Межзвездная пыль

Космос выглядит совершенно пустым, но на самом деле он таковым не является. Подавляющая часть пространства галактик заполнена разреженным газом, но в нем также встречаются и твердые частицы — межзвездная пыль. И хотя массовая доля ее содержания не превышает даже 1%, межзвездная пыль сыграла и продолжает играть важную роль в процессах формирования Вселенной. В этой статье мы поговорим о главных свойствах и значении межзвездной пыли, разберем методы исследований, применяемые при ее изучении, и вспомним некоторые интересные факты об этих частицах.

Физико-химические свойства межзвездной пыли

Межзвездная пыль — это один из типов космической пыли, определенный по ее местоположению в пространстве. Космическая пыль также может быть околопланетной, межпланетной и межгалактической. Солнечная система регулярно пересекает скопления межзвездной пыли, и некоторые ее части даже достигают земной атмосферы, что обеспечивает хорошие возможности для исследований.

Пыль, которая встречается в пространстве между звездами, представляет собой микроскопические частицы размером от 10 до 1 000 нанометров. Это настолько малые значения, что в поперечном разрезе человеческого волоса могли бы поместиться десятки тысяч частиц межзвездной пыли. Пылинки имеют неправильную форму и типичную структуру, в которой выделяют твердое ядро и внешнюю ледяную оболочку. По мере сближения с Солнцем или другими звездами внешний слой нагревается и улетучивается, оставляя лишь ядро. В большинстве случаев состав частиц включает:

• углерод и его производные, такие как графит;
• силикаты, то есть различные соединения кремния с железом и магнием;
• водяной лед.

Межзвездная пыль образуется во внешних слоях атмосферы звезд гигантов и сверхгигантов на поздних этапах их эволюции. Когда среда остается достаточно плотной, а температура снижается примерно до 1 500 °C, формируется множество мельчайших сгустков тугоплавкого вещества (углерод и силикаты). Отдаляясь от звезды под воздействием солнечного ветра и светового давления, первичные частицы остывают и соединяются с легкоплавким веществом (водяным льдом). В межзвездной среде температура пылинок всего на 10-20 °C превышает значение абсолютного нуля: -273,15 °C.

Частицы межзвездной пыли, размер которых приблизительно равен длине волн видимого света, от 400 до 780 нанометров, весьма эффективно рассеивают его. При этом они преобразуют тепловую энергию и сами испускают электромагнитное излучение в дальнем инфракрасном диапазоне. Конечно, в масштабе одной пылинки эти эффекты проявляют себя очень незначительно, однако ситуация кардинальным образом меняется при достаточно высокой концентрации частиц. С одной стороны, облака с высоким содержанием межзвездной пыли мешают наблюдать перекрываемые ими объекты, с другой — являются самостоятельными и очень важными объектами для исследований.

Роль межзвездной пыли в формировании Вселенной

Межзвездная пыль начала появляться на ранних этапах эволюции Вселенной, более 13 млрд лет назад. Основными компонентами, необходимыми для рождения звезд, являются газы — водород и гелий. Однако коллапсировать под действием собственной гравитации могут исключительно холодные газы. Бурное звездообразование и взрывы сверхновых приводили к постепенному нагреву межзвездного газа в молодых галактических дисках, что препятствовало их дальнейшему развитию. На этом этапе запустились механизмы саморегуляции, ключевую роль в которых сыграла межзвездная пыль. Поглощая тепловое и световое излучение, пылинки способствовали охлаждению газов и, как следствие, возобновлению циклов звездообразования.

При этом межзвездная пыль не ограничивается косвенной ролью в звездообразовании. Она играет роль катализатора, то есть ускоряет химические реакции между молекулами газов, благодаря чему они могут формировать плотные и масштабные структуры. Компьютерная модель 2012 года, которую разработали геофизик Фред Цисла и астроном Скотт Сандфорд, показала, что частицы пыли в протопланетном диске вокруг Солнца вполне могли стать исходными компонентами не только самих планет, но и синтеза органических молекул — строительных блоков жизни. Если эта гипотеза верна, все мы являемся производными межзвездной пыли.

Астрофизические эффекты межзвездной пыли

Мы уже упомянули о свойстве межзвездной пыли рассеивать и поглощать электромагнитное излучение, в частности, видимый свет. Это приводит к такому эффекту, как экстинкция — ослабление излучения небесных тел, скрытых за облаками с высоким содержанием межзвездной пыли. В некоторых случаях видимый свет от удаленных объектов ослабевает так сильно, что они становятся полностью недоступными для оптических наблюдений. Именно из-за экстинкции астрономы не могут увидеть ядро нашей родной галактики — Млечного Пути.

При этом межзвездная пыль может не только полностью перекрывать, но и искажать астрономические объекты. Важным разделом астрономии является спектроскопия — изучение свойств звезд по их спектру. Чем горячее звезда, тем сильнее она излучает в синей части спектра, а свет от более холодных звезд смещен в красную часть. От этого свойства происходят названия «голубые гиганты» и «красные карлики». Межзвездная пыль ослабляет синий свет гораздо сильнее, чем красный, что приводит к такому эффекту, как межзвездное покраснение. Свет звезд одинаковой температуры выглядит все более и более красным по мере удаленности от Солнечной системы из-за воздействия межзвездной пыли.

Так как частицы межзвездной пыли имеют несферическую форму, они способствуют возникновению эффекта поляризации света. Это означает, что световые волны вследствие рассеяния упорядочиваются и колеблются в строго определенном направлении, перпендикулярном падающим лучам. При этом сами пылинки зачастую обладают парамагнитными свойствами, то есть временно намагничиваются под воздействием внешнего магнитного поля и выстраиваются вдоль его силовых линий. Эффект поляризации света, вызванный межзвездной пылью, позволяет ученым изучать распределение и интенсивность магнитных полей в галактике.

Исследования межзвездной пыли

С развитием технологий и расширением понимая принципов устройства галактик межзвездную пыль перестали воспринимать исключительно как помеху для астрономических наблюдений. В настоящее время исследование ее свойств становится междисциплинарным явлением, объединяя ученых разных специальностей.

• физики расширяют свои познания о свойствах твердых тел, термодинамике и теории электромагнетизма;
• химики получают возможность изучать особенности преобразования вещества в вакууме и явления, происходящие на границах фаз в газопылевых структурах;
• математики проверяют существующие и разрабатывают новые статистические методы, а также изучают фрактальные кластеры, формируемые межзвездной пылью.

Основным методом обнаружения межзвездной пыли является дистанционное зондирование. Как мы уже знаем, от частиц исходит инфракрасное излучение, которое могут зафиксировать телескопы, оснащенные соответствующим оборудованием. В 2025 году наиболее эффективным инструментом дистанционного зондирования является космический телескоп «Джеймс Уэбб». Сделанные им снимки туманностей позволяют с высокой степенью точности определять состав, концентрацию, физические и химические свойства пыли.

Однако для анализа межзвездной пыли вовсе необязательно искать ее где-то вдалеке. Благодаря нейтральному электрическому заряду пылинки испытывают воздействие магнитного поля Солнца лишь в небольшой степени, а потому часто проникают в Солнечную систему из межзвездной среды. Некоторые из них достигают земной атмосферы, где их собирают с помощью специальных коллекторов стратосферных самолетов. Также межзвездная пыль попадает на Землю вместе с метеоритами — ее удается идентифицировать по особенностям химического состава.

3 интересных факта о межзвездной пыли

• Частицы пыли в облаках Большого Провала, которые скрывают центральную часть Млечного Пути и делают ее недоступной для оптических наблюдений, находятся на отдалении нескольких десятков метров друг от друга. При этом облака имеют совокупную протяженность в несколько сотен световых лет, что способствует высокой экстинкции излучения.
• Межзвездная пыль была открыта в начале XX века, однако ученые получили возможность исследовать ее напрямую только в 2006 году. Космический зонд NASA «Стардаст» вернулся на Землю с образцами вещества из комы кометы Вильда 2, в которых были обнаружены частицы внесолнечного происхождения.

• Проходя сквозь пылевые облака, радиоизлучение от квазаров (самых ярких объектов в наблюдаемой Вселенной) рассеивается тем интенсивнее, чем выше плотность пылевых частиц. Благодаря этому эффекту в 2022 году группа российских ученых смогла составить карту распределения межзвездной пыли в Млечном Пути и установить, что наиболее масштабные структуры находятся в центре галактики и областях вспышек сверхновых.

Вопрос-ответ

Что такое межзвездная пыль?

Межзвездная пыль — это микроскопические частицы твердого вещества, окруженные слоем водяного льда. Вместе с молекулами газов они формируют масштабные облака, заполняя галактическое пространство.

Какую роль играет межзвездная пыль в рождении новых звезд и планет?

Взаимодействуя с газами, межзвездная пыль способствует их охлаждению, открывая возможность для рождения новых звезд. Пылевые скопления являются ключевым исходным материалом для синтеза элементов, из которых впоследствии формируются планеты.

Как далеко простираются пылевые облака?

В среднем пылевые облака занимают область пространства размером от 100 до 300 световых лет. Отдельные структуры в центрах галактик могут простираться на тысячи световых лет.

Из каких элементов состоят частицы межзвездной пыли?

Частицы межзвездной пыли в основном состоят из углерода, железа, магния, кремния и водяного льда.

***

Межзвездная пыль — это один из фундаментальных компонентов Вселенной, который сыграл важную роль в ее формировании. Кажущиеся незначительными, неразличимые без мощных микроскопов частицы влияют на процессы звездообразования и создают условия для формирования новых молекул — возможно, даже органических. Исследования космической межзвездной пыли открывают новые горизонты в самых разных областях науки и способствуют расширению знаний об окружающем мире.

Иван Стефанов

Изображение на обложке: Chuck Ayoub, CC0, via Wikimedia Commons