Многообразный мир Вселенной: чем заполнено космическое пространство?

Вопросы современной астрофизики о межзвездном пространстве

Если взглянуть на ночное небо в ясную лунную ночь, то Вселенная предстанет перед нами безбрежным тёмным океаном, наполненным мириадами звёзд. Но видимая пустота между звездами обманчива. Космос наполнен межзвёздным веществом, состоящим в основном из ионов и атомов водорода, а также космическими лучами, частицами пыли, электромагнитным излучением. Помимо этого, предполагается существование тёмной материи и тёмной энергии. Несмотря на многолетние исследования, астрофизики пока не могут определенно сказать, чем заполнено межзвездное пространство, а также объяснить механику происходящих в нём процессов.

Межзвёздный газ: основа космоса

Согласно оценкам астрономов, межзвёздный газ является основным компонентом межзвёздной среды и составляет до 99% ее массы, заполняя собой практически весь объем галактик. Состав межзвёздного газа в разных частях космоса может отличаться, но чаще всего 89 % в нём занимает водород, 9 % – гелий, 2 % – составляют более тяжелые элементы. 

Средняя плотность межзвёздного газа составляет 1 атом на 1 см³. Меньше всего межзвёздного газа в эллиптических и линзовидных галактиках. В спиральных галактиках газ составляет от 1 до 10 %, а в неправильных галактиках его количество превышает 10 %.

В 1965 году в районе Магеллановых облаков были обнаружены потоки газовых облаков, перемещающиеся с аномальной скоростью. Эти потоки соединяют Большое и Малое Магеллановы облака и простираются на 180° по небосводу. 

Исследователи из австралийской научной организации «CSIRO» считают, что природа потоков газа обусловлена мощной гравитацией Млечного пути, которая вытягивает газ из Магеллановых облаков. Интересно, что потоки из Магеллановых облаков встречаются в нашей Галактике на расстоянии 70 тысяч световых лет от Солнца в Созвездии Южный Крест. 

Вместе с тем учёные провели спектральный анализ потоков и определили, что химический состав облаков и потоков несколько различаются, что свидетельствует о том, что эти потоки могут иметь иную природу. Какую? 

Самой крупной туманностью считается спиральная туманность, окружающая одну из крупнейших известных галактик NGC 262. Её максимальный размер составляет 1 миллион 300 тысяч световых лет.

Считается, что звёзды рождаются из холодных разреженных облаков межзвёздного газа, который сжимается под действием гравитационной неустойчивости, постепенно принимая форму шара. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в тепло, и температура сжатого газового шара возрастает до 15-20 миллионов К. Затем возникает термоядерная реакция, в результате которой газовый шар превращается в звезду.

Космическая пыль: источник происхождения

Для учёных одной из самых интересных составляющих межзвёздного пространства является космическая пыль, чьё присутствие было обнаружено практически везде — от Солнечной системы до самых далеких галактик и квазаров. Причём размеры и химический состав космической пыли существенно отличаются в зависимости от места их обнаружения. 

Одним из свойств космической пыли является ее способность рассеивать и поглощать падающее излучение. Рассеянное излучение распространяется во все стороны с той же длиной волны, что и падающее. На поверхность Земли ежегодно выпадает от 20 000 до 40 000 тонн космической пыли. 

Считается, что космическая пыль образуется из остатков распавшихся планет, а также частиц вещества, выброшенных Солнцем и принесённых на Землю солнечным ветром.

Безусловно, остатки планет, а также частицы, выброшенные Солнцем, могут являться источниками космической пыли. Но насколько стабилен их поток? Если масса потока солнечных частиц составляет около 40 000 тонн только на поверхности Земли (это примерно 150 млн. кв. км.), то сколько тонн таких частиц выбрасывает Солнце в пространство Солнечной системы?

Кроме того, полагаю, что равномерное распределение космической пыли по поверхности Земли маловероятно, поскольку магнитное поле планеты надежно защищает её от проникновения солнечного ветра, за исключением областей Северного и Южного полюсов.  

Космическая пыль может быть межгалактической, галактической, межзвёздной, околозвёздной, околопланетной, астероидной, кометной, а в Солнечной системе ещё и пылью пояса Койпера, а также потоками пыли, проходящими сквозь Солнечную систему. Она наблюдается в виде тёмных или светлых облаков. В её составе обнаружены молекулы окиси углерода, карбида кремния, силикатов, углеводородов и льда.

Современные исследования космической пыли осуществляются с помощью детекторов, устанавливаемых на автоматических межпланетных станциях. Эти детекторы работают на таких станциях, как Пионер-10, Пионер-11, Галилео, Вояджер-1, Вояджер-2, и они могут измерять параметры космической пыли.

Интересно отметить, что космическая пыль не статична, а достаточно быстро перемещается в пространстве со скоростью 10-40 км/сек. Если космическая пыль движется в потоках с такой огромной скоростью, то что является источником этих потоков? 

Во Вселенной газопылевые облака представляют собой огромные конгломерации, которые способны формировать туманности – участки межзвёздной космической среды. Туманности могут быть светлые, выделяющиеся своим излучением, или тёмные, поглощающие излучения.

Самая крупная из известных в настоящее время туманностей в нашей Местной группе – туманность Тарантул, находящаяся от Земли на расстоянии 170 000 световых лет. Её протяжённость составляет более 1800 световых лет.

Солнечный ветер – защитник Солнечной системы?

Согласно астрономическим данным, солнечный ветер представляет собой поток ионизированных частиц. Из солнечной короны они излучаются в космическое пространство со скоростью 300–1200 км/сек. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц). Из-за солнечного ветра Солнце ежесекундно теряет около одного миллиона тонн вещества. С ним связаны такие природные явления, как магнитные бури и полярные сияния. Эффект давления солнечного ветра используется в космонавтике для движения космических зондов в космическом пространстве.

В то же время солнечный ветер выполняет защитную функцию нашей Солнечной системы, образуя границу гелиосферы, которая препятствует проникновению межзвёздного газа и значительно уменьшает влияние приходящих извне космических лучей.

Интересно отметить, что около Солнца скорость потоков солнечного ветра ниже, чем вдали от него. Астрофизики считают, что это происходит из-за давления вновь излучаемых частиц на солнечный ветер, ускоряя его по мере приближения к Земле. Но так ли это на самом деле?

Потоки солнечных частиц способны вызывать на Земле геомагнитные бури, которые могут оказывать влияние на технику, радиосвязь, а также самочувствие метеозависимых людей.

Тёмная энергия и тёмная материя: что скрывают эти понятия?

Гипотетическая темная материя, как составляющая межзвездного вещества, представляет особый интерес для ученых. Астрофизики предполагают, что она занимает около 80% массы всей материи во Вселенной. Считается, что тёмная материя оказывает гравитационное воздействие, влияя на движение звёзд как в Млечном пути, так и в других галактиках. В то же время эта материя не вступает в электромагнитные взаимодействия, не излучает и не поглощает свет или энергию, и абсолютно невидима. 

По одной из гипотез, она состоит из вимпов – слабовзаимодействующих массивных частиц. Вот только они так и не были обнаружены, а сама тёмная материя существует лишь в теории. Часть астрофизиков считает, что в спиральных галактиках содержится больше массы, чем наблюдается визуально. По их мнению, если бы тёмной материи не существовало, галактики бы просто распались, так как одной гравитации мало, чтобы удержать все объекты вместе. В свою очередь, также научно не подтверждена гипотетическая тёмная энергия, которая, как предполагается противодействует гравитации и является причиной расширения Вселенной с ускорением. 

Однако в последнее время, ввиду невозможности подтвердить существование тёмной материи, все больше учёных сомневается в её существовании. В частности, в 2010 физик из Голландии Эрик Верлинде выдвинул альтернативную гипотезу, почему галактики не разваливаются на части, назвав ее теорией «эмергентной гравитации». По его мнению, видимая материя взаимодействует с тёмной энергией, вытесняя ее и замедляя процесс расширения Вселенной там, где ее плотность максимально высока. Фактически, как считает ученый, видимая материя порождает эффект, который мы сегодня приписываем «тёмной материи», которой не существует. 

В свою очередь, ученые из Оксфордского университета с помощью компьютерного моделирования выдвинули гипотезу, что тёмная материя и тёмная энергия являются текучей субстанцией, обладающей отрицательной массой, когда отталкиваемое вещество не удаляется, а приближается.

Гипотез о возможности существования тёмной материи и тёмной энергии много и поэтому хотелось бы разобраться, действительно ли они существуют? 

Космические лучи: атака на Землю

Космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся в космическом пространстве с высокими энергиями. Энергетический спектр космических лучей на 92 % состоит из энергии протонов, на 6 % – из энергии ядер гелия и на 2 % – из энергии электронов и ядер атомов более тяжёлых элементов. Формируясь за пределами Солнечной системы, космические лучи регулярно бомбардируют Землю частицами, входящими в их состав. Для людей на Земле они не опасны, поскольку человечество находится под защитой атмосферы планеты. 

В то же время астрофизики до сих пор не ответили на вопрос, откуда у космических лучей так много энергии? Ведь она в сотни миллионов раз больше, чем энергия частиц в Большом адронном коллайдере, как отметил в своём интервью директор НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета Андрей Танаев. По мнению учёных, «ускорители» космических лучей расположены не в нашей галактике. Но место их зарождения астрофизики пока не определили, что является еще одной загадкой, требующей ответа. 

Это лишь часть вопросов о составе межзвёздной материи, поиску ответов на которые учёным важно уделить самое пристальное внимание.