физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
10.20.2. Квазары В 1960 гастрономы обнаружили, что координаты одного космического радиоисточника Св точности совпадают с координатами видимой в телескоп звезды, окруженной туманностью. Спектр ее дает необычные линии поглощения и излучения. Линии водорода, которые в обычных звездных спектрах столь интенсивны, вообще отсутствуют. Точечный радиоисточник С имеет такой же необычный спектр. Нов нем обнаружили две линии поглощения одну слабую и широкую, другую исключительно яркую ( =5,17 10 7 м. Такой линии ранее не наблюдалось ни у Новых, ни у Сверхновых звезд, нив планетарных туманностях, нив спектре Солнечной короны. Позднее обнаружили еще два радиоисточника Волновая оптика 261 Си С. Надежды на решение загадки появились с открытием нового точечного источника С, отождествленного с яркой звездой в созвездии Девы. Рядом со звездой обнаружили тонкую, светлую ленту туманности. В ее спектре также наблюдались эмиссионные линии. Только в 1965 г. Шмидт предположил, что загадочные линии в спектре звезды на самом деле являются бальмеровской серией водородных линий. Аномальное их расположение объясняется тем, что они очень сильно сдвинуты к красному концу спектра. Если это результат доплеровского смещения, то звездный объект удаляется от Земли со v 50000 км/с. После этого удалось расшифровать и спектр С. Ее загадочные эмиссионные линии удалось отождествить с запрещенными линиями неона и кислорода и двойной линией ионизированного магния. Звезда находится от нас на расстоянии 4 млрд св. лета скорость убегания ее v = 90000 км/с, те. радиозвезды являются внегалактическими объектами. Самая далекая из галактик (1963 г) отстоит от нас на 6 млрд. св. лет. Но это не галактика, а С всего лишь звезда, точнее сверхзвезда, или квазар. Светимости Си С оказались враз больше светимости нашей Галактики Млечный Путь (состоящей из 200-400 млрд. звезд. Радиозвезды (квазары) излучают больше энергии, чем любой из известных объектов Вселенной, непрерывно на протяжении миллионов или миллиардов лет. По изменению яркости квазара, что позволило предположить о цепном взрыве Сверхновых звезд в ядре, удалось определить его размеры - 2 10 14 ми массу 10 8 масс Солнца. 10.21. Взрывающиеся Галактики Радиогалактика Лебедь А удалена от Земли на 700 млн. св. лет. На фотографии, полученной с помощью оптического телескопа, обнаружены две галактики, входящие одна в другую. Их центральные области сильно искажены, смяты чудовищной силой. Звезды таких галактик остаются без изменения, но их движение под влиянием взаимного притяжения сильно искажается. Столкновение газопылевых облаков галактик изменяет форму, при этом температура в них достигнет 100 млн. кельвинов. Межзвездная пыль и газ взаимопроникающих галактик при столкновении начинает светиться. Изменяются и рушатся и магнитные поля, что приводит к испусканию электромагнитного излучения, которое через многие сотни миллионов световых лет достигает Земли. Размеры столкнувшихся галактик составляют миллионы световых лета расстояние между центрами столкнувшихся галактик составляют около 3000 св. лет. Сгустки радиоизлучения Лебедя А обнаружены в двух точках, разнесенных на 120000 св. лет. Такой радиодуплет обнаруживает две струи суперрелятивистских частиц, выброшенными взорвавшейся миллионны лет назад "материнской" галактикой. По закону сохранения вектора импульса эти струи должны удаляться от центра в противоположных направлениях. В такой струе уносится, и часть магнитного поля галактики и возникает синхротронное излучение. Особенно мощным оно будет на самом конце струи, где магнитные силовые линии сильно сжаты. И то, что мы принимаем за два отдельных радиоисточника, в Волновая оптика 262 действительности представляет собой лишь электронное неистовство на концах чудовищных газовых струй. Другой пример. В галактике Центавр А, расположенной ближе к Земле, наблюдается такая же картина, а радиоисточники разделены расстоянием в 650000 св. лет. Можно предположить, что галактики Лебедь Аи Центавр А - одинаковые по типу космические объекты, находящиеся на разных стадиях эволюции. Хаотическое движение газопылевых облаков, содержащих заряженные частицы, приводит к тому, что магнитные поля отдельных облаков, накладываясь, друг на друга, они усилят общее магнитное поле галактики. Магнитные силовые линии направлены вдоль экваториальной плоскости галактик. Преимущественно в этом же направлении вытягиваются и волокна газовых туманностей. Возможно, что спиралеобразная форма нашей Галактики "Млечный Путь" тоже вызвана действием магнитного поля. В 1964 г. самым удаленным квазаром считался С. Его скорость убегания составляет 40% скорости света. Но открытый квазар С удаляется со скоростью 240000 км/с, что составляет 80% скорости света, те. свет от него вышел через (2-3) млрд. лет после возникновения Вселенной. Обнаружены голубые звездные объекты (ГЗО). Некоторые из них, например ГЗО-1 удаляется со скоростью 200000 км/с. Считается, что численность ГЗО больше, чем квазаров, враз. Они многочисленны итак далеко удалены от нас, что позволят определить такие эффекты, как кривизна пространства, и замедляется ли расширение Вселенной. Наблюдения показали, что в том месте Млечного Пути, где мы видим теперь эллиптическую галактику, 1,5 млн. лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого высвободилась колоссальная энергия, и возникли частицы высоких энергий - космические лучи. В радиогалактике М электроны (синхротронное излучение) несут энергию 10000 ГэВ. Такие сверхбыстрые частицы способны прорваться сквозь преграды магнитного поля радиогалактики и унестись в космическое пространство. Следовательно, источниками энергий синхротронного излучения (космических лучей) являются взрывы галактических ядер. В семидесятых годах двадцатого века астрономами обнаружена группа галактик, видимых в оптическом диапазоне, сгруппировавшихся вокруг спиральной галактики М, находящейся от Земли на расстоянии 2300 кпк ( 10 млн. св. лети удаляющейся от нас со скоростью 187 км/с. М меньше по размерам нашей Галактики, но имеет наклон по отношению к Земле, поэтому ее спиралевидное строение видно отчетливо. Долгое время с М отождествляли слабый радиоисточник С. Однако с помощью современных приборов удалось показать, что радиоисточник совпадает нес М, ас другой галактикой М, имеющей необычную форму. Она повернута к нам ребром и имеет вид клочковатого, туманного облака, те. галактика неправильной формы, которая удаляется от нас со скоростью 74 км/с. Ми М соседи. Следовательно, они удаляются одна от другой со скоростью 113 км/с. Значит много миллионов лет назад, (а может и миллиардов лет назад) Ми М возникли одновременно из какой-то протогалактической материи. Волновая оптика 263 На фотографиях видно, что внутри М нельзя различить ни одной отдельной звезды. Удавалось разрешить на звезды и более удаленные галактики. Нона фотографиях удалось увидеть пересекающие эту веретенообразную галактику исполинские газопылевые полосы и волокнистые сгущения на их концах. При фотографировании М в красном свете и с помощью интерференционного фильтра (снимали в свете с длиной волны, которая строго соответствует -линии водорода) выявились неожиданные особенности. Вместо слабых волокон проявились исполинские водородные "крылья, простирающиеся по обе стороны галактики на 14000 св. лет. Их скорость разлета 1000 км/с. Северная сторона М ближе к Земле, чем южная, те. вещество действительно разлетается от центра галактики. Расчеты показали, что взрыв ядра галактики произошел 1,5 млн. лет назад. Поэтому мы видим сейчас следы взрыва, который потряс галактику 11,5 млн. лет назад. Какой вид имеет в настоящее время галактика М можно только догадываться. Количество разлетевшегося вещества составляет 10 63 протонов и электронов и для их разгона требуется энергия 10 55 эрг. Сейчас Мне обнаруживает пока двух раздельных радиоисточников, но они могут появиться на более поздних стадиях эволюции галактики. Следовательно, галактические волокна еще не превратились в газовые струи с электронными "бомбами" на концах. Возможно, что сверхзвезды или квазары - это лишь начальная ступень эволюции радиогалактик. 10.22. Диффузная материя Вселенной - туманности Кроме галактик, звезд, молекулярных облаков во Вселенной просматриваются различной формы и размеров темные туманности и межзвездная пыль, светящиеся пылевые и газопылевые туманности, диффузные и планетарные туманности. 10.22.1. Темные туманности и межзвездная пыль При распространении света от звезд часть их излучения теряется за счет поглощения межзвездной средой, содержащей молекулярные облака и пыль. В нашей Галактике Млечный Путь межзвездная пыль концентрируется в узком слое толщиной 200-300 пк вдоль галактической плоскости. Некоторые облака из- за большой концентрации в них пыли (размеры частиц 0,1 мкм) непрозрачны для света и кажутся темными провалами на фоне более светлой материи. К ним относятся, например, туманность Конская голова в созвездии Ориона или туманность Угольный мешок вблизи созвездия Южный Крести др. В частности из-за большой концентрации газа, пыли и молекулярных облаков мы не можем наблюдать ядро нашей Галактики. Волновая оптика 264 10.22.2. Светящиеся пылевые диффузные туманности Если вблизи звезды-гиганта с температурой поверхности > 2500 К, имеющей большую светимость, находится большое пылевое облако, то оно отражает свет звезды и выглядит светлой туманностью. Спектр излучения такой туманности совпадает со спектром звезды. Кроме пылевых, светлых туманностей наблюдаются и газопылевые туманности. В созвездии Телец наблюдается пылевая туманность, в которую погружено звездное скопление Плеяды (Стожары) из 280 звезд. Возраст скопления 2,5 млн. лет (возраст человечества. В этом же созвездии находится звездное скопление Гиады. Их возраст 1 млрд. лет. 10.22.3. Диффузные туманности В созвездии Ориона находится типичная газопылевая диффузная туманность. Ее можно видеть зимой даже в бинокль. Но только фотографии выявляют ее структуру. Газопылевых и чистогазовых разреженных диффузных туманностей известно много. Они имеют неправильные формы и клочковатый, причудливый вид. Спектр их излучения (за счет люминесценции) содержит яркие линии водорода, кислорода и других легких газов. Некоторые из них дают спектр, не наблюдавшийся в земных условиях. Например, две самые яркие зеленые линии спектра туманности долгое время приписывали экзотическому химическому элементу "небулию", те. "туманный. После тщательного анализа выяснилось, что эти линии принадлежат дважды ионизированному атому кислорода в условиях большой разреженности материи. Плотность газовых туманностей 10 18 -10 20 кг/м 3 Водород в туманностях полностью ионизирован за счет излучения близлежащей звезды. Наблюдаются и другие газы, нов меньшем процентном соотношении. Газовые туманности находятся в галактической плоскости, образуя слой толщиной 200 пк, преимущественно в спиральных ветвях. В газовых туманностях основную массу составляет нейтральный водород с температурой 100 К. Температура светящихся ионизированных газовых облаков 10000 К. Масса космической пыли в сотни раз меньше. Нейтральный водород не подвержен воздействию магнитного поля Галактики и его концентрация к галактической плоскости много больше, чем ионизированного. В созвездии Единорога находится диффузная туманность Розетка, в центре которой видны горячие звезды класса О. Расстояние до нее 1,1 кпк. В созвездии Телец находится Крабовидная туманность радиоисточник Телец А) - остаток Сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г. Скорость расширения туманности составляет 1000 км. Центральная звезда, имеет температуру 150000 КВ созвездии Лебедь хорошо видна диффузная туманность "Северная Америка" и более слабо видны еще две газовые туманности, которые очень далеки, имеют вид перистых облаков. В созвездии Змея находится диффузная туманность М. Расположена она в голове Змеи на южной границе созвездия. Удалена на 1,4 кпк. Волновая оптика 265 Свечение туманности вызвано излучением сверхгорячей звезды класса О, расположенной в центре туманности. В созвездии Стрельца, где расположен центр нашей Галактики Млечный Путь с координатами = ч 38 / ; = - 30 0 , наблюдаются три яркие и крупные диффузные туманности (табл. 10.6). Таблица 10.6 М Диаметр, пк Название 20 8 17 ч ч ч 15,6 / -23 0 02 / -24 0 23 / -16 0 13 / 670 770 1000 Тройная Лагуна Омега М - номер туманности в каталоге Мессье. 10.22.4. Планетарные туманности Особое место в Галактике занимают планетарные туманности. Многие из них внешне напоминают объемные колечки, другие - зеленоватые диски далеких планет нашей Солнечной системы, такие как Уран и Нептун. В центре планетарных туманностей всегда видна очень горячая звезда, свет которой переизлучается туманностью. Наблюдения показывают, что планетарные туманности расширяются во всех направлениях от центральной звезды, которая и является причиной образования туманности за счет сброса звездой части своей массы 0,2 массы Солнца. Например, в созвездии Большая Медведица находится исполинское, шарообразное облако светящегося газа (расстояние до Земли 2,3 пк) - планетарная туманность М (Сова, в центре которой просматривается горячая белая звезда. В созвездии Кассиопея Тихо Браге (1572 г) обнаружил Сверхновую, но только в 1952 г. в телескопы увидели планетарную туманность, а центральную звезду невидно, только регистрируют радиоволны. В 1951 г. приборы зафиксировали радиотуманность Кассиопея А. По расчетам в 369 г. нашей эры произошел взрыв Сверхновой, остатки которой нельзя увидеть даже в телескопы. В созвездии Дракон наблюдается яркая планетарная туманность (вблизи звезды -Дракона) NGC6543, которая расширяется. Удалена от Земли на расстояние 1 кпк, диаметр туманности 7000 а.е. В центре горячая звезда с T 57000 К имеет сложную внутреннюю структуру, является аномальной планетарной туманностью. В созвездии Ориона размещена исполинская планетарная туманность на расстоянии 350 пк от Земли. Масса ее 10 3 масс Солнца, но плотность мала (мг газа в 100 км. В туманность погружены звездные О - и Т - ассоциации. Туманность вращается. Наблюдается стремительное бегство из нее трех горячих звезд АЕ- Возничего, -Овна и -Голубя, со скоростью 100 км/с. Эти звезды молоды, их возраст 10 6 св. лет. ВО- ассоциации в ее ядре находится шестикратная звезда -Ориона. Она удалена от Земли на 380 пк. В созвездии Гидра рядом со звездой -Гидра находится планетарная туманность. В созвездии Лира расположена планетарная туманность (посередине между звездами - и -Лиры) в виде газовой Волновая оптика 266 сферы. В ее центре горячая звезда Т 75000 К. Удалена на 660 пк от Земли. В созвездии Лисичка в 1764 г. обнаружена планетарная туманность М причудливой формы. Туманность хорошо видна в бинокль. Находится на расстоянии 300 пк от Земли. Диаметр туманности 240000 а.е. Внутри туманности находится горячая звезда с температурой 100000 К. Севернее двойной звезды 70 Змееносца расположена планетарная туманность NGC6572. Ее диаметр 9000 а.е. Удалена от земли на 4000 св. лет. В созвездии Водолей расположена уникальная планетарная туманность NGC7293 (вблизи звезды -Водолея) самая большая и самая яркая на звездном небе Земли. Имеет вид сплюснутого диска диаметром 300000 а.е. В центре туманности расположена сверхгорячая звезда Т 130000 К. Туманность удалена от Земли на 180 пк. 10.22.5. Рассеянные звездные скопления В созвездии Кассиопея находятся два рассеянных скопления звезд NGC457 и NGC 581. Первое содержит 50 звезд, имеет диаметр 8,5 пк, удалено от Земли на 2,1 кпк. Втрое содержит 30 звезд, имеет диаметр 4,8 пк, удалено от Земли на 2,5 кпк. В созвездии Жираф наблюдается яркое рассеянное звездное скопление NGC 1502. В созвездии Персей между звездой Персея и звездой Кассиопея расположены два близких рассеянных звездных скопления и h Персея. Рассеянное звездное скопление Персея содержит 300 звезд, имеет диаметр 17 пк, удалено от Земли на 1,9 кпк. Рассеянное звездное скопление -Персей содержит 200 звезд, имеет диаметр 14 пк, удалено от Земли на 2 кпк. - и Персея являются центром звездной О - ассоциации (сверхгорячих звездных гигантов. Происхождение звездного скопления - и Персея и О - ассоциации одно и тоже- из дозвездной сверхплотной материи. В созвездии Персей вблизи звезды -Персея находится еще одна звездная ассоциация, в которую входит звездное скопление. Другая звездная О - ассоциация расположена в Персей II, содержит 12 звезд с температурой 30000 К, удалена от Земли на 290 пк, имеет размеры 50 30 пк. Звезды разлетаются со скоростью 12 км/с. Возникла 1,3 млрд. лет назад. В созвездии Орион находится звездная ассоциация из 6 звезд, расположена вблизи -Ориона. Возраст 10 млн. лет. Ассоциация удалена от Земли на 380 пк. Около звезды Т-Ориона расположена звезда типа Т- Тельца видна Т-ассоциация. Возникла около 1 млн. лет назад. Содержит 220 звезд. В созвездии Тельца хорошо видно невооруженным глазом рассеянное звездное скопление Плеяды (Стожары) из 280 звезд. Скопление образовалось около 2,5 млн. лет назад. Температура звезд 15000 К. Оно удалено от Земли на 130 пк. В созвездии Тельца находится еще шаровое скопление Гиады. Расстояние от Земли 40 пк. Возникло около 1 млрд. лет назад. Диаметр скопления 33 св. г. Примерно 280000 лет назад скопление Гиады пролетало мимо Солнца на расстоянии в 20 пк и теперь удаляется от нас. В созвездии Большой Пес наблюдается рассеянное звездное скопление М 41. Волновая оптика 267 Диаметр его 7,4 пк. Удалено от нас враз дальше, чем звезда Сириус. В созвездии Близнецы около звезды Кастор расположена шестикратная звезда, как и -Ориона. Яркое рассеянное скопление М имеет диаметр 7 пк. Удалено от нас на 800 пк. В созвездии Возничий хорошо видно тройное звездное скопление из 350 звезд М, 37, 38. Самое яркое из них - М, удалено от нас 4,1 пк, а М удалено на 850 пк. В созвездии Рак вблизи звезды -Рака расположено замечательное рассеянное звездное скопление Ясли (М, содержит 100 звезд. Диаметр скопления 5 пк. Удалено от нас на 160 пк. Правее -Рака можно обнаружить другое скопление М из 80 звезд - горячих белых гигантов. Диаметр скопления 4 пк. Удаленность - 800 пк. В созвездии Лебедя рядом со звездой -Лебедя расположено рассеянное звездное скопление из 25 звезд (белые горячие гиганты. Диаметр скопления 2,4 пк Удаленность - 260 пк. В созвездии Щита находятся два ярких рассеянных скопления. Одно из них находится рядом со звездой R Щита. Содержит 200 звезд - белые гиганты. Диаметр скопления 5,5 пк Удаленность - 1600 пк. Второе скопление расположено южнее в противоположном углу. Состоит из 75 звезд. Диаметр скопления 6,6 пк. Удаленность - 2300 пк. Созвездие Стрелец самое богатое по числу звездных скоплений. Можно выделить 5 наиболее ярких рассеянных звездных скоплений (табл. 10.7). Таблица 10.7 NGC M Число звезд Расстояние, кпк Диаметр, пк Созвездие 6494 23 120 0,6 6,0 Стрелец 6520 25 0,7 1,0 6531 21 35 1,5 5,1 6603 24 50 5 5,8 6611 16 55 1,7 12,0 Созвездие Скорпион, как и созвездие Стрельц, богато звездными скоплениями. Можно выделить 5 рассеянных звездных скоплений (табл. 10.8). Таблица 10.8 NGC M Число звезд Расстояние, кпк Диаметр, пк Созвездие 6231 40 1,3 8,4 Скорпион 6242 44 0,6 1,8 6405 6 80 0,4 6,4 6416 35 0,6 3,6 6475 7 80 0,25 5,3 |