Основными объектами во Вселенной являются звезды и межзвездная среда.

Нельзя говорить о свойствах межзвездной среды (составе, плотности, температуре и т.д.) вообще, так как они очень сильно различаются в зависимости от времени (прошедшего после Большого Взрыва), места в Галактике и во Вселенной, наличия и плотности звезд и т.д. Это и понятно, так как звезды не только образуются из межзвездной среды, но и сами, взрываясь, вносят свое вещество в межзвездную среду. Поэтому она и содержит в себе те же вещества, что и звезды, их наружные слои. Так, межзвездная среда, как и звезды, содержит атомы водорода и Гелия и — в значительно меньших количествах — тяжелые химические элементы и молекулярные соединения (СО, ОН и др.). Ясно, что соотношение легких и тяжелых химических элементов зависит от стадии эволюции и места в Галактике.

Космическая среда кроме газа содержит и космическую пыль. Это пылинки размером в одну тысячную или десятитысячную миллиметра. Эта пыль составляет примерно один процент от межзвездного газа.

Что собой представляет межзвездная среда Галактики в наше время? В гало межзвездный газ и пыль практически отсутствуют. Наибольшая плотность межзвездного газа вблизи галактической плоскости. Но по нашим понятиям его практически нет. Поясним это цифрами. С помощью самых лучших вакуумных установок можно получить настолько разреженный газ (т.е. вакуум), что в каждом кубическом сантиметре его содержится не более 1000 атомов. Плотность межзвездного газа в галактической плоскости в 1000 раз меньше, т.е. там имеется в среднем 1 атом в одном кубическом сантиметре.

Толщина газопылевого слоя Галактики составляет примерно 250 пк. Он имеет клочковатую структуру. В облаках плотность вещества в десятки раз больше, чем между ними. Газопылевые облака сосредоточены более плотно в спиральных рукавах Галактики. Наиболее плотные из этих облаков наблюдаются нами как туманности (темные или светлые).

В Галактике межзвездный газ составляет примерно 1% полной массы Галактики. В других галактиках это соотношение иное. Так, у эллиптических галактик на межзвездный газ приходится всего сотая доля процента всей массы. В то же время в неправильных звездных системах (примером такой системы являются Магеллановы Облака) на межзвездный газ может приходиться до половины массы всей системы. Космическая пыль поглощает свет., поэтому станолвится невозможно вести наблюдения в видимом свете там, где пыли много. В нашей Галактике это относится к галактической плоскости и к ее окрестностям. Здесь мы можем изучать объекты (в том числе и межзвездную среду) только с помощью других излучений (ультрафиолетового, гамма, радио).

Значительную часть межзвездного газа составляет молекулярный водород. Вокру!*орячих звезд на десятки парсек водород ионизован ультрафиолетовым излучением звезд. Образованные ионы водорода излучают линию НИ в видимом участке спектра (красную линию). Эти области, в которых температура достигает 10 тысяч К, были названы "зонами НИ". За пределами этих зон молекулярный водород не ионизован. Температура его всего около 100 К. Он излучает в линии HI, поэтому области, занятые им, были названы "зонами HI". Газ в этих зонах также неоднороден, он состоит из облаков с размерами в десятки парсек. Облака содержат кроме молекулярного водорода и окись углерода.

С помощью радиоастрономии был открыт коронапьный межзвездный газ, температура которого достигает миллиона градусов. Он обнаруживается также в далеком ультрафиолетовом излучении. Этот горячий газ создан вспышками Сверхновых II типа. Области горячего коронального газа существуют десятки миллионов лет. Отдельные такие области (каверны) соединяются туннелями горячего газа.

Межзвездная среда содержит также изолированные темные облака, сильно поглощающие свет. Они очень холодные. Их температура составляет около 10 К (то есть около —263 °С). Вещество облаков находится в основном в молекулярной форме. Ядро облака может иметь плотность, достигающую 10 тысяч частиц в кубическом сантиметре.

Наблюдаются и более массивные молекулярные облака, внутри которых имеются самые яркие звезды. Плотность в ядрах этих облаков может составлять миллион, а иногда даже миллиард частиц в кубическом сантиметре.

Имеются и гигантские молекулярные облака, название которых говорит само за себя. Их размеры составляют десятки парсек, иногда они превышают сотню парсек, как в случае туманности Ml7, размер которой 170 пк. Массы таких облаков превышают массу Солнца в десять—сто тысяч раз. Они, естественно, состоят из молекулярного водорода.

Межпланетное пространство далеко не пустое. Оно содержит электромагнитное излучение (фотоны), горячую плазму (электроны, протоны и другие ионы) - солнечный ветер, космические лучи, микроскопические частицы пыли и магнитные поля (прежде всего Солнца).

В то время как излучение Солнца очевидно, другие компоненты межпланетной среды не были обнаружены до недавнего времени.

Температура межпланетной среды составляет приблизительно 100 000 K, ее плотность - примерно 5 частиц на кубический см в пределах Земли и уменьшается обратно пропорцианально квадрату расстояния от Солнца. Необходимо отметить, что плотность межпланетной среды - переменная величина, она может доходить и до 100 частиц на кубический см.

За исключением пространств в непосредственной близости к некоторым из планет, межпланетный космос заполнен магнитным полем Солнца. Взаимодействия с солнечным ветром очень сложны.

Некоторые планеты (например, Земля, Юпитер) имеют свои собственные магнитные поля. Они создают меньшие магнитосферы, которые доминируют над влиянием Солнца в пределах границ этих планет. Магнитосфера Юпитера очень большая, она простирается более чем на миллион км во всех направлениях от него. Магнитосфера Земли намного меньше и простирается только на несколько тысяч км, но она защищает нас от очень опасных воздействий солнечного ветра.

Cолнечный ветер оказывает непосредственное воздействие на поверхность немагнитных тел, таких, как Луна. Cамые высоко-энергетические частичы межпланетной среды называются космическими лучами. Некоторые из них имеют солнечное происхождение, но наиболее энергетические приходят из внешнего космоса.

Взаимодействие солнечного ветра, магнитного поля Земли и верхних слоев атмосферы Земли вызывает полярные сияния. Другие планеты со значительными магнитными полями (например, Юпитер) также имеют подобные эффекты

Космический телескоп Hubble получил детальные изображения облака межзвездной пыли, находящееся возле одной из звезд скопления Плеяды. Впервые это облако было сфотографировано больше ста лет назад с помощью 1-метрового наземного телескопа. Снимки показывают странное явление, когда свет звезды как бы выделяет малые частицы пыли среди частиц более крупных размеров.

Облако было открыто Е.Е. Барнардом, и поэтому называется туманностью Барнарда. Располагается оно около звезды Merope (Меропа, 23 Тельца). Облако не излучает собственного света, а только отражает свет близлежащей звезды. На изображении, полученном телескопом Hubble, видны параллельные полоски в туманности, тянущиеся из нижнего левого угла к верхнему правому. Радиальные полосы света, идущие от звезды, вызваны оптическими эффектами.

Полосы в туманности обусловлены тем, что частицы звездного света - фотоны - сталкиваются и взаимодействуют с пылевыми частицами туманности. Это явление называется давлением излучения.

Туманность, состоящая из частиц пыли различных размеров, дрейфует мимо звезды со скоростью около 11 км. в секунду. Фотоны несут импульс, который они передают частицам пыли при столкновении. Фотоны оказывают больший эффект на меньшие частицы пыли, так как эти частицы имеют меньшую массу и меньшую скорость по сравнению с крупными частицами.

Туманность Барнарда является яркой туманностью, так как ее расстояние до Меропы составляет всего около 0.06 световых лет - это в 3500 раз больше расстояния от Земли до Солнца. (Один световой год равен расстоянию 9460 миллиардов километров). Туманность будет двигаться вблизи Меропы еще в течение нескольких тысяч лет, если, конечно, не разрушится за это время.

Туманность Барнарда и звезда Меропа находятся в Плеядах - рассеянном звездном скоплении, которое хорошо видно невооруженным глазом. Располагается оно в созвездии Тельца на расстоянии около 380 световых лет от Земли. В ясную ночь невооруженным глазом в скоплении можно увидеть семь ярких звезд, а в малый телескоп - несколько сотен более слабых звезд

Что находится между звездами? Этот простой вопрос как бы автоматически подразумевает простой ответ - между звездами находится пустота. Именно этот наивный ответ типичен, когда мы разглядываем Млечный путь и видим, что яркие области на ночном небе соседствуют с темными областями.

Долгое время астрономы считали, что эта простая и наивная интерпретация соответствует действительности, пока В.Я.Струве (1793-1864 гг.) не высказал предположение о том, что пустоты в Млечном пути есть не что иное, как гигантские облака пыли, поглощающие свет от звезд. Лишь спустя столетие гипотеза Струве была подтверждена экспериментально. Уже в наше время, изучая радиоизлучение Вселенной, американский спутник СОВЕ получил изображение Млечного Пути, на котором отчетливо виден характер распределения межзвездной пыли в нашей Галактике. Под действием излучения звезд крупинки пыли в космическом пространстве разогреваются, особенно вблизи очень горячих звезд, и переизлучают кванты света в инфракрасном диапазоне.

Однако, межзвездное пространство заполненно не только пылью. Астрономам хорошо известно, что самым распространенным в космосе веществом является. Атом водорода - это, пожалуй, один из самых простых по своему устройству атомов, содержащий всего один электрон. Иногда, под воздействием внешнего излучения, этот электрон может переходить на очень высокие орбиты. Возврат электрона сопровождается излучением в космическое пространство радиоволн с длиной 21 см. Фиксируя это радиоизлучение, можно судить о характере распределения водорода как в Млечном Пути, так и в других галактиках.

Водородные облака могут находиться вблизи ярких звезд. Поглощая свет от звезды, они высвечивают избыток энергии и тогда мы видим феерическое зрелище типа "Тройной туманности". Если же облако окажется слишком холодным, оно будет преимущественно поглощать свет от звезд, как это видно на примере туманности Конская голова. Но самые большие объекты Млечного Пути - это гиганские облака молекулярного водорода, превосходящие по массе наше Солнце в сотни тысяч и даже миллионы раз. Одним из представителей этого класса объектов является Туманность Ориона, в глубинах которой обнаружены молекулы воды, аммиака, спирта, муравьиной и синильной кислот. Многие из этих молекул содержат углерод - основу всего живого на Земле. Не в недрах ли космоса следует искать ответы на вопрос - откуда мы и как зародилась жизнь во Вселенной?

В недрах молекулярных облаков при низкой температуре и высокой плотности газа гравитация берет верх над силами давления и уплотняет газовые фрагменты до состояния звезд. О деталях этого процесса мы расскажем в следующих разделах, а теперь посмотрим, по каким статьям происходит "расход" и "доход" межзвездной среды, что служит источниками и потребителями ее вещества и энергии.

Источники межзвездной среды

Источники вещества	Темп потери вещества, Мс в год	Количество в Галактике	Общая потеря массы, Мс в год
Звезды типа Вольфа - Райе	3*10-6	103	0,03
Вспыхивающие звезды	0,1	1011	0,1
Звезды типа Т Тельца	<10-8	106	<0,01
Звезды типа U Близнецов	2*10-9	107	0,02
O, B	2*10-6	105	0,2
MI	4*10-6	2*104	0,08
MII	4*10-7	4*105	0,16
MIII	10-8	106	0,01
Планетарные туманности	10-5	3*104	0,3
Новые	10-4	100 в год	0,01
Сверхновые	0,5	0,03 в год	0,02
Аккреция из межгалактического пространства	-	-	0,2 - 1 (?)

В том, что в межзвездной среде поддерживается относительный баланс, нас убедит простой расчет. Вся совокупность данных о молодых звездах указывает, что на протяжении последних нескольких миллионов лет в Галактике ежегодно превращалось в звезды около 4- 6 М_с диффузного вещества. Расходуя межзвездную среду с такой скоростью. Галактика полностью лишилась бы ее за 1-2 млрд. лет (8-10⁹ М_с/4-6 Мс в год). Но возраст Галактики никак не меньше, чем 10 млрд. лет. Значит, либо запасы межзвездной среды стремительно подходят к концу (в это трудно поверить, поскольку вокруг нас много подобных галактик), либо имеются источники ее пополнения.

Масса выброшенного вещества от взрыва Новой невелика - тысячные доли массы Солнца, и несмотря на то что в Галактике ежегодно вспыхивает более 100 Новых, все вместе они выбрасывают в пространство сравнительно небольшое количество газа. Сравнительно немного газа поставляют и Сверхновые (таблица), но это очень ценный газ: он обогащен продуктами ядерного синтеза - тяжелыми элементами, из которых формируются твердые пылинки, астероиды, планеты и живое вещество на них. Звезды так называемой главной последовательности, вообще говоря, неохотно расстаются со своим веществом. Пример тому Солнце, которое в виде солнечного ветра теряет ежегодно порядка 10^-13 М_с. Однако звезды-карлики (такие, как Солнце, и еще меньшей массы) "берут числом": в целом их ежегодный вклад в межзвездную среду вполне заметен

Особенно интенсивно звезды теряют вещество в конце своей эволюции - на стадии красного гиганта или сверхгиганта (спектральных классов МIII-МI) и в период сброса оболочки в виде планетарной туманности. Горячие массивные звезды спектральных классов (О, В и типа Вольфа - Райе) теряют газ очень интенсивно, но их в Галактике сравнительно немного, поэтому их суммарный вклад довольно скромен. Правда, локально, т. е. в окрестности этих звезд, их звездный ветер играет большую роль в динамике межзвездной среды.

Скорость потери массы O-звездами сильно зависит ют их светимости: dM = (4-10^-6 М_с в год)·(L/10⁶L_c)^1,73. Причем выбрасывается этот газ со скоростью V = 1- 3,5 тыс. км/с. Таким образом, за недолгое время своей жизни на главной последовательности (т ~ 1 млн. лет) O-звезда передает межзвездной среде значительную механическую энергию dМV²t = 10⁴⁹-10⁵⁰ эрг, сравнимую с энергией, выделяемой Сверхновой (около 10⁵¹ эрг). Еще больше энергии они теряют в виде излучения; эта энергия также частично превращается в тепловую и механическую энергию межзвездного газа.

Последняя строка в таблице требует пояснения. Вопрос о том, является ли Галактика "закрытой" системой, т. е. сохраняется ли в ней вещество, или же происходит его обмен с окружающим межгалактическим пространством, с другими звездными системами, имеет большое, возможно, решающее значение для всей теории звездообразования. Процесс обмена веществом может происходить .весьма своеобразно. Например, можно не сомневаться, что время от времени Галактику покидают звезды, а возможно, и звездные скопления: на этом настаивают законы статистической физики. Они говорят, что в любой системе взаимодействующих частиц - в стакане с водой, где частицами являются молекулы воды, или в звездной системе - галактике происходит процесс испарения. Частица, случайно получившая при взаимодействии с соседями слишком большую скорость, навсегда покидает систему. Звездные коллективы в этом смысле действительно напоминают сосуды с водой. Из блюдца вода испаряется за часы, из ведра - за многие сутки, скопление из нескольких десятков звезд "испаряется" за время порядка 100 млн. лет, а крупные галактики, как предсказывают расчеты, смогут удерживать свои звезды порядка 10⁶ млрд. лет.

Средний темп "испарения" звезд из нашей Галактики, вероятно, не превышает 1 звезду за 1000 лет. Для баланса вещества это мизерная величина и о ней можно забыть. Другое дело межзвездный газ. В крупных галактиках, подобных нашей, газа осталось немного: 2-5% от полной массы галактики, а иногда и того меньше. Поэтому даже небольшой отток или приток газа из межгалактического пространства могут существенно повлиять на количество газа в галактике, на его химический состав и скорость звездообразования.

Что же известно об обмене газом между Галактикой и окружающим пространством?

Высоко над плоскостью Галактики, вдали от ее центра, радиоастрономы обнаружили облака нейтрального водорода, движущиеся довольно хаотично, но в целом приближающиеся к центральным областям Галактики. Если это постороннее вещество, падающее на нашу звездную систему извне, то приток его отнюдь не мал - около 1 М_с в год. За несколько миллиардов лет он может полностью обновить межзвездную среду в Галактике.

Сразу возникает искушение считать приток газа в Галактику фактом и на его основе объяснить некоторые неувязки теории звездообразования. Например, относительно высокий темп звездообразования, при котором межзвездная среда, казалось бы, давно должна была исчерпаться. Или сравнительно стабильный химический состав звезд последних поколений, несмотря на постоянный приток в межзвездную среду тяжелых элементов из оболочек, оставшихся после Сверхновых. (Приток чистого межгалактического газа должен помочь межзвездной среде поддерживать постоянную концентрацию тяжелых элементов).

Но не будем торопиться, не исключено, что наблюдаемое над плоскостью Галактики вещество наше собственное. Подобно тому, как горячие области солнечной атмосферы, невидимые для нашего глаза, поднимаются высоко над поверхностью светила; а затем, остывая, падают обратно в виде плотных и ярких протуберанцев, так и "фонтаны" горячего ионизованного газа могут взмывать над плоскостью Галактики и, остывая, возвращаться к ней в виде облаков нейтрального водорода. Источниками горячего газа в данном случае являются те же Сверхновые.

Часть горячего газа может навсегда покинуть Галактику, образуя так называемый галактический ветер (по аналогии с солнечным ветром), а часть, остыв, может упасть обратно, завершив таким образом цикл "галактического фонтана". Но каков реальный баланс газа в этих процессах, нам пока не известно.

Поэтому к последней строке в таблице нужно отнестись с осторожностью. Создавая численные модели баланса газа в Галактике, астрономы сейчас, как правило, учитывают в них процессы обмена с межгалактической средой. Но как отмечалось, это могут быть процессы двух типов: а) приток в Галактику межгалактического вещества, лишенного тяжелых элементов; б) отток из Галактики газа, нагретого и обогащенного тяжелыми элементами Сверхновой. Легко видеть, что и тот и другой процесс стабилизирует химический состав галактического газа, чего и требуют от модели результаты наблюдений химического состава звёзд, родившихся за последние миллиарды лет.

Данные же о частоте рождения звезд в Галактике и о скорости истощения межзвездной среды пока не очень надежны, так что их расхождение с моделью не считается серьезным ее недостатком. И все же модели с притоком газа извне лучше согласуются со всем комплексом наблюдательных данных (рисунок).

Если сложить все числа в последнем столбце таблицы, то получим dM = 1,2 - 2 М_с в год. Такова по современным данным скорость пополнения веществом межзвездной среды Галактики. Конечно, точное значение этой величины еще не раз будет переопределено астрономами в будущем, но, вероятно, порядок его сохранится (dМ = 1 М_с в год). Скорость же звездообразования, т. е. скорость оттока вещества из межзвездной среды, dM = (3-5) М_с в год. А это означает, что межзвездная среда не только теряет вещество в процессе звездообразования, но и приобретает его в сравнимом количестве за счет эволюции звезд и, возможно, за счет аккреции вещества, окружающего Галактику.

То, что мы до сих пор рассказывали о межзвездной среде, в той или иной степени характерно для любой галактики. Но в составе и поведении межзвездного газа есть существенные различия, связанные в первую очередь с морфологическим типом галактики. Мы кратко обсудим эти особенности в трех последующих разделах, посвященных спиральным галактикам (подобным нашей), неправильным и карликовым системам (типа Магеллановых Облаков) и эллиптическим и линзовидным галактикам, про которые долгое время думали, что они вообще лишены межзвездной среды