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.
A molecular cloud, sometimes called a stellar nursery (if star formation is occurring within), is a type of interstellar cloud, the density and size of which permit absorption nebulae, the formation of molecules (most commonly molecular hydrogen, H2), and the formation of H II regions. This is in contrast to other areas of the interstellar medium that contain predominantly ionized gas. Molecular hydrogen is difficult to detect by infrared and radio observations, so the molecule most often used to determine the presence of H2 is carbon monoxide (CO). The ratio between CO luminosity and H2 mass is thought to be constant, although there are reasons to doubt this assumption in observations of some other galaxies. Within molecular clouds are regions with higher density, where much dust and many gas cores reside, called clumps. These clumps are the beginning of star formation if gravitational forces are sufficient to cause the dust and gas to collapse.
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.