Свидетели космической динамики: что такое туманности и какие тайны они хранят?

Это гигантские межзвездные облака газа и пыли. Они появляются в результате сложных процессов в жизни звезд и служат не только свидетельством их смерти, но и источником рождения.

В основной состав туманностей входят водород и гелий. Однако набор элементов может варьироваться в зависимости от конкретных условий формирования. В некоторых случаях, например, в планетарных туманностях, можно встретить углерод, кислород и азот.

Образование туманностей связано с ключевыми этапами жизни звезд. Например, планетарные туманности возникают, когда звезда, подобная нашему Солнцу, завершает срок существования и сбрасывает свои внешние оболочки, создавая сложные и часто симметричные структуры. В случае с более массивными звездами туманности могут образоваться в результате взрыва, который выбрасывает огромное количество вещества в космос.

Туманности могут быть разного размера: есть как сравнительно компактные, так и невероятно крупные, растягивающиеся на сотни световых лет. Несмотря на гигантские масштабы вторых, плотность вещества в них крайне мала. Это делает их кажущимися почти прозрачными, хотя свет, испускаемый ионизированным газом и отраженный от звезд, придает им яркость и цвет. Кроме того, структура и внешний вид туманностей зависят от узоров, которые образуются под действием звездных ветров, гравитации и магнитных полей, формирующих завихрения и разломы в облаках газа и пыли.

Изначально планетарные туманности считались круглыми структурами, сформированными одной умирающей звездой, которая сбросила свои внешние слои. Однако движение молекул угарного газа вдоль границы туманности, изученное с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», показало, что объект на самом деле вытянут и имеет овальную форму.

В зависимости от поведения с видимым светом туманности делятся на эмиссионные и отражательные. Первые светятся благодаря ионизации газа, вызванной горячими звездами, и имеют яркие, насыщенные цвета, обусловленные спектрами излучения различных элементов. Отражательные туманности, напротив, не излучают свет, а отражают его от близлежащих звезд, что придает им более тусклый, рассеянный вид.

Еще одна категория — темные туманности, которые, напротив, блокируют свет. Они состоят из плотных облаков пыли и газа, которые настолько непрозрачны, что не позволяют свету от звезд или других туманностей пройти через них. Их можно увидеть в виде темных силуэтов на фоне ярких областей космоса.

Кроме того, на поздних стадиях жизни звезды формируют планетарные туманности. Они образуются, когда звезды средней массы, подобные нашему Солнцу, сбрасывают свои внешние оболочки. К ним относятся туманность Кольцо (М57 или NGC 6720) и туманность Южное Кольцо (NGC 3132).

Так, туманность Кольцо, расположенная в созвездии Лиры на расстоянии около 2,2 тыс. световых лет от Земли, знаменита своей яркой кольцеобразной структурой и считается классическим примером планетарной туманности.

Туманность Южное Кольцо, находящаяся в созвездии Паруса на расстоянии около 2 тыс. световых лет, представляет собой более сложное и многослойное образование. Она знаменита своей уникальной структурой, включающей два перпендикулярных кольца газа. Исследования показали, что эта туманность возникла в результате взаимодействия звезды, завершившей свою жизнь, с одной или несколькими звездами-компаньонами. А их гравитационные силы сформировали характерные структуры, напоминающие песочные часы. Эти детали стали доступны благодаря современным инструментам, таким как телескоп «Джеймс Уэбб», который позволил увидеть мелкие особенности, прежде скрытые от глаз астрономов.

Остатки сверхновых — это еще один тип туманностей, возникающих после взрыва массивных звезд. В результате в окружающее пространство выбрасывается огромное количество материала, формируя сложные и яркие облака газа и пыли. Один из самых известных примеров — Крабовидная туманность, которая взорвалась в 1054 году.

В 2023 году «Джеймс Уэбб» сделал детализированные изображения М57. Это позволило изучить детали, которые ранее оставались недоступными. Дело в т том, что туманность Кольцо сформировалась около 4 тыс. лет назад, когда звезда намного массивнее Солнца превратилась в красного гиганта. На этом этапе она сбросила свои внешние слои, которые образовали яркую, светящуюся оболочку газа. Благодаря новым снимкам стало известно, что оставшееся ядро звезды стало углеродно-кислородным белым карликом — компактным и чрезвычайно горячим объектом, который заставляет окружающий газ светиться. Это ультрафиолетовое излучение освещает выброшенные звездные оболочки, превращая их в красочный космический объект.

Также одной из особенностей, скрытых внутри М57, оказались плотные сгустки газа, которые сформировались в результате взаимодействия горячего и холодного газа на ранних этапах эволюции звезды. Эти сгустки благодаря высокому разрешению телескопа стали заметны как сложные вытянутые структуры, некоторые из которых напоминают хвосты. Несмотря на воздействие звездного ветра, исходящего от белого карлика, эти структуры сохраняют свою форму, демонстрируя сложную динамику внутри туманности.

Более того, астрономы выяснили, что туманность Кольцо скрывает не только белый карлик, но и невидимую звезду-компаньона. Ее наличие подтвердилось благодаря обнаружению дуг газа за внешним краем туманности. Они появляются каждые 280 лет, что указывает на регулярное гравитационное взаимодействие между двумя звездами. Предполагается, что звезда-компаньон находится на расстоянии, аналогичном орбите Плутона от Солнца, и именно она оказывает огромное влияние на структуру выброшенных оболочек газа, формируя их в виде колец. Подобный эффект невозможно было заметить без высокой чувствительности и разрешения, которыми обладает телескоп «Джеймс Уэбб».