный промежуток времени не соударяется с другими атомами и электронами, что способен «нарушать» правила «земной» атомной физики и испускать такие фотоны, которые в земных условиях не излучаются. Действительно, в эмиссионных спектрах планетарных туманностей видны спектральные линии , которые раньше приписывали отсутствующему на Земле химическому элементу «небулию» (по-латыни «небула» - туманность). Теперь известно, что это «запрещенные» линии ионизованных кислорода и азота.

Такой способ свечения газа, когда поглощается жесткое излучение, а вместо него испускаются фотоны с большей длиной волны (мягкие фотоны), называется флуоресценцией. Она-то и обеспечивает излучение планетарных туманностей.

Б. А. Воронцов-Вельяминов, много лет занимавшийся исследованием планетарных туманностей, предложил следующую их классификацию: тип I - звездообразные туманности; тип II- правильно освещенные диски; тип III - круглые или овальные диски со сложным законом распределения яркости; тип IV -кольцевые туманности; тип V - промежуточные формы между планетарными и рассеянными туманностями; тип VI - аномальные формы. В таблице XIX приведены данные о наиболее ярких туманностях, рекомендуемых для наблюдений в телескоп. В таблице приведены номера туманностей по каталогу Б. А. Воронцова-Вельяминова, экваториальные координаты, тип туманности, звездная величина, температура освещающей туманность звезды, выраженная в тысячах градусов, расстояние туманности от Земли (r) в парсеках, и диаметры (D) туманностей (часто два - наибольший и наименьший), выраженные в тысячах астрономических единиц (а.е.).

Таблица XIX. Список планетных туманностей

Химический состав планетарных туманностей в среднем таков: если принять обилие водорода за 1000, то обилие других найденных элементов выразится числами: гелия 100, углерода 0,6, кислорода 0,25, азота 0,2, неона 0,01, серы 0,036, хлора 0,002, аргона 0,0015 и фтора 0,0001.

Рис. 153. Туманность Ориона

Кроме линейчатого эмиссионного спектра у некоторых планетарных туманностей наблюдается и непрерывный спектр, когорт объясняется излучением тормозящихся электронов. Кстати, надо заметить чт0 появление эмиссионного спектра обязано не только Флуоресценции, но и возбуждению атомов и ионов электрон ударами в результате которых атомы «запасаются» нес энергией.

В последнее время обнаружено также избыточное инфракрасное свечение, которое можно приписать нагретым твердым пылин кам, может быть, частицам графита.

Проблема происхождения планетарных туманностей еще далека от своего решения. Возможно, что они возникают в результате истечения вещества из коллапсирующей центральной звезды, но твердо установлено, что планетарные туманности постепенно расширяются.

Планетарные туманности - это только один из многих видов скоплений диффузного вещества. Известны протяженные туманности также обладающие линейчатым эмиссионным спектром, но имеющие направильную форму. Наиболее типичной туманностью такого рода является знаменитая туманность Ориона (рис 153 ) окружающая кратную звезду υ Ориона. На снимках, полученных со светосильными астрографами, видно, что случайность охватывает всю правую часть созвездия, далеко распространяясь на север. Свечение этой туманности вызвано тем же «механизмом»- флуоресценцией и электронными ударами. Ее облучают входящие в нее горячие звезды.

Похожа на нее и туманность «Америка», расположенная в созвездии Лебедя; ее можно видеть только на снимках, полученных с продолжительной экспозицией (рис. 154).

Рис. 154. Туманности Америки и Пеликан

Иногда встречаются загадочные переменные туманности, меняющие свою яркость. Примером такого объекта является кометообразная туманность вблизи переменной звезды R Единорога, расположенной в «голове» туманности. Подобная же переменная туманность окружает переменную звезду R Водолея. Светлая туманность, расположенная на расстоянии 450 «световых дней» от неправильной переменной звезды RY Тельца, исчезала на несколько лет, а затем появилась вновь. Несомненно, что в этих случаях происходит сложный процесс взаимодействия переменной звезды с соседней с ней разреженной газовой туманностью. Встречаются также светлые туманности, имеющие звездный спектр, т. е. непрерывный спектр без эмиссионных линий. По-видимому, это скопления пылинок, рассеивающих свет соседних с ними звезд, обладающих большими светимостями. Такие туманности видны на снимках Плеяд (см. рис. 147).

Существуют также и «темные туманности», вернее, скопления холодного, непрозрачного вещества, поглощающего свет расположенных за ними звезд. Гершель, обративший внимание на «пустоты» в Млечном Пути, назвал эти скопления «угольными мешками». Такие «пустоты» особенно хорошо заметны в созвездиях Лебедя, Щита, Змееносца. Особенно хорошо обрисовываются контуры «темной туманности», если она проектируется в светлую, как это происходит вблизи звезды ? Ориона. Здесь находится темная туманность «Конская голова» (рис.155).

Были также обнаружены на фоне светлых туманностей маленькие круглые темные пятна, названные глобулами. Диаметры глобул заключены в пределах от 4 тыс. до 35 тыс. астрономических единиц; глобулы рассматривают как протозвезды, т. е. зародыши будущих, еще не сконденсировавшихся звезд.

С иными явлениями встретились астрофизики при изучении Крабовидной туманности в созвездии Тельца. Координаты этого интереснейшего объекта: α = 5 ч 31,5 м., δ = + 21^о 59' (1950,0). По виду эту туманность можно отнести как к планетарным, так и к неправильным. В ее центре видна двойная звезда примерно 16-й звездной величины. Одна из компонент - желтая звезда, не представляющая собой ничего особенного. Вторая же компонента оказалась исключительно интересной: она голубая и обладает очень высокой температурой, о чем свидетельствует большой ультрафиолетовый избыток в ее излучении.

Туманность очень протяженная, ее диаметр достигает парсека, а расстояние от нас составляет 1030 пс. На таком расстоянии блеск звезды уменьшается на 10 звездных величин, а если учесть еще и межзвездное поглощения света, то на 11 величин. Таким образом, абсолютные звездные величины обеих компонент должны быть близки к 5, т. е. к абсолютной звездной величине Солнца.

Рис. 155. Темная туманность 'Конская голова'

Отличие Крабовидной туманности от обычных туманностей заключается в ее очень сложной структуре. Ее спектр комбинированный: на непрерывный, довольно интенсивный спектр наложены эмиссионные линии, характерные для планетарных туманностей, но эмиссионные линии водорода ослаблены по сравнению с линиями других химических элементов.

Самое неожиданное состоит в том, что непрерывный и эмиссионный спектры излучаются различными объектами. Сравните между собой два снимка Крабовидной туманности, воспроизведенных на рис. 156. На нижнем снимке, полученном на обычных фотографических пластинках, чувствительных к излучениям широкого спектрального диапазона, туманность имеет аморфный вид, с очень небольшим числом деталей. Верхний снимок получен через узкополосный светофильтр, пропускающий эмиссионные линии ионизованного азота и На - водорода. Таким образом, его можно условно назвать «монохроматическим». На нем видны многочисленные, переплетенные сложнейшим узором струи. Создается впечатление, что здесь расположены две туманности, «вложенные» одна в другую.

Рис. 156. Фотографии Крабовидной туманности в лучах водородной линии Нα (вверху) и в лучах непрерывного спектра (внизу)

Но это еще не главная загадка Крабовидной туманности. Дело в том, что согласно теории свечения планетарной туманности центральная звезда должна обеспечить энергетический поток, излучаемый туманностью, в том числе и ее аморфной части. Оказывается, что энергии звезды не хватает для этого в 750 раз!

Сравнивая между собой старые и новые снимки туманности, обнаружили, что она систематически расширяется с угловой скоростью 0",21 в год, что соответствует линейной скорости расширения около 1000 км/сек. Это было подтверждено и спектроскопически: наблюдается соответствующий сдвиг спектральных линий, вызванный эффектом Доплера.

Отсюда следует, что туманность образовалась около 1100 г. н. э., а из летописей известно, что в этом месте созвездия Тельца в 1054 г. вспыхнула сверхновая звезда. Таким образом, вещество туманности - это рассеянное в пространстве вещество вспыхнувшей сверхновой звезды, а голубая звезда идентична с самой сверхновой, светимость которой после вспышки ослабела в 10⁸ раз.

Голубая звезда оказалась пульсаром NP 0532 с исключительно коротким периодом пульсаций радиоизлучения, равным 0,033 сек! Впоследствии выяснилось, что с таким же самым периодом изменяется и ее блеск (рис. 157). И те, и другие пульсации (радиоизлучения и блеска) происходят в высшей степени регулярно, но период колебаний возрастает. Так, 20 октября 1968 г. он был равен 33,09014 миллисекунды, а 17 марта 1969 г. стал равным 33,09556 миллисекунды, т. е. увеличился на 0,00542 миллисекунды. Столь короткий период требует, чтобы звезда была очень маленькой и очень плотной. Поэтому нет сомнения в том, что пульсар - сверхплотная звезда, со средней плотностью вещества гораздо большей, чем у белых карликов.

Внеатмосферные наблюдения показали, что Крабовидная туманность является также источником рентгеновского и излучений. Это свидетельствует о бурных движениях электронов, происходящих в туманности. Было сделано очень интересное открытие. Внезапно в туманности появилось более яркое сгущение, которое наблюдалось 67 суток и за это время переместилось на 1". Это соответствует скорости движения, близкой к 26 000 км!сек. Вряд ли это свечение одной и той же массы вещества. Скорее всего, с такой скоростью двигался поток электронов, которые своими ударами возбуждали атомы и заставляли их испускать дополнительное излучение.

По-видимому, излучение Крабовидной туманности нетепловое. Электроны, движущиеся в магнитных полях туманности с очень большими скоростями, сравнимыми со скоростью света, способны испускать так называемое синхротронное излучение. Одно из возможных объяснений всего комплекса наблюдающихся явлений состоит в следующем. Считается, что пульсар - сверхплотная звезда, обладающая нейтронным ядром и очень сильным магнитным полем, которое разгоняет электроны до скоростей, сравнимых со скоростью света. Пульсар имеет очень малые размеры (порядка десятков км) и вращается вокруг оси, не совпадающей с направлением магнитной оси. В таком случае в окрестностях пульсара создается переменное электромагнитное поле, что и является причиной радиоизлучения переменной интенсивности.

Рис. 157. Кривая изменения блеска пульсара NP0532. На горизонтальной оси отложено время в долях периода, а на вертикальной - интенсивности излучения

Атмосфера пульсара испускает быстродвижущиеся электроны, магнитное поле их ускоряет, и их синхротронное излучение имеет направленный характер, что вызывает переменность блеска, когда поток излучения направлен к Земле. В таком случае 0,033 секунды - период осевого вращения пульсара.

Рис. 158. Туманность в созвездии Лебедя

Мы видели, что вращение пульсара замедляется. Следовательно, его кинетическая энергия уменьшается. Оказывается, что ее уменьшение близко по мощности к общему излучению окружающей пульсар туманности, и согласно этой гипотезе можно полагать, что всё излучение окружающей пульсар туманности поддерживается потерей энергии вращения пульсара.

Есть еще немногочисленные объекты такого же рода, но они менее исследованы.

Скажем в заключение еще об одном типе туманностей, одна из которых находится в созвездии Лебедя (рис. 158). Это, по-видимому, распространяющийся единым фронтом поток быстро движущихся частиц, некогда выброшенных при вспышке сверхновой звезды. Проходя через окружающую межзвездную среду со скоростью, превышающей звуковую, этот поток создает ударную волну, которая заставляет атомы водорода светиться и испускать эмиссионные спектральные линии.