Туманность Ориона (также известная как Мессье 42 , M42 или NGC 1976 ) — диффузная туманность , расположенная в Млечном Пути , к югу от Пояса Ориона в созвездии Ориона [b] и известная как средняя «звезда» в «мече» Ориона. Это одна из самых ярких туманностей , видимая невооруженным глазом на ночном небе с видимой величиной 4,0. Она находится на расстоянии 1344 ± 20 световых лет (412,1 ± 6,1 пк ) от Земли [3] [6] и является ближайшей к Земле областью массивного звездообразования . По оценкам, туманность M42 имеет 24 световых года в поперечнике (поэтому ее видимый размер с Земли составляет приблизительно 1 градус). Ее масса примерно в 2000 раз больше массы Солнца . В более старых текстах туманность Ориона часто упоминается как Великая туманность в Орионе или Великая туманность Ориона . [7]
Туманность Ориона является одним из наиболее тщательно изученных и фотографируемых объектов на ночном небе и входит в число наиболее интенсивно изучаемых небесных образований. [8] Туманность многое открыла о процессе формирования звезд и планетных систем из коллапсирующих облаков газа и пыли. Астрономы напрямую наблюдали протопланетные диски и коричневые карлики внутри туманности, интенсивные и турбулентные движения газа и фотоионизирующие эффекты массивных соседних звезд в туманности.
Туманность Ориона видна невооруженным глазом даже из областей, подверженных световому загрязнению . Она видна как средняя «звезда» в «мече» Ориона, который представляет собой три звезды, расположенные к югу от Пояса Ориона. «Звезда» кажется размытой для наблюдателей с острым зрением, а туманность очевидна в бинокль или небольшой телескоп . Пиковая поверхностная яркость центральной области M42 составляет около 17 Mag/arcsec 2 , а внешнее голубоватое свечение имеет пиковую поверхностную яркость 21,3 Mag/arcsec 2 . [9]
Туманность Ориона содержит очень молодое рассеянное скопление , известное как скопление Трапеции из-за астеризма его основных четырех звезд в пределах диаметра 1,5 световых года. Два из них могут быть разрешены в их составляющие двойные системы в ночи с хорошей видимостью , что дает в общей сложности шесть звезд. Звезды скопления Трапеции, наряду со многими другими звездами, все еще находятся в своих ранних годах . Скопление Трапеции является компонентом гораздо большего скопления Туманности Ориона, объединения примерно из 2800 звезд в пределах диаметра 20 световых лет. [10] Туманность Ориона, в свою очередь, окружена гораздо большим комплексом молекулярных облаков Ориона , который имеет сотни световых лет в поперечнике, охватывая все созвездие Ориона. Два миллиона лет назад скопление туманности Ориона могло быть домом для убегающих звезд AE Возничего , 53 Овна и Мю Голубя , которые в настоящее время удаляются от туманности со скоростью более 100 км/с (62 мили/с). [11]
Наблюдатели давно заметили характерный зеленоватый оттенок туманности, в дополнение к областям красного и сине-фиолетового цвета. Красный оттенок является результатом рекомбинационного излучения линии Hα на длине волны 656,3 нм . Сине-фиолетовая окраска является отраженным излучением от массивных звезд O-класса в ядре туманности.
Зеленый оттенок был загадкой для астрономов в начале 20-го века, потому что ни одна из известных спектральных линий в то время не могла объяснить его. Были некоторые предположения, что линии были вызваны новым элементом, и название небулий было придумано для этого загадочного материала. Однако с лучшим пониманием атомной физики позже было установлено, что зеленый спектр был вызван маловероятным электронным переходом в дважды ионизированном кислороде , так называемым « запрещенным переходом ». Это излучение было невозможно воспроизвести в лаборатории в то время, потому что оно зависело от покоящейся и почти бесстолкновительной среды, обнаруженной в высоком вакууме глубокого космоса. [12]
Было высказано предположение, что майя Центральной Америки могли описать туманность в своем мифе о сотворении мира «Три очага»; если это так, то эти три звезды соответствовали бы двум звездам у основания Ориона, Ригелю и Саифу , и еще одной, Альнитак , на конце «пояса» воображаемого охотника, вершинам почти идеального равностороннего треугольника [ неясно ] с Мечом Ориона (включая туманность Ориона) в середине треугольника [ неясно ], который в современном мифе рассматривается как дым от копалового ладана, или, в (предполагаемом переводе) древнем мифе, буквальным или образным углям огненного творения. [13] [14]
Ни « Альмагест » Птолемея , ни «Книга неподвижных звезд » аль-Суфи не упоминали эту туманность, хотя оба они перечисляли участки туманности в других местах ночного неба; и Галилей не упоминал ее, хотя он также проводил телескопические наблюдения вокруг нее в 1610 и 1617 годах. [15] Это привело к некоторым предположениям о том, что вспышка освещающих звезд могла увеличить яркость туманности. [16]
Первое открытие диффузной туманной природы туманности Ориона обычно приписывается французскому астроному Николя-Клоду Фабри де Пейреску , сделанное 26 ноября 1610 года, когда он сделал запись наблюдений за ней с помощью рефракторного телескопа, купленного его покровителем Гийомом дю Вэром . [15]
Первое опубликованное наблюдение туманности было сделано иезуитским математиком и астрономом Иоганном Баптистом Цисатом из Люцерна в его монографии 1619 года о кометах (описывающей наблюдения туманности, которые, возможно, датируются 1611 годом). [17] [18] Он провел сравнение между ней и яркой кометой, увиденной в 1618 году, и описал, как туманность выглядела через его телескоп, следующим образом:
можно увидеть, как подобным образом некоторые звезды сжимаются в очень узкое пространство и как вокруг и между звездами разливается белый свет, подобный свету белого облака. [19]
Его описание центральных звезд, отличающихся от головы кометы тем, что они представляли собой «прямоугольник», возможно, было ранним описанием скопления Трапеция . [15] [19] [20] (Первое обнаружение трех из четырех звезд этого скопления приписывается Галилео Галилею в отчете от 4 февраля 1617 года. [21] [22] ) [ необходим неосновной источник ]
Туманность была независимо «открыта» (хотя и видна невооруженным глазом) несколькими другими выдающимися астрономами в последующие годы, включая Джованни Баттиста Годиерна (чей рисунок был впервые опубликован в De systemate orbis cometici, deque admirandis coeli characteribus ). [23] В 1659 году голландский ученый Христиан Гюйгенс опубликовал первый подробный рисунок центральной области туманности в Systema Saturnium . [24]
Шарль Мессье наблюдал туманность 4 марта 1769 года, и он также отметил три звезды в Трапеции. Мессье опубликовал первое издание своего каталога объектов глубокого космоса в 1774 году (завершен в 1771 году). [25] Поскольку туманность Ориона была 42-м объектом в его списке, она была идентифицирована как M42.
В 1865 году английский астроном-любитель Уильям Хаггинс использовал свой метод визуальной спектроскопии для изучения туманности, показав, что она, как и другие туманности, которые он исследовал, состоит из «светящегося газа». [26] 30 сентября 1880 года Генри Дрейпер использовал новый процесс сухой пластинки с 11-дюймовым (28 см) рефракторным телескопом, чтобы сделать 51-минутную экспозицию туманности Ориона, первый случай астрофотографии туманности в истории. Другой набор фотографий туманности в 1883 году стал прорывом в астрономической фотографии, когда астроном-любитель Эндрю Эйнсли Коммон использовал процесс сухой пластинки для записи нескольких изображений с экспозицией до 60 минут с 36-дюймовым (91 см) рефлекторным телескопом , который он построил на заднем дворе своего дома в Илинге , западный Лондон. Эти изображения впервые показали звезды и детали туманности, слишком слабые, чтобы их мог увидеть человеческий глаз. [27]
В 1902 году Фогель и Эберхард обнаружили различные скорости внутри туманности, а к 1914 году астрономы в Марселе использовали интерферометр для обнаружения вращения и нерегулярных движений. Кэмпбелл и Мур подтвердили эти результаты с помощью спектрографа, продемонстрировав турбулентность внутри туманности. [28]
В 1931 году Роберт Дж. Трамплер заметил, что более слабые звезды около Трапеции образуют скопление, и он первым назвал их скоплением Трапеции. На основе их величин и спектральных типов он вывел оценку расстояния в 1800 световых лет. Это было в три раза дальше общепринятой оценки расстояния того периода, но было гораздо ближе к современному значению. [29]
В 1993 году космический телескоп Хаббл впервые наблюдал туманность Ориона. С тех пор туманность часто становилась объектом исследований HST. Изображения использовались для построения подробной модели туманности в трех измерениях. Вокруг большинства недавно образовавшихся звезд в туманности наблюдались протопланетные диски, а также изучались разрушительные эффекты высоких уровней ультрафиолетовой энергии от самых массивных звезд. [30]
В 2005 году инструмент Advanced Camera for Surveys космического телескопа Хаббл завершил съемку самого подробного изображения туманности из когда-либо сделанных. Изображение было получено в ходе 104 витков телескопа, захватив более 3000 звезд вплоть до 23-й величины, включая молодых коричневых карликов и возможные двойные коричневые карлики . [31] Год спустя ученые, работающие с HST, объявили о первых в истории массах пары затменных двойных коричневых карликов, 2MASS J05352184–0546085 . Пара расположена в туманности Ориона и имеет приблизительные массы 0,054 M ☉ и 0,034 M ☉ соответственно, с орбитальным периодом 9,8 дня. Удивительно, но более массивный из них также оказался менее ярким. [32]
В октябре 2023 года астрономы, основываясь на наблюдениях за туманностью Ориона с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба , сообщили об открытии пар планет -изгоев , схожих по массе с планетой Юпитер , и названных JuMBO (сокращение от Jupiter Mass Binary Objects ). [33]
Вся туманность Ориона простирается на область неба шириной 1° и включает в себя нейтральные облака газа и пыли , скопления звезд , ионизированные объемы газа и отражательные туманности .
Туманность является частью гораздо более крупной туманности, известной как комплекс молекулярных облаков Ориона . Комплекс молекулярных облаков Ориона простирается по всему созвездию Ориона и включает Петлю Барнарда , Туманность Конская Голова , M43 , M78 и Туманность Пламя . Звезды формируются по всему комплексу облаков, но большинство молодых звезд сосредоточены в плотных скоплениях, подобных тому, что освещает туманность Ориона. [34] [35]
Текущая астрономическая модель туманности состоит из ионизированной ( H II ) области, примерно с центром на Theta 1 Orionis C , которая лежит на стороне вытянутого молекулярного облака в полости, образованной массивными молодыми звездами. [37] (Theta 1 Orionis C излучает в 3-4 раза больше фотоионизирующего света, чем следующая по яркости звезда, Theta 2 Orionis A.) Область H II имеет температуру до 10 000 К, но эта температура резко падает вблизи края туманности. [38] Излучение туманности происходит в основном от фотоионизированного газа на задней поверхности полости. [39] Область H II окружена нерегулярной вогнутой бухтой более нейтрального облака высокой плотности со сгустками нейтрального газа, лежащими за пределами области залива. Это, в свою очередь, лежит на периметре молекулярного облака Ориона. Газ в молекулярном облаке демонстрирует диапазон скоростей и турбулентности, особенно вокруг области ядра. Относительные движения достигают 10 км/с (22 000 миль/ч), с локальными вариациями до 50 км/с и, возможно, больше. [38]
Наблюдатели дали названия различным деталям туманности Ориона. Темный залив, который простирается с севера в яркую область, известен как «Sinus Magnus» [40] , также называемый «Рыбьим ртом». Освещенные области по обеим сторонам называются «Крыльями». Другие детали включают «Меч», «Толчок» и «Парус». [41]
Туманность Ориона является примером звездных яслей , где рождаются новые звезды. Наблюдения за туманностью выявили около 700 звезд на разных стадиях формирования внутри туманности.
В 1979 году наблюдения с помощью электронной камеры Лаллемана в обсерватории Пик-дю-Миди показали шесть неразрешенных источников высокой ионизации вблизи скопления Трапеция . Эти источники были интерпретированы как частично ионизированные глобулы (PIG). Идея заключалась в том, что эти объекты ионизируются извне M42. [42] Более поздние наблюдения с помощью Very Large Array показали конденсации размером с солнечную систему, связанные с этими источниками. Здесь возникла идея, что эти объекты могут быть звездами малой массы, окруженными испаряющимся протозвездным аккреционным диском. [43] В 1993 году наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл дали важное подтверждение существования протопланетных дисков внутри туманности Ориона, которые были названы проплидами . [44] [45] HST обнаружил более 150 из них внутри туманности, и они считаются системами на самых ранних стадиях формирования солнечной системы . Их огромное количество использовалось в качестве доказательства того, что образование планетных систем — довольно распространенное явление во Вселенной .
Звезды образуются , когда сгустки водорода и других газов в области H II сжимаются под действием собственной гравитации. По мере коллапса газа центральный сгусток становится сильнее, и газ нагревается до экстремальных температур, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в тепловую . Если температура становится достаточно высокой, ядерный синтез зажигается и образует протозвезду . Протозвезда «рождается», когда она начинает испускать достаточно лучистой энергии, чтобы уравновесить свою гравитацию и остановить гравитационный коллапс .
Обычно облако материала остается на значительном расстоянии от звезды, прежде чем загорится реакция синтеза. Это остаточное облако является протопланетным диском протозвезды, где могут образовываться планеты. Недавние инфракрасные наблюдения показывают, что пылевые зерна в этих протопланетных дисках растут, начиная путь к формированию планетезималей . [46]
Как только протозвезда входит в фазу своей главной последовательности , она классифицируется как звезда. Хотя большинство планетарных дисков могут образовывать планеты, наблюдения показывают, что интенсивное звездное излучение должно было уничтожить любые проплиды, которые образовались вблизи группы Трапеции, если группа такая же старая, как и звезды с малой массой в скоплении. [30] Поскольку проплиды находятся очень близко к группе Трапеции, можно утверждать, что эти звезды намного моложе остальных членов скопления. [c]
После образования звезды внутри туманности испускают поток заряженных частиц, известный как звездный ветер . Массивные звезды и молодые звезды имеют гораздо более сильные звездные ветры, чем Солнце . [47] Ветер образует ударные волны или гидродинамические нестабильности, когда сталкивается с газом в туманности, который затем формирует газовые облака. Ударные волны от звездного ветра также играют большую роль в формировании звезд, уплотняя газовые облака, создавая неоднородности плотности, которые приводят к гравитационному коллапсу облака.
В туманности Ориона есть три различных типа ударных волн. Многие из них представлены в объектах Хербига-Аро : [48]
Динамические движения газа в M42 сложны, но они направлены наружу через отверстие в заливе и к Земле. [38] Большая нейтральная область за ионизированной областью в настоящее время сжимается под действием собственной гравитации.
Существуют также сверхзвуковые «пули» газа, пронзающие водородные облака туманности Ориона. Каждая пуля в десять раз больше диаметра орбиты Плутона и заканчивается атомами железа, светящимися в инфракрасном диапазоне. Вероятно, они образовались тысячу лет назад в результате неизвестного сильного события. [50]
Межзвездные облака, такие как туманность Ориона, встречаются во всех галактиках, таких как Млечный Путь . Они начинаются как гравитационно связанные сгустки холодного нейтрального водорода, смешанного со следами других элементов. Облако может содержать сотни тысяч солнечных масс и простираться на сотни световых лет. Крошечная сила гравитации, которая могла бы заставить облако схлопнуться, уравновешивается очень слабым давлением газа в облаке.
Будь то из-за столкновений со спиральным рукавом или через ударную волну, испускаемую сверхновыми , атомы осаждаются в более тяжелые молекулы, и в результате получается молекулярное облако. Это предвещает образование звезд внутри облака, которое обычно считается периодом в 10–30 миллионов лет, поскольку регионы проходят массу Джинса , а дестабилизированные объемы коллапсируют в диски. Диск концентрируется в ядре, образуя звезду, которая может быть окружена протопланетным диском. Это текущая стадия эволюции туманности, и дополнительные звезды все еще формируются из коллапсирующего молекулярного облака. Считается, что самые молодые и яркие звезды, которые мы сейчас видим в туманности Ориона, имеют возраст менее 300 000 лет [51] , а самые яркие могут иметь возраст всего 10 000 лет. Некоторые из этих коллапсирующих звезд могут быть особенно массивными и могут испускать большое количество ионизирующего ультрафиолетового излучения. Примером этого является скопление Трапеция. Со временем ультрафиолетовый свет от массивных звезд в центре туманности вытолкнет окружающий газ и пыль в процессе, называемом фотоиспарением . Этот процесс отвечает за создание внутренней полости туманности, позволяя наблюдать звезды в ядре с Земли. [8] Самые крупные из этих звезд имеют короткую продолжительность жизни и эволюционируют, чтобы стать сверхновыми.
Примерно через 100 000 лет большая часть газа и пыли будет выброшена. Остатки сформируют молодое рассеянное скопление, скопление ярких молодых звезд, окруженных тонкими волокнами бывшего облака. [52]