СУ Кръжок по Астрономия: Sofia University Astronomy Dept Public Lecture

Кръжокът по Астрономия е публична лекция към катедра Астрономия на Софийски Университет и се провежда от есента на 1900 г. Негов основател е световноизвестният математик акад. Кирил Попов, първият доктор по астрономия в България. Лекциите са подходящи както за студенти и ученици, така и за широк кръг хора с изявен интерес към астрономия и физика.

Тема на лекцията е междузвездният (космически) прах и физическите закони, които водят до „космически сенки" или екстинкция от междузвездния прах. За някои астрономи междузвездният прах е едно неудобство, тъй като закрива отчасти или напълно обектите, които искат да наблюдават. В същото време свойствата на междузвездния прах са от огромен интерес в науката, защото в основата си всяка една твърда материя във Вселената е съставена от прахови зърна, които са се обединили по определен начин. Ще дискутираме законите, които водят до фантастичните зрителни ефекти от междузвездния прах, които наблюдаваме като учени или като любители астрономи.

Transcript

1. Mеждузвездeн Прах и Космически Сенки Петя Янчулова Мерика-Джоунс Кръжок по Астрономия
 20 март, 2025 г 1 www.ismstar. space
2. 2 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 JWST NIRCam HST 2’
3. 3 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Mеждузвездeн Прах и Космически Сенки - Колко прах има в Космоса? - Къде го наблюдаваме? - От какво е съставен? - Как го изучаваме? - Как се създава?
4. Sample Label Text NGC 346 Малкият Магеланов облак NASA, ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2. Colin Legg Photography 4 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
5. 5 5 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
6. Прахът в Космоса е вездесъщ! - Праховите зърна са малки и далеч едни от други – само около n=1000 / км3. - Космосът е почти вакуум и праха e 0,1% - 1% от масата на барионната материя. —> газът е 90-95% от барионната материя —> само 5-10 % от барионната материя е „заключена“ в звезди, планети, твърди тела - Праховите зърна са отговорни за голяма част от енергийна продукция на галактики: 30% от погълнатата UV и OPT светлина се преизлъчва като IR енергия. - Прахът загрява газа чрез фотоелектричния ефект; катализира образуването на H2. 6 Колко прах има в космоса? П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
7. Колко прах има в космоса 7 M31 2002 R. Gendler П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Сравнение на плътности: 1. Междугалактическо (най-празното) пространство: 10−31g/cm3 (1 H атом / m3) а 2. Междузвездно пространство: 10−24 - 10−21 g/cm3 (102 - 106 атома / m3) а 3. Междупланетно пространство (в Слънчевата система): 10−19 g/cm3 (5 частици около Земята, по-малко по-далеч а 4. Високата земна атмосфера (~100 km, на ръба на Космоса): 10−19 g/cm3 (разредена, но доста по-плътна от пространство) а 5. Вакуума в лаборатория: 10−16 g/c m3
8. Космически прах… Що е то? - Малки твърди C + Si + други молекули с C, O, Mg, Si, S, Fe - Размер: междузвезден: 10 nm ~ 0.2 µm - Направен от - сажди - ледени мантии (може би) от H2O, CO2, CH3OH, H3 - Пухкав агрегат Image by D. Brownlee and E. Jessberger NASA Stardust Westphal+ 2014 8 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
9. 1000-и км 1 км 1 см 1 микрон 9 Размери в сравнение NASA Stardust Westphal+ 2014 0.5 микрона П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
10. Космически прах… Що е то? - Малки твърди C + Si + други молекули с C, O, Mg, Si, S, Fe - Размер: междузвезден: 10 nm ~ 0.2 µm - Направен от - сажди!? 10 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
11. Космически прах… Що е то? 11 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
12. Къде наблюдаваме прах в космоса? В междупланетната среда: - Зодиакален прах от изпаряващи се комети и сблъскващи се астероиди - Материал от ранната Слънчева система В междузвездната среда: - около звезди: сферична обвивка / диск - в плътни, прашни области на звездообразуване или - в по-разредени (дифузни) облаци В междугалактическата среда (…) 12 Прах, прах, прах - НАВСЯКЪДЕ! NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center). П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
13. 13 NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center). П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Защо искаме да изучаваме междузвездния прах? - Освен че е вездесъщ … - Променя наблюдаваната яркост и цвят на звездите - Влияе на измерванията на разстояние (корекции на зачервяване) - От решаващо значение за разбирането на образуването на звезди и еволюцията на галактиките
14. Средна инфрачервена светлина (Spitzer) Близка инфрачервена светлина (ESO) Видима светлина (European Southern Observatory, ESO) 14 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Телескопи като Джеймс Уеб, Хъбъл и Спицър могат да надникнат и да изследват праха
15. Прахът прави фоновите звезди по-бледи и червени 15 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 F336W F336W + F814W + F160W F814W F658N (H-alpha) F475W Оптични (видими) Инфрачервени Ултравиолетови UV, Opt, IR комбинирани
16. Прахът прави фоновите звезди по-бледи и червени Barnard 68 “Тъмен облак” Видима светлина Инфрачервена светлина 16 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
17. 17 NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center). П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Защо искаме да изучаваме междузвездния прах? - Освен че е вездесъщ … - Променя наблюдаваната яркост и цвят на звездите - Влияе на измерванията на разстояния (намалява блясъка на звездите зад него) - Прахът е от решаващо значение за звездообразуването и еволюцията на галактиките
18. 18 NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Как изучаваме междузвездния прах? Можем да съберем прашинки в нашата Слънчева система Но е сложно да разберем кои прахови частици са междузвездни! Представителни ли са междузвездните прахови зрънца, които влизат в нашата Слънчева система? NASA Cassini-Huygens (1997 - 2017) NASA Stardust (1999 - 2011)
19. По-скоро задачата е: - Да определим свойствата на праха от това как той взаимодейства със светлината - Прахът: - поглъща - разсейва - отразява - излъчва светлина 19 Как изучаваме междузвездния прах? П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
20. Комбинираният ефект от: - Поглъщане - Разсейване —> Екстинкция 20 Как изучаваме междузвездния прах? П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
21. Търсим отговори на въпроси като: 1. Какви са материалите в междузвездната среда, които могат да обяснят наблюдаваната екстинкция (поглъщане и разсейване). 2. Какво показва наблюдаваното изобилие от елементи в газовата фаза за основния състав на праха? 21 Как изучаваме междузвездния прах? Мъглявината Кил (Carina) П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
22. - Червеният залез е в резултат на това, че синята светлина се разсейва повече от частици прах в атмосферата в сравнение с червената. - По същия начин зрънцата в междузвездния прах правят светлината от астрономически източници по-бледа и по-червена (почервеняване) 22 Как изучаваме междузвездния прах? NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
23. - Можем да измерим почервеняването като сравним иначе идентични звезди, които стоят зад различни количества прах - Свойствата на праха като размер и състав влияят върху степента на екстинкция при различните дължини на вълната на светлината 23 Как изучаваме междузвездния прах? NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
24. Средна инфрачервена светлина (JWST) Близка инфрачервена светлина (HST) Видима светлина (HST) 24 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Телескопи като Джеймс Уеб, Хъбъл и Спицър могат да надникнат и да изследват праха
25. 25 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 - … Синята светлина се разсейва повече от частици прах (в междузвездната среда) в сравнение с червената светлина. - Близката инфрачервена екстинкция е по-лека (намаляване на разсейването на Rayleigh) Как изучаваме междузвездния прах? Средна инфрачервена светлина Близка инфрачервена светлина Видима светлина (HST) Стълбовете на Сътворението (Мъглявината Орел)
26. 26 Как изучаваме междузвездния прах? Ултравиолетови Видими Инфрачервени NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
27. 27 Ултравиолетови Видими Инфрачервени NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Кривата на екстинкция: Как и колко добре прахът поглъща и разсейва светлината като функция на дължината на вълната? Кривата на екстинкцията Как изучаваме междузвездния прах?
28. 28 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Ултравиолетови Видими Инфрачервени UV UV OPT IR IR OPT Eкстинкцията зависи от дължината на вълната
29. 29 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Ултравиолетови Видими Инфрачервени Вариации в кривите на екстинкция
30. 30 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Вариации в кривите на екстинкция —> Свойствата на праховите зърна и на междузвездната среда обуславят характеристиките на кривата на екстинкция: - Нарастването в далечния UV - Силата на максимума на 2175 Å Далечен UV 2175 Å пик
31. Силикати: Характерна абсорбция от връзките кислород-силиций подобно на земните минерали като оливин Въглеводороди: характеристики на връзките въглерод-въглерод и въглерод-водород. Подобно на сажди. 31 Междузвездната среда: характеристики на кривата Ултравиолетови Видими Инфрачервени NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
32. —> Свойствата на праховите зърна и на междузвездната среда обуславят характеристиките на кривата на екстинкция: - Нарастването в далечния UV и силата на максимума на 2175 А. 32 Ултравиолетови Видими Инфрачервени NASA Universe Learning; Brandon Hensley П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Междузвездната среда: характеристики на кривата
33. —> Зависимостта от дължината на вълната силно ограничава разпределението на размера на праховите зърна и състава им. - Най-голяма маса в по-големите зърна; - Най-голямата повърхност в по- малките зърна - Малките зърна са по-ефективни при блокиране на светлината. - Коагулацията (обединяване) на зърната в плътната среда прави екстинкцията по-ниска 33 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Междузвездната среда: характеристики на кривата
34. 34 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Ултравиолетови Видими Инфрачервени Вариации в кривите на екстинкция —> Зависимостта от дължината на вълната силно ограничава разпределението на размера на праховите зърна и състава им.
35. —> Зависимостта от дължината на вълната силно ограничава разпределението на размера на праховите зърна и състава им. - Разсейването на Mie ( λ ~ a ) обхваща преходния режим, при който често падат прахови зърна в космоса - от големи към малки зърна - когато честотата на светлината е приблизително равна на размера на разсейващите частици: 0.001 µm - 1 µm 35 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 Сфери с размер, сравним с дължината на вълната: теория (разсейване) на Ми λ = дължина на вълната на светлина а = размер на праховото зърно - Разсейване на Рейли: ( λ ≫ a ): —> Силна зависимост от дължината на вълната: по-късите дължини на вълната се разпръскват много повече от по-дългите дължини на вълната, следвайки: Ултравиолетови Видими Инфрачервени
36. От къде идва прахът в Космоса? Червени гиганти Планетарни мъглявини Свръхнови NASA Universe Learning; Joan Najita 36 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
37. Касиопея А, наблюдавана от инструмента Herschel PACS при 70 микрона (червени до зелени цветове) и космическия телескоп Хъбъл (бели до лилави цветове). NASA Universe Learning; Joan Najita 37 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025 От къде идва прахът в Космоса?
38. Прахът също създава планети Слънчевата система се е образувала в компресиран диск от газ и прах NASA Universe Learning; Joan Najita 38 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
39. Как се превръщат дискове в планети Протопланетарен диск NASA Universe Learning; Joan Najita 39 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
40. 1000 kilometers 1 kilometer 1 centimeter 1 micron NASA Universe Learning; Joan Najita 40 Как се превръщат дискове в планети П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
41. Как знаем, че това е така? Протопланетен диск в Орион (HST) Протопланетарен диск при оптични дължини на вълните: Прахът закрива фоновата светлина 41 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
42. Отпечатъци в космоса - прах във вятъра Wolf-Rayet 140 Звезда тип O, родена с поне 25 пъти по-голяма маса от нашето Слънце. С малък спътник. Две звезди се приближават Звездните им ветрове се срещат, компресират газа и образуват прах 42 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
43. Заключение Космическият прах: - Се намира навсякъде в Космоса! - Произлиза от звезди, също е начална точка в планетообразуването. - Изучава се предимно от ефекта си върху светлината - Екстинкцията зависи от дължината на вълната и променя наблюденията - Разсейването и абсорбцията зависят от размера и състава на зърното 43 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025
44. Неразрешени Въпроси - Точен състав и структура на праховите зърна - Еволюция на праха в ранните галактики - Връзка между взаимодействието на прах, газ и космически лъчи 44 П. Янчулова Мерика-Джоунс Астро Кръжок София март 2025