Молекулярное облако

Темное пространство космоса украшают не только звезды, собирающиеся в галактики и скопления, но и огромные разветвленные структуры — молекулярные облака. Если такие облака отвечают ряду условий, из них могут формироваться новые звезды, и в таком случае их называют поэтичным научным термином «звездные колыбели». Эти наиболее плотные области межзвездной среды зачастую попадают в объективы космических телескопов и поражают воображение своей красотой. В этой статье мы поговорим о структуре и свойствах молекулярных облаков, рассмотрим самые известные подобные структуры и приведем некоторые занимательные факты о них.

Что такое молекулярные облака?

Молекулярные облака — это холодные плотные области космоса, состоящие из межзвездных газа и пыли. Температура вещества в них, как правило, составляет от -260 до -170 °C. Конечно, в привычном для нас понимании их плотность совсем невысока, а выглядит такой лишь в сравнении с бескрайними областями разреженного газа, где на 1 см³ объема приходится порядка 1 атома. В молекулярных облаках в таком же объеме пространства может находиться от 100 до 1 млн молекул, большая часть которых — двухатомные.

При наблюдении в телескоп молекулярные облака выглядят размытыми, поэтому их часто называют туманностями. Выделяют 2 основных типа туманностей, которые могут состоять из молекул:

• темные — находятся на отдалении от звезд и поглощают почти весь излучаемый ими свет;
• отражательные — находятся на таком расстоянии от звезд, при котором молекулы рассеивают (визуально отражают) свет.

Внутренняя структура молекулярных облаков

Молекулярные облака имеют неоднородную самоподобную структуру, то есть структура отдельных частей повторяет структуру целого. В газовой среде естественным образом возникает турбулентность, вызванная гравитационной неустойчивостью. Из-за этого потоки вещества формируют нитевидные образования, которые выглядят одинаково в разных масштабах. В природе наглядным примером такой структуры служит капуста романеско, в которой крупные бутоны состоят из множества аналогичных, но маленьких бутонов. Таким образом, хотя молекулярные облака имеют хаотичную и размытую форму, их внутренняя организация отличается упорядоченностью.

Молекулярные облака на 98-99% состоят из газов, самым распространенным среди которых является водород (H₂). Отдельные атомы этого вещества стекаются в плотные области галактик — спиральные рукава. Однако вероятность того, что 2 атома водорода сблизятся достаточно для формирования ковалентной связи и образования молекулы, минимальна. Объединению атомов способствуют частицы межзвездной пыли, состоящие из углерода, силикатов и водяного льда. Пылинки, на поверхности которых оседает водород, сначала выступают катализаторами химической реакции, а затем защищают сформированные молекулы от распада (диссоциации) на атомы и ионы. В результате межзвездная пыль, хотя и составляет не более 1% массы молекулярного облака, играет важнейшую роль в его формировании и поддержании структуры.

Вторым по распространенности элементом в молекулярных облаках является гелий. Так как это инертный газ, он не вступает в химические реакции с другими веществами и существует в одноатомной форме. В условиях экстремального холода на поверхности пылинок образуются молекулы не только водорода, но и угарного газа (CO), а также ряда органических соединений:

• метанола — CH₃OH;
• этанола — C₂H₅OH;
• бензола — C₆H₆.

Исследования показывают, что в молекулярных облаках могут формироваться и более сложные органические соединения, в частности, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). По одной из версий, благодаря преобразованию ПАУ возникли молекулы ДНК и РНК — необходимые компоненты для зарождения жизни на Земле.

Типы молекулярных облаков

Молекулярные облака могут отличаться по составу, плотности, температуре, способности к звездообразованию и ряду других параметров. Однако в основной классификации ученые выделяют 2 типа молекулярных облаков, исходя из их размера и массы.

• Маленькие — обособленные темные туманности, большинство из которых имеют массу от 2 до 100 солнечных масс и занимают область пространство протяженностью до 1 светового года. Их часто называют глобулами Бока в честь астронома Барта Бока, который первым обнаружил такие структуры в 1940-х годах. В глобулах Бока часто образуются системы из 2 или более гравитационно взаимосвязанных звезд.
• Гигантские (ГМО) — колоссальные скопления молекулярного газа и пыли могут иметь диаметр более 100 световых лет. Их совокупная масса варьируется от 10 000 до 10 млн масс Солнца. Именно в ГМО наиболее четко прослеживается нитевидная самоподобная структура. Часто такие облака перекрывают значительную часть созвездий, от чего происходят их названия, например, облако Ориона. Из наиболее крупных комплексов ГМО формируется так много звезд, что они собираются в скопления или галактики.

Формирование звезд и планет в молекулярных облаках

Как мы уже знаем, молекулярные облака характеризуются гравитационной неустойчивостью. Структурные изменения часто происходят вследствие столкновения двух облаков или при воздействии ударной волны, вызванной взрывом сверхновой. Из-за этого некоторые их фрагменты со временем становятся более плотными и массивными — формируются ядра молекулярных облаков.

В обычном состоянии облако находится в гидростатическом равновесии, то есть кинетическая энергия давления газов уравновешивает потенциальную энергию силы гравитации. Но когда масса превышает критический предел, давление газов больше не может поддерживать разреженную структуру облака, и оно начинает быстро сжиматься. Этот процесс называют гравитационным коллапсом.

Важным условием для звездообразования является температура вещества. При одинаковом показателе давления холодная газовая среда будет плотнее, чем горячая, из-за меньшей скорости движения частиц внутри нее. Поэтому звездными колыбелями становятся именно холодные ядра молекулярных облаков. Важную роль при охлаждении играет межзвездная пыль. Поглощая ультрафиолетовое излучение, пылинки переизлучают его в инфракрасном диапазоне, поддерживая таким образом температурную стабильность.

В результате гравитационного коллапса формируется плотная газовая сфера — протозвезда. При достижении температуры порядка 2 000 °C молекулы водорода распадаются на атомы, которые впоследствии ионизируются, то есть приобретают электрический заряд. Эти процессы существенно замедляют сжатие, но не останавливают его полностью. Спустя сотни тысяч, а иногда и миллионы лет давление в недрах протозвезды возрастает так сильно, что запускаются реакции термоядерного синтеза, и на небе вспыхивает новая звезда.

Планетарные системы также начинают формироваться на ранних этапах звездной эволюции. Собственное излучение протозвезды разрушает окружающую ее часть молекулярного облака, из которой формируется протопланетный диск. Вращаясь по орбите вокруг протозвезды, частицы пыли и газа вступают в реакции друг с другом, образуя сначала планетезимали, а затем протопланеты — небольшие и крупные тела, из которых впоследствии формируются планеты.

Известные молекулярные облака

Ученые открыли несколько тысяч молекулярных облаков в Млечном Пути и других галактиках. И благодаря широким возможностям радио- и инфракрасных телескопов, способных зафиксировать слабое излучение на значительном отдалении от Земли, количество известных нам туманностей постоянно растет. В этом разделе мы рассмотрим несколько интересных и хорошо изученных молекулярных облаков.

• M4.7-0.8. В марте 2025 года с помощью радиотелескопа «Green Bank» ученые обнаружили крупнейшее на тот момент молекулярное облако в нашей галактике. Его диаметр оценивается в 200 световых лет, а масса в 160 000 раз превышает солнечную. Предварительные исследования показали наличие как минимум двух областей, условия в которых пригодны для звездообразования.
• Облако Стрелец B2. Ранее крупнейшим в Млечном Пути молекулярным облаком считалось газопылевое формирование в непосредственной близости от галактического ядра. При диаметре в 150 световых лет масса облака в 3 млн раз превышает массу Солнца. Стрелец B2 примерно в 30 раз плотнее типичного молекулярного облака, что объясняется сильным гравитационным полем сверхмассивной черной дыры Стрелец A и окружающих ее звезд.
• Облако Ориона. Область пространства в созвездии Ориона представлена обширным комплексом, включающим несколько десятков туманностей общей протяженностью в несколько сотен световых лет. Это одна из самых активных звездных колыбелей галактики, содержащая множество протопланетных дисков и очень молодых звезд, возраст которых не превышает 10 млн лет. В ясную безлунную ночь туманность Ориона можно наблюдать в бинокль, а иногда и невооруженным глазом.
• Облако Тельца. На расстоянии в 450 световых лет от Земли находится, вероятно, ближайшая к нам область звездообразования. Исследования облака Тельца помогли ученым понять, как именно из разреженных частиц газа и пыли формируются новые звезды. В некоторых из них термоядерные реакции запустились всего 1-2 млн лет назад. Благодаря близкому расстоянию объекта от Земли ученые также могут наблюдать в облаке Тельца недавно сформированные экзопланеты, расширяя знания о принципах их эволюции.

Топ-3 факта о молекулярных облаках

• Существует гипотеза о том, что в молекулярных облаках могут существовать простейшие формы жизни. Китайский астроном Лэй Фэн считает, что холодная водородная среда может выполнять роль воды на Земле, запуская биохимические реакции. Вступая в реакцию с угарным газом, гипотетические бактерии могут получать энергию, производя побочные продукты в виде углеводородов — основных компонентов органических соединений.
• Хотя водород составляет подавляющую часть вещества молекулярных облаков, ученые не могут обнаружить его напрямую из-за очень слабого электромагнитного излучения. Ключевыми индикаторами наличия водорода служат изменения интенсивности радиоизлучения угарного газа и инфракрасного излучения пылевых частиц.
• По космическим меркам молекулярные облака существуют совсем недолго — в среднем от 200 000 до 2 млн лет. Однако при наличии достаточного количества пыли этого времени хватает, чтобы облака не растворялись в пространстве, а формировали новые звезды, которые будут гореть миллионы, миллиарды или даже триллионы лет.

***

Исследования молекулярных облаков расширяют границы нашего понимания устройства Вселенной. Кажется удивительным, как из структур столь малой плотности формируются звезды и даже целые галактики. Многочисленные данные о химических процессах внутри облаков открывают новые горизонты для астробиологии. Возможно, первые внеземные формы жизни будут обнаружены не на других планетах и экзопланетах, а в молекулярных облаках — важнейших компонентах мироздания.

Иван Стефанов

Изображение на обложке: ESO/T. Preibisch, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons