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 «меч» Ориона. Это одна из самых ярких туманностей , видимая на ночном небе невооруженным глазом с видимой звездной 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, диаметр туманности М42 составляет 24 световых года (поэтому ее видимый размер с Земли составляет примерно 1 градус). Его масса примерно в 2000 раз больше массы Солнца . В более старых текстах туманность Ориона часто упоминается как Большая туманность в Орионе или Большая туманность Ориона . [7]
Туманность Ориона — один из наиболее тщательно изучаемых и фотографируемых объектов ночного неба и одна из наиболее интенсивно изучаемых небесных объектов. [8] Туманность многое рассказала о процессе формирования звезд и планетных систем из коллапсирующих облаков газа и пыли. Астрономы непосредственно наблюдали протопланетные диски и коричневые карлики внутри туманности, интенсивные и турбулентные движения газа, а также фотоионизирующие эффекты массивных близлежащих звезд в туманности.
Туманность Ориона видна невооруженным глазом даже из районов, подверженных некоторому световому загрязнению . Ее рассматривают как среднюю «звезду» в «мече» Ориона, который представляет собой три звезды, расположенные к югу от Пояса Ориона. Внимательным наблюдателям «звезда» кажется размытой, а туманность очевидна в бинокль или небольшой телескоп . Пиковая поверхностная яркость центральной области M42 составляет около 17 Mag/угл. сек 2 (около 14 миллинит ), а внешнее голубоватое свечение имеет пиковую поверхностную яркость 21,3 Mag/угл. сек 2 ( около 0,27 миллинит). [9] (На фотографиях, показанных здесь, яркость или яркость увеличена в значительной степени.)
Туманность Ориона содержит очень молодое рассеянное скопление , известное как Скопление Трапеции из-за астеризма его основных четырех звезд диаметром 1,5 световых года. Две из них можно разложить на составляющие двойные системы в ночи с хорошей видимостью , что дает в общей сложности шесть звезд. Звезды скопления Трапеция, как и многие другие звезды, все еще находятся в молодости . Скопление Трапеция является компонентом гораздо более крупной туманности Ориона, объединения около 2800 звезд диаметром 20 световых лет. [10] Туманность Ориона, в свою очередь, окружена гораздо более крупным комплексом молекулярных облаков Ориона , ширина которого составляет сотни световых лет и охватывает все созвездие Ориона. Два миллиона лет назад скопление туманности Ориона, возможно, было домом для сбежавших звезд AE Возничего , 53 Овна и Мю Колумбы , которые в настоящее время удаляются от туманности со скоростью более 100 км/с (62 мили/с). [11]
Наблюдатели уже давно заметили характерный зеленоватый оттенок туманности в дополнение к областям красного и сине-фиолетового цвета. Красный оттенок является результатом излучения линии рекомбинации Hα на длине волны 656,3 нм . Сине-фиолетовый цвет — это отраженное излучение массивных звезд О-класса в ядре туманности.
Зеленый оттенок был загадкой для астрономов в начале 20-го века, поскольку ни одна из известных в то время спектральных линий не могла его объяснить. Были некоторые предположения, что линии были вызваны новым элементом, и для этого загадочного материала было придумано название « небулий» . Однако позже , после лучшего понимания атомной физики , было установлено, что зеленый спектр был вызван маловероятным электронным переходом в дважды ионизированном кислороде , так называемым « запрещенным переходом ». В то время это излучение было невозможно воспроизвести в лаборатории, поскольку оно зависело от спокойной и почти свободной от столкновений среды, находящейся в глубоком вакууме глубокого космоса. [12]
Было предположение, что майя Центральной Америки , возможно, описали туманность в своем мифе о сотворении «Трех камней возвращения»; если так, то эти три соответствовали бы двум звездам в основании Ориона, Ригелю и Саифу , и еще одной, Альнитак , на кончике «пояса» воображаемого охотника, вершинам почти идеального равностороннего треугольника [ неопределенно ] с звездой Ориона. Меч (включая туманность Ориона) в середине треугольника [ неопределенно ] , рассматриваемый как пятно дыма от копалового благовония в современном мифе или, в (предполагаемый перевод) древнем мифе, буквальные или фигуральные угли огненное творение. [13] [14]
Ни в « Альмагесте » Птолемея , ни в «Книге неподвижных звезд » аль-Суфи эта туманность не упоминается, хотя оба они перечисляют участки туманности в других местах ночного неба; Галилей не упомянул о ней, хотя он также проводил телескопические наблюдения вокруг нее в 1610 и 1617 годах. [15] Это привело к некоторым предположениям, что вспышка освещающих звезд могла увеличить яркость туманности. [16]
Первое открытие диффузной туманной природы туманности Ориона обычно приписывают французскому астроному Николя-Клоду Фабри де Пейреску 26 ноября 1610 года, когда он сделал запись о наблюдении ее с помощью преломляющего телескопа , купленного его покровителем Гийомом дю Вэром. . [15]
Первое опубликованное наблюдение туманности было сделано математиком и астрономом-иезуитом Иоганном Баптистом Цизатом из Люцерна в его монографии о кометах 1619 года (описывающей наблюдения туманности, которые могут быть датированы 1611 годом). [17] [18] Он сравнил ее с яркой кометой , увиденной в 1618 году, и описал, как туманность появилась в его телескоп:
видно, как подобным образом некоторые звезды сжимаются в очень узкое пространство и как вокруг и между звездами изливается белый свет, подобный свету белого облака. [19]
Его описание центральных звезд, отличающихся от головы кометы тем, что они представляют собой «прямоугольник», возможно, было ранним описанием скопления Трапеция . [15] [19] [20] (Первое обнаружение трёх из четырёх звёзд этого скопления приписывается Галилео Галилею 4 февраля 1617 года. [21] [22] ) [ нужен неосновной источник ]
Туманность была независимо «открыта» (хотя и видна невооруженным глазом) несколькими другими выдающимися астрономами в последующие годы, в том числе Джованни Баттистой Ходиерной (чей эскиз был впервые опубликован в De systemate orbis Cometici, deque admirandis coelicharibus ). [23] В 1659 году голландский учёный Христиан Гюйгенс опубликовал первый подробный рисунок центральной области туманности в системе Сатурниум . [24]
Шарль Мессье наблюдал туманность 4 марта 1769 года, а также заметил три звезды в Трапеции. Мессье опубликовал первое издание своего каталога объектов глубокого космоса в 1774 году (завершено в 1771 году). [25] Поскольку туманность Ориона была 42-м объектом в его списке, она получила обозначение 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 фотографический процесс с сухой пластиной с помощью 11-дюймового (28 см) рефракторного телескопа , чтобы сделать 51-минутную экспозицию туманности Ориона, первого в истории случая астрофотографии туманности. . Другая серия фотографий туманности, сделанная в 1883 году, стала прорывом в астрономической фотографии, когда астроном-любитель Эндрю Эйнсли Коммон использовал процесс сухой пластинки для записи нескольких изображений с выдержкой до 60 минут с помощью сконструированного им 36-дюймового (91 см) телескопа-рефлектора. на заднем дворе своего дома в Илинге , западный Лондон. На этих изображениях впервые были показаны звезды и детали туманностей, слишком слабые, чтобы их можно было увидеть человеческим глазом. [27]
В 1902 году Фогель и Эберхард обнаружили разные скорости внутри туманности, а к 1914 году астрономы из Марселя 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 тусклые звезды вблизи Трапеции образуют скопление, и он был первым, кто назвал их скоплением Трапеции. Основываясь на их величинах и спектральных типах, он получил оценку расстояния в 1800 световых лет. Это было в три раза дальше, чем общепринятая оценка расстояния того периода, но было намного ближе к современному значению. [29]
В 1993 году космический телескоп «Хаббл» впервые наблюдал туманность Ориона. С тех пор туманность стала частой целью исследований HST. Изображения были использованы для построения подробной модели туманности в трех измерениях. Вокруг большинства вновь образовавшихся звезд в туманности наблюдались протопланетные диски , а также изучалось разрушительное воздействие высоких уровней ультрафиолетовой энергии самых массивных звезд. [30]
В 2005 году усовершенствованная камера для обзоров космического телескопа Хаббл завершила получение самого детального изображения туманности, когда-либо полученного. Изображение было получено через 104 витка телескопа, на нем запечатлено более 3000 звезд до 23-й звездной величины, включая молодых коричневых карликов и возможные двойные звезды коричневых карликов . [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 дней. Удивительно, но более массивный из двух оказался и менее ярким. [32]
В октябре 2023 года астрономы на основе наблюдений туманности Ориона с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба сообщили об открытии пар планет -изгоев , аналогичных по массе планете Юпитер , и получивших название JuMBO (сокращение от Jupiter Mass Binary Objects ). [33]
Вся туманность Ориона занимает область неба размером 1° и включает нейтральные облака газа и пыли , ассоциации 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 в себя Петлю Барнарда , туманность Конская Голова , M43 , M78 и туманность Пламя . Звезды формируются по всему Облачному комплексу, но большинство молодых звезд сосредоточены в плотных скоплениях, подобных тому, что освещает туманность Ориона. [34] [35]
Текущая астрономическая модель туманности состоит из ионизированной области ( H II ), примерно с центром в Тета 1 Ориона C , которая лежит на стороне вытянутого молекулярного облака в полости, образованной массивными молодыми звездами. [37] (Тета 1 Ориона C излучает в 3-4 раза больше фотоионизирующего света, чем следующая по яркости звезда Тета 2 Ориона А.) Область H II имеет температуру до 10 000 К, но вблизи края эта температура резко падает. туманности. [38] Туманное излучение исходит в основном от фотоионизированного газа на задней поверхности полости. [39] Область H II окружена неравномерной вогнутой бухтой из более нейтральных облаков высокой плотности, с скоплениями нейтрального газа, лежащими за пределами области бухты. Это, в свою очередь, находится по периметру Молекулярного Облака Ориона. Газ в молекулярном облаке демонстрирует различные скорости и турбулентность, особенно вокруг области ядра. Относительные движения составляют до 10 км/с (22 000 миль/ч), с местными вариациями до 50 км/с и, возможно, больше. [38]
Наблюдатели дали названия различным объектам туманности Ориона. Темный залив, простирающийся с севера в яркую область, известен как «Большой пазух», [40] также называемый «Рыбий рот». Освещенные области с обеих сторон называются «Крыльями». Другие функции включают «Меч», «Укол» и «Парус». [41]
Туманность Ориона — пример звездного питомника , 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 (ЧИГ). Идея заключалась в том, что эти объекты ионизируются снаружи М42. [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 маломассивными звездами, окруженными испаряющимся протозвездным аккреционным диском. [43] В 1993 году наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл» дали главное подтверждение существования протопланетных дисков внутри туманности Ориона, которые были названы проплидами . [44] [45] HST выявил более 150 таких объектов внутри туманности, и они считаются системами, находящимися на самых ранних стадиях формирования Солнечной системы . Их огромное количество использовалось в качестве доказательства того, что формирование планетных систем довольно распространено во Вселенной .
Звезды образуются , когда сгустки водорода и других газов в области H II сжимаются под действием собственной гравитации. По мере коллапса газа центральный комок становится сильнее, и газ нагревается до экстремальных температур за счет преобразования потенциальной энергии гравитации в тепловую энергию . Если температура станет достаточно высокой, произойдет ядерный синтез и образуется протозвезда . Протозвезда «рождается», когда она начинает излучать достаточно радиационной энергии, чтобы сбалансировать свою гравитацию и остановить гравитационный коллапс .
Обычно облако материала остается на значительном расстоянии от звезды до того, как загорится реакция термоядерного синтеза. Это остаточное облако является протопланетным диском протозвезды, где могут формироваться планеты. Недавние инфракрасные наблюдения показывают, что пылинки в этих протопланетных дисках растут, начиная с пути к образованию планетезималей . [46]
Как только протозвезда вступает в фазу своей главной последовательности , она классифицируется как звезда. Несмотря на то, что большинство планетарных дисков могут образовывать планеты, наблюдения показывают, что интенсивное звездное излучение должно было уничтожить любые проплиды, образовавшиеся вблизи группы Трапеции, если группа столь же стара, как звезды малой массы в скоплении. [30] Поскольку проплиды находятся очень близко к группе Трапеции, можно утверждать, что эти звезды намного моложе остальных членов скопления. [с]
После формирования 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 гидродинамическую нестабильность, когда он сталкивается с газом в туманности, который затем формирует газовые облака. Ударные волны 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 разных типа толчков. Многие из них представлены в объектах Хербига – Аро : [48]
Динамические движения газа в M42 сложны, но направлены через отверстие в заливе к Земле. [38] Большая нейтральная область за ионизированной областью в настоящее время сжимается под действием собственной гравитации.
Есть также сверхзвуковые «пули» газа, пронзающие водородные облака туманности Ориона. Каждая пуля в десять раз превышает диаметр орбиты Плутона и снабжена атомами железа, светящимися в инфракрасном диапазоне. Вероятно, они образовались тысячу лет назад в результате неизвестного насильственного события. [50]
Межзвездные облака, такие как туманность Ориона, встречаются во всех галактиках , таких как Млечный Путь . Они начинаются как гравитационно связанные капли 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.
То ли из-за столкновений со спиральным рукавом, то ли из-за ударной волны, испускаемой сверхновыми , атомы превращаются в более тяжелые молекулы, и в результате образуется молекулярное облако. Это предвещает образование звезд внутри облака, которое, как обычно полагают, произойдет в течение 10–30 миллионов лет, когда регионы преодолеют массу Джинса , а дестабилизированные объемы схлопнутся в диски. Диск концентрируется в ядре, образуя звезду, которая может быть окружена протопланетным диском. Это текущая стадия эволюции туманности, на которой из коллапсирующего молекулярного облака все еще формируются дополнительные звезды. Считается, что самым молодым и ярким звездам, которые мы сейчас видим в туманности Ориона, меньше 300 000 лет [51] , а самым ярким может быть всего 10 000 лет. Некоторые из этих коллапсирующих звезд могут быть особенно массивными и испускать большое количество ионизирующего ультрафиолетового излучения. Примером этого является скопление Трапеция. Со временем ультрафиолетовый свет массивных звезд в центре туманности вытеснит окружающий газ и пыль в процессе, называемом фотоиспарением . Этот процесс отвечает за создание внутренней полости туманности, позволяющей наблюдать звезды в ядре с Земли. [8] Самые крупные из этих звезд имеют короткую продолжительность жизни и в процессе эволюции станут сверхновыми.
Примерно через 100 000 лет большая часть газа и пыли будет выброшена. Остатки сформируют молодое рассеянное скопление — скопление ярких молодых звезд, окруженное тонкими нитями бывшего облака. [52]