Космический холод часто представляют как свойство пустоты: чем дальше от звёзд, тем холоднее. Но туманность Бумеранг устроена парадоксально. В центре находится звезда, а часть окружающего её газа холоднее микроволнового излучения, которым заполнена Вселенная. В сообщении об исследованиях ALMA 2017 года для этого газа приводилась температура ниже половины кельвина.
Для сравнения: температура реликтового фона составляет около 2,725 кельвина. Разница кажется маленькой только на привычной бытовой шкале. Половина кельвина означает примерно −272,65 °C, очень близко к абсолютному нулю. Как газу удалось оказаться холоднее окружающего излучения и почему оно сразу его не нагрело?
Реликтовое излучение осталось от ранней горячей Вселенной. Оно приходит почти равномерно со всех направлений, и его спектру соответствует определённая температура. Это удобный ориентир, но не приказ, который заставляет каждый объект немедленно иметь те же 2,725 кельвина.
Температура газа, температура пыли и температура окружающего излучения могут различаться, если система ещё не пришла в тепловое равновесие. Важны скорости обмена энергией. Представим холодный предмет, который внесли в тёплую комнату: он начинает нагреваться, но не становится комнатной температуры мгновенно. В Бумеранге к нагреву добавляется непрерывно работающий процесс охлаждения.
Бумеранг относится к предпланетарным туманностям: звезда теряет внешнее вещество, а выброшенный газ образует растущую оболочку. Слово «планетарная» здесь историческое; к возникновению планет эта стадия отношения не имеет. Объект находится примерно в пяти тысячах световых лет от нас, в созвездии Центавра.
Главный холодильник в этой истории — адиабатическое расширение. В идеализированном процессе газ выполняет работу, расширяясь, и тратит на неё внутреннюю энергию. Если приток тепла не успевает возместить потери, температура падает. В течении туманности разные участки газа раздвигаются, а давление участвует в перераспределении энергии. Здесь важен энергетический баланс потока, а не просто наличие пустого места.
Стоит оговорить распространённую ловушку. Не любое увеличение объёма охлаждает газ одинаковым способом. Свободное расширение идеального газа в пустую часть изолированного сосуда, например, не требует работы против внешнего давления и само по себе не снижает его температуру. Бумеранг описывают как расширяющийся газовый поток с адиабатическим охлаждением, а не как банку, из которой убрали перегородку.
Быстро движущийся газ при этом может быть чрезвычайно холодным. Скорость разлёта оболочки и температура измеряют разные вещи. Первая описывает согласованное движение вещества от звезды. Вторая связана с беспорядочным движением частиц относительно местного потока. Можно мысленно ехать вместе с участком оболочки: общий полёт исчезнет из картины, а тепловое движение останется. Поэтому скорость порядка 150 километров в секунду не превращает холодный поток в горячий автоматически.
Астрономы используют спектральные линии молекул, прежде всего угарного газа CO. Молекула может поглощать или испускать излучение на частотах, соответствующих переходам между её энергетическими состояниями. Холодную оболочку удалось обнаружить по поглощению на фоне реликтового излучения: в нужной области спектра сигнал становился слабее фонового.
Это измерение отличается от красивой фотографии в видимом свете. Оно показывает, как вещество взаимодействует с известным источником излучения позади него. Для вывода о физической температуре учитывают возбуждение молекул, плотность газа и прохождение излучения через оболочку. Число на температурной шкале получается из наблюдений и модели, а не из цвета туманности на снимке.
Кроме того, у Бумеранга нет единой температуры. В исследовании 2017 года для пыли в плотной центральной области получались значения примерно 19–32 кельвина. Это гораздо теплее ультрахолодного внешнего потока. Фраза «температура туманности» без указания её части скрывает существенную часть устройства объекта.
Холод объясняет расширение, но само расширение требует отдельного объяснения. Наблюдения ALMA позволили оценить массу, размеры и движение вещества. По модели 2017 года ультрахолодный поток содержит не менее примерно 3,3 массы Солнца и прослеживается на расстояниях не менее 120 тысяч астрономических единиц от центра. Для обычного ветра одиночной звезды такие характеристики оказались очень трудными.
Рагхвендра Сахаи и его коллеги предложили сценарий взаимодействия двух звёзд. Менее массивный спутник погружается в оболочку гиганта и движется всё глубже. Высвобождаемая при сближении гравитационная энергия может помочь выбросить оболочку. В их интерпретации процесс завершается слиянием спутника с центральной областью звезды.
Это реконструкция прошлого по нынешним следам, а не наблюдавшаяся в телескоп сцена падения одной звезды в другую. Сценарий ценен тем, что связывает несколько трудных свойств сразу: мощность выброса, большую потерю массы и структуру внутренних областей. Именно такие связи позволяют проверять гипотезы, а не выбирать наиболее эффектную историю.
Сопоставление данных ALMA и «Хаббла» показало сложную геометрию. Внутри выделяются две вытянутые полости, напоминающие песочные часы, а вокруг находится гораздо более обширный, приблизительно округлый холодный поток. Видимый свет отражается пылью и подчёркивает освещённые участки; молекулярные линии показывают другое распределение вещества.
Поэтому узнаваемый силуэт на фотографии не обязательно очерчивает весь объект. Это похоже на комнату, в которой фонарик высветил только две стены: форма светлого пятна ещё не равна плану помещения. В исследовании 2013 года за ультрахолодной зоной обнаружили области молекулярного излучения, указывающие на повторный нагрев газа. Авторы связывали его прежде всего с фотоэлектрическим нагревом при участии пыли.
Бумеранг называют самым холодным известным естественным объектом. «Известным» означает предел наблюдений, а «естественным» отделяет туманность от искусственно охлаждённых атомных облаков. В лабораториях получают температуры намного ниже кельвина: NASA, например, описывает конденсат в Cold Atom Lab при 130 нанокельвинах. Рекорд туманности не распространяется на экспериментальные установки.
Её холод также не вечен. Меняется расширение, газ взаимодействует с излучением, эволюционирует центральная звезда. Перед нами наблюдаемый этап истории вещества. Самое интересное в Бумеранге — возможность по поглощённому свету восстановить невидимое охлаждение и по движению холодной оболочки разобраться в бурном прошлом звёздной системы.
Шар на башне сообщал точное время, а время помогало определять долготу. История портовой технологии, пережившей…
В брюшке жука работает миниатюрная система хранения, реакции и выброса жидкости. Высокоскоростная рентгеновская съёмка показала,…
Песчаная лавина иногда звучит как низкая музыкальная нота. Опыт с песком из Омана показал, что…
Два разряда, недостоверная телеметрия и команда SCE to AUX: что на самом деле спасло вторую…
В 1900 году Чикаго развернул реку, чтобы защитить питьевую воду. Как это удалось инженерам, куда…
Лёд в теле обычно означает тяжёлые повреждения. Лесная лягушка допускает замерзание части воды, заранее защищает…
