Туманности в целом подразделяются на две группы - диффузные (светлые) и поглощающие (темные). Внешне они отличаются просто - диффузные туманности светятся, а темные, соответственно названию, - нет и даже наоборот, затемняют расположенные за ними участки неба.

 

Диффузные туманности - это три разнородных класса объектов: отражательные туманности, эмиссионные туманности и туманности, образованные при взрывах сверхновых звезд (остатки сверхновых, supernova remnants, SNR).

 

Отражательные туманности - это газопылевые облака, отражающие свет находящихся рядом с ними и подсвечивающих их звезд. Они состоят из газа и мелкой пыли, в основном, углеродной (в значительной степени образованной в оболочках сверхгигантов) с примесями других металлов, часто - железа и никеля, выброшенных старыми взрывами сверхновых, и имеют спектр и цвет, близкий к цвету и спектру освещающей их звезды (или звезд) с небольшими добавками. Правда, из-за того, что с уменьшением длины волны свет рассеивается более эффективно (именно по этой причине наше небо является голубым), цвет отражательных туманностей обычно является более синим, чем цвет освещающей звезды.

Пример отражательной туманности - туманность NGC 1999 в Орионе
Пример отражательной туманности - туманность NGC 1999 в Орионе

Эмиссионные туманности обладают собственным свечением. При этом зачастую отличие эмиссионных и отражательных туманностей заключается не в их природе, а в том, с какими звездами они соседствуют. Звезды ранних спектральных классов О и В излучают много высокоэнергетических фотонов, которые ионизируют газ туманности, а ионизированный газ переизлучает (эмитирует) видимый свет с большей длиной волны (вплоть до красного), который мы и видим. В результате одна и та же туманность, если рядом с ней находится, скажем, красный сверхгигант, не излучающий высокоэнергетических фотонов, будет видна как отражательная, а если голубой - как эмиссионная. Поэтому иногда наблюдаются туманности, часть которых, соседствующая со звездой раннего спектрального класса, является эмиссионной, а другая часть - отражательной.

Пример эмиссионной туманности - Большая туманность Киля. Хорошо видны вызывающие ее свечение сверхгиганты и гипергиганты
Пример эмиссионной туманности - Большая туманность Киля. Хорошо видны вызывающие ее свечение сверхгиганты и гипергиганты

Некогда, на заре времен, существовали своеобразные колоссальные эмиссионные туманности (облака Лайман-альфа), внутри которых образовывались не звезды, а галактики. Они давно сгинули, и нынче их существование можно заметить по наблюдениям леса Лайман-альфа.

 

Туманности, образованные при взрывах сверхновых звезд, состоят из материала самой взорвавшейся звезды и межзвездного газа и пыли, сжатых и нагретых на фронте ударной волны, распространяющейся после взрыва. Они наблюдаются в течение относительно короткого времени после взрыва (порядка десятков и сотен тысяч лет, пока не охлаждаются и не рассеиваются), имеют высокую температуру (порядка миллионов градусов) и, соответственно, обладают собственным свечением в широком спектре вплоть до рентгеновского. Такие туманности могут иметь сложную и причудливую форму, определяемую начальной динамикой взрыва и взаимодействием ионизированных продуктов взрыва с магнитным полем и ранее сброшенным веществом.

Пример остатка сверхновой - Крабовидная туманность
Пример остатка сверхновой - Крабовидная туманность

Существуют также так называемые планетарные туманности, к планетам отношения не имеющие и являющиеся сброшенными оболочками звезд на последних этапах их жизни.

Пример планетарной туманности - NGC 7293 Улитка. Прогенитор туманности - маленькая звезда в центре, белый карлик
Пример планетарной туманности - NGC 7293 Улитка.
Прогенитор туманности - маленькая звезда в центре, белый карлик

Темные туманности свет только поглощают и рассеивают. Они содержат в себе большое количество пыли, препятствующей прохождению фотонов. В результате расположенные за ними источники излучения выглядят более красными, чем на самом деле (опять же, потому что синий свет лучше рассеивается, а красный - лучше пропускается, именно поэтому Солнце на рассвете или закате выглядит красным). При большом количестве пыли они вообще не пропускают свет.

 

В таких туманностях обычно интенсивно рождаются новые звезды. Как правило, темные туманности весьма велики (так называемые гигантские молекулярные облака), хотя встречаются компактные темные туманности, называемые глобулами Бока.

Фрагмент темной туманности - туманность Конская голова
Фрагмент темной туманности - туманность Конская голова
Темная газопылевая туманность с интенсивным звездообразованием - туманность Змея
Темная газопылевая туманность
с интенсивным звездообразованием - туманность Змея
Пример глобулы Бока в туманности IC2944
Пример глобулы Бока в туманности IC2944

Часто различие между темными, эмиссионными и отражательными туманностями является случайным. Одна и та же туманность может быть темной, если рядом с ней нет ярких звезд, отражательной, если рядом с ней есть яркие звезды поздних спектральных классов (желтые и красные сверхгиганты) и эмиссионной, если она подсвечивается яркой звездой ранних спектральных классов О или В.

 

 

***

Лес Лайман-альфа

 

Есть на свете один очень забавный термин: лес Лайман-альфа (Lyman-alpha forest). И применяется этот термин не в ботанике, не в экологии и даже не в географии - термин это астрономический. Так что в астрономии есть не только звезды и галактики, планеты и кометы, квазары и блазары, а также эжекторы, пропеллеры, аккреторы и георотаторы с мягкими гамма-репитерами - в ней еще шумят и колосятся (а при случае, млеют и колышутся) целые леса...

 

Что это за лес такой?

Вспомним, как поглощается электромагнитное излучение. Представим себе луч света, состоящий из фотонов разной энергии (длины волны), проходящий через облако какого-то газа. Те фотоны, энергия которых строго равна разности энергий между энергетическими уровнями электронов на орбите атома, захватываются атомами. Потом электроны возвращаются на прежние орбиты, атомы переизлучают фотоны этой энергии в разных направлениях, но в самом луче этих фотонов уже оказывается очень мало - они разлетаются не в направлении движения луча, а в разные стороны. Поэтому, если смотреть со стороны, подсвеченный газ будет светиться тем самым светом, длина волны которого совпадает с энергией ионизации - а вот если смотреть на луч, этих фотонов в нем будет не хватать. Именно так формируются спектры поглощения - во спектре излучения появляются темные линии, показывающие дефицит поглощенных газом и переизлученных во все стороны фотонов с данными длинами волн, которые соответствуют характерной для этого газа энергии.


На самом деле, газ поглощает фотоны с несколькими значениями энергии, потому что электроны имеют множество орбит, и, соответственно, с самой низкой, захватив фотоны одной энергии, они могут "подняться" на вторую, другой, более высокой энергии - на третью и так далее. Поэтому в спектре поглощения появляется целая серия линий.


Серия линий поглощения нейтрального водорода называется серией Лаймана. А самая низкоэнергетическая линия этой серии, то есть, линия, соответствующая энергии возбуждения электрона в атоме водорода при его переходе с нормальной орбиты на ближайшую к ней, называется линией Лайман-альфа (обозначается Lα ). Длина волны этой линии - 151,5668 нанометров (то есть, длина волны поглощаемого водородом излучения линии Лайман-альфа соответствует ультрафиолетовому свету).


Пока все сказанное относится не к астрономии, а к физике, и остается совершенно неясным, где же тут лес. Лес появляется именно в астрономии - в ней часто появляются странные вещи. В данном случае лес появляется из-за красного смещения.


Представим себе луч света, идущий издалека и долго. По-настоящему издалека и по-настоящему долго. С расстояния многих миллиардов световых лет и в течение многих миллиардов лет. Пока луч путешествует, Вселенная расширяется, в ней рождается новое пространство (в каждой ее точке), поэтому длина волны фотонов, составляющих луч, постепенно растет, их энергия падает, и фотоны "краснеют" (напомню, что красный свет соответствует меньшей энергии и большей длине волны фотона, а фиолетовый - наоборот). В какой-то момент этот луч попадает в облако молекулярного водорода и теряет те фотоны, которые в этот момент имели длину, соответствующую линии поглощения Лайман-альфа. Вырвавшись, он летит дальше - теперь в нем образуется дефицит фотонов длиной волны 151,5668 нанометров.


Дальше он продолжает свои странствия. Луч все краснеет, длины волн фотонов увеличиваются, и, соответственно, "дырка в спектре", то есть, та длина волны, которая отсутствует, тоже смещается в сторону больших длин волн. Через сотни миллионов лет в луче уже не хватает фотонов с длиной волны не 151,5668, а, скажем, 160 нанометров. А длину волны 151,5668 нм теперь имеют другие фотоны - которые в наличии имеются, потому что раньше они имели другую, большую энергию, меньшую длину волны, и не поглощались. И тут луч света находит еще одно облако молекулярного водорода... Когда он вырывается из него, у него теперь не хватает фотонов двух длин волн: 160 (их и не было) и 151,5668 нанометров...
Луч все летит и летит, краснеет и краснеет, и встречает еще одно облако молекулярного водорода... Нетрудно понять, что после того, как он пройдет через него, в нем не будет хватать фотонов уже трех длин волн - двух "старых" и одной "новой"...


И в результате, когда этот луч попадет к нам, в его спектре обнаружится целый частокол темных линий поглощения, соответствующих его истории - тем облакам молекулярного водорода, сквозь которые он пролетал в разные годы и при разных значениях красного смещения. Этот частокол и называется лесом Лайман-альфа.


Легко понять, что, анализируя этот лес, можно узнать много интересного - как располагались облака водорода миллиарды лет назад, какова была концентрация водорода в облаках, каким было значение постоянной Хаббла в те времена (то есть, по расстоянию между линиями можно узнать темп расширения Вселенной миллиарды лет назад). Можно даже обнаружить, что излучение квазаров с красным смещением больше шести подвергалось такому издевательству очень активно, а более близких - гораздо слабее и сделать вывод о том, что примерно тринадцать миллиардов лет назад нейтрального водорода во Вселенной было много, а в более поздние времена его стало намного меньше - не потому, что водород пропал, а потому, что он стал ионизированным, а у ионизированного водорода совсем другой спектр поглощения. И задуматься над этим обстоятельством...
Кстати, изучение леса Лайман-альфа в спектрах далеких квазаров является одним из важных инструментов изучения истории расширения Вселенной и предсказания ее будущего.