что такое планетарная туманность
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).
Планетарные туманности
Наблюдая небо в телескоп, иногда можно наткнуться на любопытные туманности с округлыми очертаниями. Это планетарные туманности — объекты, соответствующие заключительной фазе существования звезд, подобных Солнцу. По сути дела, каждая из них представляет собой шарообразную оболочку из газа, внешний слой звезды, выброшенный ею после утраты собственной стабильности. Эти оболочки затем увеличиваются, расширяются и постепенно становятся все более слабыми. Наблюдать такие туманности непросто: большинство из них обладает низкой поверхностной яркостью и малым угловым размером. Как и в случаях с другими туманностями, для наблюдения необходимы темные безлунные ночи. Очень редко идентификации планетарной туманности может помочь маленькая звездочка, расположенная в ее центре и давшая ей начало.
Туманность Кольцо
Из всех планетарных туманностей, видимых на небосводе, самая известная среди любителей астрономии — безусловно, туманность М57, которая также имеет название Кольцо. Она расположена в летнем созвездии Лира на расстоянии около 2300 световых лет от Земли.
Открыл эту туманность в 1779 году французский астроном Антуан Даркье де Пельпуа. Он описал ее как идеальный диск размером приблизительно равный Юпитеру, но имеющий блеклое свечение и похожий на исчезающую планету. Впоследствии, в 1785 году, английский астроном Вильям Гершель определил ее как«небесную достопримечательность». Он думал, что эта туманность представляет собой звездное кольцо.
С дырой
В вашем телескопе М57 будет выглядеть маленьким туманным пятнышком округлой формы. Имеет смысл рассматривать ее при среднем увеличении, например, через 12,5-мм окуляр Плёссля, обеспечивающий 80-кратное увеличение. При первом взгляде вы обнаружите округлые очертания. После нескольких минут адаптации, если воздух будет прозрачным и неподвижным и со стороны Луны будут отсутствовать помехи, вы сможете разглядеть некоторые детали. Повышая увеличение, вы даже различите центральное «отверстие», особенно если будете смотреть «рассеянным зрением», то есть, концентрируя взгляд не на самом «отверстии», а на его периферии.
Центральная звезда
Эта туманность родилась от звезды, находящейся в ее центре и сегодня превратившейся в белый карлик. Температура поверхности этой звезды превышает 100000 градусов. Ее звездная величина составляет 14,7 — таким образом, она недоступна вашему телескопу. В 1800 году ее открыл немецкий философ и астроном Фридрих фон Хан.
Туманность расширяется со скоростью приблизительно 20-30 км/с, и поэтому ее видимые размеры увеличиваются примерно на 1 секунду дуги в столетие.
Формирование туманностей
После того как были открыты первые планетарные туманности, их округлые очертания навели астрономов на мысль о том, что эти небесные объекты связаны с чем-то похожим на планеты, скорее всего — на газовые гиганты или же на формирующуюся планетную систему. По этой причине английский астроном Вильям Гершель (незадолго до этого открывший планету Уран) предложил для таких объектов термин «планетарная туманность». Их истинная природа была установлена лишь в середине XIX века благодаря спектроскопии (технике, позволяющей «расщепить» свет, поступающий от небесного тела, на его основные цвета). Тогда стало ясно, что перед нами — особый тип туманности.
Умирающая звезда
Все планетарные туманности происходят от звезд, находящихся на завершающей стадии своего существования. Как мы уже отмечали, звезда с массой, сравнимой с массой Солнца, после своего рождения проживает длительную стадию стабильности, в ходе которой растапливает водородные ядра, давая начало ядрам гелия. Когда содержащийся в центральной части звезды водород заканчивается, эта часть нагревается и достигает температуры в 100 млн градусов. Вследствие этого наружные слои расширяются, после чего охлаждаются: звезда превращается в красный гигант. В этот момент она утрачивает стабильность, и ее внешние слои могут-быть выброшены наружу. Именно они и образуют оболочку шарообразной формы вокруг того, что остается от звезды — вокруг белого карлика.
Расширение
Оболочка, окружающая звезду, расширяется со скоростью в несколько десятков километров в секунду и образует планетарную туманность с характерной шарообразной формой. Планетарные туманности, однако, ожидает довольно быстрый конец: по мере расширения в космосе они разреживаются и в результате становятся неразличимы на небесном своде. На это уходит около 25000 лет — совсем небольшой период в жизни любой звезды.
Планетарные туманности через телескоп
При наблюдении планетарных туманностей возникают несколько иные сложности, чем при наблюдении диффузных туманностей например, туманности Ориона. Планетарные туманности не отличаются большими угловыми размерами. За исключением туманности Улитка (по-английски Helix), они выглядят на небосклоне небольшими и сконцентрированными. Поэтому их бывает непросто отличить от звезд.
Туманность Улитка
Помимо М57, вы можете наблюдать в ваш телескоп еще примерно дюжину планетарных туманностей. Первой среди них будет именно туманность Улитка из созвездия Водолей.Она достигает внушительного размера — приблизительно 13 минут дуги (что соответствует реальному размеру примерно в 3 световых года).
Неслучайно эта туманность является также одной из самых близких к Солнечной системе. Несмотря на звездную величину 7,6, из-за своих размеров она распространяет свечение на весьма обширную зону ночного неба. В телескоп эта туманность кажется зеленоватой. Видна она довольно слабо. Внутри нее космический телескоп «Хаббл» разглядел тысячи газовых шариков, образовавшихся, видимо, в тот момент, когда умирающая звезда выбросила в космос свою внешнюю оболочку.
Туманность Сатурн
В том же зодиакальном созвездии Водолей интерес для наблюдения вызывает туманность NCG 7009, известная под именем «туманность Сатурн». Вильям Гершель открыл ее в 1782 году. Основная сложность при наблюдении этой туманности — ее размер, составляющий менее 2 минут дуги.
Тем не менее при 50-кратном увеличении можно понять, что это не звезда, а при 100-150-кратном — различить характерную вытянутую форму. Именно за эту форму туманность и получила свое название, совпадающее с названием планеты с кольцами.
Туманность Гантель
Еще одной легко доступной для наблюдения туманностью является М27 из созвездия Лисичка. Ее называют также «туманностью Гантель». Ее видимый диаметр составляет примерно 8 минут дуги, а совокупная звездная величина равна 7,4. По оценкам астрономов, эта туманность образовалась 3000-4000 лет тому назад. При большом увеличении вы можете разглядеть ее вытянутую
форму, за которую она и получила свое имя.
Есть еще уменьшенная версия М27, по крайней мере, по мнению англосаксонских астрономов, которые называют Маленькой Гантелью планетарную туманность М76. Она была открыта Мешеном в 1780 году, однако ее принадлежность к планетарным туманностям была признана только в 1918-м. Звездочка в центре М76 величиной 16,6 является слишком слабой для вашего телескопа.
Призрак и Сова
Гораздо более сложной для наблюдения является туманность NGC3242, имеющая также любопытное название Призрак Юпитера. Оно объясняется тем, что в телескопе ее диаметр сопоставим с диаметром Юпитера. С помощью 25-мм окуляра Плёссля при 40-кратном увеличении можно разглядеть ее без особых трудностей, а при увеличении свыше 100 — даже различить ее округлую форму.
Забавное название носит и туманность М97, четвертая туманность, помещенная в каталог Мессье. Она расположена в созвездии Большая Медведица. Ирландский астроном Уильям варсонс в 1848 году назвал ее Совой, поскольку два темных пятна внутри нее напоминают совиные глаза.
При увеличении чуть больше 100 вы сможете различить не только округлую форму туманности, но и две темные области внутри нее. Считается, что возраст М97 примерно 8000 лет.
Снежок
Довольно сложно различить на небе туманность NGl 7662, или Голубой Снежок, в созвездии Андромеда. На самом деле, несмотря на название, в телескопе она имеет красноватый оттенок.
При увеличении свыше 100 тоже можно рассмотреть «отверстие» в ее центре. Преимущество наблюдения этой туманности в том, что она находится в созвездии, которое очень высоко поднимается на нашем небе в конце осени.
Белые карлики
Планетарная туманность NGC 1514, открытая Вильямом Гершелем в 1790 году в созвездии Телец, очень сложна для наблюдения, поскольку она слабо светится и едва заметна на небесном фоне. Гораздо проще различить белый карлик в ее центре, имеющий звездную величину 9,4 NGC 1514 можно найти примерно в 8 градусах на северо-восток от Плеяд. Другой планетарной туманностью с белым карликом, доступным вашему телескопу, является NGC6826, расположенная в созвездии Лебедь. Это небольшая и слабая туманность: в телескоп она будет казаться размытой звездой, и, только доведя увеличение до максимального, вы сможете рассмотреть ее круговую оболочку. Впрочем, если небо очень темное, то, возможно, вы заметите в ее центре звездочку величиной 10,4.
То же самое можно сказать о планетарной туманности NGC2392, известной также под названием Эскимос, в созвездии Близнецы. Внутри маленькой, слабой голубоватой туманности будет виден белый карлик величиной 10,5.
Планетарные туманности в объективе «Хаббла»
Многие планетарные туманности, к сожалению, остаются недоступными для наблюдений в любительский телескоп. Хотя часто речь идет о великолепных, очень зрелищных объектах, одних из самых красивых на небе. Космический телескоп «Хаббл» сфотографировал некоторые из этих туманностей, и теперь мы можем оценить их сверкающие цвета и любопытные формы.
Несмотря на то, что вы не сможете наблюдать их в ваш телескоп, стоит рассказать о наиболее эффектных и интересных планетарных туманностях.
Кошачий Глаз
Можно начатьстуманности Кошачий Глаз (NGC 6543) в созвездии Дракон. В 1864 году Уильям Хёггинс исследовал спектроскопом ее свет (такому анализу планетарная туманность тогда подверглась впервые). Хотя она была открыта еще в 1786-м, лишь недавно телескоп «Хаббл» раскрыл ее сложную и тонкую структуру, состоящую из концентрических газовых оболочек, струек и узелков. Астрономы пришли к выводу, что примерно каждые 1500 лет центральная звезда испускает новую оболочку. Изображения, снятые с промежутком приблизительно в 10 лет, показали, что эта туманность расширяется.
Туманность NGC 6369 находится в созвездии Змееносец на расстоянии от 2000 до 5000 световых лет. Ее сине-зеленое кольцо, достигающее реального диаметра примерно в 1 световой год, обозначает границу района, в котором ультрафиолетовый свет звезды ионизировал газ, то есть вырвал электроны из их атомов. Внешняя часть туманности имеет более выраженный красный оттенок, поскольку на большем расстоянии от звезды процесс ионизации менее интенсивен. Облако расширяется со скоростью примерно 20 км/с. За счет этого оно рассеется в межзвездном пространстве и затем примерно через 10000 лет исчезнет.
Прямоугольник
Весьма любопытной является и форма туманности lC4406 в созвездии Волк: она кажется не округлой, а прямоугольной. Возможно, на самом деле она имеет цилиндрическую форму, а с Земли мы видим только одну ее сторону. Тонкая текстура туманности (состоящая из темной пыли) и форма, напоминающая мембрану человеческого глаза, обеспечили ей название Сетчатка. На фотографиях с «Хаббла» она кажется голубой там, где отмечается присутствие кислорода, зеленой там, где есть водород, и красной в местах, где имеется азот.
Почти идеально круглую форму имеет туманность lC418, или Спирограф, в созвездии Заяц. Происхождение ее названия легко понять, если сравнить форму туманности с рисунками, созданными этим графическим инструментом. Ее реальный диаметр составляет примерно 0,1 световой год, а расстояние от Земли — около 3600 световых лет. Это небольшое путешествие по объектам, снятым телескопом «Хаббл», можно завершить Hen 3-1357 — самой молодой из известных планетарных туманностей. Она расположена в созвездии Жертвенник на расстоянии 18 000 световых лет от нас. Ее называют также Скатом — она напоминает одноименную плоскую рыбу с большими плавниками в форме крыльев. Внутри нее видны две звезды: помимо центрального белого карлика, имеется также звезда-спутник более слабого свечения, расположенная выше и левее первой. Какая жалость, что эту восхитительную картину можно увидеть только благодаря космическому телескопу!
Планетарная туманность
Планетарная туманность – астрономическая единица, выступающая в качестве оболочки газа. Формирование её происходит у центрального светила, относящегося к категории белых карликов. Образуется в ходе сброса наружных «ярусов» гигантского космического тела, имеющего массу 0,8-8 Солнц (происходит это, как правило, на конечной стадии его развития).
Рассматривая вопрос, с точки зрения астрономии, можно сделать вывод о том, что планетарные туманности представляют собой эфемерные элементы. Срок их существования едва достигает пары десятков тысячелетий, при условии, что средняя длительность жизни «предка» насчитывает миллиарды лет. Особенность этих объектов состоит в отсутствии отношения к планетам. Такое название они имеют оттого, что при наблюдении через телескоп похожи на планету.
Общее описание
Форма у львиной доли тела является округлой, а край имеет чёткую выраженность. Телескоп «Хаббл» позволил провести исследования, в ходе которых эксперты смогли обнаружить чрезмерно сложный структурный состав. Формой, подобной сфере, обладает лишь 20% объектов. В остальных случаях она может быть любой. Такое разнообразие пока нельзя объяснить, с научной точки зрения. Но некоторые исследователи полагают, что причиной существования звёзд двойного типа, звёздный ветер и магнитное поле.
В любом случае процесс образования рассматриваемых феноменов (планетарных туманностей) является важным в химической эволюции галактических систем. Ведь в межзвёздное пространство происходит выброс материала, в составе которого присутствуют тяжёлые элементы – продукты нуклеосинтеза.
Основные характеристики
Традиционно протяжённость, которую имеет планетарная туманность, является средней. Как правило, она приравнивается к одному световому году. В составе её преобладает разреженный газ, плотность его равна 1000 частиц на кубический сантиметр в среднем. Это мало, если сравнивать с показателем плотности земной атмосферы, но много, если проводить сравнение с межпланетным пространством. Максимальное значение наблюдается у только что сформировавшихся тел — 10^6 частиц или ещё больше. С «возрастом» плотность снижается по причине расширения.
Классификация
Условно все планетарные туманности могут быть разделены на две группы.
Учёных интересует действие магнитных полей планетарных туманностей, которые влияют на структуру и формирование волокнистости.
Историческая справка по исследованиям
Большинство изучаемых тел являются тусклыми, и обнаружить их без специальных приспособлений нереально. Первая планетарная туманность, которую удалось открыть – Гантель (группа звёзд – Лисички). Её нашёл Шарль Мессье, который искал кометы. Произошло это в 1764 году. В каталоге объект присутствует как M27.
Двадцатью годами позже Уильямом Гершелем был открыт целый класс туманностей – 4. По характеристикам они практически ничем не отличаются от диска планеты, но свойства, как можно догадаться, иные.
Первым специалистом в сфере астрономии, которому удалось получить спектры, стал Уильям Хаггинс. Когда он наблюдал за ними (а именно: за NGC 6543, M27, M57 и другими), смог выяснить, что спектр имеет отличия от спектров звёзд: всё, что было получено к тому моменту, относилось к спектрам поглощения. Что касается планетарных туманностей, их спектры были эмиссионными и содержали незначительное количество линий. Это означало, что по природе своей они отличаются от звёзд.
Особого внимания также заслуживал вопрос, связанный с химическими особенностями рассматриваемых объектов. Хаггинсу удалось добиться максимальной идентификации линий азота и водорода. К сожалению, в спектрах известных на тот момент времени веществ она не наблюдалась. Поэтому учёный предположил, что она соответствует неизвестному веществу. Его назвали небулием по тому же принципу, что и в случае с гелием в 1868 г. (когда проводился спектральный анализ Солнца).
В итоге версии и гипотезы, связанные с его открытием, так и не нашли подтверждения в официальном плане. Однако в самом начале 20 столетия ещё один учёный – Генри Расселл – создал новые теории. В то же время удалось отметить, что атомы и ионы способны переходить в состояние чрезмерного возбуждения, оно, в свою очередь, в случае высоких плотностей существуют недолго.
В 1927 г. эксперт с фамилией Боуэн снова идентифицировал эту линию. Он сообщил, что она способна возникать в процессе перехода атома кислорода из одного состояния в другое – из метастабильного в основное. Несмотря на то, что многие ответы до сих пор не были найдены, спектроскопические исследования позволили дать оценку верхней границы плотности газа. Невзирая на то, что специалистам удалось получить полноценную информацию о таких важных вопросах, как строение, структурный состав, механизм, проблемы происхождения, продолжали оставаться не решёнными.
И продолжалось всё это до середины предыдущего века. Впоследствии учёный Шкловский заметил совпадение комплекса параметров с характеристиками атмосфер, которые имеют красные гиганты. Что касается их ядер, они имели немало общество с характеристиками белых карликовых объектов. На сегодняшний день эта теория применяется до сих пор, т. к. получила подтверждение вследствие различных наблюдений и подсчётов.
К концу 20 столетия технологии в сфере астрономии стали более совершёнными. Это означает, что у учёных появилась возможность более детального изучения планетарных туманностей. Для этих целей использовались агрегаты, с помощью которых удалось изучить спектры за пределами видимой части и сделать это непосредственно с Земли. Более точные результаты были получены в УФ и ИК диапазоне. Поэтому эксперты смогли максимально детально проанализировать такие данные, как температурный режим, плотность, химический состав.
Особенности и версии происхождения
Ранее уже не раз отмечалось, что планетарная туманность есть не что иное, как окончательная «стадия» эволюционного процесса звёзд. Что касается нашего Солнца, оно имеет малые размеры, а по массе его превосходят немногие объекты. Такие тела, в свою очередь, по окончании своего цикла становятся сверхновыми. Что касается объектов, имеющих меньшую массу, они формируют планетарные туманности.
Типичный светящийся объект малого веса светит почти в течение всей своей жизни. Основной причинный фактор, который провоцирует возникновение данного явления, заключается в протекании реакций, связанных с синтезом. Синтезируется в данном случае гелий и водород, всё это наблюдается в ядре. В ходе протекания реакций наблюдается высвобождение энергетического потока, который способствует удержанию светила от коллапса и созданию у него стабильности.
Когда проходит внушительный отрезок времени (в рассматриваемом случае это несколько миллиардов лет), запасы иссякают, энергия «улетучивается». По этой причине внешние слои не могут сдерживаться, и ядро постепенно сжимается, а затем нагревается. На сегодняшний день температура — около 15 млн. К, но по понятным причинам она поднимется до 100 млн. К.
При этом извне будет происходить охлаждение и едва заметное увеличение в размерах. Светило превратится в красный гигант, и процессы, протекающие в его ядре, будут продолжаться. Когда температурная отметка достигнет 100 млн. К, начнётся синтез.
Процесс сжатия ядра столкнётся с многочисленными препятствиями, если произойдёт возобновление термоядерных реакций. В итоге выгорающий гелий сформирует ядро с оболочкой, и светило утратит собственную стабильность. Из-за незначительного прироста температуры произойдёт моментальный рост скорости реакций. Что в итоге? Конечно же, ускорится процесс выделения энергии, повысится температурный режим. А когда верхние слои гелия, который горит, расширятся, и температура снизится, реакция станет более медленной. Вследствие этих явлений могут возникнуть сильные пульсации.
Но также стоит отметить, что газ, который был выброшен, создаёт оболочку вокруг ядерной зоны. По мере отделения от объекта появляется значительное количество глубоких слоёв с высокими температурными показателями. Когда они становятся равны 30 000 К, энергии становится достаточно для ионизации атомных частиц, что вынуждает тело быть святящимся. В результате из облака формируется планетарная туманность.
Длительность жизни
Синтез углерода и кислорода в таких условиях не происходит. В итоге светило остывает настолько сильно, что утрачивает возможность излучения УФ для ионизации оболочки газа, которая отдалилась. Что в итоге? Светило превращается в белого карлика. А само облако начинает превращаться, в свою очередь, в невидимый объект.
Роль в эволюции галактических систем
Любая планетарная туманность имеет решающее значение в эволюционном процессе галактик. Дело в том, что изначально Вселенная имела в составе только водород и гелий. Именно из этих веществ происходило формирование объектов, относящихся ко второму типу. Однако с течением времени стали появляться более тяжёлые элементы (углерод, кислород, азот). По мере того как происходило расширение и проникновение в пространство между звёздами, они стали обогащаться металлами. Поэтому последующие поколения будут иметь максимальное количество тяжёлых элементов.
Структурный состав
Планетарная туманность в большинстве случаев является симметричной и располагает почти сферической формой. Тем не менее, она может иметь и многие другие конфигурации. Порядка 10% всех подобных объектов биполярны. И только малая их часть асимметрична. Есть версия, что происходит всё это из-за гравитационного взаимовлияния светил в рамках двойных систем. Есть другая теория, планеты нарушают процесс равномерного растекания материи при появлении планетарной туманности.
Вопросы, требующие ответов
Планетарная туманность изучена достаточно хорошо, однако у представителей учёного мира до сих пор имеются вопросы. Например, точное расстояние до объектов. До некоторых из них расчёт удалённости не вызовет трудностей, поскольку можно использовать параллакс расширения. Но их количество велико, поэтому выявить дистанцию до всех известных субъектов не получится.
Ещё одна задача, возникающая в процессе изучения планетарной туманности, заключается в методах поиска металлов. На сегодня их количество равно двум, но, несмотря на их относительную эффективность, учёные до сих пор не могут получить ответы на определённые вопросы. В связи с этим планетарная туманность требует более детального изучения.
Какой вывод можно сделать?
Рассматриваемый объект получил своё название потому, при наблюдении похож на планеты, хотя в некоторых случаях это не так. Свойства и структурные особенности при этом никакой роли не играют, поскольку для рассматриваемых космических объектов они являются различными. Несмотря на относительную изученность планетарной туманности, она нуждается в проведении более глубокого анализа и требует выявления основных закономерностей и принципов. Сегодня учёные активно занимаются решением данного вопроса. Возможно, это позволит ещё более глубокому освоению космического пространства и поиску новых тел и объектов в нём.