Почему космические телескопы могут видеть сквозь планетарную туманность?

Допустим, у нас есть сферическая оболочка из какого-то материала, излучающая свет, намного больше, чем звезда, которую она окружает. Если мы посмотрим прямо в центр оболочки, наша линия обзора проведет нас через небольшое количество газа — недостаточное для значительного выброса. С другой стороны, если мы посмотрим на туманность у внешнего края, наш луч зрения проведет нас через значительно большее количество материала:

^{Частично вдохновлен изображением Фила Плэйта в этом произведении .}

Если вы смотрите через более светоизлучающий материал, вы увидите более сильное излучение, чем если вы смотрите через меньшее количество материала, поэтому в этой игрушечной модели мы воспринимаем края как имеющие сильное излучение. Таким образом, сферическая туманность не приведет к равномерному излучению на всем ее поперечном сечении.

Эта простая сферическая модель верна для некоторых случаев, но, конечно, не для всех, особенно потому, что многие туманности не являются сферическими ( Википедия утверждает, что только около 20% действительно сферические, что я не смог проверить). Например, мы знаем, что туманность Кольцо на самом деле не является сферой, потому что яркость центральной поверхности намного ниже, чем можно было бы предсказать описанным выше эффектом проекции. Что-то еще явно должно происходить. В данном случае несоответствие решается тем, что Туманность Кольцо является биполярной туманностью, с осью вдоль нашего луча зрения, с плотным кольцом газа вокруг ее экватора . Следовательно, с нашей точки зрения у краев больше материала, чем в центре, и поэтому мы видим больше излучения.

Короткий ответ

Разреженный газ в туманности поглощает только часть звездного света, соответствующую небольшому подмножеству всего видимого спектра, согласно соответствующему молекулярному составу туманности. Даже в этих ограниченных спектральных диапазонах звезда все еще часто видна в туманности, поскольку газ может быть слишком тонким, чтобы поглотить всю энергию, излучаемую звездой.

Длинный ответ

Непрозрачность газа зависит от частоты в зависимости от его состава и температуры. Например, Монтейро и др. [2013] в разделе «Физические и химические свойства планетарной туманности NGC 3242 с пространственным разрешением» показана типичная фигура спектра от определенного пикселя туманности NGC 3242 (Призрак Юпитера) (вдали от центральной звезды):

Пики и впадины на приведенном выше рисунке соответствуют конкретным молекулам в газовой туманности, излучающим и поглощающим энергию в видимом диапазоне длин волн света (от 4000 до 7000 ангстрем). Самые большие пики с длиной волны около 5000 А, вероятно, связаны с дважды ионизированным кислородом . См.: Почему линии О III так заметны в спектрах эмиссионных туманностей, когда количество кислорода по отношению к водороду в миллион раз меньше? для получения дополнительной информации.

Звезды, с другой стороны, обычно имеют более широкий спектр излучения, соответствующий тепловому черному телу. Вот пример из Sloan Digital Sky Survey :

Итак, на световых частотах, для которых газ туманности в основном прозрачен, мы, безусловно, можем ожидать увидеть центральную звезду.

Barria & Kimeswenger [2018] в анализе изображений HST/WFPC2 и облачном моделировании многооболочечных планетарных туманностей NGC 3242, NGC 6826 и NGC 7662 показывают цифры в оттенках серого, полученные из отфильтрованных изображений телескопа Хаббл при длинах волн света, соответствующих различным молекулярным излучениям. Вот пример для NGC 3242 (призрак Юпитера):

Более темные пиксели на изображении соответствуют более высокому излучению энергии. Звезда различается по энергоемкости по сравнению с газом по частоте, но все еще видна выше во всех четырех длинах волн. Это не относится к NGC 7662 (туманность Снежок), которая полностью скрыта из-за некоторого узкого спектра выбросов кислорода и азота.

Однако опять же в полном оптическом спектре отчетливо видна центральная звезда для NGC 7662:

Ответ довольно прост: вы также можете видеть другую сторону комнаты (или, может быть, сквозь дым или дымку над вашей духовкой), когда вы готовите вкусную еду) - даже когда пространство между вами и стеной не пустое: это наполнен воздухом. Но воздух достаточно разрежен, чтобы вы могли видеть сквозь него, даже если он достаточно плотный, чтобы и поглощать немного света, и немного излучать. Может быть, более астрономическая аналогия: из космоса вы видите, что у Земли есть тонкий слой, через который вы тоже можете смотреть :)

В космосе плотности, о которых мы говорим, НАМНОГО меньше, чем здесь, на Земле, в воздухе. Даже планетарная туманность по земным меркам представляет собой чрезвычайно хороший вакуум (100...100 000 частиц на кубический сантиметр по сравнению с 10 миллиардами миллиардов частиц на кубический сантиметр воздуха).