Praf interstelar. Cu toții suntem făcuți din praf cosmic, oamenii de știință au demonstrat Ce este praful cosmic

Buna ziua. În această prelegere, vă vom vorbi despre praf. Dar nu despre cel care se acumulează în camerele tale, ci despre praful cosmic. Ce este?

Praful spațial este particule foarte mici de materie solidă găsite în orice parte a universului, inclusiv praful meteoritic și materia interstelară care poate absorbi lumina stelelor și poate forma nebuloase întunecate în galaxii. Particule de praf sferice de aproximativ 0,05 mm în diametru se găsesc în unele sedimente marine; se crede că acestea sunt rămășițele acelor 5.000 de tone de praf cosmic care cad anual pe glob.

Oamenii de știință cred că praful cosmic se formează nu numai din ciocnirea, distrugerea corpurilor solide mici, ci și din cauza îngroșării gazului interstelar. Praful cosmic se distinge prin originea sa: praful este intergalactic, interstelar, interplanetar și circumplanetar (de obicei într-un sistem inelar).

Granulele de praf cosmic apar în principal în atmosferele care curg încet ale stelelor pitice roșii, precum și în procesele explozive pe stele și în ejecția rapidă a gazului din nucleele galaxiilor. Alte surse de praf cosmic sunt nebuloasele planetare și protostelare, atmosferele stelare și norii interstelari.

Nori întregi de praf cosmic, care se află în stratul de stele care formează Calea Lactee, ne împiedică să observăm grupuri stelare îndepărtate. Un grup de stele precum Pleiadele este complet scufundat într-un nor de praf. Cele mai strălucitoare stele care se află în acest grup luminează praful, așa cum un felinar luminează ceața noaptea. Praful cosmic poate străluci doar prin lumina reflectată.

Razele albastre de lumină care trec prin praful cosmic sunt atenuate mai mult decât cele roșii, așa că lumina stelelor care ajung la noi pare gălbuie și chiar roșiatică. Regiuni întregi ale spațiului mondial rămân închise pentru observație tocmai din cauza prafului cosmic.

Praful interplanetar, cel puțin în apropierea relativă a Pământului, este o materie destul de bine studiată. Umplerea tot spațiul sistem solarși concentrat în planul ecuatorului său, s-a născut în cea mai mare parte ca urmare a ciocnirilor întâmplătoare de asteroizi și a distrugerii cometelor care se apropie de Soare. Compoziția prafului, de fapt, nu diferă de compoziția meteoriților care cad pe Pământ: este foarte interesant să-l studiem și mai sunt multe descoperiri de făcut în acest domeniu, dar se pare că nu există intriga aici. Dar datorită acestui praf special, pe vreme frumoasă în vest, imediat după apus sau în est înainte de răsărit, puteți admira un con de lumină palid deasupra orizontului. Acesta este așa-numitul zodiac - lumina soareluiîmprăștiate de mici particule de praf cosmic.

Mult mai interesant este praful interstelar. Caracteristica sa distinctivă este prezența unui miez și a unei carcase solide. Miezul pare să fie format în principal din carbon, siliciu și metale. Și învelișul este format în principal din elemente gazoase înghețate pe suprafața nucleului, cristalizate în condițiile de „înghețare profundă” a spațiului interstelar, iar acesta este de aproximativ 10 kelvin, hidrogen și oxigen. Cu toate acestea, există impurități de molecule în el și mai complicate. Acestea sunt amoniacul, metanul și chiar moleculele organice poliatomice care se lipesc de un grăunte de praf sau se formează pe suprafața acestuia în timpul rătăcirilor. Unele dintre aceste substanțe, desigur, zboară departe de suprafața sa, de exemplu, sub acțiunea radiațiilor ultraviolete, dar acest proces este reversibil - unele zboară, altele îngheață sau sunt sintetizate.

Dacă galaxia s-a format, atunci de unde provine praful - în principiu, oamenii de știință înțeleg. Cele mai semnificative surse ale sale sunt novele și supernovele, care își pierd o parte din masă, „varsând” coaja în spațiul înconjurător. În plus, praful se naște și în atmosfera în expansiune a giganților roșii, de unde este literalmente măturat de presiunea radiațiilor. În atmosfera lor rece, după standardele stelelor, atmosferă (aproximativ 2,5 - 3 mii kelvin) există destul de multe molecule relativ complexe.
Dar iată un mister care nu a fost încă rezolvat. S-a crezut întotdeauna că praful este un produs al evoluției stelelor. Cu alte cuvinte, stelele trebuie să se nască, să existe de ceva timp, să îmbătrânească și, să zicem, să producă praf în ultima explozie de supernovă. Ce a venit mai întâi, oul sau puiul? Primul praf necesar nașterii unei stele, sau prima stea, care din anumite motive s-a născut fără ajutorul prafului, a îmbătrânit, a explodat, formând chiar primul praf.
Ce a fost la început? La urma urmei, când Big Bang-ul a avut loc acum 14 miliarde de ani, în Univers erau doar hidrogen și heliu, fără alte elemente! Atunci au început să iasă primele galaxii, nori uriași și în ei primele stele, care au trebuit să parcurgă un drum lung în viață. Reacțiile termonucleare din nucleele stelelor trebuiau să „sude” mai complexe elemente chimice, transformă hidrogenul și heliul în carbon, azot, oxigen și așa mai departe și abia după aceea steaua a trebuit să arunce totul în spațiu, explodând sau scăzând treptat coaja. Apoi această masă a trebuit să se răcească, să se răcească și, în cele din urmă, să se transforme în praf. Dar deja 2 miliarde de ani după big bang, în cele mai vechi galaxii, era praf! Cu ajutorul telescoapelor, a fost descoperită în galaxii aflate la 12 miliarde de ani lumină distanță de a noastră. În același timp, 2 miliarde de ani este o perioadă prea scurtă pentru întregul ciclu de viață al unei stele: în acest timp, majoritatea stelelor nu au timp să îmbătrânească. De unde a venit praful din tânăra Galaxie, dacă nu ar trebui să existe altceva decât hidrogen și heliu, este un mister.

Privind ora, profesorul a zâmbit ușor.

Dar vei încerca să deslușești acest mister acasă. Să scriem sarcina.

Teme pentru acasă.

1. Încearcă să raționezi despre ceea ce a apărut primul, prima stea sau mai este praf?

Sarcină suplimentară.

1. Raportați despre orice fel de praf (interstelar, interplanetar, circumplanetar, intergalactic)

2. Compoziție. Imaginați-vă ca un om de știință desemnat să investigheze praful spațial.

3. Poze.

de casă sarcina pentru elevi:

1. De ce este nevoie de praf în spațiu?

Sarcină suplimentară.

1. Raportați despre orice fel de praf. Foștii elevi ai școlii își amintesc regulile.

2. Compoziție. Dispariția prafului cosmic.

3. Poze.

De unde vine praful cosmic? Planeta noastră este înconjurată de o înveliș de aer dens - atmosfera. Compoziția atmosferei, pe lângă gazele cunoscute tuturor, include și particule solide - praf.

Practic, constă din particule de sol care se ridică sub influența vântului. În timpul erupțiilor vulcanice, sunt adesea observați nori puternici de praf. Peste orașele mari atârnă „capete de praf” întregi, atingând o înălțime de 2-3 km. Numărul de particule de praf dintr-un cub. cm de aer în orașe ajunge la 100 de mii de bucăți, în timp ce în aerul curat de munte conțin doar câteva sute. Cu toate acestea, praful de origine terestră se ridică la înălțimi relativ mici - până la 10 km. Praful vulcanic poate atinge o înălțime de 40-50 km.

Originea prafului cosmic

S-a stabilit prezența norilor de praf la o înălțime care depășește semnificativ 100 km. Aceștia sunt așa-numiții „nori de argint”, formați din praf cosmic.

Originea prafului cosmic este extrem de diversă: include rămășițele cometelor degradate și particule de materie aruncate de Soare și aduse la noi prin forța presiunii luminii.

Desigur, sub influență gravitatie o parte semnificativă a acestor particule de praf cosmic se depune încet pe pământ. Prezența unui astfel de praf cosmic a fost detectată pe vârfurile înalte înzăpezite.

meteoriți

În plus față de acest praf cosmic care se depune încet, sute de milioane de meteori ies în limitele atmosferei noastre în fiecare zi - ceea ce numim „stele căzătoare”. Zburând cu o viteză cosmică de sute de kilometri pe secundă, ei ard din cauza frecării cu particulele de aer înainte de a ajunge la suprafața pământului. Produsele arderii lor se depun de asemenea pe sol.

Cu toate acestea, printre meteori există exemplare excepțional de mari care ajung la suprafața pământului. Astfel, se cunoaște căderea marelui meteorit Tunguska la ora 5 dimineața din 30 iunie 1908, însoțită de o serie de fenomene seismice observate chiar și la Washington (9 mii km de la locul impactului) și indicând puterea exploziei în timpul căderea meteoritului. Profesorul Kulik, care a examinat locul impactului meteoritului cu un curaj excepțional, a găsit un desiș de vânt care înconjoară locul impactului pe o rază de sute de kilometri. Din păcate, meteoritul nu a fost găsit. Un angajat al Muzeului Britanic Kirpatrick a făcut o călătorie specială în URSS în 1932, dar nici măcar nu a ajuns la locul în care a căzut meteoritul. Cu toate acestea, el a confirmat presupunerea profesorului Kulik, care a estimat masa meteorit căzutîn 100-120 tone.

Nor de praf spațial

Interesantă este ipoteza academicianului V. I. Vernadsky, care a considerat posibil ca nu un meteorit să cadă, ci un nor imens de praf cosmic care se mișcă cu o viteză enormă.

Academicianul Vernadsky și-a confirmat ipoteza prin apariția în aceste zile un numar mare nori luminoși care se deplasează la mare altitudine cu o viteză de 300-350 km pe oră. Această ipoteză ar putea explica și faptul că copacii din jur crater de meteorit, au rămas în picioare, în timp ce cei aflați mai departe au fost doborâți de valul de explozie.

Pe lângă meteoritul Tunguska, sunt cunoscute și o serie de cratere de origine meteoritică. Primul dintre aceste cratere cercetate poate fi numit craterul Arizona din „Canionul Diavolului”. Interesant este că în apropierea acestuia s-au găsit nu numai fragmente dintr-un meteorit de fier, ci și mici diamante formate din carbon de la temperatură și presiune ridicată în timpul căderii și exploziei unui meteorit.
Pe lângă aceste cratere, care mărturisesc căderea unor meteoriți uriași cântărind zeci de tone, există și cratere mai mici: în Australia, pe insula Ezel și o serie de altele.

Pe lângă meteoriții mari, cad o mulțime de meteoriți mai mici anual - cântărind de la 10-12 grame la 2-3 kilograme.

Dacă Pământul nu ar fi protejat de o atmosferă densă, în fiecare secundă am fi bombardați de cele mai mici particule cosmice, năvălind cu o viteză care depășește viteza unui glonț.

În spațiul interstelar și interplanetar există particule mici de solide - ceea ce în Viata de zi cu zi numim praf. Numim acumularea acestor particule praf cosmic pentru a o distinge de praf în sens terestru, deși structura lor fizică este similară. Acestea sunt particule cu dimensiuni cuprinse între 0,000001 centimetri și 0,001 centimetri, compoziție chimică care, în general, este încă necunoscut.

Aceste particule formează adesea nori, care sunt detectați în moduri diferite. Deci, de exemplu, în nostru sistem planetar Prezența prafului cosmic a fost descoperită datorită faptului că lumina soarelui, împrăștiată pe el, provoacă un fenomen care a fost cunoscut de multă vreme sub numele de „lumină zodiacală”. Observăm lumina zodiacală în nopțile excepțional de clare sub forma unei benzi ușor luminoase care se întinde pe cer de-a lungul zodiacului, ea slăbește treptat pe măsură ce ne îndepărtăm de Soare (care se află în acest moment dincolo de orizont). Măsurătorile intensității luminii zodiacale și studiul spectrului acesteia arată că aceasta provine din împrăștierea luminii solare pe particule care formează un nor de praf cosmic, înconjoară Soarele și ajung pe orbita lui Marte (Pământul se află astfel în interiorul unui nor de praf cosmic). praf).
Prezența norilor de praf cosmic în spațiile interstelare este detectată în același mod.
Dacă orice nor de praf se apropie de o stea relativ strălucitoare, atunci lumina de la această stea va fi împrăștiată pe nor. Găsim apoi acest nor de praf sub forma unei pate strălucitoare numită „nebuloasă neregulată” (nebuloasă difuză).
Uneori, un nor de praf cosmic devine vizibil pentru că ascunde stelele din spatele lui. Apoi îl distingem sub forma unui punct relativ întunecat pe fundalul unui cer punctat cu stele.
O a treia modalitate de a detecta praful cosmic este schimbarea culorii stelelor. Stelele care se află în spatele unui nor de praf cosmic sunt, în general, de un roșu mai intens. Praful cosmic, la fel ca și praful terestru, provoacă „înroșirea” luminii care trece prin el. Putem observa adesea acest fenomen pe Pământ. În nopțile cu ceață, vedem că felinarele aflate la distanță de noi sunt mai înroșite decât felinarele din apropiere, a căror lumină rămâne practic neschimbată. Totuși, trebuie să facem o rezervă: doar praful format din particule mici provoacă o schimbare a culorii. Și tocmai acest praf este cel mai des întâlnit în spațiile interstelare și interplanetare. Și din faptul că acest praf provoacă „înroșirea” luminii stelelor aflate în spatele lui, ajungem la concluzia că dimensiunea particulelor sale este mică, de aproximativ 0,00001 cm.
Nu știm exact de unde provine praful cosmic. Cel mai probabil, apare din acele gaze care sunt aruncate în mod constant de stele, în special de cele tinere. Gaz la temperaturi scăzuteîngheață și se transformă în solidîn particule de praf cosmic. Și, dimpotrivă, o parte din acest praf, aflându-se la o temperatură relativ ridicată, de exemplu, aproape de o stea fierbinte, sau în timpul ciocnirii a doi nori de praf cosmic, ceea ce, în general, nu este neobișnuit în regiunea noastră din Universul se transformă din nou în gaz.

Există miliarde de stele și planete în univers. Și dacă o stea este o sferă de gaz în flăcări, atunci planetele precum Pământul sunt formate din elemente solide. Planetele se formează în nori de praf care se învârte în jurul unei stele nou formate. La rândul lor, boabele acestui praf sunt compuse din elemente precum carbon, siliciu, oxigen, fier și magneziu. Dar de unde provin particulele de praf cosmic? Un nou studiu de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga arată că boabele de praf nu numai că se pot forma în exploziile uriașe de supernove, ci pot supraviețui și undelor de șoc ulterioare ale diferitelor explozii care afectează praful.

Imagine generată de computer a modului în care se formează praful cosmic în exploziile supernovei. Sursa: ESO/M. Kornmesser

Cum s-a format praful cosmic a fost mult timp un mister pentru astronomi. Elementele de praf în sine sunt formate în gazul de hidrogen strălucitor din stele. Atomii de hidrogen se combină între ei pentru a forma elemente din ce în ce mai grele. Drept urmare, steaua începe să emită radiații sub formă de lumină. Când tot hidrogenul este epuizat și nu mai este posibilă extragerea energiei, steaua moare, iar învelișul ei zboară în spațiul cosmic, care formează diverse nebuloase în care se pot naște din nou stele tinere. Elementele grele se formează în principal în supernove, ai căror progenitori sunt stele masive care mor într-o explozie gigantică. Dar modul în care elementele individuale se lipesc împreună pentru a forma praful cosmic a rămas un mister.

„Problema a fost că, chiar dacă praful s-a format împreună cu elementele în exploziile supernovei, evenimentul în sine este atât de puternic încât aceste boabe mici pur și simplu nu ar fi trebuit să supraviețuiască. Dar praful cosmic există, iar particulele sale pot avea dimensiuni complet diferite. Studiul nostru pune în lumină această problemă”, spune profesorul Jens Hjort, șeful Centrului pentru Cosmologie Întunecată de la Institutul Niels Bohr.

instantaneu Telescopul Hubble galaxie pitică neobișnuită din care a apărut supernova strălucitoare SN 2010jl. Imaginea a fost făcută înainte de apariția ei, așa că săgeata arată steaua ei progenitoare. Steaua care exploda a fost foarte masivă, aproximativ 40 de mase solare. Sursa: ESO

În studiile asupra prafului cosmic, oamenii de știință observă supernove folosind instrumentul astronomic X-shooter la complexul Very Large Telescope (VLT) din Chile. Are o sensibilitate uimitoare și cele trei spectrografe incluse în el. poate observa simultan întregul spectru de lumină, de la ultraviolete și vizibile la infraroșu. Hjort explică că la început se așteptau la o explozie de supernovă „adecvată”. Și atunci s-a întâmplat, a început campania de supraveghere. Steaua observată a fost extraordinar de strălucitoare, de 10 ori mai strălucitoare decât o supernova obișnuită, iar masa sa a fost de 40 de ori mai mare decât cea a soarelui. În total, observarea stelei le-a luat cercetătorilor doi ani și jumătate.

„Praful absoarbe lumina și, folosind datele noastre, am putut calcula o funcție care ne-ar putea spune despre cantitatea de praf, compoziția acestuia și dimensiunea granulelor. În rezultate, am găsit ceva cu adevărat interesant”, Christa Gol.

Primul pas în formarea prafului spațial este o mini-explozie în care o stea ejectează în spațiu material care conține hidrogen, heliu și carbon. Acest nor de gaz devine un fel de coajă în jurul stelei. Încă câteva dintre aceste fulgerări și coaja devine mai densă. În cele din urmă, steaua explodează, iar un nor dens de gaz îi învăluie complet miezul.

„Când o stea explodează, unda de șoc lovește norul dens de gaz ca o cărămidă care lovește un zid de beton. Toate acestea se întâmplă în faza gazoasă la temperaturi incredibile. Dar locul unde a lovit explozia devine dens și se răcește la 2000 de grade Celsius. La această temperatură și densitate, elementele se pot nuclea și forma particule solide. Am găsit boabe de praf la fel de mici ca un micron, ceea ce reprezintă o valoare foarte mare pentru aceste elemente. La această dimensiune, ar trebui să poată supraviețui viitoarei lor călătorii prin galaxie.”

Astfel, oamenii de știință cred că au găsit răspunsul la întrebarea cum se formează și cum trăiește praful cosmic.

După masă, particulele solide de praf alcătuiesc o parte neglijabilă a Universului, dar datorită prafului interstelar au apărut și continuă să apară stelele, planetele și oamenii care studiază spațiul și pur și simplu admiră stelele. Ce fel de substanță este acest praf cosmic? Ce îi face pe oameni să echipeze expedițiile în spațiu în valoare de bugetul anual al unui stat mic în speranța de a extrage și a aduce pe Pământ cel puțin o mână minusculă de praf interstelar, și nu cu o certitudine fermă?

Între stele și planete

Praful în astronomie se numește particule mici, cu dimensiuni de fracții de micron, particule solide care zboară în spațiul cosmic. Praful cosmic este adesea împărțit condiționat în praf interplanetar și interstelar, deși, evident, intrarea interstelară în spațiul interplanetar nu este interzisă. Doar găsirea lui acolo, printre praful „local”, nu este ușor, probabilitatea este scăzută, iar proprietățile sale lângă Soare se pot schimba semnificativ. Acum, dacă zburați departe, la granițele sistemului solar, acolo probabilitatea de a prinde praf interstelar real este foarte mare. Opțiunea ideală este să depășești cu totul sistemul solar.

Praful este interplanetar, în orice caz, în apropiere comparativă de Pământ - materia este destul de studiată. Umplând întregul spațiu al sistemului solar și concentrat în planul ecuatorului său, s-a născut în cea mai mare parte ca urmare a ciocnirilor întâmplătoare ale asteroizilor și a distrugerii cometelor care se apropie de Soare. Compoziția prafului, de fapt, nu diferă de compoziția meteoriților care cad pe Pământ: este foarte interesant să-l studiem și mai sunt multe descoperiri de făcut în acest domeniu, dar se pare că nu există intriga aici. Dar datorită acestui praf special, pe vreme frumoasă în vest, imediat după apus sau în est înainte de răsărit, puteți admira un con de lumină palid deasupra orizontului. Aceasta este așa-numita lumină zodiacală a soarelui, împrăștiată de mici particule de praf cosmic.

Mult mai interesant este praful interstelar. Caracteristica sa distinctivă este prezența unui miez și a unei carcase solide. Miezul pare să fie format în principal din carbon, siliciu și metale. Și învelișul este format în principal din elemente gazoase înghețate pe suprafața nucleului, cristalizate în condițiile de „înghețare profundă” a spațiului interstelar, iar acesta este de aproximativ 10 kelvin, hidrogen și oxigen. Cu toate acestea, există impurități de molecule în el și mai complicate. Acestea sunt amoniacul, metanul și chiar moleculele organice poliatomice care se lipesc de un grăunte de praf sau se formează pe suprafața acestuia în timpul rătăcirilor. Unele dintre aceste substanțe, desigur, zboară departe de suprafața sa, de exemplu, sub influența radiațiilor ultraviolete, dar acest proces este reversibil - unele zboară, altele îngheață sau sunt sintetizate.

Acum, în spațiul dintre stele sau în apropierea lor, desigur, nu chimice, ci fizice, adică spectroscopice, s-au găsit deja metode: apă, oxizi de carbon, azot, sulf și siliciu, acid clorhidric, amoniac, acetilenă, acizi organici, cum ar fi formic și acetic, alcooli etilici și metilici, benzen, naftalina. Au găsit chiar și aminoacidul glicină!

Ar fi interesant să prindem și să studiem praful interstelar care pătrunde în sistemul solar și probabil căde pe Pământ. Problema „prinderii” nu este ușoară, deoarece puține particule de praf interstelar reușesc să-și țină „învelișul” de gheață în soare, mai ales în atmosfera Pământului. Cele mari se încălzesc prea mult viteza lor cosmică nu poate fi stinsă rapid, iar particulele de praf „ard”. Cei mici, însă, planifică în atmosferă ani de zile, reținând o parte din carcasă, dar aici se pune problema găsirii și identificării lor.

Mai este un detaliu foarte intrigant. Se referă la praful, ale cărui nuclee sunt compuse din carbon. Carbonul sintetizat în nucleele stelelor și care părăsește în spațiu, de exemplu, din atmosfera stelelor îmbătrânite (precum uriașii roșii), care zboară în spațiul interstelar, se răcește și se condensează în același mod ca după o zi fierbinte, ceață din apă răcită. vaporii se adună în zonele joase. În funcție de condițiile de cristalizare, se pot obține structuri stratificate de grafit, cristale de diamant (imaginați-vă doar nori întregi de diamante minuscule!) și chiar bile goale de atomi de carbon (fulerene). Și în ele, poate, ca într-un seif sau într-un recipient, sunt depozitate particule din atmosfera unei stele foarte vechi. Găsirea unor astfel de particule de praf ar fi un succes imens.

Unde se găsește praful spațial?

Trebuie spus că însuși conceptul de vid cosmic ca ceva complet gol a rămas multă vreme doar o metaforă poetică. De fapt, întregul spațiu al Universului, atât între stele, cât și galaxii, este plin de materie, curge particule elementare, radiații și câmpuri magnetice, electrice și gravitaționale. Tot ceea ce poate fi atins, relativ vorbind, este gazul, praful și plasma, a căror contribuție la masa totală a Universului, conform diverselor estimări, este de doar aproximativ 12% cu o densitate medie de aproximativ 10-24 g/cm 3 . Gazul din spațiu este cel mai mare, aproape 99%. Acesta este în principal hidrogen (până la 77,4%) și heliu (21%), restul reprezintă mai puțin de două procente din masă. Și apoi există praf în ceea ce privește masa, este de aproape o sută de ori mai puțin decât gazul.

Deși uneori golul din spațiul interstelar și intergalactic este aproape ideal: uneori există 1 litru de spațiu pentru un atom de materie! Nu există un astfel de vid nici în laboratoarele terestre, nici în sistemul solar. Pentru comparație, putem da următorul exemplu: în 1 cm 3 din aerul pe care îl respirăm, sunt aproximativ 30.000.000.000.000.000.000 de molecule.

Această materie este distribuită în spațiul interstelar foarte neuniform. Majoritatea gazul și praful interstelar formează un strat de gaz și praf în apropierea planului de simetrie al discului galaxiei. Grosimea sa în galaxia noastră este de câteva sute de ani lumină. Cea mai mare parte a gazului și a prafului din ramurile (brațele) și nucleul său spiralat sunt concentrate în principal în nori moleculari giganți, cu dimensiuni cuprinse între 5 și 50 de parsecs (16160 ani lumină) și cântărind zeci de mii și chiar milioane de mase solare. Dar chiar și în interiorul acestor nori, materia este, de asemenea, distribuită neomogen. În volumul principal al norului, așa-numita haină de blană, în principal din hidrogen molecular, densitatea particulelor este de aproximativ 100 de bucăți pe 1 cm 3. În densificările din interiorul norului se ajunge la zeci de mii de particule la 1 cm 3 , iar în nucleele acestor densificări, în general, la milioane de particule la 1 cm 3 . Această neuniformitate în distribuția materiei în Univers este cea care datorează existența stelelor, planetelor și, în cele din urmă, a noastră. Pentru că în norii moleculari, denși și relativ reci, se nasc stelele.

Ce este interesant: cu cât densitatea norului este mai mare, cu atât este mai divers în compoziție. În acest caz, există o corespondență între densitatea și temperatura norului (sau părțile sale individuale) și acele substanțe, ale căror molecule se găsesc acolo. Pe de o parte, acest lucru este convenabil pentru studierea norilor: prin observarea componentelor lor individuale în diferite intervale spectrale de-a lungul liniilor caracteristice ale spectrului, de exemplu, CO, OH sau NH 3, puteți „privi” într-una sau alta parte. din ea. Pe de altă parte, datele despre compoziția norului ne permit să învățăm multe despre procesele care au loc în acesta.

În plus, în spațiul interstelar, judecând după spectre, există și substanțe a căror existență în condiții terestre este pur și simplu imposibilă. Aceștia sunt ioni și radicali. Activitatea lor chimică este atât de mare încât reacţionează imediat pe Pământ. Și în spațiul rece rarefiat al spațiului, ei trăiesc mult și destul de liber.

În general, gazul din spațiul interstelar nu este doar atomic. Acolo unde este mai frig, nu mai mult de 50 de kelvin, atomii reusesc sa ramana impreuna, formand molecule. Cu toate acestea, o masă mare de gaz interstelar este încă în stare atomică. Acesta este în principal hidrogen, forma sa neutră a fost descoperită relativ recent în 1951. După cum știți, emite unde radio cu o lungime de 21 cm (frecvență 1420 MHz), a căror intensitate a determinat cât de mult este în Galaxie. De altfel, este distribuit neomogen în spațiul dintre stele. În norii de hidrogen atomic, concentrația acestuia atinge câțiva atomi la 1 cm3, dar între nori este cu ordine de mărime mai mică.

În cele din urmă, lângă stelele fierbinți, gazul există sub formă de ioni. Radiația ultravioletă puternică încălzește și ionizează gazul și începe să strălucească. De aceea zonele concentrație mare gazul fierbinte, cu o temperatură de aproximativ 10.000 K, arată ca nori luminoși. Se numesc nebuloase de gaze ușoare.

Și în orice nebuloasă, într-o măsură mai mare sau mai mică, există praf interstelar. În ciuda faptului că nebuloasele sunt împărțite condiționat în praf și gazos, există praf în ambele. Și în orice caz, praful este cel care aparent ajută la formarea stelelor în adâncurile nebuloaselor.

obiecte de ceață

Dintre toate obiectele spațiale, nebuloasele sunt poate cele mai frumoase. Adevărat, nebuloasele întunecate din intervalul vizibil arată la fel ca pete negre de pe cer, ele sunt cel mai bine observate pe fundal Calea lactee. Dar în alte game de unde electromagnetice, cum ar fi infraroșu, acestea sunt vizibile foarte bine și imaginile sunt foarte neobișnuite.

Nebuloasele sunt izolate în spațiu, conectate prin forțe gravitaționale sau presiune externă, acumulări de gaz și praf. Masa lor poate fi de la 0,1 la 10.000 de mase solare, iar dimensiunea lor poate fi de la 1 la 10 parsec.

La început, astronomii au fost enervați de nebuloase. Până la mijlocul secolului al XIX-lea, nebuloasele descoperite erau considerate ca un obstacol enervant care împiedica observarea stelelor și căutarea de noi comete. În 1714, englezul Edmond Halley, al cărui nume îl poartă celebrul urs de cometă, a întocmit chiar o „listă neagră” de șase nebuloase, astfel încât să nu inducă în eroare „prindetorii de comete”, iar francezul Charles Messier a extins această listă la 103 obiecte. Din fericire, muzicianul Sir William Herschel, sora și fiul său, care era îndrăgostit de astronomie, au devenit interesați de nebuloase. Observând cerul cu telescoapele construite proprii, au lăsat în urmă un catalog de nebuloase și grupuri de stele, cu informații despre 5.079 de obiecte spațiale!

Herschel-urile au epuizat practic posibilitățile telescoapelor optice ale acelor ani. Cu toate acestea, inventarea fotografiei și timpul lung de expunere au făcut posibilă găsirea unor obiecte foarte slab luminoase. Puțin mai târziu, metodele spectrale de analiză, observațiile în diverse game de unde electromagnetice au făcut posibilă în viitor nu numai detectarea multor nebuloase noi, ci și determinarea structurii și proprietăților acestora.

O nebuloasă interstelară arată strălucitoare în două cazuri: fie este atât de fierbinte încât gazul său însuși strălucește, astfel de nebuloase sunt numite nebuloase cu emisie; sau nebuloasa în sine este rece, dar praful ei împrăștie lumina unei stele strălucitoare din apropiere, aceasta este o nebuloasă de reflexie.

Nebuloasele întunecate sunt, de asemenea, colecții interstelare de gaz și praf. Dar, spre deosebire de nebuloasele gazoase ușoare, uneori vizibile chiar și cu un binoclu puternic sau un telescop, precum Nebuloasa Orion, nebuloasele întunecate nu emit lumină, ci o absorb. Când lumina unei stele trece prin astfel de nebuloase, praful o poate absorbi complet, transformându-l în radiații infraroșii invizibile pentru ochi. Prin urmare, astfel de nebuloase arată ca scufundări fără stele pe cer. V. Herschel le-a numit „găuri în cer”. Poate cea mai spectaculoasă dintre acestea este Nebuloasa Cap de Cal.

Cu toate acestea, este posibil ca particulele de praf să nu absoarbă complet lumina stelelor, ci să o împrăștie doar parțial, în timp ce selectiv. Faptul este că dimensiunea particulelor de praf interstelar este aproape de lungimea de undă a luminii albastre, deci este împrăștiată și absorbită mai puternic, iar partea „roșie” a luminii stelelor ajunge mai bine la noi. Apropo, asta mod bun estimați dimensiunea boabelor de praf în funcție de modul în care acestea atenuează lumina de diferite lungimi de undă.

stea din nor

Motivele formării stelelor nu au fost stabilite cu precizie, există doar modele care explică mai mult sau mai puțin sigur datele experimentale. În plus, modurile de formare, proprietățile și soarta ulterioară a stelelor sunt foarte diverse și depind de foarte mulți factori. Există însă un concept bine stabilit, sau mai bine zis, cea mai dezvoltată ipoteză, a cărei esență, în termeni cei mai generali, este aceea că stelele se formează din gaz interstelar în zone cu o densitate crescută a materiei, adică în adâncurile norilor interstelari. Praful ca material ar putea fi ignorat, dar rolul său în formarea stelelor este enorm.

Acest lucru se întâmplă (în versiunea cea mai primitivă, pentru o singură stea), aparent, așa. În primul rând, un nor protostelar se condensează din mediul interstelar, ceea ce se poate datora instabilității gravitaționale, dar motivele pot fi diferite și nu sunt încă pe deplin înțelese. Într-un fel sau altul, se contractă și atrage materia din spațiul înconjurător. Temperatura și presiunea din centrul său cresc până când moleculele din centrul acestei mingi de gaz care se micșorează încep să se dezintegreze în atomi și apoi în ioni. Un astfel de proces răcește gazul, iar presiunea din interiorul miezului scade brusc. Miezul este comprimat și o undă de șoc se propagă în interiorul norului, eliminând straturile sale exterioare. Se formează o protostea, care continuă să se micșoreze sub influența forțelor gravitaționale până când reacțiile încep în centrul său. fuziunea termonucleara conversia hidrogenului în heliu. Comprimarea continuă de ceva timp, până când forțele de comprimare gravitațională sunt echilibrate de forțele de gaz și presiunea radiantă.

Este clar că masa stelei formate este întotdeauna mai mică decât masa nebuloasei care a „produs-o”. O parte a materiei care nu a avut timp să cadă pe nucleu este „măturată” de unda de șoc, radiația și particulele curg pur și simplu în spațiul înconjurător în timpul acestui proces.

Procesul de formare a stelelor și a sistemelor stelare este influențat de mulți factori, inclusiv câmpul magnetic, care contribuie adesea la „ruperea” norului protostelar în două, mai rar trei fragmente, fiecare dintre acestea fiind comprimat în propria sa protostea sub influența gravitației. Așa apar, de exemplu, multe sisteme stelare binare - două stele care se învârt în jurul unui centru de masă comun și se mișcă în spațiu ca un întreg.

Pe măsură ce „îmbătrânirea” combustibilului nuclear din intestinele stelelor se arde treptat, și cu cât mai repede, mai stea. În acest caz, ciclul reacțiilor hidrogenului este înlocuit cu heliu, apoi, în urma reacțiilor de fuziune nucleară, se formează elemente chimice din ce în ce mai grele, până la fier. În cele din urmă, nucleul, care nu primește mai multă energie din reacțiile termonucleare, scade brusc în dimensiune, își pierde stabilitatea, iar substanța sa, așa cum ar fi, cade pe sine. Are loc o explozie puternică, în timpul căreia materia se poate încălzi până la miliarde de grade, iar interacțiunile dintre nuclee duc la formarea de noi elemente chimice, până la cele mai grele. Explozia este însoțită de o eliberare bruscă de energie și eliberare de materie. O stea explodează, un proces numit explozie de supernovă. În cele din urmă, steaua, în funcție de masă, se va transforma în stea neutronică sau o gaură neagră.

Acesta este probabil ceea ce se întâmplă de fapt. În orice caz, nu există nicio îndoială că stelele tinere, adică fierbinți, și grupurile lor sunt mai ales doar în nebuloase, adică în zone cu o densitate crescută de gaz și praf. Acest lucru se vede clar în fotografiile realizate cu telescoape în diferite game de lungimi de undă.

Desigur, acesta nu este altceva decât cel mai gros rezumat al succesiunii evenimentelor. Pentru noi, două puncte sunt fundamental importante. În primul rând, care este rolul prafului în formarea stelelor? Și al doilea de unde, de fapt, vine?

Lichid de răcire universal

În masa totală a materiei cosmice, praful însuși, adică atomii de carbon, siliciu și alte elemente combinate în particule solide, este atât de mic încât, în orice caz, ca material de construcție pentru stele, s-ar părea că pot. să nu fie luate în considerare. Cu toate acestea, de fapt, rolul lor este grozav, ei sunt cei care răcesc gazul interstelar fierbinte, transformându-l în acel nor dens foarte rece, din care apoi se obțin stele.

Faptul este că gazul interstelar nu se poate răci singur. Structura electronică Energia atomului de hidrogen este de așa natură încât poate renunța la energie în exces, dacă există, prin emiterea de lumină în regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului, dar nu în domeniul infraroșu. Figurat vorbind, hidrogenul nu poate radia căldură. Pentru a se răci corespunzător, are nevoie de un „frigider”, al cărui rol este jucat exact de particulele de praf interstelar.

În timpul unei coliziuni cu boabele de praf la viteză mare, spre deosebire de boabele de praf mai grele și mai lente, moleculele de gaz zboară rapid, își pierd viteza și energia lor cinetică este transferată grăunților de praf. De asemenea, se încălzește și degajă acest exces de căldură spațiului înconjurător, inclusiv sub formă de radiație infraroșie, în timp ce ea însăși se răcește. Deci, preluând căldura moleculelor interstelare, praful acționează ca un fel de radiator, răcind norul de gaz. Masa sa nu este multă - aproximativ 1% din masa întregii substanțe a norului, dar acest lucru este suficient pentru a elimina excesul de căldură de-a lungul a milioane de ani.

Când temperatura norului scade, la fel și presiunea, norul se condensează și din el pot să se nască deja stele. Rămășițele materialului din care s-a născut steaua sunt, la rândul lor, sursa formării planetelor. Aici, particulele de praf sunt deja incluse în compoziția lor și în cantități mai mari. Pentru că, s-a născut, steaua se încălzește și accelerează tot gazul din jurul ei, iar praful rămâne să zboare în apropiere. La urma urmei, este capabil să se răcească și este atras de o nouă stea mult mai puternică decât moleculele individuale de gaz. În cele din urmă, lângă steaua nou-născută este un nor de praf, iar la periferie, gaz saturat de praf.

Acolo se nasc planete gazoase precum Saturn, Uranus și Neptun. Ei bine, planetele solide apar lângă stele. Avem Marte, Pământ, Venus și Mercur. Se dovedește o împărțire destul de clară în două zone: planete gazoase și cele solide. Deci, Pământul s-a dovedit a fi în mare parte format din particule de praf interstelar. Particulele de praf metalic au devenit parte din nucleul planetei, iar acum Pământul are un uriaș nucleu de fier.

Misterul universului tânăr

Dacă s-a format o galaxie, atunci de unde provine praful?, în principiu, oamenii de știință înțeleg. Cele mai semnificative surse ale sale sunt novele și supernovele, care își pierd o parte din masă, „varsând” coaja în spațiul înconjurător. În plus, praful se naște și în atmosfera în expansiune a giganților roșii, de unde este literalmente măturat de presiunea radiațiilor. În atmosfera lor rece, după standardele stelelor, atmosferă (aproximativ 2,5 3 mii kelvin) există destul de multe molecule relativ complexe.

Dar iată un mister care nu a fost încă rezolvat. S-a crezut întotdeauna că praful este un produs al evoluției stelelor. Cu alte cuvinte, stelele trebuie să se nască, să existe de ceva timp, să îmbătrânească și, să zicem, să producă praf în ultima explozie de supernovă. Dar ce a venit mai întâi, oul sau puiul? Primul praf necesar nașterii unei stele, sau prima stea, care din anumite motive s-a născut fără ajutorul prafului, a îmbătrânit, a explodat, formând chiar primul praf.

Ce a fost la început? La urma urmei, când Big Bang-ul a avut loc acum 14 miliarde de ani, în Univers erau doar hidrogen și heliu, fără alte elemente! Atunci au început să iasă primele galaxii, nori uriași și în ei primele stele, care au trebuit să parcurgă un drum lung în viață. Reacțiile termonucleare din nucleele stelelor trebuiau să „sude” elemente chimice mai complexe, să transforme hidrogenul și heliul în carbon, azot, oxigen și așa mai departe, și numai după aceea steaua trebuia să arunce totul în spațiu, explodând sau treptat. aruncând cochilia. Apoi această masă a trebuit să se răcească, să se răcească și, în cele din urmă, să se transforme în praf. Dar deja la 2 miliarde de ani după Big Bang, în cele mai vechi galaxii, era praf! Cu ajutorul telescoapelor, a fost descoperită în galaxii aflate la 12 miliarde de ani lumină distanță de a noastră. În același timp, 2 miliarde de ani este o perioadă prea scurtă pentru întregul ciclu de viață al unei stele: în acest timp, majoritatea stelelor nu au timp să îmbătrânească. De unde a venit praful din tânăra Galaxie, dacă nu ar trebui să existe decât hidrogen și heliu, un mister.

Reactorul Mote

Nu numai că praful interstelar acționează ca un fel de agent frigorific universal, dar poate datorită prafului apar molecule complexe în spațiu.

Faptul este că suprafața unui grăunte de praf poate servi simultan ca reactor în care se formează molecule din atomi și ca catalizator pentru reacțiile de sinteză a acestora. La urma urmei, probabilitatea ca mulți atomi de elemente diferite să se ciocnească simultan la un moment dat și chiar să interacționeze între ei la o temperatură puțin peste zero absolut, este inimaginabil de mică. Pe de altă parte, probabilitatea ca un grăunte de praf să se ciocnească secvenţial în zbor cu diverşi atomi sau molecule, în special în interiorul unui nor dens şi rece, este destul de mare. De fapt, așa se întâmplă, așa se formează o coajă de boabe de praf interstelar din atomi și molecule întâlnite înghețate pe ea.

Pe o suprafață solidă, atomii sunt unul lângă altul. Migrând pe suprafața unui grăunte de praf în căutarea celei mai favorabile poziții energetic, atomii se întâlnesc și, fiind în strânsă apropiere, au ocazia să reacționeze între ei. Desigur, foarte încet, în funcție de temperatura boabelor de praf. Suprafața particulelor, în special a celor care conțin un metal în miez, poate prezenta proprietățile unui catalizator. Chimiștii de pe Pământ sunt bine conștienți că cei mai eficienți catalizatori sunt doar particule de o fracțiune de micron, pe care moleculele sunt asamblate și apoi reacționează, care în condiții normale sunt complet „indiferente” unele față de altele. Aparent, hidrogenul molecular se formează și în acest fel: atomii săi se „lipesc” de un grăunte de praf și apoi zboară departe de acesta, dar deja în perechi, sub formă de molecule.

Se poate foarte bine ca boabele mici de praf interstelar, care au reținut puțin în cochilie molecule organice, inclusiv cei mai simpli aminoacizi, și a adus primele „semințe de viață” pe Pământ cu aproximativ 4 miliarde de ani în urmă. Aceasta, desigur, nu este altceva decât o frumoasă ipoteză. Dar în favoarea sa este faptul că aminoacidul glicina a fost găsit în compoziția norilor de gaz rece și de praf. Poate mai sunt și altele, doar până acum capacitățile telescoapelor nu permit detectarea lor.

La vânătoare de praf

Este posibil, desigur, să se studieze proprietățile prafului interstelar la distanță cu ajutorul telescoapelor și altor instrumente situate pe Pământ sau pe sateliții săi. Dar este mult mai tentant să prindeți particule de praf interstelar și apoi să le studiați în detaliu, să aflați nu teoretic, ci practic, în ce constau, cum sunt aranjate. Există două opțiuni aici. Puteți ajunge în adâncurile spațiului, puteți colecta praful interstelar acolo, îl puteți aduce pe Pământ și îl puteți analiza cu toată lumea. moduri posibile. Sau puteți încerca să zburați din sistemul solar și să analizați praful de-a lungul drumului chiar la bordul navei spațiale, trimițând datele pe Pământ.

Prima încercare de a aduce mostre de praf interstelar și, în general, substanța mediului interstelar, a fost făcută de NASA în urmă cu câțiva ani. Nava spațială a fost echipată cu capcane speciale - colectoare pentru colectarea prafului interstelar și a particulelor de vânt cosmic. Pentru a prinde particulele de praf fără a-și pierde coaja, capcanele au fost umplute cu o substanță specială, așa-numita aerogel. Această substanță spumoasă foarte ușoară (a cărei compoziție este un secret comercial) seamănă cu jeleul. Odată ajunse în el, particulele de praf se blochează și apoi, ca în orice capcană, capacul se închide trântind pentru a fi deschis deja pe Pământ.

Acest proiect a fost numit Stardust Stardust. Programul lui este grozav. După lansare în februarie 1999, echipamentele de la bord vor colecta în cele din urmă mostre de praf interstelar și, separat, de praf în imediata apropiere a cometei Wild-2, care a zburat lângă Pământ în februarie anul trecut. Acum, cu containerele pline cu această marfă cea mai valoroasă, nava zboară acasă pentru a ateriza pe 15 ianuarie 2006 în Utah, lângă Salt Lake City (SUA). Atunci astronomii vor vedea în sfârșit cu ochii lor (cu ajutorul unui microscop, desigur) acele particule de praf, ale căror modele de compoziție și structură le-au prezis deja.

Și în august 2001, Genesis a zburat după mostre de materie din spațiul profund. Acest proiect NASA a avut ca scop captarea particulelor de vânt solar. După ce a petrecut 1.127 de zile în spațiul cosmic, timp în care a zburat aproximativ 32 de milioane de km, nava s-a întors și a aruncat pe Pământ o capsulă cu mostrele obținute - capcane cu ioni, particule ale vântului solar. Din păcate, s-a întâmplat o nenorocire, parașuta nu s-a deschis, iar capsula a căzut pe pământ cu toată puterea ei. Și s-a prăbușit. Desigur, epava a fost adunată și studiată cu atenție. Cu toate acestea, în martie 2005, la o conferință din Houston, un participant la program, Don Barnetty, a declarat că patru colectoare cu particule de vânt solar nu au fost afectați, iar oamenii de știință studiază în mod activ conținutul lor, 0,4 mg de vânt solar captat, în Houston. .

Cu toate acestea, acum NASA pregătește un al treilea proiect, și mai grandios. Aceasta va fi misiunea spațială Interstellar Probe. De data asta nava spatiala va fi scos la o distanta de 200 a. e. de la Pământ (a. e. distanța de la Pământ la Soare). Această navă nu se va întoarce niciodată, dar va fi „umplută” cu o mare varietate de echipamente, inclusiv și pentru analiza probelor de praf interstelar. Dacă totul merge bine, particulele de praf interstelar din spațiul profund vor fi în sfârșit capturate, fotografiate și analizate automat, chiar la bordul navei spațiale.

Formarea stelelor tinere

1. Un nor molecular galactic gigant cu o dimensiune de 100 de parsecs, o masă de 100.000 de sori, o temperatură de 50 K, o densitate de 10 2 particule / cm 3. În interiorul acestui nor există condensări la scară largă nebuloase difuze de gaz și praf (110 pc, 10.000 de sori, 20 K, 10 3 particule/cm 4 particule/cm3). În interiorul acestuia din urmă, există grupuri de globule cu o dimensiune de 0,1 pc, o masă de 110 sori și o densitate de 10 10 6 particule/cm 3, unde se formează stele noi.

2. Nașterea unei stele în interiorul unui nor de gaz și praf

3. O nouă stea cu radiația și vântul stelar accelerează gazul din jur departe de sine

4. O stea tânără intră în spațiu, curată și lipsită de gaze și praf, împingând nebuloasa care a născut-o

Etape ale dezvoltării „embrionare” a unei stele, egală ca masă cu Soarele

5. Originea unui nor instabil gravitațional de 2.000.000 de sori, cu o temperatură de aproximativ 15 K și o densitate inițială de 10 -19 g/cm 3

6. După câteva sute de mii de ani, acest nor formează un nucleu cu o temperatură de aproximativ 200 K și o dimensiune de 100 de sori, masa lui este încă doar 0,05 din solar.

7. În această etapă, miezul cu temperaturi de până la 2.000 K se micșorează brusc din cauza ionizării hidrogenului și se încălzește simultan până la 20.000 K, viteza materiei care cade pe o stea în creștere atinge 100 km/s.

8. O protostea de dimensiunea a doi sori cu o temperatură în centru de 2x10 5 K, iar la suprafață 3x10 3 K

9. Ultima etapă din pre-evoluția unei stele este compresia lentă, timp în care izotopii de litiu și beriliu se ard. Abia după ce temperatura crește la 6x10 6 K, în interiorul stelei încep reacțiile termonucleare de sinteza de heliu din hidrogen. Durata totală a ciclului de naștere al unei stele precum Soarele nostru este de 50 de milioane de ani, după care o astfel de stea poate arde în liniște miliarde de ani.

Olga Maksimenko, candidat la științe chimice