Туманность краба



Павел Амнуэль
Павел Амнуэль

Крабовидная туманность — один из самых известных небесных объектов. Огромное количество важнейших астрономических открытий связано с ней! На небе нет туманности, более известной и изученной и в то же время более загадочной. А история ее изучения подобна детективному роману.

Памятник воображению

Впервые эту туманность наблюдал в 1731 году английский физик и астроном-любитель Джон Бевис. Он обозначил туманность в атласе «Уранография Британика», который собирался издать. Но издатель обанкротился и Бевис умер, не дождавшись публикации. Лишь полвека спустя, в 1786 году, карты Бевиса (без упоминания его имени!) вошли в изданный в Лондоне звездный атлас. К тому времени туманность заново открыл Шарль Мессье, астроном при дворе короля Людовика XV.


Мессье занес туманность в каталог под первым номером и дал обозначение М1. Вильям Гершель считал, что это далекое звездное скопление, и будь у него телескоп побольше, он разглядел бы в туманном пятнышке отдельные звезды. Такой телескоп был у лорда Росса, но и тот не смог увидеть в туманности М1 ни одной звезды. Однако Росс сделал две важные вещи. Во-первых, обнаружил, что туманность имеет странную волокнистую структуру. Во-вторых, при еще более внимательном рассмотрении туманность показалась ему похожей на краба, и Росс назвал ее Крабовидной. Под этим названием туманность известна и сегодня — памятник воображению, способному разглядеть всё что угодно в туманном пятнышке.

Первые загадки Крабовидной туманности
Крабовидная туманность в рентгене (с космического телескопа «Чандра»)
Крабовидная туманность в рентгене (с космического телескопа «Чандра»)

В 1892 году британский астроном Вильям Робертс впервые сфотографировал Крабовидную туманность, а американский астроном Весто Слайфер в 1913 году получил ее первые спектрограммы. В отличие от прочих газовых туманностей, спектр Краба оказался непрерывным. На этом фоне были видны раздвоенные линии излучения. Непрерывный спектр (с линиями поглощения) обычно имеют звезды, но здесь-то излучала туманность! Почему спектр оказался непрерывным, а не линейчатым?

Загадка излучения Краба просуществовала долго. Более того, она стала чуть ли не неразрешимой, когда в 1936 году было доказано, что Крабовидная туманность находится на небе точно в том месте, где в 1054 году вспыхивала ярчайшая «звезда-гостья», которую можно было на протяжении нескольких месяцев видеть даже при ярком солнечном свете.

Сейчас такие ярчайшие вспышки называют сверхновыми. Название придумали в ­1930-е Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, работавшие в американских обсерваториях. «Пусть, — сказали они, — очень яркие новые звезды называются сверхновыми». Название довольно бессмысленное, потому-то, наверное, и прижилось. Так же, как Краб.

В работе Бааде и Цвикки, опубликованной в 1934 году, было много правильных идей. Они подошли к проблеме сверхновых как теоретики, но использовали весь имевшийся в их распоряжении наблюдательный материал. Начали они, однако, не с загадки сверхновых. Их интересовала не менее актуальная в те годы проблема происхождения космических лучей. Бааде и Цвикки впервые связали два явления и сделали вывод: космические лучи могут генерироваться при вспышках сверхновых.


Вторая идея Бааде и Цвикки была еще интереснее и, если можно так выразиться, еще правильнее. Они предсказали, что при вспышках сверхновых рождаются нейтронные звезды.

В 1934 году еще не было правильных идей насчет того, как эволюционируют звезды. Нейтрон был открыт всего двумя годами ранее. Тео­рии ядерных превращений практически не существовало. Идея Бааде и Цвикки выглядела фантастикой, хотя и научной.

Южная звезда — остаток вспышки?

Пока Бааде и Цвикки исследовали Крабовидную туманность, американский астроном Рудольф Минковский изучал две слабенькие звездочки, издавна наблюдавшиеся на фоне М1. Одна из звездочек, как он надеялся, могла быть искомым объектом — «огарком» вспыхнувшей звезды. Минковский выяснил, что южная звезда движется со скоростью более 100 км/с. Что заставило звезду лететь с такой скоростью?

Еще более удивительным оказался спектр южной звезды. Линий в нем не было вовсе! Никаких: ни поглощения, ни излучения. Тем не менее Минковский пришел к выводу: туманность греется южной звездой. Он ошибся.

На ошибку указал в 1948 году радиоастроном Джон Болтон. Он обнаружил на небе четыре ярких источника радиоизлучения. Один из них был расположен в созвездии Тельца. Год спустя Болтон уточнил координаты источника и объявил, что они в точности совпадают с положением Крабовидной туманности. Оказалось, что Крабовидная туманность излучает в радиодиапазоне слишком много, гораздо больше, чем в оптике. Значит, южная звезда не нагревает туманность? Значит, ее радиоизлучение имеет иную природу?


Почему излучает туманность?

Разрешил это противоречие в 1953 году советский астрофизик Иосиф Шкловский, предположив, что в Крабовидной туманности излучает не газ, а электроны, движущиеся в магнитном поле с почти световыми скоростями. Такое излучение называется синхротронным. Ультрарелятивистские электроны, «запутавшись» в магнитном поле Крабовидной туманности, излучают во всех диапазонах длин волн и во всех направлениях. Идея была проста и объясняла наблюдательные данные так естественно, что против нее и возражать не стали.

Мозаичное изображение, полученное космическим телескопом «Хаббл»
Мозаичное изображение, полученное космическим телескопом «Хаббл»

Никто не возвращался в те годы к загадке южной звезды. А ведь звезда стала еще загадочнее, чем была! Если излучение Крабовидной туманности синхротронное, то нагревать газ в туманности не нужно, и значит, нет необходимости предполагать, что в туманности находится горячая звезда. А размер южной звезды Минковский вычислил именно в предположении, что звезда очень горяча. Всё рассыпалось…


Электроны большой энергии могли остаться в туманности и со времен вспышки. Об этом писал еще Цвикки, когда объяснял происхождение космических лучей. Но это предположение было опровергнуто в 1956 году советским астрофизиком Соломоном Пикельнером. Электроны, ответственные за радиоизлучение Крабовидной туманности, теряют энергию не очень быстро, они действительно могли остаться после вспышки и дожить до наших дней. Но электроны, ответственные за оптическое излучение, за сто лет должны были растерять весь запас энергии! Вспышка произошла девять веков назад. Электроны, излучение от которых доходит в наше время, не могли возникнуть при вспышке — они появились в туманности значительно позже. В Крабовидной туманности должна быть «пушка», непрерывно стреляющая быстрыми электронами. Где же эта пушка? Одно из двух: либо электроны ускоряются в самой туманности, либо источником их является южная звезда.

 

Рентгеновское окно

В 1962 году ракеты серии Aerobee впервые подняли на высоту ста километров детекторы рентгеновского излучения. В первом же полете был обнаружен мощный источник космического рентгеновского излучения в созвездии Скорпиона, а во время второго полета открыли еще один источник, и расположен он был в направлении на Крабовидную туманность.


Но что же излучало: вся туманность или знаменитая южная звезда? Приборы того времени не обладали хорошей разрешающей способностью, с их помощью невозможно было получить изображение туманности в рентгеновском диапазоне и выделить излучение южной звезды.

Идею проверки предложил Иосиф Шкловский. 7 июля 1964 года должно было произойти довольно редкое событие — затмение Крабовидной туманности Луной. Если рентгеновским источником является не туманность, а звезда, то Луна закроет ее мгновенно, и рентгеновское излучение исчезнет. Если же излучает вся туманность, то источник начнет ослабевать постепенно, по мере того, как Луна будет наползать на туманность. Полное затмение продолжится 12 минут, затем источник появится вновь.

В момент включения прибора на Aerobee скорость счета фотонов составляла 300 импульсов в секунду, плавно уменьшалась, и две минуты спустя источник исчез. Стало ясно: излучает не южная звезда, а туманность!

С новой силой дало о себе знать старое противоречие. В туманности обязательно должен быть инжектор релятивистских электронов. А в ней не обнаружили пока ничего, кроме южной звезды! Крабовидная туманность ежесекундно излучает во всех диапазонах электромагнитных волн в тысячи раз больше, чем Солнце. В нейтронной звезде (если, как предполагали Бааде и Цвикки, южная звезда — нейтронная) не могло быть таких мощных источников энергии. Откуда им взяться в мертвом и остывшем шаре?

Вариант решения предложил в 1964 году советский ­астрофизик ­Николай Кардашёв.
езда, ­вспышка ­которой привела к ­явлению «­звезды-гостьи», ­обладала магнитным полем и вращалась вокруг оси. В 1054 году она взорвалась. Оболочка разлетелась, а ядро стало нейтронной звездой. Оболочка унесла с собой и силовые линии магнитного поля. Нейтронная звезда быстро вращается, и силовые линии наматываются на нее, как на барабан. Магнитное поле, проходящее сквозь туманность, становится подобным спирали, ветви которой скручиваются всё туже. Увеличивается магнитное поле, растет и магнитное давление. А давление магнитного поля расталкивает плазму в туманности, заставляет ее расширяться всё быстрее.

Однако и решение Кардашёва не объясняло, откуда в туманности ультрарелятивистские электроны, ответственные за излучение. Не из нейтронной же звезды! В 1964 году всё еще существовало сильнейшее и ничем не поколебленное предубеждение: нейтронная звезда — мертвое тело.

Пульсар в Крабовидной туманности

В 1968 году британский радиоастроном Энтони Хьюиш и его аспирантка Джоселин Белл открыли первый радиопульсар1, оказавшийся нейтронной звездой. Но если, как утверждали Бааде и Цвикки, южная звезда в Крабе — нейтронная, то и она, по идее, могла быть пульсаром!

Через год австралийские радиоастрономы открыли в Крабовидной туманности пульсирующий радиоисточник, координаты которого точно совпали с положением южной звезды. Открытие было ожидаемым, но, тем не менее, стало сенсацией. У пульсара в Крабовидной туманности оказался рекордно малый период повторения импульсов — всего 33 миллисекунды.


Снимок небольшой области, демонстрирующей неустойчивости Рэлея — Тейлора (рост малых отклонений параметров от равновесных значений) в сложной волокнистой структуре
Снимок небольшой области, демонстрирующей неустойчивости Рэлея — Тейлора (рост малых отклонений параметров от равновесных значений) в сложной волокнистой структуре

Зимой 1968 года всем стало очевидно, что нейтронные звезды наконец-то обнаружены. Более того, блестяще подтвердилась идея Бааде и Цвикки о том, что образуются нейтронные звезды при вспышках сверхновых, в процессе катастрофического коллапса.

Но возник естественный вопрос: если радио­излучение южной звезды так сильно пульсирует, почему этого не происходит ни с оптическим, ни с рентгеновским излучением?

Может, и происходит, сказали наблюдатели, мы об этом не думали. Действительно, никому в голову не приходило искать быстрые пульсации у оптической звезды и тем более у рентгеновского источника. Новых ракетных стартов не потребовалось. Группа американских ученых, возглавляемая Эдвином Болдтом, заново обработала результаты полета ракеты в марте 1968 года с учетом того, что переменность рентгеновского источника может быть быстрой. И переменность нашли — точно такую же, как у радиопульсара, с периодом 33 миллисекунды.


Смущенные наблюдатели решили реабилитировать себя до конца: найти быструю оптическую переменность у южной звезды. В январе 1969 года в Обсерватории Стюарда при Аризонском университете провели серию оптических наблюдений, использовав фотоумножители, способные фиксировать быстрые колебания блеска, и открыли первый оптический пульсар.

Морозными январскими ночами 1969 года завершилась тридцатипятилетняя эпопея поиска нейтронной звезды в Крабовидной туманности.

***

Крабовидная туманность — объект поистине уникальный. Сверхновую 1054 года видели при свете солнца. Первым газообразным остатком взрыва сверхновой, обнаруженным астрономами, была Крабовидная туманность. Первым остатком сверхновой, для которого удалось определить возраст, был Краб. Первым остатком, у которого была обнаружена внутренняя активность, стал Краб. Первый остаток, в центре которого наблюдается оптическая звезда: Краб. Южная звезда в Крабе — первый объект, на который пало подозрение, что это нейтронная звезда. Одним из первых радио­источников, обнаруженных на небе, был Краб. Один из первых открытых рентгеновских источников — Краб. Повезло даже в том, что Крабовидная туманность регулярно затмевается Луной — наблюдения затмений позволили впервые определить размеры рентгеновского источника. Пульсар в Крабе вращается быстрее многих известных пульсаров.


Целый паноптикум астрофизических аномалий! И наконец: сверхновая 1054 года вспыхнула на расстоянии «всего» шести тысяч световых лет от Солнца. Вспышка ведь могла произойти и на противоположном краю Галактики. Кто знает, как развивалась бы тогда наука — и не только астрофизическая. Многие открытия запоздали бы, а может, и вовсе не были бы сделаны!

Павел Амнуэль


1 См.: Амнуэль П. Далекие маяки Вселенной. Фрязино: Век-2, 2007.

Источник: trv-science.ru

История открытия

Туманность краба

Крабовидная туманность или M1, пожалуй, самый характерный пример такого совместного творчества. Первым в 1731 году на нее обратил внимание английский астроном-любитель Джон Бевис. Француз Шарль Месье в 1758 году включил ее в свой каталог, в котором фиксировал объекты, схожие с кометами, но ими не являющиеся. А в промежутке между этими событиями в 1744 году ирландец Уильям Парсонс, зарисовал эту туманность и решил, что она очень напоминает внешность краба.

Откуда пошло название туманности

Тот, кто будет пытаться отыскать сходство туманности с известным членистоногим животным, будет сильно удивлен полным отсутствием такового. Однако этому есть очень простое объяснение. Ирландский ученый имел в виду не обычного краба, а, скорей всего, мечехвоста – его очень дальнего родственника, напоминающего покрытую панцирем подкову с длинным шипастым хвостом, называемого в Англии «horseshoe crab». Впрочем, судя по имеющимся фотографиям, и на это ископаемое чудо природы Крабовидная туманность тоже совсем не похожа. Но это – на взгляд живущего в XXI веке. Что в очередной раз подтверждает тезис, что человечество постепенно утрачивает способность к образному мышлению.

Как умирают звезды

Крабовидная туманность получила особую популярность, когда ученые предположили, что она образовалась в результате космической катастрофы, последствия которой земляне смогли увидеть в середине XI века. Согласно историческим летописям в 1054 году, а именно 4 июля, жители Земли увидели уникальное явление, когда в небе неожиданно возникла новая звезда, видимая даже днем. Затем новое светило стало затухать и через год совсем потерялось из вида. Произошло все это в созвездии Тельца. Такое явление называется вспышкой сверхновой. На самом деле никакой новой звезды нет, а есть старая, которая внезапно стала светить в десятки тысяч раз ярче. Точной математической модели, способной описать подобное явление, пока нет, но в целом физикам механизм явления достаточно понятен.

Как происходит взрыв сверхновой

Схематично процесс представляется следующим образом. При определенных условиях ядерные процессы, происходящие в звезде, охватывают все ее слои, что приводит как к резкому повышению светимости, так и к образованию в ядре железа, начинающего тушить термоядерную реакцию. Под действием гравитационных сил небесное тело начинает сильно сжиматься, что опять приводит к увеличению температуры, распаду элементов и новой цепной реакции, заканчивающейся взрывом. В результате центральная часть «схлопывается» до нейтронной звезды или черной дыры, а остальное разлетается в разные стороны космического пространства, образуя туманность.

Что в центре туманности

Проведя астрономические расчеты, ученые сделали вывод, что в это время на месте вспышки находилась Крабовидная туманность, а значит, она и есть остатки той самой взорвавшейся звезды. Длительные наблюдения подтверждают, что со временем она увеличивается в размерах, то есть расширяется, что и должно было произойти после космической катастрофы.

Но смерть звезды дала рождение не только Крабовидной туманности, но и пульсару PSR B0531+21, имеющему диаметр, по разным оценкам, от 10 до 30 км. Будучи размером с относительно небольшой город, такой объект имеет массу в миллионы раз больше нашей Земли. Так что жизнь сверхновой просто перешла в другую стадию, доступную только звездам, да и то не всем.

Туманность краба

Послушайте как звучит пульсар

Основные данные, известные науке

Крабовидная туманность располагается на расстоянии примерно 6500 световых лет от Солнечной системы. Это космическое новообразование, имея оценочные размеры в 6–11 световых лет, продолжает расширение со скоростью, лежащей в пределах 1000–1500 км/с.

Туманность краба

Видео показывает расширение Крабовидной туманности в период между 1999 и 2012 годами. Первое изображение — снято телескопом VLT. Фотография от 2012 года была сделана с помощью 0,8 м. телескопа на горе Леммон.

В центре туманности располагается нейтронная звезда, делающая за 1 секунду 30 оборотов вокруг своей оси, и излучающая электромагнитные волны в диапазоне от радио- до гамма-лучей. Исследования показали, что этот пульсар существенно отличается от ранее известных. Его особенность – стабильность рентгеновского излучения, по которому можно калибровать приборы.

Структура туманности

Туманность имеет вид продолговатого пятна, которое легко наблюдать даже с помощью бинокля. Но увидеть ее структуру (клочковатость, волокна) возможно лишь вооружившись хорошим телескопом от 12 дюймов. Но даже это не позволит рассмотреть то, что можно увидеть на фотографиях, выполненных с помощью современной и совершенной техники наблюдения за космическими объектами. На них Крабовидная туманность выглядит неоднородным сгустком газа с сетью ярких прожилок, что говорит о неоднородности состава и температуры в различных ее участках.

Состав

Предполагается, что ее основу, как и любой другой газовой туманности, составляет водород, который вместе с небольшим количеством гелия присутствует во всех космических образованиях. Но особенности ее образования позволяют предполагать наличие и множества других элементов: углерода, кислорода, азота, серы, аргона и даже фосфора, который был обнаружен в подобных условиях после взрыва сверхновой в созвездии Кассиопея.
Туманность краба

Источник: SpaceGid.com

Крабовидная туманность фотоКрабовидная туманность (M1, NGC 1952, разг. «Краб», Crab Nebula) — газообразная туманность в созвездии Тельца, являющаяся остатками сверхновой. Расположена на расстоянии около 6500 световых лет от Земли, имеет диаметр в 6 световых лет и расширяется со скоростью в 1000 км/с. В центре туманности находится нейтронная звезда.

Крабовидная туманность является остатками сверхновой, взорвавшейся, согласно записям арабских и китайских астрономов, 4 июля 1054 года. Вспышка была видна на протяжении 23 дней невооружённым глазом даже в дневное время.

Крабовидная туманность получила своё название от рисунка астронома Уильяма Парсонса, использовавшего 36-дюймовый телескоп, в 1844. В этом наброске туманность очень напоминала краба. При повторном наблюдении туманности в 1848 через новый 72-дюймовый телескоп Парсон нарисовал более точный рисунок, однако название «Крабовидная туманность» осталось.

В центре туманности находится пульсар PSR B0531+21, являющийся нейтронной звездой, оставшейся после взрыва сверхновой, его диаметр около 10 км. Пульcар был открыт в 1968 году; это было первое наблюдение, связывающее останки сверхновой и пульсары и послужившее основой для предположения, что пульсары являются нейтронными звёздами. Пульcар Краба вращается вокруг своей оси, совершая 30 оборотов в секунду.

Излучение пульсара также регистрируется в электромагнитном спектре, начиная от радиодиапазона и заканчивая γ-излучением.

Крабовидная туманность часто используется для калибровки в рентгеновской астрономии.

Она очень яркая в рентгеновском диапазоне, причём плотность потока энергии постоянна, что является исключением среди пульсаров. В рентгеновской астрономии «Crab» и «milliCrab» иногда используются в качестве единицы измерения плотности потока. Есть только несколько источников в рентгеновском диапазоне, превосходящих Крабовидную туманность по яркости.

Строго периодичный сигнал, излучаемый пульсаром, используется для проверки временных интервалов в рентгеновских детекторах.

Крабовидная туманность М1 — Звездная карта:

Крабовидная туманность, Crab Nebula map image

История исследования:

Открыватель: Джон Бэвис
Дата открытия: 1731
Обозначения: M1, NGC 1952

Наблюдательные данные:

Тип: Остаток сверхновой
Прямое восхождение: 05h 34m 30s
Склонение: +22° 01' 00''
Расстояние: 6500 св. лет
Видимая звёздная величина: +8.4
Видимый размер: (V) 6 x 4'
Созвездие: Телец

Физические характеристики:

Радиус: 3 св. года
Свойства, заслуживающие внимания: Оптический пульсар

Крабовидная туманность М1 — подробный фрагмент зведного атласа (Созвездие Телец):

Карта подготовлена с помощью программы SkyCharts, расчитана на печать в формате А4 с разрешением 150 dpi.
На карте оранжевым цветом обозначено масштабное кольцо диаметром 1 градус.
Сохранить карту как файл можно обычным способом: правая кнопка мышки, «Сохранить рисунок как…» и т.д.

Нажмите на карту для ее просмотра в полном размере

Крабовидная туманность - нажмите для просмотра карты в полном размере

Файлы карт изготовлены Андреем Олешко, любителем астрономии из России. Его сайт — http://oleshko.net.ru

[ Каталог Мессье ]

Источник: www.galactic.name

Газообразная Крабовидная туманность располагается в созвездии Тельца. Она удалена от Земли на 6,5 тысячи световых лет. Как и другие туманности, возникла после вспышки сверхновой звезды. Но, что интересно, является плерионом. Это означает, что её подпитывает пульсар, а точнее его ветер.

Созведие Тельца
Созведие Тельца

Крабовидная туманность была обнаружена в 1731 году Джоном Бевисом. Между прочим, это первый космический объект, который связали со взрывом сверхновой звезды.

Вдобавок, Крабовидная туманность была включена в известный каталог Месье в 1758 году. Причем вошла она в него под номером М1.
В дальнейшем в 1844 году туманность нарисовал астрономом Уильямом Парсонсом. Её форма напоминала краба. Отсюда она и получила своё имя.

Парсонс Уильям (лорд Росс)
Парсонс Уильям (лорд Росс)

Центральная звезда

Как оказалось, в центре Крабовидной туманности находится пульсар. Его диаметр составляет порядка 30 км. К тому же, он вырабатывает все виды излучений. На самом деле, в нашей галактике пульсар Крабовидной туманности выступает постоянным и сильнейшим источником рентгеновского и гамма-излучения. Помимо этого, туманность выбрасывает мощное радиоизлучение.

Крабовидная туманность (M1, NGC 1952, Taurus A)
Крабовидная туманность (M1, NGC 1952, Taurus A)

Что интересно, обнаружили пульсар лишь в 1968 году. И именно наблюдение за этим объектом положило основу предположению, что пульсары являются нейтронными звёздами. Более того, обнаружили связь со вспышками сверхновых звёзд. То есть определили, что пульсары представляют собой их остатки.

Пульсар
Пульсар

Наблюдение

Видимый угловой радиус Крабовидной туманности позволяет земному наблюдателю увидеть её в обычные телескопы. Но стоит учитывать, лучшее время для этого с осени до весны. Так как находится объект недалеко от звезды Дзета Тельца. А это, не стоит забывать, зимнее созвездие.
Благодаря мощному излучению туманности учёные изучают другие небесные тела, скрытые Крабом.

Туманность краба
Крабовидная туманность (фото с Хаббла)

Астрофизики исследуют спектр радиоизлучения Крабовидной туманности, в котором заключена огромная энергия. По данным, известным на сегодняшний день, от пульсара исходит магнитный ветер. Который ускоряет частицы в пространстве. Таким образом высокоэнергетические элементы падают быстрее, нежели низкоэнергетические части. В результате получается конечный вид электромагнитного спектра.

Источник: kosmosgid.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.