Что такое космическая пыль и зачем она нужна: вопросы астрофизику

Почему эта новость важна для науки?

Открытие, которое сделали ученые с помощью «Уэбба», связано с происхождением межзвездной пыли. Сверхновые и раньше рассматривали как один из ее возможных источников. Однако при взрыве такой звезды пыль не только формируется, но и разрушается, поэтому до сих пор было неясно, какой из процессов доминирует.

Ранее для детального изучения была доступна только довольно близкая сверхновая SN 1987A в галактике-спутнике Млечного Пути. Теперь благодаря чувствительности «Джеймса Уэбба», а также тому, что он позволяет наблюдать недоступный с Земли средний инфракрасный диапазон, ученым удалось пронаблюдать пыль, которая сформировалась в более далекой галактике, и измерить ее количество. Оказалось, что в остатках сверхновых ее очень много, — а значит, пыль в них все же формируется эффективно.

Что вообще такое космическая пыль?

Это общее название для мельчайших космических твердых частиц. Часть пыли — межзвездная, она перемешана с газом, заполняющим галактику в пространстве между звездами. Кроме нее, есть межпланетная пыль — это пыль в нашей Солнечной системе, которая получается в результате столкновений астероидов, комет и других небесных тел.

Откуда она взялась во Вселенной?

Пыль появилась во Вселенной при взрывах первых звезд. Пронаблюдать их пока не удалось, но теоретические расчеты показывают, что они образовались, когда Вселенной было несколько сотен миллионов лет, то есть больше 13 миллиардов лет назад.

В ходе термоядерных реакций в массивных звездах легкие химические элементы, водород и гелий, сгорают и превращаются в более тяжелые, например, кремний, железо, кислород, углерод. Массивные звезды очень быстро сжигают все свое «горючее», и когда топливо заканчивается, реакции в ядре прекращаются. Тогда гравитация оказывается сильнее внутреннего давления и происходит коллапс (резкое сжатие) ядра и сброс оболочки звезды. В результате него в межзвездное пространство выбрасываются новые компоненты — новые тяжелые элементы и космическая пыль.

Если пыль такая мелкая, как ее можно обнаружить?

Для наблюдения космической пыли необходимо сочетание длины волны и чувствительности телескопа. Инструмент MIRI телескопа «Джеймс Уэбб» как раз может вести наблюдения в среднем и длинном инфракрасном диапазонах волн. Это значит, что он может видеть очень холодные объекты, излучающие очень мало тепла.

Другой способ обнаружить пыль — наблюдать поглощение света. Пылевые частицы хорошо поглощают свет далеких звезд и делают его более красным. Поэтому пыль можно изучать, например, сравнивая близкие звезды с их более далекими аналогами, свет которых прошел через заполненное пылью межзвездное пространство.

Космическую пыль можно обнаружить не только в далеких галактиках и в нашей галактике, но и в околосолнечном пространстве. В отличие от, например, метеороидов и астероидов, она достигает поверхности Земли. Ее частицы настолько легкие и мелкие, что почти не нагреваются при входе в атмосферу, а значит, остаются в сохранности. Например, недавно российские ученые нашли ее в снегах Антарктиды.

А невооруженным взглядом ее можно увидеть?

Вскоре после захода или перед восходом Солнца на небе можно заметить слабое свечение — так называемый зодиакальный свет. Он возникает как раз вследствие рассеяния солнечного света на скоплении частиц межпланетной пыли. Кроме того, в ясную ночь, например, в горах, можно увидеть Млечный путь. Темные пятна на нем — это и есть космическая пыль и газ.

А из чего вообще она состоит?

Ученым известно, что в состав пыли входят в преимущественно углероды и силикаты — различные минералы, содержащие кремний, кислород, железо, магний и другие элементы и углерод. Эти компоненты известны нам в жизни и ассоциируются с мелким песком или угольной пылью с заводов. 

Разве пыль — это хорошо?

Поначалу ученые действительно считали звездную пыль помехой в исследованиях звезд, ведь она заставляла горячую звезду выглядеть менее холодной. После они обнаружили, что пыль играет важную роль в формировании новых звезд, планетных систем вокруг и даже молекул. Например, на ее поверхности образуется вода.

Первые теории формирования планет и звезд были сформулированы больше 200 лет назад, но существенное развитие эта тема получила лишь во второй половине ХХ века. Пыль и формирование звезд связали, когда измерили их химический состав, а также определили природу и состав самой пыли. Ученые выяснили, что за исключением водорода и гелия эти составы очень похожи. Однако детально описать процесс образования звезд и планет только предстоит.

Как именно она помогает родиться звездам и планетам?

Звезды образуются, когда плотный сгусток в газопылевом облаке схлопывается. Пыль при этом играет роль охладителя. Она нагревается, излучает энергию в инфракрасном диапазоне и «уносит» ее из сжимающегося облака. А для планет пыль служит строительным материалом. По сути, планеты, подобные Земле — это огромные межзвездные пылинки.

Для чего еще ее изучают?

Частицы космической пыли — бесценный кладезь информации для изучения и понимания космоса. Благодаря тому, что ее можно изучать не только издалека, но и непосредственно, по ее химическому составу можно узнать материалы, из которых сформировалась Солнечная система, понять, как она развивалась, а также получить данные об атмосферном составе нашей планеты в разные эпохи.

Кроме того, частицы космической пыли — одни из самых мощных природных детекторов магнитных полей во Вселенной. Астрономы используют свет, который излучают пылинки, для изучения магнитного поля и понимания фундаментальных сил, удерживающих нашу галактику.

Какие основные вопросы стоят перед исследователями космической пыли?

Множество вопросов вызывает процесс «превращения» пыли в планеты. В частности, все еще неясно, как именно ей удается вырасти от размера в несколько миллиметров до километровых планетезималей — теории пока что не могут точно описать этот процесс.

Недавно «Уэбб» также обнаружил самую далекую сверхмассивную черную дыру. Она находится в центре небольшой галактики CEERS 1019. По оценке, возраст Вселенной на момент наблюдения составлял около 570 миллионов лет.

Читать далее:

Микробиологи пересматривают происхождение сифилиса в Европе: Колумб не виноват

Посмотрите на неуловимого кальмара у Галапагосских островов: его засняли живым впервые за 18 лет

Ученые объяснили, почему пожилым людям стоит пить кофе

Фото на обложке: Столпы творения — скопление межзвездного газа и пыли в туманности Орел, примерно в 7000 световых лет от Земли. Фотография «Джеймса Уэбба», источник: NASA