Все, что нагревается, должно каким-то образом излучать эту энергию. Вот что мы видим, когда это происходит во Вселенной.
Ключевые выводы
- От Большого взрыва до активных звезд, звездных катаклизмов, сталкивающихся галактик и даже нейтронных звезд и черных дыр - во Вселенной существует множество источников энергии.
- Когда обычная материя во Вселенной находится в этих средах, она также нагревается, что приводит к впечатляющим астрономическим последствиям.
- Некоторые из этих событий могут даже формировать целые галактики, создавая самые большие из известных одиночных структур.
В среднем сегодняшняя Вселенная - чрезвычайно холодное место.
В любую эпоху нашей космической истории любой наблюдатель испытает однородную «ванну» всенаправленного излучения, возникшего во время Большого Взрыва. Сегодня, с нашей точки зрения, она всего на 2,725 К выше абсолютного нуля и, следовательно, наблюдается как космический микроволновый фон с пиком в микроволновых частотах. На больших космических расстояниях, когда мы оглядываемся назад во времени, эта температура была более высокой в зависимости от красного смещения наблюдаемого удаленного объекта. С наступлением нового года реликтовое излучение еще больше охлаждается примерно на 0,2 нанокельвина.
В межгалактическом пространстве только оставшееся от Большого взрыва свечение существенно нагревает вещество.
Видимое (слева) и инфракрасное (справа) изображения богатой пылью глобулы Бока, Барнард 68. Инфракрасный свет почти не блокируется, так как пылинки меньшего размера слишком малы, чтобы взаимодействуют с длинноволновым светом. На более длинных волнах можно увидеть больше Вселенной за пределами пыли, блокирующей свет.
При температуре 2,725 К выше абсолютного нуля холоднее только места, которые активно охлаждаются.
Цветное изображение туманности Бумеранг, полученное космическим телескопом Хаббл. Газ, выброшенный этой звездой, невероятно быстро расширился, что привело к адиабатическому охлаждению. Внутри него есть места, которые холоднее, чем даже оставшееся после Большого Взрыва свечение, достигающее минимум около 1 К, или всего лишь треть температуры космического микроволнового фона.
Однако многочисленные механизмы нагревают вещество Вселенной.
Самая большая группа новорождённых звёзд в нашей Местной группе галактик, скопление R136, содержит самые массивные звёзды, которые мы когда-либо открывали: самая крупная из них более чем в 250 раз превышает массу нашего Солнца. Самые яркие из обнаруженных здесь звезд более чем в 8 000 000 раз ярче нашего Солнца. И тем не менее, эти звезды достигают температуры только до ~ 50 000 K, а белые карлики, звезды Вольфа-Райе и нейтронные звезды становятся все более горячими.
Звезды, например, производят радиацию, которая бьет по ближайшим газам и пыли.
Это изображение Мессье 16, туманности Орел, полученное в дальнем инфракрасном диапазоне, демонстрирует множество нейтральных атомов, нагретых от 10 К (красный) до 40 К (синий) звездами, которые уже сформировались внутри. Ниже центра изображения знаменитые Столпы Творения можно увидеть в дальнем инфракрасном свете, уникальный вид этого объекта благодаря непревзойденным возможностям обсерватории ЕКА Гершель.
Нагретый до десятков градусов выше абсолютного нуля, он излучает в дальнем инфракрасном диапазоне.
Знаменитые Столпы Творения внутри туманности Орла - это место, где формируются новые звезды в борьбе с испаряющимся газом. В видимом свете (слева) новые звезды в значительной степени скрыты, в то время как инфракрасный свет позволяет нам смотреть сквозь пыль на вновь формирующиеся звезды и протозвезды внутри. Еще более холодный газ будет излучать на более длинных волнах.
Ближе к новой формирующейся звезде излучение вырезает протопланетные структуры.
Выборка из 20 протопланетных дисков вокруг молодых, зарождающихся звезд, измеренная в рамках проекта Disk Substructures at High Angular Resolution: DSHARP. Наблюдения, подобные этим, научили нас тому, что протопланетные диски формируются в основном в одной плоскости и, как правило, поддерживают сценарий аккреции ядра при формировании планет. Структуры диска видны как в инфракрасном, так и в миллиметровом/субмиллиметровом диапазоне длин волн.
Нагретые до сотен градусов, эти протопланетные диски излучают в инфракрасном диапазоне.
В области звездообразования Sh 2-106 наблюдается интересный набор явлений, включая освещенный газ, яркую центральную звезду, которая обеспечивает это освещение, и голубые отражения от газа, который еще не унесен ветром. Различные звезды в этом регионе, вероятно, произошли от комбинации звезд с разным прошлым и историей поколений, но ни одна из них не является нетронутой: все они содержат значительное количество тяжелых элементов.
Явления более высоких энергий, однако, могут привести к захватывающим астрономическим последствиям.
Это изображение демонстрирует рассеянное звездное скопление NGC 290, полученное Хабблом. Эти звезды, изображенные здесь, имеют разные цвета, потому что они имеют разную температуру, поэтому более горячие звезды излучают больше синего, чем красного света, а более холодные излучают больше красного, чем синего. Различные цвета могут быть обнаружены только при отображении звезд с разными длинами волн, но именно самые голубые, самые горячие и самые яркие звезды в первую очередь вызывают нагрев и ионизацию окружающего вещества.
Самые горячие и массивные молодые звезды ярко светятся в ультрафиолетовом свете.
Большинство галактик содержат лишь несколько областей звездообразования: там, где коллапсирует газ, формируются новые звезды, а в пузыре, окружающем эту область, обнаруживается ионизированный водород. В галактике со вспышкой звездообразования почти вся галактика сама по себе является областью звездообразования, причем M82, галактика Сигара, расположенная сразу за пределами Местной группы, является ближайшей к ней с такими свойствами. Излучение горячих молодых звезд ионизирует различные атомарные и молекулярные газы, особенно в центральной части галактики. Вспышки, сверхновые звезды и радиация будут обычным явлением в этих средах.
Излучение нагревает газ до тысяч градусов, ионизируя многочисленные атомы и молекулы.
Когда центральная звезда в умирающей звездной системе нагревается примерно до температуры ~30 000 К, она становится достаточно горячей, чтобы ионизировать ранее выброшенный материал, создавая настоящую планетарную туманность в случае Солнцеподобная звезда. Здесь NGC 7027 совсем недавно преодолела этот порог и все еще быстро расширяется. При диаметре всего от 0,1 до 0,2 световых года это одна из самых маленьких и самых молодых известных планетарных туманностей.
Когда электроны каскадно спускаются вниз по своим энергетическим уровням, они испускают различные сигнатуры излучения.
Большое Магелланово Облако является домом для самой близкой сверхновой звезды прошлого века, произошедшей в 1987 году. Розовые области здесь не искусственные, а являются сигналами ионизированного водорода и активного звездообразования, вероятно, вызванными гравитационными взаимодействиями и приливными силами. Розовые области возникают, когда электроны падают обратно на ионизированные ядра водорода и переходят с уровня энергии n=3 на уровень энергии n=2, производя фотоны с длиной волны точно 656,3 нм.
При температуре в несколько тысяч градусов водород ионизируется, окрашивая туманности в розовый цвет с эмиссионными линиями.
Вокруг множества звездных трупов и умирающих звезд дважды ионизированные атомы кислорода излучают характерное зеленое свечение, поскольку электроны каскадно спускаются вниз по различным энергетическим уровням при нагревании до температур, превышающих ~50 000 К. Здесь, планетарная туманность IC 1295 ярко сияет.
Выше ~50 000 K вокруг умирающих звезд дважды ионизированный кислород светится жутким зеленым светом.
Это изображение, полученное рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА, показывает расположение различных элементов в остатке сверхновой Кассиопеи А, включая кремний (красный), серу (желтый), кальций (зеленый) и железо (фиолетовый). Каждый из этих элементов испускает рентгеновские лучи в узком диапазоне энергий, что позволяет создавать карты их местоположения.
Сталкивающиеся галактики еще больше нагревают газ, что приводит к рентгеновскому излучению.
Рентгеновские (розовые) и общие материальные (синие) карты различных сталкивающихся галактических скоплений показывают четкое разделение между обычной материей и гравитационными эффектами, что является одним из самых убедительных доказательств существования темной материи. Рентгеновское излучение бывает двух видов: мягкое (с более низкой энергией) и жесткое (с более высокой энергией), где столкновения галактик могут создавать температуры, превышающие несколько сотен тысяч градусов. Между тем тот факт, что гравитационные эффекты (обозначены синим цветом) смещены от места расположения массы относительно обычной материи (розовый цвет), показывает, что темная материя должна присутствовать.
Но излучающие нейтронные звезды и черные дыры могут формировать целые галактики.
Радиоэлементы, показанные здесь оранжевым цветом, выделяют гигантскую радиогалактику Альционей, а также центральную черную дыру, ее джеты и лепестки на обоих концах. Эта особенность является самой большой из известных во Вселенной, соответствующей одной галактике, и делает Альционей самой большой известной галактикой во Вселенной в настоящее время. Хотя здесь показаны только радио- и инфракрасные характеристики, они также излучают в высокоэнергетической части спектра.
Производя гамма-фотоны самой высокой энергии, даже Большой адронный коллайдер не может конкурировать.
Вид гамма-излучения, сделанный Ферми, показывает излучение нашей галактики, внегалактических объектов, пульсаров и, как показано здесь, остатков сверхновых.
Mostly Mute Monday рассказывает астрономическую историю с помощью изображений, визуальных эффектов и не более 200 слов. Меньше болтай; улыбайся больше.