Войти
Распределение ионизированного водорода (известный астрономам как H II из старой спектроскопической терминологии) в частях межзвездной среды Галактики, видимых из северного полушария Земли, как наблюдалось с помощью Wisconsin Hα Mapper (Haffner et al. 2003).In astronomy, межзвездная среда (ISM ) - это материя и излучение, которое существует в пространстве между звездой . системы в галактике. Это вещество включает газ в ионной, атомарной и молекулярной форме, а также пыль и космические лучи. Он заполняет межзвездное пространство и плавно сливается с окружающим межгалактическим пространством. энергия, занимающая тот же объем, в форме электромагнитного излучения, является межзвездным излучением field .
Межзвездная среда состоит из нескольких фаз, различающихся в зависимости от того, является ли вещество ионным, атомарным или молекулярным, а также от температуры и плотности вещества. Межзвездная среда состоит, в основном, из водорода, за которым следует гелий со следовыми количествами углерода, кислорода и . азот по сравнению с водородом. Тепловые давления этих фаз находятся в грубом равновесии друг с другом. Магнитные поля и турбулентные движения также обеспечивают давление в ISM и обычно более важны, динамически, чем тепловое давление.
На всех этапах межзвездная среда чрезвычайно разрежена по земным стандартам. В холодных, плотных областях ISM вещество находится в основном в молекулярной форме и достигает плотности 10 молекул на см (1 миллион молекул на см). В горячих, диффузных областях ISM вещество в основном ионизируется, и плотность может достигать 10 ионов на см. Сравните это с числовой плотностью примерно 10 молекул на см для воздуха на уровне моря и 10 молекул на см (10 миллиардов молекул на см) для лабораторной высоковакуумной камеры. По массе 99% ISM составляет газ в любой форме, а 1% - пыль. Из газа в ISM 91% атомов являются водородом и 8,9% являются гелием, причем 0,1% составляют атомы элементов тяжелее водорода или гелия, известных как «металлы "на астрономическом языке. По массе это 70% водорода, 28% гелия и 1,5% более тяжелых элементов. Водород и гелий в первую очередь являются результатом первичного нуклеосинтеза, тогда как более тяжелые элементы в ISM в основном являются результатом обогащения в процессе звездной эволюции.
ISM играет решающую роль в астрофизика именно из-за ее промежуточной роли между звездным и галактическим масштабами. Звезды образуются в самых плотных областях ISM, что в конечном итоге вносит вклад в молекулярные облака и пополняет ISM материей и энергией через планетарные туманности, звездные ветры и сверхновые. Это взаимодействие между звездами и ISM помогает определить скорость, с которой галактика истощает свое газообразное содержание, и, следовательно, продолжительность ее активного звездообразования.
"Вояджер-1" достиг МНБ 25 августа 2012 года, став первым искусственным объектом с Земли, сделавшим это. Межзвездная плазма и пыль будут изучаться до конца миссии в 2025 году. Его двойник, Вояджер 2 вошел в ISM в ноябре 2019 года.
Voyager 1 - первый искусственный объект, достигший ISM. В таблице 1 приведена разбивка свойств компонентов ISM Млечного Пути.
| Компонент | Дробный. объем | Высота шкалы. (pc ) | Температура. (K ) | Плотность. (частиц / см) | Состояние водорода | Основные методы наблюдений |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Молекулярные облака | < 1% | 80 | 10–20 | 10–10 | молекулярные | Радио и инфракрасное молекулярные линии излучения и поглощения |
| Холодная нейтральная среда (CNM) | 1–5% | 100–300 | 50 –100 | 20–50 | нейтральный атом | HI линия 21 см поглощение |
| Теплая нейтральная среда (WNM) | 10–20% | 300–400 | 6000–10000 | 0,2–0,5 | нейтральный атомарный | HI линия 21 см излучение |
| Тепло ионизированный средняя (WIM) | 20–50% | 1000 | 8000 | 0,2–0,5 | ионизированная | Hα эмиссия и пульсарная дисперсия |
| области H II | < 1% | 70 | 8000 | 10–10 | ионизированное | Hα излучение и пульсарная дисперсия |
| корональный газ. Горячая ионизированная среда (HIM) | 30–70% | 1000–3000 | 10–10 | 10–10 | ионизированный. (металлы также сильно ионизированы) | рентгеновское излучение; линии поглощения высокоионизированных металлов, в основном в ультрафиолете |
Field, Goldsmith Habing (1969) предложила статическую модель двухфазного равновесия для объяснения наблюдаемых свойств ISM. Их смоделированная ISM включала холодную плотную фазу (T < 300 K ), состоящую из облаков нейтрального и молекулярного водорода, и теплую межоблачную фазу (T ~ 10 K ), состоящую из разреженного нейтрального и ионизированного газа.. McKee Ostriker (1977) добавили динамическую третью фазу, которая представляла очень горячий (T ~ 10 K ) газ, который был нагрет сверхновыми и составлял большая часть объема ISM. Эти фазы представляют собой температуры, при которых нагревание и охлаждение могут достичь устойчивого равновесия. Их статья послужила основой для дальнейших исследований за последние три десятилетия. Однако относительные пропорции фаз и их подразделений все еще недостаточно изучены.
Эта модель учитывает только атомарный водород: температура выше 3000 K разрушает молекулы, а при температуре ниже 50 000 К атомы остаются в их основном состоянии. Предполагается, что влиянием других атомов (He...) можно пренебречь. Предполагается, что давление очень низкое, поэтому длительность свободного пробега атомов больше, чем длительность ~ 1 наносекунды световых импульсов, которые составляют обычный, некогерентный во времени свет.
В этом бесстолкновительном газе применима теория Эйнштейна о когерентных взаимодействиях света и материи: все взаимодействия газа и света являются пространственно когерентными. Предположим, что монохроматический свет является импульсным, а затем рассеивается молекулами с частотой квадрупольного (комбинационного) резонанса. Если «длина световых импульсов короче, чем все задействованные постоянные времени» (Lamb (1971)), применяется «импульсное вынужденное рамановское рассеяние (ISRS)» (Yan, Gamble Nelson (1985)): свет, генерируемый некогерентным комбинационным рассеянием. рассеяние на сдвинутой частоте имеет фазу, не зависящую от фазы возбуждающего света, таким образом генерируя новую спектральную линию, а когерентность между падающим и рассеянным светом способствует их интерференции на единую частоту, таким образом сдвигая падающую частоту. Предположим, что звезда излучает непрерывный световой спектр вплоть до рентгеновских лучей. Лаймановские частоты поглощаются этим светом и перекачивают атомы в основном в первое возбужденное состояние. В этом состоянии периоды сверхтонкого излучения длиннее 1 нс, поэтому ISRS «может» сместить красную частоту света, заселяя высокие сверхтонкие уровни. Другой ISRS «может» передавать энергию от сверхтонких уровней к тепловым электромагнитным волнам, поэтому красное смещение остается постоянным. Температура светового луча определяется его частотой и спектральной яркостью по формуле Планка. Поскольку энтропия должна увеличиваться, «может» становится «делает». Однако, когда ранее поглощенная линия (первая бета Лаймана,...) достигает альфа-частоты Лаймана, процесс красного смещения останавливается, и все водородные линии сильно поглощаются. Но эта остановка не идеальна, если на частоте, сдвинутой на бета-частоту Лаймана, есть энергия, которая производит медленное красное смещение. Последовательные красные смещения, разделенные абсорбциями Лаймана, порождают множество линий поглощения, частоты которых, выведенные из процесса поглощения, подчиняются более надежному закону, чем формула Карлссона.
Предыдущий процесс возбуждает все больше и больше атомов, потому что снятие возбуждения подчиняется закону когерентных взаимодействий Эйнштейна: изменение dI яркости I светового луча вдоль пути dx равно dI = BIdx, где B - коэффициент усиления Эйнштейна. который зависит от среды. I - модуль вектора поля Пойнтинга, поглощение происходит для противоположного вектора, что соответствует смене знака B. Фактор I в этой формуле показывает, что интенсивные лучи усиливаются сильнее, чем слабые (конкуренция мод). Для излучения вспышки требуется достаточная яркость I, обеспечиваемая случайным полем нулевой точки. После излучения вспышки слабый B увеличивается из-за накачки, в то время как I остается близким к нулю: снятие возбуждения когерентным излучением включает стохастические параметры нулевого поля, как это наблюдается вблизи квазаров (и в полярных сияниях).
Трехмерная структура в Pillars of Creation.
Карта, показывающая Солнце, расположенное около края Местного межзвездного облака и Альфа Центавра примерно в 4 световых годах в соседнем G-Cloud комплексе ISM турбулентный и, следовательно, наполнен структурой во всех пространственных масштабах. Звезды рождаются глубоко внутри больших комплексов молекулярных облаков, обычно размером в несколько парсек. Во время своей жизни и смерти звезды физически взаимодействуют с ISM.
Звездные ветры от молодых скоплений звезд (часто с окружающими их гигантскими или сверхгигантскими областями HII ) и ударные волны, созданные сверхновыми, создают огромные количество энергии в их окружение, что приводит к гиперзвуковой турбулентности. Возникающие в результате структуры - разного размера - можно наблюдать, такие как пузыри звездного ветра и суперпузыри горячего газа, видимые с помощью рентгеновских спутниковых телескопов, или турбулентные потоки, наблюдаемые в радиотелескоп карты.
Солнце в настоящее время проходит через Местное межзвездное облако, более плотную область в Местном пузыре с низкой плотностью.
В октябре 2020 года астрономы сообщил о значительном неожиданном увеличении плотности в пространстве за пределами Солнечной системы, что было обнаружено с помощью Voyager 1 и Voyager 2 космические зонды. По словам исследователей, это означает, что «градиент плотности является крупномасштабной особенностью VLISM (очень локальной межзвездной среды) в общем направлении носа гелиосферы ".
Воспроизвести медиа Короткое видео с комментариями о IBEX наблюдениях за межзвездной материей. Межзвездная среда начинается там, где межпланетная среда в Солнечной системе заканчивается. солнечный ветер замедляется до дозвуковых скоростей на конечной толчке, 90–100 астрономических единиц от Солнце. В области за пределами конечной ударной волны, называемой гелиослоем, межзвездное вещество взаимодействует с солнечным ветром. "Вояджер-1 ", самый удаленный от Земли созданный человеком объект ( после 1998 г.), пересек конечную ударную волну 16 декабря 2004 г., а затем вошел в межзвездное пространство, пересек гелиопаузу 25 августа 2012 г., обеспечив первое прямое исследование состояния нс в ISM (Stone et al. 2005).
ISM также отвечает за поглощение и покраснение, уменьшение интенсивности света и сдвиг в доминирующие наблюдаемые длины волн света звезды. Эти эффекты вызваны рассеянием и поглощением фотонов и позволяют наблюдать ISM невооруженным глазом в темном небе. Видимые трещины, которые можно увидеть в полосе Млечного Пути - однородного звездного диска - вызваны поглощением фонового звездного света молекулярными облаками в пределах нескольких тысяч световых лет от Земли.
Дальний ультрафиолетовый свет эффективно поглощается нейтральными компонентами ISM. Например, типичная длина волны поглощения атомарного водорода составляет примерно 121,5 нанометра, переход Лаймана-альфа. Следовательно, почти невозможно увидеть свет, излучаемый на этой длине волны звездой, находящейся дальше, чем в нескольких сотнях световых лет от Земли, потому что большая часть его поглощается во время путешествия на Землю нейтральным водородом.
ISM обычно далек от термодинамического равновесия. Столкновения устанавливают распределение Максвелла – Больцмана скоростей, а «температура», обычно используемая для описания межзвездного газа, - это «кинетическая температура», которая описывает температуру, при которой частицы будут иметь наблюдаемую скорость Максвелла – Больцмана. распределение в термодинамическом равновесии. Однако поле межзвездного излучения обычно намного слабее, чем среда, находящаяся в термодинамическом равновесии; чаще всего это примерно такая же, как у звезды A (температура поверхности ~ 10,000 K ), сильно разбавленных. Следовательно, связанные уровни внутри атома или молекулы в ISM редко попадают в соответствии с формулой Больцмана (Spitzer 1978, § 2.4).
В зависимости от температуры, плотности и состояния ионизации части ISM, различные механизмы нагрева и охлаждения определяют температуру газа.
Нагрев зерна за счет теплообмена очень важен для остатков сверхновой, где плотность и температура очень высоки.
Нагрев газа за счет столкновений частиц с газом является преобладающим в глубинах гигантских молекулярных облаков (особенно при высоких плотностях). Дальнее инфракрасное излучение проникает глубоко из-за малой оптической глубины. Зерна пыли нагреваются этим излучением и могут передавать тепловую энергию при столкновении с газом. Эффективность обогрева определяется коэффициентом аккомодации:
где T - температура газа, T d температура пыли и T 2 температура после столкновения атома или молекулы газа. Этот коэффициент был измерен (Burke Hollenbach 1983) как α = 0,35.
Атмосферное затухание в дБ / км как функция частоты в диапазоне КВЧ. Пики поглощения на определенных частотах являются проблемой из-за таких компонентов атмосферы, как водяной пар (H 2 O) и углекислый газ (CO 2).Радиоволны от ≈10 кГц (очень низкая частота От ) до ≈300 ГГц (чрезвычайно высокая частота ) распространяются в межзвездном пространстве иначе, чем на поверхности Земли. Существует множество источников помех и искажений сигнала, которых нет на Земле. Многие из них Радиоастрономия зависит от компенсации различных эффектов распространения ради обнаружения полезного сигнала.
Потсдамский большой рефрактор, двойной телескоп с 80-сантиметровым ( 31,5 ") и 50 см (19,5") линзы, открытые в 1899 году, использовались для открытия межзвездного кальция в 1904 году. В 1864 году Уильям Хаггинс использовал спектроскопию, чтобы определить, что туманность состоит из газа. У Хаггинса была частная обсерватория с 8-дюймовый телескоп с линзой Элвина Кларка; но он был оборудован для спектроскопии, что позволило провести прорывные наблюдения.
В 1904 году одно из открытий, сделанных с помощью телескопа Potsdam Great Refractor, касалось кальция в межзвездной среде. Астроном профессор Хартманн определил из наблюдений на спектрографе двойной звезды Минтака в Орионе, что в промежуточном пространстве есть элемент кальций.
Межзвездный газ был дополнительно подтвержден Слайфером в 1909 году, а затем к 1912 году межзвездная пыль была подтверждена Слайфером. Таким образом, общая природа межзвездной среды была подтверждена в серии открытий и постулатов о ее природе.
В сентябре 2020 года были представлены доказательства твердотельной воды в межзвездной среде. среда, и в частности, из водяного льда, смешанного с силикатными зернами в частицах космической пыли.
объект выбрасывает газ через межзвездное пространство. Природа межзвездной среды привлекала внимание астрономов и ученых на протяжении веков, и понимание ISM развилось. Однако сначала им пришлось признать основную концепцию «межзвездного» пространства. Этот термин, по-видимому, впервые был использован в печати Бэконом (1626, § 354–455): «Межзвездное небо... имеет... такое сходство со Старре, что есть вращение этого, а также Starre ». Позже естествоиспытатель Роберт Бойль (1674) обсуждал «межзвездную часть неба, которую некоторые из современных эпикурейцев должно быть пустым ".
До современной теории электромагнетизма первые физики постулировали, что невидимый светоносный эфир существует как среда для переноса световых волн. Предполагалось, что этот эфир простирается в межзвездное пространство, как писал Паттерсон (1862), «это истечение вызывает трепет или колебательное движение в эфире, заполняющем межзвездные пространства. "
Появление глубоких фотографических изображений позволило Эдварду Барнарду получить первые изображения темных туманностей, вырисовывающихся на фоне звездного поля галактики, в то время как первое фактическое обнаружение Исследование холодного диффузного вещества в межзвездном пространстве было получено Йоханнесом Хартманном в 1904 году с помощью спектроскопии линий поглощения. В своем историческом исследовании спектра и орбиты Дельты Ориона Хартманн наблюдал свет, исходящий от этой звезды, и понял, что часть этого света поглощалась до того, как достигла Земли. Хартманн сообщил, что поглощение из линии «K» кальция оказалось «чрезвычайно слабым, но почти идеально резким», а также сообщил о «довольно неожиданном результате, что линия кальция на 393,4 нм не участвует в периодических смещениях. линий, вызванных орбитальным движением спектрально-двойной звезды ". Стационарный характер линии привел Хартманна к выводу, что газ, ответственный за поглощение, не присутствовал в атмосфере Дельты Ориона, а вместо этого находился в изолированном облаке вещества, находящемся где-то на луче зрения этой звезды. Это открытие положило начало изучению межзвездной среды.
В серии исследований Виктор Амбарцумян представил общепринятое ныне представление о том, что межзвездное вещество находится в форме облаков.
После идентификации Хартманном межзвездного поглощения кальция, межзвездный натрий был обнаружен Хегером (1919) путем наблюдения стационарного поглощения от линий "D" атома на 589,0 и 589,6 нанометрах в направлении Дельты Ориона и Беты Скорпиона.
Последующие наблюдения линий кальция «H» и «K», выполненные Билсом (1936), выявили двойные и асимметричные профили в спектрах Epsilon и Zeta Orionis. Это были первые шаги в изучении очень сложной межзвездной линии обзора к Ориону. Асимметричные профили линий поглощения являются результатом наложения нескольких линий поглощения, каждая из которых соответствует одному и тому же атомному переходу (например, линия «K» кальция), но встречается в межзвездных облаках с разными лучевыми скоростями. Поскольку каждое облако имеет разную скорость (по направлению к наблюдателю / Земле или от него), линии поглощения, возникающие в каждом облаке, имеют либо смещение в синий цвет, либо смещение в красный цвет (соответственно) от длина волны покоя линий через эффект Доплера. Эти наблюдения, подтверждающие, что материя не распределена однородно, были первым доказательством наличия множественных дискретных облаков внутри ISM.
Этот сгусток межзвездного газа и пыли длиной в световой год напоминает гусеницу.Растущее количество свидетельств существования межзвездного материала привело Пикеринга (1912) к комментарию, что «Пока межзвездная поглощающая среда может быть простым эфиром, но характер его избирательного поглощения, на что указывает Каптейн, характерен для газа, и свободные газообразные молекулы обязательно присутствуют, поскольку они, вероятно, постоянно изгоняемый Солнцем и звездами. "
В том же году открытие Виктором Гессом космических лучей, высокоэнергетических заряженных частиц, падающих на Землю из космоса, заставило других задуматься о том, проникают ли они также межзвездное пространство. В следующем году норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд написал: «Кажется естественным следствием нашей точки зрения предположение, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в своей эволюции выбрасывает электрические частицы в космос. Поэтому не кажется необоснованным думать, что большая часть материальных масс находится во Вселенной, а не в солнечных системах или туманности, но в «пустом» пространстве »(Birkeland 1913).
Торндайк (1930) отметил, что «вряд ли можно было поверить в то, что огромные промежутки между звездами полностью пусты. Земные полярные сияния вполне могут быть возбуждены заряженными частицами, испускаемыми Солнцем. Если миллионы других звезд также выбрасывают ионы, что несомненно верно, в галактике не может существовать абсолютный вакуум ».
В сентябре 2012 года ученые НАСА сообщили, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в условиях межзвездной среды (ISM) трансформируются посредством гидрогенизации., оксигенация и гидроксилирование, до более сложных органических веществ - «шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидов, исходные материалы белков и ДНК соответственно ». Кроме того, в результате этих преобразований ПАУ теряют свою спектроскопическую сигнатуру, что может быть одной из причин «отсутствия обнаружения ПАУ в зернах межзвездного льда , в частности, внешние области холодных плотных облаков или верхние молекулярные слои протопланетных дисков."
В феврале 2014 года НАСА объявило о значительно обновленной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. По мнению ученых, более 20% углерода во Вселенной могут быть связаны с ПАУ, возможные исходные материалы для образования жизни. Похоже, что ПАУ образовались вскоре после Большого взрыва, широко распространены по всей вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланеты.
В апреле 2019 года ученые, работающие с космическим телескопом Хаббла, сообщили о подтвержденном обнаружении больших и сложных ионизированных молекул бакминстера. фуллерен (C60) (также известный как «бакиболлы») в межзвездных средах между звездами.
Астрономический портал 
Портал Солнечной системы 
Космический портал  | На Викискладе есть материалы, связанные с Межзвездными медиа. |
