Реферат на тему «Что такое планетарная туманность «Песочные часы» и проблемы в ее изучении» — скачать бесплатно

Содержание

1. Введение
2. 1. История открытия и общая характеристика планетарных туманностей
3. 2. Планетарная туманность «Песочные часы»: открытие, обозначения и положение в Галактике
4. 3. Физические характеристики туманности «Песочные часы»
5. 4. Механизмы формирования биполярной структуры и роль центральной звезды
6. 5. Наблюдательные методы и инструменты при изучении туманности «Песочные часы»
7. 6. Основные проблемы и неопределённости в моделировании туманности «Песочные часы»
8. 7. «Песочные часы» как лаборатория поздних стадий эволюции звёзд
9. Заключение
10. Список литературы

Введение

Планетарные туманности представляют собой кратковременный, но крайне выразительный этап жизни звёзд малой и средней массы. На фоне миллионов лет спокойного горения в главной последовательности этот этап вспышкой вырезается в истории звезды: за несколько десятков тысяч лет она сбрасывает значительную часть своей оболочки, формируя сложные газопылевые структуры. Среди множества известных планетарных туманностей особое место занимает объект, получивший поразительно образное название – туманность «Песочные часы». Ее вытянутая, сужающаяся в центре форма столь очевидно напоминает классические песочные часы, что зрительный образ почти вытесняет из сознания сухие каталожные индексы. Однако за красивой картинкой скрывается сложная физическая реальность. Туманность «Песочные часы» (обычно отождествляемая с объектом MyCn 18 в созвездии Муха) представляет собой типичный пример биполярной планетарной туманности с выраженной осевой симметрией и тонкими деталями морфологии. Оболочка раздроблена на узкие дуги, узлы, волокна, в центральной области заметен плотный кольцеобразный пояс. Встает вопрос: какие процессы заставляют относительно мирную звезду позднего типа создать подобную сложную структуру? Почему газ оказывается выстроен столь упорядоченно и в то же время столь причудливо? Астрофизика планетарных туманностей в целом продвинулась далеко, однако туманность «Песочные часы» упрямо сопротивляется полному объяснению. Различные модели взаимодействия звёздного ветра с ранее сброшенной оболочкой, гипотезы о влиянии магнитного поля, аккреционного диска, двойственной центральной системы конкурируют, не всегда удовлетворительно согласуясь с наблюдаемыми спектрами, скоростями и плотностями. К тому же сам объект расположен на значительном расстоянии, частично затенён межзвёздной пылью и наблюдается под неблагоприятным проекционным углом, что усложняет интерпретацию данных. Цель данного реферата – рассмотреть, что представляет собой планетарная туманность «Песочные часы» с современной точки зрения: какие у неё известные физические характеристики, каковы представления о механизмах формирования её морфологии и какие проблемы, противоречия и неопределённости сохраняются в её изучении. Для достижения этой цели необходимо, во‑первых, кратко охарактеризовать место планетарных туманностей в эволюции звёзд; во‑вторых, описать историю открытия и систематику туманности «Песочные часы»; в‑третьих, проанализировать комплекс существующих наблюдений; и, наконец, в‑четвёртых, выделить ключевые нерешённые задачи и перспективные направления дальнейших исследований. Актуальность работы обусловлена тем, что планетарные туманности, подобные «Песочным часам», служат природными лабораториями, позволяющими проследить, как звезда превращается в белый карлик и передаёт межзвёздной среде переработанное тяжёлыми элементами вещество.

Глава 1

Термин «планетарная туманность» сложился исторически и не отражает физической природы объектов. В XVIII–XIX веках визуальные наблюдения в небольшие телескопы показывали компактные дискообразные пятна, отдалённо похожие на планеты-гиганты, в первую очередь на Уран. Именно это сходство формы привело У. Гершеля и его последователей к названию «planetary nebulae». Лишь развитие спектроскопии в конце XIX века позволило понять, что речь идёт не о планетах, а о разреженном светящемся газе. К середине XX века стало ясно: планетарные туманности – это конечные стадии эволюции звёзд начальной массой приблизительно от 0,8 до 8 масс Солнца. По мере исчерпания водорода в ядре такие звёзды эволюционируют в красные гиганты, затем на асимптотическую ветвь гигантов (AGB), где усиливаются пульсации и звёздный ветер. В результате звезда теряет внешние слои, а оголённое горячее ядро, стремительно повышая эффективную температуру, начинает ионизовать окружающий его газ. Так рождается планетарная туманность – кратковременная фаза перед превращением центрального объекта в белый карлик. Сами туманности демонстрируют удивительное разнообразие форм. Сферические, эллиптические, биполярные, многополостные, с кольцами и дугами, с «струями» и волокнами – перечень морфологических типов постоянно расширяется по мере накопления высококачественных снимков от космических обсерваторий. Это означает, что у разных объектов в фазе сброса оболочки и последующего взаимодействия звёздного ветра с окружающей средой действуют различные механизмы, иногда – несколько одновременно. Простейшая картина «сферической симметрии» довольно быстро уступила место сложным гидродинамическим и магнито‑гидродинамическим моделям. Исторически развитие представлений о планетарных туманностях шло в несколько этапов. Сначала – чисто описательный период каталогизации объектов (работы У. Гершеля, Дж. Гершеля, последующие обзорные исследования). Затем – этап спектроскопии и осознания эмиссионной природы излучения, открытия запрещённых линий, особенно яркой зелёной линии [O III] λ5007 Å, долгое время приписывавшейся несуществующему «небу» (nebulium). Позднее, в XX веке, с развитием теории звёздной эволюции, стало ясно, что планетарные туманности связаны с последними стадиями жизни звёзд солнечного типа. Наконец, в конце XX – начале XXI века появились детальные численные модели, учитывающие радиационный перенос, динамику многокомпонентного газа, магнитные поля и влияние двойственности центральной звезды. В этом контексте туманность «Песочные часы» относится к классу биполярных планетарных туманностей – наиболее зрелищных и одновременно наименее простых для теоретического описания. Биполярные объекты, как правило, демонстрируют два противоположно направленных лопастевидных образования, разделённых более плотной экваториальной областью. Уже здесь возникает один из центральных вопросов: чем диктуется осевая симметрия? Почему газ, сбрасываемый в принципе во все стороны, оказывается «сфокусирован» в два конуса? История открытия и детального изучения туманности «Песочные часы» отражает эволюцию самих астрономических инструментов. Первые упоминания подобного по форме объекта связаны с визуальными и фотографическими наблюдениями в середине XX века, когда были составлены специализированные каталоги планетарных туманностей. Однако настоящая популярность к объекту пришла после получения его высококонтрастных изображений на космическом телескопе имени Хаббла. Изображение, напоминающее миниатюрные песочные часы, быстро стало «визитной карточкой» не только конкретной туманности MyCn 18, но и всего класса биполярных планетарных туманностей. В последующие десятилетия наблюдатели и теоретики сосредоточились на попытках совместить впечатляющую картину с физической моделью. По спектрам можно определить химический состав и ионизационное состояние газа; по доплеровским сдвигам – скорости расширения; по распределению яркости – структуру плотности. Тем не менее, даже при наличии этих данных реконструкция трёхмерной формы и история формирования оболочки остаются неоднозначными, особенно если объект наблюдается под неизвестным углом к оси симметрии. Все эти общие черты эволюции планетарных туманностей и сложности их интерпретации в максимальной степени проявляются на примере туманности «Песочные часы».