Свойства космической пыли

С. В. Божокин

Санкт-Петербургский государственный технический университет

Содержание

---

Следует отметить, что существует большая неопределенность при определении состава космических пылинок. В отличие от газа, для которого характерны спектры излучения или поглощения с множеством линий, позволяющих однозначно идентифицировать атомы, ионы и молекулы и, таким образом, определить содержание элементов и их соединений, твердые тела обладают непрерывным спектром с малым количеством размытых полос, делающих идентификацию неоднозначной. Важную информацию о составе пылинок может дать наблюдаемый в межзвездной среде дефицит многих элементов, особенно металлов, по сравнению с составом солнечной атмосферы. Этот дефицит элементов в газовой фазе межзвездной среды обычно связывают с тем, что данные элементы ушли на образование космических пылинок.

Налипание на космические пылинки электронов из межзвездного газа и фотоионизация пылинок ультрафиолетовым излучением приводят к тому, что пылинки оказываются электрически заряженными и их электрический заряд может достигать величин порядка десятка элементарных зарядов. Существующий на космической пылинке электрический заряд (сила Лоренца) привязывает эту пылинку к межзвездному магнитному полю, которое всегда присутствует в галактиках. Для характерных электрических зарядов и масс космических пылинок радиус Лармора при их движении по спирали в межзвездном магнитном поле с индукцией Гс равен 0,03 пк. Напомним, что в астрономии единица длины 1 парсек соответствует величине см, что примерно равняется расстоянию, которое проходит световой луч за 3,26 года. Таким образом, ларморовский радиус оказывается много меньше характерных размеров большинства образований межзвездной среды, поэтому космические пылинки оказываются сцепленными с магнитным полем.

Заметим, что обнаружение углеродных цепочек в космосе в сочетании с возможностью лабораторного подтверждения их межзвездного происхождения привело физиков к неожиданному открытию. Было обнаружено, что гигантская молекула, состоящая из 60 атомов углерода C₆₀ , названная фуллереном, и представляющая новую форму существования углерода [8], не только существует, но и способна образовываться самопроизвольно. Напомним, что под фуллеренами понимают пространственно сферически замкнутую структуру с sp²-гибридизацией атомов углерода, где каждый атом углерода связан с тремя ближайшими соседями. Пространственная структура фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода C₆₀ , напоминает структуру футбольного мяча, состоящего из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников, в вершины которых помещены атомы углерода. Так, в 1982 году В. Кретмер и Д. Хафман (Kratschmer W., Fostiropoulos K., Huffman D.R. // Nature. 1990. Vol. 347. P. 354) обнаружили загадочные особенности в спектре ультрафиолетового излучения угольной пыли, которая получается в углеродной дуге при моделировании межзвездной пыли (см. [9]).

Оптическое поглощение пылью

Конечно, космические пылинки приводят к ослаблению света звезд, рассеивая и поглощая их излучение. Межзвездное поглощение света проявляется в виде раздвоения Млечного Пути, которое вызвано поглощением света космической пылью, расположенной вблизи галактической плоскости. В оптическом диапазоне длин волн величина ослабления обратно пропорциональна длине волны и из-за этого возникает явление покраснения цвета звезд. В направлении большинства звезд в Галактике на кривой межзвездного поглощения выделяется ярко выраженный пик вблизи длины волны . При интерпретации наблюдений межзвездного поглощения света чаще всего используется модель одно- или многослойных сферических пылинок. В настоящее время физики разрабатывают теорию оптических свойств космических пылинок, поверхность которых имеет сложную фрактальную структуру.

Энергия поглощенного фотона преобразуется в тепловое движение частиц пылинки. При этом происходит излучение пылинок в непрерывном спектре, причем их спектр в общих чертах подобен планковскому и находится в инфракрасном диапазоне длин волн. При анализе инфракрасного излучения (ИК) Галактики излучение космической пыли играет огромную роль. Достаточно сказать, что инфракрасная светимость пыли составляет примерно 30% полной светимости звезд Галактики. Так, например, основная часть ультрафиолетового излучения молодых звезд перерабатывается в инфракрасное излучение пыли. Обладая большой способностью к излучению, космическая пыль является главным охладителем межзвездной среды, а значит, непосредственно способствует процессам звездообразования. Температура является одной из важнейших характеристик пылевой частицы. Равновесную температуру пылевых частиц рассчитывают из условия баланса процессов нагрева и охлаждения. Температуру космической пылинки T_d можно оценить следующим образом. Известно, что эффективной температурой звезды T_* называется температура абсолютно черного тела, мощность излучения которого с единицы поверхности равна мощности излучения данной звезды. Используя это определение и закон Стефана-Больцмана, можно выразить светимость звезды L через радиус звезды R_* и эффективную температуру ее поверхности T_* соотношением

где - постоянная Стефана-Больцмана, равная эрг см^-2 с^-1 град^-4. Если пылинка, имеющая радиус a, представляет собой абсолютно черное тело и находится на расстоянии r от звезды, то температура поверхности пылинки Т_d может быть оценена из условия баланса

который выражает равенство энергии, падающей на пылинку, и энергии, которую испускает пылинка.

По температуре все пылинки можно условно разделить на три класса. Основная масса пыли является холодной: T_d 15-20 K. Такая пыль заполняет весь диск Галактики, конденсируясь в крупных молекулярных облаках, и нагревается лишь рассеянным излучением всех звезд. Эта компонента вносит примерно 30% в инфракрасную светимость пыли. Вторая группа космической пыли имеет температуру T_d 30-40 K, и эта пыль нагревается от соседства с горячими О- и В-звездами, с этой пылью связана половина ИК-излучения Галактики. Эта пыль излучает в диапазоне мкм и служит хорошим индикатором областей звездообразования. Третьей группой является горячая пыль, имеющая температуру T_d 250-500 K. Такая пыль встречается в протяженных атмосферах звезд-гигантов спектрального класса M и делает такие звезды источниками мощного ИК-излучения.

Наблюдаемое явление межзвездной поляризации света указывает на то, что форма пылинок отлична от сферической. Это происходит из-за того, что магнитный момент пылинки, который обусловлен тем, что в состав космической пыли входят металлы, обладающие парамагнетизмом, ориентируется вдоль силовых линий межзвездного магнитного поля.

Синтез молекул на поверхности пылинок

Известно, что в космосе обнаружено уже около сотни различных молекул, среди которых много молекул, являющихся органическими соединениями. Сам по себе это нетривиальный факт, поскольку при сверхнизких температурах и плотностях, наблюдающихся в межзвездной среде, химические реакции практически не идут. Лишь квантовая химия может принципиально разрешить этот парадокс. Оказывается, даже при низкой температуре 5-10 K химические реакции не прекращаются: они продолжаются внутри и на поверхности пылинок. Атомы, адсорбируясь на поверхности пылинки при столкновениях с ней, обладают некоторой подвижностью и могут вступать в химические реакции с другими атомами и молекулами. Причем эти реакции происходят с помощью квантово-механического подбарьерного перехода, для которого участникам реакции не требуется большой энергии. Таким образом, поверхность космической пыли является прекрасным катализатором для формирования молекул из атомов. Из наиболее легких элементов (Н, С, N, О) при сверхнизких температурах синтезируются прежде всего уксусная кислота и мочевина. В последующем образующаяся молекула может оторваться от поверхности космической пылинки. Любопытно, что во многих схемах предбиологической эволюции рассматривается взаимодействие именно этих соединений. В настоящее время радиоастрономы показали, что огромные темные межзвездные облака содержат многие сложные молекулы (метанол, окись углерода, формальдегид, этанол, синильную кислоту, муравьиную кислоту и др.). Молекулярная радиоастрономия позволила идентифицировать все эти молекулы по их вращательным спектрам в микроволновой области. Молекулы играют важную роль в коллапсе межзвездных облаков, приводящем к образованию звезд. В результате гравитационного притяжения межзвездные облака коллапсируют и нагреваются, а выделяющаяся при этом энергия испускается за счет вращательных переходов (главным образом молекул CO). Этот процесс вызывает дальнейший коллапс облака, приводящий в конечном итоге к таким давлениям и температурам, при которых формируются новые звезды и планеты.

Заключение

Изучение свойств космической пыли в настоящее время стало самостоятельной областью современной астрофизики. Физика сверхмалых частиц - космических пылинок является наукой, объединяющей основные идеи физики атомного ядра, физики сверхмалых кластеров и физики твердого тела. Особый интерес при этом уделяется изучению свойств аморфных космических пылинок, имеющих сложную форму. Космическая пыль играет огромную роль при объяснении многих астрофизических явлений: межзвездного поглощения света, межзвездной поляризации, инфракрасного излучения, охлаждения межзвездной среды. На поверхности космических пылинок могут происходить химические реакции формирования молекул из атомов. Процессы взаимодействия газа, пыли и излучения, физические характеристики пылинок, процессы их эволюции - вот далеко не полный перечень тех вопросов, решение которых поможет астрофизикам объяснить многие интересные наблюдательные данные.

Литература

1. Хабер Х. Звезды. М.: Слово, 1989. 48 c.

2. Бочкарев Н.Г. Основы физики межзвездной среды. М.: Изд-во МГУ, 1991. 352 с.

3. Вощинников Н.В. Межпланетная и межзвездная среда // Итоги науки и техники. Исследование космического пространства. ВИНИТИ, 1986. Т. 25. С. 98.

4. Золотухин И.В. Фракталы в физике твердого тела // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 7. С. 108-113.

5. Жиков В.В. Фракталы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 12. С. 109-117.

6. Вишик М.И. Фрактальная размерность множеств // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 1. С. 122-134.

7. Wright E.L. Fractal Dust Grain around R CrB Stars // Astrophys. J. 1989. Vol. 346. P. L89.

8. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. N 1. С. 92-99.

9. Крото Г. Симметрия, космос, звезды и С60 // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168, N 3. С. 342. Рецензент статьи А.М. Черепащук

назад

Публикации с ключевыми словами: Межзвездная пыль - звездообразование - инфракрасное излучение - межгалактический газ - Межзвездная среда - Млечный Путь - отражательные туманности - Планетарная туманность - звездная пыль - Радиотелескоп - Сверхновые - Скопление галактик - спектроскопия - темная туманность - туманность - галактики - лед - водород - межзвездное поглощение Публикации со словами: Межзвездная пыль - звездообразование - инфракрасное излучение - межгалактический газ - Межзвездная среда - Млечный Путь - отражательные туманности - Планетарная туманность - звездная пыль - Радиотелескоп - Сверхновые - Скопление галактик - спектроскопия - темная туманность - туманность - галактики - лед - водород - межзвездное поглощение

См. также: Путешествие к центру Галактики Туманность Медуза IC 348 и Барнард 3 Млечный Путь над островом Пасхи LDN 43: туманность Космическая Летучая Мышь Призраки в Кассиопее M16: столпы созидания Все публикации на ту же тему >>