Форму самых красивых туманностей определяет недостаток газов

Первые планетарные туманности были открыты еще в XVIII веке и получили свое название за сходство с дисками планет, видимых в тогдашние телескопы. Однако уже тогда было понятно, что сходство – чисто внешнее: планетарные туманности не перемещались среди звезд, а потому должны были быть существенно более удаленными объектами, чем спутники Солнца.

Умирающая красота

С развитием телескопов планетарные туманности, которые становились видны во все больших подробностях, постепенно набирали популярность у астрономов-наблюдателей. Но пока изящные формы этих объектов привлекали взгляд, их происхождение оставалось загадкой. Лишь в XX веке, вооружившись теорией эволюции и строения звезд, ученые разобрались, что планетарная туманность – это умирание, финальная стадия эволюции не слишком массивной звезды.

 

Когда в ее ядре заканчивается ядерное горючее, внешняя оболочка отделяется от светила и медленно рассеивается в окружающем пространстве. В центре же остается очень плотный и горячий «звездный труп» – остывающий белый карлик. Это его ультрафиолетовые лучи заставляют сброшенный газ светиться: врезаясь в атомы, они выбивают из них электроны. Когда последние возвращаются на свое место, атомы испускают свет в положенных им спектральных линиях, расцвечивая газ самыми разнообразными оттенками.

 

Благодаря этим ярким краскам планетарные туманности стали одной из визитных карточек Космического телескопа имени Хаббла. Конечно, эти объекты исследовали и задолго до «Хаббла», однако именно космический телескоп открыл невероятное многообразие форм планетарных туманностей. На смену привычным для звездочетов прошлого века «кольцам», «улиткам» и «гантелям» пришли объекты самых причудливых форм – «муравьи», «кошачьи глаза», «песочные часы» и даже «эскимосы».

 

В некоторых случаях мы видим симметричные биполярные выбросы, в некоторых – странные раскручивающиеся спирали, в некоторых – настоящие соцветия каких-то нераскрывшихся космических бутонов (см. галерею, сопровождающую эту заметку). Эти объекты продолжают радовать любителей астрономии – и задавать головную боль профессиональным астрономам, которые никак не могут объяснить, какие физические процессы изваяли эти произведения небесного искусства.

Нарушители симметрии

Недостатка в предположениях нет, и большинство из них кружатся вокруг двух основных идей: двойственности центральной звезды и наличия у нее магнитного поля. Если у центрального белого карлика есть напарник, то он вполне может изменить геометрию истечения газа, блокируя его отток в плоскости орбиты системы, и создать две симметричные полости плотного газа. Там, где течет газ, ярко светится – получается типичная биполярная туманность.

 

Магнетизм – тоже неплохой ваятель: как только газ оказывается ионизованным, его движением начинает управлять магнитное поле, линии индукции которого направляют истечение газа туда, куда им нужно. Свой вклад в создание формы планетарной туманности может внести и быстрое вращение центральной звезды, которое тоже нарушает сферическую симметрию расширения сброшенной оболочки.

 

Тем не менее, на поверку оказывается, что все эти объяснения – по отдельности и в четырех возможных комбинациях, со всеми мыслимыми тонкостями и подробностями процессов в газе — все-таки неспособны полностью объяснить форму ни одной планетарной туманности, наблюдающейся в действительности. Возможно, причина неудач в том, что мы пока просто не умеем учитывать все процессы, которые нужно учитывать, и со временем наши модели станут более адекватными.

Пусто — где густо

Но не исключено, что мы ищем объяснение в совершенно неверном направлении. По крайней мере, так полагает профессор Сунь Го из университета Тайваня в обзорной статье, подготовленной для Publications of the Astronomical Society of Australia. И к его словам стоит прислушаться: Го – один из ведущих мировых специалистов по планетарным туманностям, автор многочисленных статей, монографий и популярных книг, посвященных этому предмету.

 

Гипотеза Го состоит в том, что яркие участки планетарных туманностей – это не наиболее плотные, а как раз наоборот, самые разреженные их части. По словам Го, благодаря низкой плотности через эти участки туманности легко проходит ультрафиолетовое излучение, которое и заставляет присутствующий здесь газ ярко светиться благодаря ионизации и последующей рекомбинации атомов.

 

А вот как раз плотные участки планетарных туманностей мы не видим, потому что те же ультрафиолетовые фотоны там не в состоянии забраться внутрь газа хоть сколько-нибудь далеко и вызвать его заметное свечение. По мнению Го, форму несимметричных туманностей определяют «дырки» в плотных облаках пыли и газа, которые могут окружать белый карлик. Через эти отверстия ультрафиолетовое излучение, как луч прожектора, проникает в расширяющуюся газовую оболочку и заставляет ее светиться, придавая туманностям самые разные формы.

ALMA рассудит

Будучи ответственным ученым, Сунь Го называет свое предположение «гипотезой» и не настаивает на ее исключительной истинности. Более того, он приводит примеры ситуаций, в которых она не работает. Однако ученый уверен, что его подход поможет объяснить формы тех планетарных туманностей, которые сейчас не поддаются объяснению – ну, или хотя бы расширит границы поиска возможных объяснений.

 

Решающее же слово, как всегда в науке, будет за наблюдениями. Плотный и холодный нейтральный газ трудно найти с помощью оптических телескопов, которые сейчас являются главным средством исследования планетарных туманностей. Однако в его составе должно быть достаточно молекул, а они неплохо излучают в миллиметровом диапазоне радиоволн. Вот такие телескопы и должны сфокусироваться на изучении планетарных туманностей, полагает Го. Особые надежды он возлагает на массив антенн ALMA в пустыне Атакама; строительство этого гигантского радиотелескопа уже началось.