Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Основные компоненты межзвездной среды – газ, пыль, магнитные поля и космические лучи. Газ и пыль служат материалом для новых поколений звезд. В свою очередь звезды, закончив свой жизненный цикл, сбрасывают часть вещества обратно в межзвездную среду, обогащая ее наработанными в ходе реакций тяжелыми элементами.

Впервые надежные данные о существовании значительных масс вещества между звездами (там, где даже не было заметно ни светлых, ни темных туманностей) были получены в 1904 г. Иоганном Гартманом (Johannes Hartmann), который продемонстрировал поглощение света в линиях кальция, исследуя спектр звезды дельта Ориона.

Мы видим проявления межзвездной среды даже невооруженным глазом: клочковатая структура Млечного Пути объясняется темными облаками холодного газа и пыли, поглощающими свет звезд. Именно наблюдения межзвездного поглощения света позволили в начале XX в. доказать наличие значительных масс вещества в межзвездном пространстве.

Межзвездная среда в нашей Галактике на 70 % (по массе) состоит из водорода и на 28 % – из гелия (на остальные элементы приходится примерно 2 %). Вещество может находиться в разных состояниях. В первом приближении можно выделить две главные составляющие: газ и пыль.

Основные составляющие межзвездной среды – газ, пыль, магнитные поля и космические лучи.

Газа в Галактике больше, чем пыли, его полная масса составляет около 10 млрд масс Солнца. Он может находиться в разных состояниях в зависимости от его плотности и температуры и в основном сосредоточен в галактическом диске (если не указано иное, далее рассматривается именно этот газ).

Основная масса молекулярного газа сосредоточена в плотных облаках, занимающих 1–2 % объема.

Основной объем галактического газа – ионизованный водород, который имеет относительно высокую температуру. При этом его плотность невелика, так что по массе доля ионизованного газа составляет лишь четверть (остальное приходится на молекулярный и нейтральный газ). Значительная масса сосредоточена в плотных холодных облаках молекулярного газа, занимающих лишь несколько процентов от полного объема.

Фаза (состояние) межзвездной среды определяется комбинацией температуры и плотности межзвездного газа, в зависимости от этих параметров газ может быть молекулярным, нейтральным или ионизованным. Вне молекулярных облаков, где плотность превосходит 100 атомов водорода в кубическом сантиметре, выделяют четыре основных состояния (фазы) газа (исключая области непосредственно вблизи звезд, а также некоторые другие случаи, соответствующие в целом небольшому относительному объему). Первое состояние – это холодная нейтральная среда с температурой около 100 K и плотностью десятки атомов в кубическом сантиметре. Второе состояние – это теплая нейтральная среда с температурой 6000–10 000 K, где на один атом приходится несколько кубических сантиметров. Третье состояние – теплая ионизованная среда, которая по своим параметрам похожа на теплую нейтральную. Ее особенно много вдали от плоскости диска, и основной объем ионизованного газа приходится именно на нее. Наконец, четвертое состояние – горячая ионизованная среда с температурой около 1 000 000 K, где на один атом приходится примерно 100 см³. Это, конечно, довольно упрощенная схема деления на фазы, реальная картина гораздо сложнее, в первую очередь из-за турбулентности, перемешивающей межзвездную среду.

Масса газа примерно в 100 раз превосходит массу пыли.

Количество газа меняется в зависимости от расстояния от центра Галактики и от галактической плоскости. Разные составляющие при этом ведут себя по-разному (хотя наблюдается общий тренд уменьшения плотности при удалении от центра и от плоскости). Так, молекулярного газа много внутри радиуса 500 парсек от центра Галактики – это так называемая центральная молекулярная зона. Затем его содержание падает вплоть до 3–4 килопарсек, а между 4 и 6 килопарсек молекулярного газа снова много – это так называемое молекулярное кольцо, после которого начинается стабильное экспоненциальное спадание концентрации. Эта составляющая межзвездной среды крайне важна, поскольку именно с ней связано звездообразование в Галактике.