27 июня в Академии ПостНауки пройдет семинар Дмитрия Вибе «Жизнь звезды: от вакуума к сверхплотному состоянию».

Существует такой критерий популярности научной работы, ее востребованности, как количество цитирований. Научная работа тем более важна и тем более востребована, чем чаще она цитируется в других научных работах. Если посмотреть на список астрономических, астрофизических работ, то окажется, что на вершине этой пирамиды находится статья, посвященная межзвездной пыли. Не черным дырам, не космологии, не квазарам, как могло бы показаться, а статья, посвященная межзвездной пыли. Это связано с тем, что пыль окружает нас со всех сторон и, к сожалению, является препятствием для проведения очень большого количества наблюдений. И даже если вас не интересует пыль сама по себе, вы обязаны знать ее свойства, чтобы вы могли правильно учесть их в интерпретации наблюдений тех объектов, которые вас интересуют.

На самом деле и само по себе присутствие межзвездной пыли было замечено именно по тому воздействию, которое она оказывает на свет звезд. Считается, что основоположником современных представлений о межзвездной пыли является Роберт Трюмплер, американский астроном, который не интересовался межзвездной средой, не интересовался межзвездной пылью ― он интересовался рассеянными звездными скоплениями. Исследуя рассеянные звездные скопления, он обнаружил странную особенность: скопления становятся тем более тусклыми, чем дальше от нас находятся. Причем они не только становятся более тусклыми, но и звезды в них становятся еще и более красными.

Рекомендуем по этой теме:

Существует такое понятие, как принцип Коперника, согласно которому мы не находимся в каком-то выделенном участке Вселенной, поэтому, если что-то зависит от расстояния до Земли, это зависимость кажущаяся, и для нее нужно искать какие-то другие объяснения. Трюмплер предположил, что межзвездное пространство заполнено поглощающим веществом, похожим на мелкие частички, мелкие пылинки, которые заставляют свет далеких звезд становиться более тусклым и одновременно более красным. Это явление получило название «межзвездное покраснение света», и со времен Трюмплера предполагается, что межзвездное покраснение света связано с наличием космической пыли.

Поначалу предполагалось, что космическая, межзвездная пыль должна быть родственна пыли межпланетной, может быть, родственной веществу комет, ледяных астероидов. То есть предполагалось, что в межзвездном пространстве летают маленькие ледяные частички. Однако в конце 1940-х ― начале 1950-х годов выяснилось, что межзвездная пыль не только поглощает излучение звезд, не только делает его более красным ― она его еще и поляризует. Это означает, что межзвездные пылинки выстроены каким-то механизмом, они имеют некую предпочтительную ориентацию. На роль этого механизма лучше всего подходило и подходит сейчас магнитное поле, а значит, пылинки должны обладать магнитными свойствами, значит, лед на эту роль не подходит, и для состава космических пылинок нужно искать какое-то другое объяснение.

Здесь сложились воедино два, точнее, даже три открытия, сделанные в 1960-е годы. Во-первых, в начале 1960-х появились модели поздних стадий эволюции звезд, из которых стало ясно, что в оболочках старых звезд могут рождаться пылевые частицы, но не любые, а преимущественно состоящие из графита или каких-то соединений кремния. В конце 1960-х годов при наблюдениях межзвездного поглощения света выяснилось, что и характеристики поглощения межзвездной пыли выглядят таким образом, словно пыль состоит из графитовых и силикатных частиц. И вот в конце 1960-х годов начала формироваться современная модель космической пыли, которая до сих пор называется графитосиликатная модель.

Венцом первых попыток создания модели межзвездной пыли стала так называемая модель MRN, которая была опубликована в 1977 году Матисом, Румплом и Нордсиком (по первым буквам фамилий авторов этой модели она и получила свое название). Согласно этой модели межзвездная пыль состоит из смеси графитовых и силикатных частиц, размеры которых заключены в пределах от нескольких тысячных долей микрона до нескольких десятых долей микрона. То есть это пылинки достаточно мелкие, однако они обладают очень значительными поглощающими способностями.

Если бы мы взяли межзвездную пыль и сжали ее до той плотности, которая соответствует воздуху при нашем атмосферном давлении, то эта пыль полностью поглощала бы излучение на длине порядка одного метра. То есть если бы мы пропорционально заполнили эту комнату пылью, то своей вытянутой руки я бы уже не увидел. И вот эти поглощающие свойства являются одной из основных причин интереса к межзвездной пыли, потому что она очень сильно поглощает излучение всего, что на ее пути попадается. Если вы не знаете, как она поглощает свет, вы не сможете правильно интерпретировать наблюдения.

Однако в 1980-е годы выяснилось, что поглощающие свойства пыли ― это еще не все. Помимо того, что пыль поглощает излучение фоновых звезд, она еще и светится сама. Это совершенно естественно: в нашей Вселенной все является источником излучения. Но если горячие звезды светятся в видимом диапазоне, то межзвездные пылинки имеют очень низкую температуру ― порядка 15–20 градусов Кельвина, и поэтому их излучение должно приходиться в основном на далекий инфракрасный диапазон с длинами волн порядка сотни микронов.

Рекомендуем по этой теме:

Наблюдения в этом диапазоне стали возможны только после появления космических телескопов. В 1983 году космический аппарат IRAS построил первую карту неба в инфракрасном диапазоне, и значительная часть этой карты состояла именно из теплового излучения пыли. Однако по результатам наблюдений на IRAS и более поздних спутниках выяснилось, что не все так гладко с излучением космической пыли. Она действительно излучает значительную часть энергии в дальнем инфракрасном диапазоне, на длинах волн порядка сотни микронов, как это и следует из ожидаемой ее низкой температуры. При этом имеется еще и значительное излучение на длинах волн порядка 10 микрон, что соответствует существенно более горячей пыли. И в модель MRN это излучение уже не вписывалось. Стало понятно, что модель нуждается либо в изменении, либо, по крайней мере, в какой-то модификации. Сейчас считается, что источником этого избыточного инфракрасного излучения являются очень мелкие углистые пылинки с размерами порядка сотни ангстремов, которые также заполняют межзвездное пространство вместе с более крупными пылевыми частицами, описывающимися моделью MRN.

И наконец, третий компонент межзвездной пыли также был обнаружен в середине 1980-х годов ― это частицы, которые занимают промежуточное положение между большими молекулами и мелкими пылинками. Первые их признаки на самом деле были замечены еще в 1973 году, однако в полном объеме их наличие было установлено тоже в середине 1980-х годов. В отличие от пылинок ― и крупных пылинок, и очень мелких пылинок, которые излучают непрерывный спектр, ― эти промежуточные частицы являются источником эмиссионных линий. То есть они излучают в некотором наборе длин волн в ближнем инфракрасном диапазоне: вблизи 3 микрон, вблизи 6 микрон, вблизи 8 и 11 микрон.

Всякий раз, когда мы вместо непрерывного спектра видим какие-то эмиссионные полосы, это наводит нас на мысль о том, что мы имеем дело с молекулами, а не с какими-то более крупными частицами. Таким набором эмиссионных полос обладают так называемые полициклические ароматические углеводороды. И с середины 1980-х годов предполагается, что важным компонентом межзвездной пыли являются такие очень крупные органические молекулы. Правда, сейчас уже становится ясно, что это не регулярные структуры, которыми являются полициклические ароматические углеводороды.

Эти молекулы (сокращенно ― ПАУ) состоят из большого количества бензольных колечек ― таких вот шестигранников, из которых можно, как из плитки, выкладывать довольно большие плоские структуры. Но сложно предположить, что в межзвездном пространстве такие регулярные структуры могут существовать. Скорее всего, те пылинки, органические частицы, которые мы называем ПАУ, ― это какие-то такие простынки, но скомканные и, может быть, имеющие еще более сложную структуру.

Модели происхождения пылинок остались, в общем, те же самые. Как это было и в начале 1960-х годов, по-прежнему ясно, что одним из основных источников пыли являются старые звезды. Если в звезде, в атмосфере звезды избыток атомов кислорода, то образование пыли начинается с простейших оксидов. Оксиды алюминия, оксиды кремния ― это те оксиды, которые распространены и на поверхности Земли (оксид алюминия ― это глина, оксид кремния ― это кварц), то есть Земля ― это до неприличия разросшаяся космическая пылинка. Если в атмосфере звезды наблюдается избыток атомов углерода, в ней образуются частицы полициклических ароматических углеводородов или более крупные углистые частицы. Затем звездный ветер выносит эти частицы в межзвездное пространство, и они постепенно заполняют промежутки между звездами.

С середины 1990-х годов возникла одна проблема, связанная с тем, что пылинки не только формируются ― они в межзвездной среде еще и довольно эффективно разрушаются вспышками сверхновых звезд. И если, скажем так, на одну чашу весов положить всю пыль, которая рождается в старых звездах, а на другую чашу весов ― ту пыль, которая разрушается вспышками сверхновых, то окажется, что разрушается ее значительно больше, чем производится. Если говорить о таком простом балансе, пыли у нас в Галактике быть не должно. Но она есть, и это наблюдаемый факт. Следовательно, нужно искать какой-то еще источник. И возможно, хотя это прозвучит, может быть, несколько странно, еще одним источником межзвездных пылинок являются все те же сверхновые. Современные наблюдения при помощи телескопов инфракрасного диапазона, субмиллиметрового диапазона показывают, что вспышки сверхновых являются еще и очень мощным генератором пылевых частиц. В плотных горячих оболочках этих звезд складываются достаточно хорошие условия, для того чтобы образовывались все более крупные и крупные частицы, и далее они тоже выбрасываются в межзвездное пространство. То есть сверхновые могут быть не только фактором, разрушающим пылинки, они могут быть еще и фактором, пылинки производящим.

Что происходит с пылью потом? В конечном итоге пыль оказывается в составе молекулярных облаков, пыль входит в состав газопылевых сгустков, из которых рождаются звезды, и поэтому можно сказать, что конечным итогом эволюции силикатных пылинок являются планеты наподобие планет земной группы, а конечным итогом эволюции пылинок углистых, может быть, являемся и мы с вами. Интересной особенностью эволюции пыли является то, что она во Вселенной присутствует начиная с самых ранних эпох ее существования. Это было одним из таких неожиданных открытий, когда начались наблюдения галактик на очень больших красных смещениях, соответствующих самым ранним временам их существования.

Рекомендуем по этой теме:
11703
«Я» в философии и культуре

Оказалось, что в этих галактиках очень много пыли. Появился даже отдельный класс галактик, которые так и называются ― субмиллиметровые галактики. Это галактики, в которых настолько много пыли, что излучение звезд полностью этой пылью поглощается и переизлучается в субмиллиметровом диапазоне. Это означает, что пыль каким-то образом очень быстро формировалась в нашей Вселенной. И это тоже говорит о том, что нужно искать какой-то дополнительный источник. Возможно, это сверхновые, но даже сверхновые оказываются в этом отношении недостаточно эффективными, и поэтому в последнее время довольно популярен еще один механизм формирования межзвездной пыли ― это возможность ее формирования непосредственно в межзвездной среде.

В молекулярных облаках тоже, по-видимому, могут складываться такие условия, которые позволяют атомам объединяться в молекулы, молекулам объединяться в кластеры, из которых впоследствии вырастают космические пылинки. Прямых доказательств того, что этот процесс действительно происходит, у нас нет, однако имеются наблюдения, указывающие на то, что пылинки в молекулярных облаках по крайней мере растут. Образуются они там или нет ― сказать определенно мы не можем, но мы можем сказать, что они там становятся крупнее, чем в межзвездной среде. Если в межзвездной среде средний размер пылинки ― это примерно одна десятая микрона, то в молекулярных облаках их размер может достигать уже одного или нескольких микронов. И это может означать, что начальный этап формирования планет, роста пылевых частиц, который заканчивается формированием планеты, начинается не в протопланетном диске, а существенно раньше ― еще в молекулярном облаке, из которого потом звезда и планетная система формируются.