Межзвёздный газ. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Межзвёздный газ - осн. компонент межзвездной среды, составляющий ок. 99% её массы. M. г. заполняет практически весь объём галактик. Наиб, изучен M. г. в Галактике. M. г. характеризуется большим разнообразием возникающих в нём структур, физ. условий и протекающих процессов. Темп-pa колеблется от 4-6 К до 10⁷ К и выше, концентрация частиц h от ~10^-4 до 10^{10 - 12} см^-3. Условиями в M. г. определяется характер звездообразования, а следовательно, и эволюции галактик.

Распределение и движение M. г. Наиб, бедны M. г. эллиитич. (E) галактики .Следы M. г.

от массы галактики, Mr)обычно заметны только в гигантских E-галактиках. В линзовидных (SO) галактиках также отмечаются обычно лишь следы M. г. В спиральных (S) галактиках M. г. составляет обычно 1 - 10% M_Г, точнее, массы, заключённой в сфере с т. н. холмберговскнм радиусом, ограничивающим оптически наблюдаемую часть галактики. В Галактике, являющейся типичной спиральной галактикой, масса M. г,

г - масса Солнца) ж

распределена поровну между областями атомарного ц молекулярного M. г. В неправильных ( I ) галактиках масса M. г. обычно превышает 10% от массы галактики.

В Е-галактиках M. г. сосредоточен обычно около их центра. В ряде гигантских E-галактик, являющихся радиогалактиками, M. г. присутствует также и на периферии (напр., Cen A, Cyg A). В др. типах галактик M. г. расположен гл. обр. около плоскостей галактик, в слое толщиной порядка сотен парсек, а в S-галакти-ках также в ядре, являясь непременным атрибутом всех активных ядер галактики и квазаров (см. Объекты с активными ядрами).

В дисках S-галактик поверхностная плотность (s) p объёмная концентрация M. г. чаще всего достигают максимума в кольце на расстоянии от центра галактики (Дг), равном неск. кпк (в Галактике - 5 кпк, здесь

, и спадают как внутрь, так и наружу (в последнем случае много медленнее, чем поверхностная яркость; в крупных галактиках следы M. г. видны до Дг = 30-50 кпк и более). В нек-рых галактиках s нарастает до самого центра. На периферии слой M. г. утолщён до неск. кпк и часто искривлён. Осн. часть M. г. собрана в спиральных ветвях, особенно вблизи их внутр. частей, в виде гигантских газопылевых комплексов. В гало S-галактнк M. г. разрежен (в ср.

, в Галактике па высоте 5 кпк от её плоскости

и имеет температуру

В него вкраплен более плотный холодный газ, гл. обр. в виде высокоскоростных облаков водорода и планетарных туманностей.

В S- и I-галактиках M. г. вращается вокруг центра вместе со звёздами по траекториям, близким к круговым. На регулярное движение накладываются т. н. пекулярные скорости v

. Возмущения v при прохождении M. г. через спиральные ветви иногда достигают 100 км/с. В ряде туманностей наблюдаются ещё большие значения v.

Состав M. г. Распространённость элементов в M. г. примерно такая же, как и в атмосферах звёзд: 90% атомов водорода,

атомов гелия. Все др. элементы вместе составляют ок. 0,1% по числу атомов (относительное содержание по массе,

. Однако их роль в M. г. очень велика. По сравнению с составом атмосферы Солнца в M. г. заметен дефицит MH. элементов, особенно Al, Ca, Ti, Fe, INi, распространённости к-рых понижены в десятки и сотни раз за счёт конденсации их в межзвёздную пыль.

Наблюдаются градиенты состава M. г. вдоль радиусов галактик. В Галактике Z изменяется вдоль радиуса в неск. раз. Имеются также градиенты изотопного состава. На регулярный ход состава наложены флуктуации. Неоднородность состава M. г. объясняется хим. эволюцией галактик - обогащением M. г. тяжёлыми элементами, выработанными при ядерных реакциях в звёздах.

Структура, физические условпл и динамика M. г. Структура M. г. неоднородна. Он состоит из облаков с разл. массами, размерами и физ. условиями. Наиб, крупными образованиями являются, видимо, т. н. сверхоблака размером 1-2 кик, к-рые содержат внутри себя все др. структуры. Около половины массы M. г. в Галактике собрано в

гигантских молекулярных облаков (типичная масса

, диам. d

, темп-pa

, расположенных в слое толщиной менее 100 пк гл. обр. в кольце с Rг = 4-8 кпк. Вещество их находится в осн. в молекулярной форме. В них найдено ок. 60 разл. молекул (см. Молекулы в межзвёздной среде). Преобладают молекулы H₂ (99,99%) и СО (ок. 0,01% по числу молекул).

Имеются более мелкие молекулярные облака (тёмные и чёрные облака, гигантские глобулы и др. с h = , . В молекулярных облаках часто встречаются уплотнения с

, T - от 4-6 К и более, массой

, а вблизи мощных источников анергии - мазерные конденсации с

Вблизи горячих звёзд и их групп имеются зоны HII.

Перечисленные выше области содержат более половины массы M. г., по занимают ок. 0,01% объёма. Около половины объёма M. г. занято областями атомарного водорода (HI), распадающимися на межзвёздные облака

пк, M =

и межоблачную среду, или т. н. тёплые области HI

В областях HI водород и гелий слабо ионизованы. Остальная часть объёма занята гл. обр. областями т. н. коронального газа, или горячей фазой M. г. (T

см^-3, иногда

, в окрестностях к-пого имеются также зоны HII низкой плотности

см^-3, d = 1-50 пк) и области HI с T = 300-5000 К (неск. % по объёму). Кроме этого, в M. г. имеются туманности ,образованные очень сильными (Маха число до 10⁴) ударными волнами, созданными звёздным ветром и вспышками сверхновых и новых звёзд (см. Остатки вспышек сверхновых). M. г. в них нагрет до 10^6-7 К и более.

Большинство структур M. г. находится в состоянии, далёком от газодинамического, а иногда и теплового равновесия. Характерные времена динамич. процессов в M. г.

лет ( v_зв - скорость звука).

За такое время большинство структур M. г. разрушается. Особенно сложна и динамична структура M. г. в областях звездообразования. Их типичный размер 100-500 пк. В них собраны в единый комплекс гигантские молекулярные облака, протяжённые и компактные зоны HII, ИК-туманности - протозвёзды, космич. мазеры на молекулах

и т. д.

Наряду с крупномасштабной структурой (туманности, облака) M. г. имеет сложную мелкомасштабную структуру - волокна, конденсации и т. д. с масштабами до 0,1-0,001 пк и менее. Возникают они под действием разл. гидродинамич. и магннтогидродинамич. неустойчивостей. Вытянутая форма часто обусловлена межзвёздными магн. полями.

Физические процессы в M. г. Условия в M. г. далеки от термодинамич. равновесия. Поэтому анализ условий в M. г. проводится на основе ур-ний статистич. баланса, учитывающих элементарные процессы, определяющие населённости уровней энергии атомов, ионов, молекул, их ионизацию и рекомбинацию, а также образование и разрушение молекул, нагрев и охлаждение среды. Обычно в M. г. с хорошей точностью устанавливается Максвелла распределение по скоростям - в ударных волнах отдельно для электронов и ионов, в др. случаях - общее для всех частиц, что позволяет говорить о температуре M. г. Отклонения населёшюстей уровней от Болъцмана распределения обычно очень велики. Особенно ярко они проявляются в космич. мазерах. Населённость уровней, определяющая интенсивность спектральных линий и непрерывного спектра, формируется под влиянием столкновительных и радиа-тивных процессов и нередко рекомбинац. заселением уровней.

Осн. механизмами ионизации M. г. являются фотоионизация, а также, по-видимому, ионизация низкоэнергичной частью космических лучей (субкосмич. лучами) и тепловыми электронами. В активных галактич. ядрах преобладает фотоионизация рентг. излучением. Важна роль оже-эффекта и реакций перезарядки ионов с атомами H и Не, радиативной и диэлектронной рекомбинаций.

Кинетика химическая M. г. определяется как газофазными реакциями, так и реакциями на поверхности пылинок. Среди газофазных реакций важны лишь бинарные процессы. Определяющую роль в поддержании разнообразия молекул играют ионно-молекулярные реакции, не имеющие активац. барьеров. Они важны, несмотря на очень низкую

степень ионизации

M. г. в молекулярных облаках. В совр. M. г. (в отличие от условий в ранней Вселенной, см. Космология)молекулы H₂ образуются на поверхности пылинок. Молекулы разрушаются УФ-излучением звёзд. Поэтому M. г. молекуляризован только в плотных облаках, центр, части к-рых экранированы от УФ-излучения межзвёздной пылью.

M. г. нагревается УФ-, мягкими рентг. и субкосмич. лучами, а также ударными волнами. Объёмное охлаждение происходит в осн. при излучении в спектральных линиях тепловой энергии, затраченной на возбуждение уровней, а также за счёт тормозного и рекомбинац. излучений в непрерывном спектре. В зависимости от температуры M. г. преобладает излучение в непрерывном спектре

либо в спектральных линиях - рентгеновских

, уф-

оптических (T = 5000-10000 К), ИК- (T = 30 - 5000 К), субмиллиметровых

Гамма-излучение M. г. обусловлено взаимодействием M. г. и пыли с космич. лучами. Наблюдаются гамма-линии позитрония (0,511 МэВ) и линии возбуждения атомных ядер (1 - 6 МэВ), а также излучение в непрерывном спектре с энергиями фотонов до 10¹⁰ эВ. Непрерывный спектр формируется тормозным излучением электронного компонента космич. лучей и фотораспадом п°-мезонов, образованных в ядерных реакциях.

В большей части объёма M. г. успевает установиться состояние, близкое к гидростатич. равновесию,- давление r в разных участках M. г. примерно одинаково.

Зависимость давления (р), температуры (T) и концентрации электронов (п_е) от концентрации водорода n(Н) в разрешенном межзвёздном газе, нагретом космическими лучами низких анергий.

В результате упомянутых выше процессов нагрева и охлаждения ур-ние состояния р(Т)или р(п)немонотонно в области температур 50-10⁴ К (рис.). Это означает, что M. г. подвержен тепловой неустойчивости, разбивающей среду на облака HI

и тёплые области HI (

), отличающиеся по плотности в

раз.

Важнейшую роль в формировании крупномасштабной структуры M. г. играют взрывы сверхновых звёзд. Сильная ударная волна выметает осн. часть M. г. из области размером во MH. десятки пк, создавая долгоживущие (

лет) полости, содержащие горячий (корональный,

К) газ очень низкой плотности

см^-3. Холодному газу сообщаются пекулярные скорости

км/с. Часть M. г. поднимается взрывом на сотни парсек над галактич. плоскостью (т. н. галактич. фонтаны). При последующем охлаждении такой M. г. может падать назад в виде высокоширотных облаков. При достаточной частоте вспышек сверхновых часть M. г. может оттекать от галактик в межгалактический газ (галактич. ветер). В поддержании пекулярных скоростей M. г. нек-рую роль играют также з;ёздный ветер и расширение зон HII. На формирование крупномасштабной структуры M. г. (особенно, видимо, в неправильных галактиках) существ, влияние оказывает неустойчивость Рэлея - Тейлора (см. Неустойчивости плазмы)газового диска галактики с вмороженным магн. полем. Она собирает M. г. в "магнитных ямах" размером ок. 1 кпк.

Эволюция M. г. определяется гл. обр. обменом веществом со звёздами в процессе звездообразования и при сбросе части массы звёздами в M. г. на поздних этапах их эволюции (см. Эволюция звёзд ),а также в виде звёздного ветра. За счёт термоядерной переработки вещества в звёздах M. г. обогащается тяжёлыми элементами, меняется его изотопный состав, причём с темпами, зависящими от скорости звездообразования. Это порождает, в частности, градиенты содержания элементов и изотопов вдоль радиусов спиральных галактик. Кол-во M. г. в галактиках в процессе круговорота вещества убывает с темпами, сильно различающимися в разных галактиках. Важную роль в поддержании кол-ва M. г. ыожет играть взаимодействие с межгалактич. газом в скоплениях галактик: облака межгалактич. газа могут пополнять M. г., в свою очередь часть M. г. уходит в межгалактич. пространство. Давление межгалактич. газа может уплотнять M. г. и тем самым стимулировать звездообразование.

Литература по межзвёздному газу

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.