В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать о Крабовидной туманности, ее характеристиках и происхождении.

XVIII век стал примером коллективного труда астрономов разных стран над изучением звездного неба и созданием стройной системы классификации, обнаруженных на нем объектов. Находясь в разных местах, они делились полученной информацией, публикуя в печатных изданиях свои работы, атласы и зарисовки.

Крабовидная туманность или M1, пожалуй, самый характерный пример такого совместного творчества. Первым в 1731 году на нее обратил внимание английский астроном-любитель Джон Бевис. Француз Шарль Месье в 1758 году включил ее в свой каталог, в котором фиксировал объекты, схожие с кометами, но ими не являющиеся. А в промежутке между этими событиями в 1744 году ирландец Уильям Парсонс, зарисовал эту туманность и решил, что она очень напоминает внешность краба.

Тот, кто будет пытаться отыскать сходство туманности с известным членистоногим животным, будет сильно удивлен полным отсутствием такового. Однако этому есть очень простое объяснение. Ирландский ученый имел в виду не обычного краба, а, скорей всего, мечехвоста – его очень дальнего родственника, напоминающего покрытую панцирем подкову с длинным шипастым хвостом, называемого в Англии «horseshoe crab».

Впрочем, судя по имеющимся фотографиям, и на это ископаемое чудо природы Крабовидная туманность тоже совсем не похожа. Но это – на взгляд живущего в XXI веке. Что в очередной раз подтверждает тезис, что человечество постепенно утрачивает способность к образному мышлению.

Крабовидная туманность получила особую популярность, когда ученые предположили, что она образовалась в результате космической катастрофы, последствия которой земляне смогли увидеть в середине XI века. Согласно историческим летописям в 1054 году, а именно 4 июля, жители Земли увидели уникальное явление, когда в небе неожиданно возникла новая звезда, видимая даже днем. Затем новое светило стало затухать и через год совсем потерялось из вида. Произошло все это в созвездии Тельца. Такое явление называется вспышкой сверхновой. На самом деле никакой новой звезды нет, а есть старая, которая внезапно стала светить в десятки тысяч раз ярче.

Точной математической модели, способной описать подобное явление, пока нет, но в целом физикам механизм явления достаточно понятен.

Схематично процесс представляется следующим образом. При определенных условиях ядерные процессы, происходящие в звезде, охватывают все ее слои, что приводит как к резкому повышению светимости, так и к образованию в ядре железа, начинающего тушить термоядерную реакцию. Под действием гравитационных сил небесное тело начинает сильно сжиматься, что опять приводит к увеличению температуры, распаду элементов и новой цепной реакции, заканчивающейся взрывом. В результате центральная часть «схлопывается» до нейтронной звезды или черной дыры, а остальное разлетается в разные стороны космического пространства, образуя туманность.

Проведя астрономические расчеты, ученые сделали вывод, что в это время на месте вспышки находилась Крабовидная туманность, а значит, она и есть остатки той самой взорвавшейся звезды. Длительные наблюдения подтверждают, что со временем она увеличивается в размерах, то есть расширяется, что и должно было произойти после космической катастрофы.

Но смерть звезды дала рождение не только Крабовидной туманности, но и пульсару PSR B0531+21, имеющему диаметр, по разным оценкам, от 10 до 30 км. Будучи размером с относительно небольшой город, такой объект имеет массу в миллионы раз больше нашей Земли. Так что жизнь сверхновой просто перешла в другую стадию, доступную только звездам, да и то не всем.

Крабовидная туманность располагается на расстоянии примерно 6500 световых лет от Солнечной системы. Это космическое новообразование, имея оценочные размеры в 6–11 световых лет, продолжает расширение со скоростью, лежащей в пределах 1000-1500 км/с.

В центре туманности располагается нейтронная звезда, делающая за 1 секунду 30 оборотов вокруг своей оси, и излучающая электромагнитные волны в диапазоне от радио- до гамма-лучей. Исследования показали, что этот пульсар существенно отличается от ранее известных. Его особенность – стабильность рентгеновского излучения, по которому можно калибровать приборы.

Туманность имеет вид продолговатого пятна, которое легко наблюдать даже с помощью бинокля. Но увидеть ее структуру (клочковатость, волокна) возможно лишь вооружившись хорошим телескопом от 12 дюймов. Но даже это не позволит рассмотреть то, что можно увидеть на фотографиях, выполненных с помощью современной и совершенной техники наблюдения за космическими объектами. На них Крабовидная туманность выглядит неоднородным сгустком газа с сетью ярких прожилок, что говорит о неоднородности состава и температуры в различных ее участках.

Предполагается, что ее основу, как и любой другой газовой туманности, составляет водород, который вместе с небольшим количеством гелия присутствует во всех космических образованиях. Но особенности ее образования позволяют предполагать наличие и множества других элементов: углерода, кислорода, азота, серы, аргона и даже фосфора, который был обнаружен в подобных условиях после взрыва сверхновой в созвездии Кассиопея.

Как уже говорилось, это остатки сверхновой, поэтому сама туманность представляет собой газовое облако, состоящее преимущественно из гелия. Весь этот газ был выброшен из одной точки, где располагалась взорвавшаяся звезда, но теперь он распространился на площади в 11 световых лет в поперечнике и продолжает расширяться со скоростью 1500 км/сек. Масса газ в ней составляет примерно 5 солнечных масс.

Под действием первоначального ускорения и воздействия звездного ветра туманность не могла сохранить ровную структуру, какую мы можем видеть у обычных планетарных туманностей. Произошедший здесь катаклизм был гораздо более мощный, и Крабовидная туманность выглядит как рваное облако с волокнистой структурой. В ней имеется тор, пересекающий туманность и состоящий на 95% из гелия.

В центре туманности расположена нейтронная звезда – один из мощнейших источников радиоизлучения на всем земном небе и самый сильный в нашей галактике. Эта звезда – остаток той сверхновой. Когда звезда коллапсирует, то есть сжимается, она спадается до очень небольших объемов, и плотность её вещества достигает невероятных цифр. Диаметр этой звезды – всего около 30 километров.

Туманность находится от нас на расстоянии около 6500 световых лет, поэтому, когда мы смотрим на нее, то видим события давно минувшие. В действительности взрыв произошел многие тысячелетия назад, но свет достиг Земли не так уж и давно.

В центре Крабовидной туманности находится нейтронная звезда очень небольшого размера – порядка 25-30 км в диаметре, но с большой массой и невероятной плотностью. Онa вращается с огромной скоростью – 30 оборотов в секунду, излучая во всем диапазоне электромагнитного спектра. У этой звезды имеется наклон электромагнитной оси по отношению к нам, поэтому при её вращении излучение к нам приходит циклически. Такие звезды называются пульсарами, и в центре Крабовидной туманности расположен пульсар PSR B0531+21. Открыли его в 1968 году.

Излучение пульсаров отличается очень большой стабильностью, поэтому они служат некими «маяками Вселенной». Пульсар Крабовидной туманности – не исключение, его исследование очень обогатило науку. Этот пульсар использовали для калибровки приборов для рентгеновской и гамма-астрономии, и даже появилась единица измерения плотности потока излучения под названием «краб». Однако сейчас у этого пульсара стали заметны некоторые признаки нестабильности – в рентгеновском диапазоне интенсивность излучения упала, а в гамма-диапазоне случаются вспышки.

Крабовидную туманность на небе найти очень просто – она располагается рядом со звездой ζ Тельца. Это зимнее созвездие, поэтому лучшие условия для наблюдений – с осени до весны.

Эта туманность имеет достаточно большой блеск – 8.4m и немалые угловые размеры – 6х4’, поэтому обнаружить её можно в довольно скромные телескопы с апертурой от 70 мм. Наблюдать лучше при отсутствии любой засветки, тогда вполне возможно найти туманность и в бинокль. Конечно, особых деталей рассмотреть не получится, выглядеть она будет как размытое пятнышко. Но и просто найти этот очень примечательный объект довольно любопытно – ведь там находится самая настоящая нейтронная звезда.

Больше деталей можно увидеть в более серьезные телескопы – с апертурой 150 мм и более. Желательно использовать 300-350 мм для выявления деталей волокнистой структуры. Но и с популярными 150-250 мм телескопами любители делают довольно впечатляющие фотографии Крабовидной туманности.

Крабовидная туманность, остаток взрыва сверхновой, является одним из наиболее изученных и наблюдаемых космических объектов, поскольку он представляет собой очень полезный источник излучения для изучения различных небесных тел, существующих в космическом пространстве.

Говоря о Крабовидной туманности, важно знать, что такое туманность. Этот тип структуры представляет собой гигантское облако пыли и газа, обнаруженное в космосе. Некоторые туманности образуются из газа и пыли, выбрасываемых умирающими звездами в результате взрывов, подобных вспышкам сверхновых. Другие туманности – это области, где начинают формироваться новые звезды.

Туманность состоит в основном из водорода и гелия. Пыль и газ в туманности широко распространены, но гравитация может постепенно начать удерживать пыль и газ вместе. По мере того, как эти комки становятся больше, увеличивается и их гравитационное притяжение.

Впервые туманность наблюдалась в 1731 году англичанином Джоном Бевисом, которому приписывают ее открытие, несмотря на то, что ее видели и регистрировали китайские и арабские астрологи, утверждавшие, что она видна как звезда, наблюдаемая во время день. и его можно увидеть днем и ночью в течение 22 месяцев подряд.

Уильям Парсонс, 1840-й граф Росс, наблюдал ее в 900 году и назвал ее Крабовидной туманностью, потому что, когда он нарисовал туманность, она выглядела как краб. Анализ исторических документов доказывает, что создание Крабовой туманности произошло в апреле или начале мая 1054 года н.э., достигая максимальной яркости в июле, ночью ярче любого другого небесного тела, кроме Луны.

Учитывая ее большое расстояние и эфемерную природу, «новая звезда», которую наблюдали китайцы и арабы, могла быть только сверхновой, массивной взрывающейся звездой, которая, как только ее источник энергии был исчерпан в результате ядерного синтеза, коллапсирует сама в себя.

Основные характеристики туманности следующие:
• Это светящееся вещество, состоящее из газа и пыли.
• Имеет форму эллипса, около 6 угловых минут в длину и 4 угловых минуты в ширину.
• Имеет плотность примерно 1.300 частиц на кубический сантиметр.
• Нити, образующие ее, представляют собой остатки атмосферы родительской звезды, состоящей из гелия и ионизированного водорода, углерода, кислорода, азота, железа, неона и серы.
• Она расширяется со скоростью 1.800 километров в секунду.
• Температура нитей, из которых она состоит, составляет от 11.000 18.000 К.
• В ее центре есть нечеткая синяя область.
• Это полиионная туманность, что означает, что она получает энергию от вращения пульсара, а не от вещества, выброшенного в межзвездную среду во время взрыва сверхновой.
• В центре туманности можно увидеть две звезды, одна из которых, как полагают, ответственна за туманность.
• Ее радиус составляет около 6 световых лет.
• Она также известна как M1, NGC 1952, Taurus A и Taurus X-1.

Несколько тысяч лет назад в нашей Галактике произошёл мощный космический взрыв. Порождённое взрывом световое излучение достигло Земли в 1054 году. Китайские и японские астрологи отметили в этом году вспышку необычайно яркой звезды в созвездии Тельца.

Первоначально звезда была видна даже днём подобно Венере, через 23 дня блеск её настолько уменьшился, что днём она уже не была видна, а примерно через год "исчезла" с неба. Значительно позже, в 18 веке, франц. астроном Ш. Мессье обратил внимание на необычный вид туманности в созвездии Тельца и по этой причине поставил её на первое место в своём каталоге туманностей и звёздных скоплений (M1, туманность N 1 в каталоге Мессье).

Туманность имеет волокнистую структуру и по внешнему виду напоминает клешню краба, отсюда и её название. Положение Крабовидной туманности соответствует положению сверхновой 1054 года. Это позволяет с большой достоверностью считать, что Крабовидная туманность возникла в результате взрыва сверхновой звезды, который наблюдался свыше 900 лет назад.

Интегральная фотографическая звёздная величина Крабовидной туманности равна 9m, а расстояние до неё около 2 кпк. Ажурная волокнистая структура туманности представляет собой оболочку, расширяющуюся, как показывает доплеровское смещение её сспектальных линий и изменение положения отдельных волокон, с громадной скоростью (1200 км/с).

Размеры и скорость расширения Крабовидной туманности позволяют оценить время её расширения. Оценка даёт около 900 лет, что хорошо согласуется со временем, прошедшим с момента наблюдения вспышки сверхновой. Характерно, что расширение происходит не с постоянной скоростью или замедлением, как следовало бы ожидать, а ускоренно (т.е. в начале разлёта скорость была меньше).

Этот вывод следует из того, что радиус туманности несколько меньше величины vt, где t – время разлёта. Ускорение равно 0,0016 см/с2 и, как полагают, вызвано давлением магнитного поля и релятивистских частиц туманности. Оболочка имеет вид достаточно правильного эллипсоида вращения; видимые угловые размеры его осей составляют 6' и 4' что соответствует 9 и 6 световым годам при расстоянии до Крабовидной туманности ~ 2 кпк.

Эмиссионный линейчатый спектр волокон и оболочки Крабовидной туманности не отличается заметно от излучения обычных газовых туманностей. Ионизованный газ волокон Крабовидной туманности в основном состоит из водорода с примесью гелия, азота, кислорода, неона, серы и имеет температуру ~17000 К. Относительный химический состав волокон близок к составу планетарных туманностей и межзвёздного газа. Концентрация электронов в волокнах достигает 10^3 в 1 куб.см, а средняя плотность газа 5*10^21 г/куб.см.

Излучение волокнистой оболочки составляет только 20% полного излучения Крабовидной туманности, остальные 80% даёт т.н. аморфная масса, заключённая внутри оболочки и излучающая непрерывный спектр (без линий излучения или поглощения). Эта аморфная масса имеет клочковато-волокнистую структуру, и на высококачественных фотографиях видно, что она состоит из множества тонких нитей.

Природу излучения аморфной массы помогло раскрыть сильное радиоизлучение Крабовидной туманности. Это излучение генерируется ультрарелятивистскими электронами, движущимися в магнитных полях Крабовидной туманности. Оптическое излучение аморфной массы тоже является синхротронным, но оно образуется электронами, имеющими более высокую энергию, чем электроны, дающие радиоизлучение.

Синхротронная природа свечения аморфной массы подтверждается сильной поляризацией излучения, так как при синхротронном излучении колебания электрического вектора световой волны перпендикулярны вектору напряжённости магнитного поля туманности.

По преимущественному положению плоскости поляризации излучения было определено направление магнитного поля в разных частях туманности. Оказалось, что поле это довольно регулярно и что нити аморфной массы направлены вдоль силовых линий магнитного поля и представляют собой, следовательно, потоки очень быстрых релятивистских электронов, расходующих свою энергию на излучение ("высвечивающихся") при движении по спирали вдоль силовых линий магнитного поля.

Напряжённость поля, определённая из условия, что плотность его энергии равна плотности энергии релятивистских частиц, составляет 10^-3 Э. При такой напряжённости оптич. синхротронное излучение создаётся электронами с энергией 10^11-10^12 эВ, а радиоизлучение – электронами с энергией 10^9 эВ.

При помощи рентгеновского телескопа, вынесенного за пределы земной атмосферы, было обнаружено рентгеновское излучение, идущее из центральной части Крабовидной туманности, а затем была определена и поляризация рентгеновского излучения Крабовидной туманности. По полученным данным, рентгеновское излучение Крабовидной туманности имеет ту же природу, что и синхротронное радио-, оптическое и УФ-излучение. Но оно генерируется электронами ещё более высоких энергий.

Электроны, ответственные за радиоизлучение, высвечивают свою энергию за несколько тысяч лет; "оптические" электроны высвечиваются за 50-100 лет, "рентгеновские" – за время меньше года, а электроны, дающие гамма-излучение, – всего лишь за несколько недель. Кроме того, энергия электронов убывает за счёт расширения туманности. Именно малое время жизни "рентгеновских" электронов определяет сравнительно небольшие размеры туманности в этом участке спектра – около 2'.

Источником электронов высокой энергии в Крабовидной туманности могла бы быть звезда – остаток сверхновой. Эту звезду долго не могли обнаружить, хотя и предполагали, что ею может быть одна из двух звёздочек (юго-западная звёздочка), расположенных вблизи центра Крабовидной туманности и разнесённых в северо-восточном направлении на угловое расстояние 2,9". Юго-западная звёздочка имеет 16-ю звёздную величину и, как теперь установлено, является остатком сверхновой.

Фотографии Крабовидной туманности показывают, что в центральной её части продолжаются активные процессы. Так, на расстоянии ~ 7" к северо-западу от двух центральных звёздочек эпизодически, примерно раз в три месяца, появляются светлые жгуты. Они ориентированы перпендикулярно направлению своего движения, а их скорость достигает 0,1 с. По мере движения яркость жгута уменьшается, и он исчезает при приближении к области максимальной яркости Крабовидной туманности. Излучение жгутов почти полностью поляризовано и составляет ~ 1/1500 потока излучения всей туманности в оптическом диапазоне.

Помимо описанного явления, долго не удавалось обнаружить другие виды активности бывшей сверхновой, пока не было установлено, что предполагаемый остаток сверхновой представляет собой пульсар. Радио-, оптическое, рентгеновское и гамма-излучение пульсара Крабовидной туманности (PSR 0531+21) имеют один и тот же период пульсации ~ 0,033 с.

Открытие пульсара в Крабовидной туманности явилось прямым подтверждением правильности теории образования Нейтронных звезд при вспышках сверхновых. Сложные, пока до конца не ясные электромагнитные явления в окрестностях быстровращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем (возможно, до 10^12 Э) приводят к генерации быстрых частиц, которые в дальнейшем поступают в туманность.

Излучение этих частиц при движении в магнитном поле Крабовидной туманности и определяет весь спектр излучения аморфной массы. Появление жгутов связано с отдельными периодами повышенной активности нейтронной звезды, с выбросом большого числа релятивистских частиц и тепловой плазмы. Современные исследования показали, что нейтронные звёзды образуются при взрывах массивных звёзд. Поэтому Крабовидную туманность относят к остатку вспышки сверхновой II типа (к так называемым плерионам).

Важные результаты были получены при исследовании с высоким угловым разрешением распределения радиояркости Крабовидной туманности методом покрытий её Луной. Эти измерения, а также в последующем наблюдения методом апертурного синтеза показали, что область радиоизлучения Крабовидной туманности совпадает с её оптически видимыми границами, а не простирается за их пределы, как считалось ранее. Было доказано, что оболочка туманности является её физической границей.

Распределение радиояркости Крабовидной туманности напоминает распределение оптической яркости в аморфной массе, что ещё раз убедительно доказывает единство природы её излучения. Но, в отличие от оптического излучения, в радиодиапазоне более ярко выражены периферийные области и отдельные яркие образования небольших размеров. Это отличие обусловлено радиоизлучением оболочки Крабовидной туманности, особенностями распределения магнитных полей и энергетическим распределением электронов.

Полная мощность электромагнитного излучения Крабовидной туманности, включая излучения пульсара (вклад которого в рентгеновском диапазоне достигает ~ 9%, а в гамма-диапазоне ещё выше), составляет ~ 10^38 эрг/с. Источником энергии электронов, порождающих это излучение, и магнитных полей Крабовидной туманности является кинетическая энергия вращения нейтронной звезды – остатка сверхновой. Расходуя энергию вращения, она должна постепенно увеличивать период вращения. Действительно, эффект замедления вращения пульсара Крабовидной туманности был обнаружен: его период увеличивается на 3.6*10^-8 с в сутки, что сопровождается убылью кинетической энергии ~ 10^38-10^39 эрг/с.

Кроме медленного изменения периода вращения были обнаружены скачкообразные, быстрые возрастания скорости вращения. Эти эпизодические изменения сопровождаются увеличением выброса релятивистских частиц и объясняются т.н. звездотрясением нейтронной звезды.

По мере снижения скорости вращения звезды уменьшаются центробежные силы, что приводит к накоплению механических напряжений в коре нейтронной звезды. Наступает момент, когда эти напряжения "ломают" кору и размеры звезды уменьшаются, а скорость её вращения соответственно увеличивается. В дальнейшем процесс повторяется.

Мощность синхротронного излучения Крабовидной туманности во всём интервале длин волн достигает ~ 10^38 эрг/с. Как и мощность излучения самого пульсара, она намного превосходит мощность излучения Солнца (~4*10^33 эрг/с).

Наблюдения других, более старых, остатков сверхновых показывают, что уровень активности пульсаров с течением времени снижается, период вращения увеличивается, а окружающая пульсар волокнистая туманность (оболочка) постепенно рассеивается в межзвёздном пространстве. До конца эволюционный путь звёзд – остатков сверхновых ещё не ясен.

В истории современной астрофизики Крабовидная туманность сыграла выдающуюся роль. Ни один другой космический объект не стимулировал развитие идей и методов современной экспериментальной и теоретической астрофизики так, как эта удивительная туманность. Крабовидная туманность была первым источником космического радиоизлучения, отождествлённым с галактическим объектом, первым отождествлённым космическим источником рентгеновского излучения. У Крабовидной туманности впервые обнаружили оптическое синхротронное излучение и поляризацию излучения.

В Крабовидной туманности находится пульсар, у которого впервые было обнаружено оптическое, рентгеновское и гамма-излучение. Благодаря результатам исследований Крабовидной туманности стало возможным более глубоко обосновать теорию эволюции звёзд, уточнить условия, при которых эволюция завершается стадией нейтронной звезды. Открытие пульсара практически доказало существование нейтронных звёзд.

На примере Крабовидной туманности впервые была понята роль релятивистских частиц и нейтронной звезды в эволюции остатков вспышек сверхновых. Уже обнаружено несколько объектов, подобных Крабовидной туманности, которые выделены в отдельный тип остатков вспышек сверхновых – тип Крабовидная туманность (плерионы). Крабовидная туманность продолжает привлекать внимание учёных как уникальная космическая лаборатория, которая позволит раскрыть ещё многие тайны космоса.

Крабовидная туманность является отличным примером газообразной туманности, которая была образована остатком сверхновой SN 1054 и плерионом. Этот необычный термин означает подпитывание туманности пульсарным ветром. Он был впервые введен в 1978 году.

Пульсарный ветер состоит из заряженных частиц, разогнанных до релятивистских скоростей быстрым вращением, сверхсильным магнитным полем вращающегося пульсара. Пульсарный ветер истекает в межзвёздное пространство, создавая стоячую ударную волну, где он замедляется до субрелятивистской скорости. Помимо этого, радиус синхротронного излучения увеличивается в намагниченном потоке.

Крабовидная туманность имеет и другие обозначения: M 1, NGC 1952, Taurus A. Данная туманность стала первым астрономическим объектом, отождествлённым с историческим взрывом сверхновой, записанным китайскими и арабскими астрономами в 1054 году.