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.
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.
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.
Существуют также так называемые планетарные туманности, к планетам отношения не имеющие и являющиеся сброшенными оболочками звезд на последних этапах их жизни.
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.
с интенсивным звездообразованием - туманность Змея
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.
