Введение

Молекулярное облако, иногда называемое звёздной колыбелью (если внутри происходит звездообразование), — это тип межзвёздного облака, плотность и размер которого позволяют формироваться абсорбционным туманностям, молекулам (в основном молекулярному водороду, H2) и областям H II. Это отличает их от других областей межзвёздной среды, содержащих преимущественно ионизированный газ. Молекулярный водород сложно обнаружить с помощью инфракрасных и радио наблюдений, поэтому для определения наличия H2 чаще всего используют монооксид углерода (CO). Считается, что отношение между светимостью CO и массой H2 постоянно, хотя есть основания сомневаться в этом предположении при наблюдениях других галактик. Внутри молекулярных облаков находятся области с более высокой плотностью, содержащие большое количество пыли и газовых ядер, называемые комками (или сгустками). Эти комки являются началом звездообразования, если гравитационные силы достаточны для сжатия пыли и газа.

Исследования и открытия

История открытия молекулярных облаков тесно связана с развитием радиоастрономии и астрохимии. Во время Второй мировой войны, на небольшом собрании ученых, Хенк ван де Хюльст впервые доложил о своих расчетах, согласно которым нейтральный атом водорода должен излучать обнаружимый радиосигнал. Это открытие стало важным шагом в исследованиях, которые в конечном итоге привели к обнаружению молекулярных облаков. После окончания войны, и зная о пионерских радиоастрономических наблюдениях, проведенных Янски и Ребером в США, голландские астрономы переоборудовали дисковые антенны, расположенные вдоль голландского побережья и ранее использовавшиеся немцами как система радиолокационного предупреждения, в радиотелескопы, начав поиск водородного сигнала в глубинах космоса. Нейтральный атом водорода состоит из протона и электрона, вращающегося вокруг него. И протон, и электрон обладают свойством спина. При переходе спинового состояния из параллельного в антипараллельное, которое характеризуется более низкой энергией, атом избавляется от избытка энергии, излучая спектральную линию на частоте 1420,405 МГц.

Возникновение

В пределах Млечного Пути молекулярные газовые облака составляют менее одного процента объема межзвездной среды (МЗС), однако это самая плотная ее часть. Основная масса молекулярного газа сосредоточена в кольце, расположенном между центром Млечного Пути (Солнце находится на расстоянии около 8,5 килопарсек от центра). Крупномасштабные карты распределения CO в Галактике показывают, что положение этого газа коррелирует со спиральными рукавами. Преобладающее наличие молекулярного газа в спиральных рукавах указывает на то, что молекулярные облака должны формироваться и разрушаться за время, не превышающее 10 миллионов лет – время, необходимое для прохождения материала через область рукава. Перпендикулярно плоскости Галактики молекулярный газ занимает узкую среднюю плоскость галактического диска с характерной высотой шкалы Z, составляющей приблизительно 50–75 парсек, что значительно меньше, чем у теплых атомных (Z от 130 до 400 парсек) и теплых ионизированных (Z около 1000 парсек) газовых компонентов МЗС. Исключением из распределения ионизированного газа являются области H II – пузыри горячего ионизированного газа, образующиеся в молекулярных облаках под воздействием интенсивного излучения молодых массивных звезд; в связи с этим они имеют примерно такое же вертикальное распределение, как и молекулярный газ. Это распределение молекулярного газа усреднено по большим расстояниям; однако, его распределение в малых масштабах крайне неравномерно, и большая его часть сосредоточена в отдельных облаках и облачных комплексах. Большая часть газа находится в молекулярном состоянии. Видимые границы молекулярного облака не обозначают его фактическое окончание, а указывают на место, где молекулярный газ быстро переходит в атомный, формируя "оболочки" массы и создавая впечатление края структуры облака. Сама структура обычно нерегулярна и нитевидная. Космическая пыль и ультрафиолетовое излучение звезд являются ключевыми факторами, определяющими не только плотность газа и столбца, но и молекулярный состав облака. Пыль обеспечивает защиту молекулярного газа внутри, предотвращая его диссоциацию под воздействием ультрафиолетового излучения. Диссоциация, вызванная УФ-фотонами, является основным механизмом преобразования молекулярного материала обратно в атомное состояние внутри облака. Молекулярное содержание в области молекулярного облака может быстро меняться из-за изменений в поле излучения и движения пыли. Большая часть газа, составляющего молекулярное облако, – это молекулярный водород, а угарный газ – второе по распространенности соединение. Астрономы предложили два возможных механизма формирования молекулярных облаков: рост облака в результате столкновений и гравитационной неустойчивости в газовом слое, протянувшемся по всей Галактике. Модели теории столкновений показали, что она не может быть основным механизмом формирования облаков из-за очень длительного времени, необходимого для образования молекулярного облака, превышающего средний срок жизни таких структур. Этот процесс начинается, когда примерно 2% массы облака превращается в звезды. Звездные ветры также способствуют рассеиванию облаков. Цикл формирования и разрушения облаков замыкается, когда газ, рассеянный звездами, остывает и под действием гравитационной неустойчивости вновь собирается в новые облака. Сжигание водорода генерирует достаточно тепла, чтобы противодействовать гравитации, создавая гидростатическое равновесие. На этом этапе формируется протозвезда, которая продолжает собирать газ и пыль из окружающего облака. Одним из наиболее изученных регионов звездообразования является молекулярное облако Тельца, благодаря его близости к Земле (140 пк или 430 св. лет), что делает его отличным объектом для сбора данных о связи между молекулярными облаками и звездообразованием. В молекулярном облаке Тельца находятся звезды типа T Тельца – класс переменных звезд на ранней стадии звездного развития, которые все еще собирают газ и пыль из окружающего облака. Наблюдения за областями звездообразования помогли астрономам разработать теории эволюции звезд. Многие звезды спектральных классов O и B наблюдаются в молекулярных облаках или вблизи них. Поскольку эти типы звезд относятся к населению I (некоторые из них моложе 1 миллиона лет), они не могли сильно удалиться от места своего рождения. Многие из этих молодых звезд находятся в облачных скоплениях, что указывает на то, что звезды формируются внутри них. Обширное скопление молекулярного газа, масса которого более чем в 10 000 раз превышает массу Солнца, называется гигантским молекулярным облаком (ГМО). Диаметр ГМО составляет от 15 до 600 световых лет (5–200 парсек), а типичная масса – от 10 000 до 10 миллионов солнечных масс. В то время как средняя плотность в окрестностях Солнца составляет одну частицу на кубический сантиметр, средняя объемная плотность ГМО примерно в десять–тысячу раз выше. Хотя Солнце гораздо плотнее ГМО, объем ГМО настолько велик, что он содержит гораздо больше массы, чем Солнце. Подструктура ГМО представляет собой сложный узор из нитей, слоев, пузырей и неправильных комков. Значительная доля нитей содержит предзвездные и протозвездные ядра, что подтверждает важную роль нитей в формировании гравитационно связанных ядер. Самые плотные части нитей и комков называются молекулярными ядрами, а самые плотные молекулярные ядра – плотными молекулярными ядрами и имеют плотность более 10⁴–10⁶ частиц на кубический сантиметр. Типичные молекулярные ядра прослеживаются с помощью CO, а плотные молекулярные ядра – с помощью аммиака. Концентрация пыли внутри молекулярных ядер обычно достаточна для блокировки света от фоновых звезд, так что они видны в виде темных туманностей. ГМО настолько велики, что местные из них могут покрывать значительную часть созвездия; поэтому их часто называют по имени этого созвездия, например, молекулярное облако Ориона (ОМО) или молекулярное облако Тельца (ТМО). Эти местные ГМО расположены в кольце в окрестностях Солнца, совпадающем с Поясом Гульда. Самое массивное скопление молекулярных облаков в Галактике образует асимметричное кольцо вокруг галактического центра на расстоянии 120 парсек; крупнейшим компонентом этого кольца является комплекс Стрельца B2. Область Стрельца химически богата и часто используется астрономами в качестве образца при поиске новых молекул в межзвездном пространстве.

Малые молекулярные облака

Изолированные гравитационно связанные небольшие молекулярные облака с массой менее нескольких сотен масс Солнца называются глобулами Бока. Самые плотные части небольших молекулярных облаков эквивалентны молекулярным ядрам, встречающимся в гигантских молекулярных облаках, и часто рассматриваются в тех же исследованиях.

Диффузные молекулярные облака высоких широт

В 1984 году IRAS идентифицировал новый тип диффузного молекулярного облака. Это были диффузные нитевидные облака, видимые на больших галактических широтах. Типичная плотность этих облаков составляет 30 частиц на кубический сантиметр.