Физика газовых туманностей (очерк)

Большая серия работ Амбарцумяна посвящена вопросам физики газовых туманностей, многочисленные представители которых, в виде планетарных и диффузных туманностей, наблюдаются в нашей Галактике.

Свечение газовых туманностей индуцируется соседними с ними горячими (температура у поверхности около 20000 градусов или выше) звездами. Причем, поглощая невидимое с Земли ультрафиолетовое излучение этих звезд, газовые туманности излучают его энергию в видимой части спектра. Амбарцумян впервые предложил математическую трактовку физических процессов, протекающих в газовых туманностях при переработке (флуоресценции) ультрафиолетового излучения горячих звезд. С этой целью он разработал метод исследования переноса излучения в газовых туманностях, который основывается на раздельном рассмотрении энергии излучения в непрерывном спектре и в линиях. Этот новый метод, получивший название метода разделения полей, позволил создать теорию лучистого равновесия планетарных туманностей. Разработанные в этой теории идеи являются основой современной теории газовых туманностей.

Амбарцумян раскрыл огромную роль ультрафиолетового излучения в газовых туманностях и влияния светового давления в неподвижных газовых оболочках звезд. Он доказал, что планетарные туманности, имеющие правильную форму, с центральной очень горячей звездой, в настоящее время расширяются и очень быстро должны рассеяться. Из факта расширения планетарных туманностей был получен важный вывод о том, что эти туманности являются очень молодыми образованиями, возникшими вследствие выброса материи из центральных звезд. Затем была разработана теория расширения планетарных туманностей под влиянием светового давления в поле тяготения ядра-центральной звезды.

В спектрах планетарных туманностей бросаются в глаза две очень яркие линии, которые никогда не наблюдались в спектрах земных источников света. Долгое время наличие этих линий в спектрах планетарных туманностей представляло научную загадку. Для ее объяснения предполагалось, что в планетарных туманностях существует неизвестный на Земле новый химический элемент — небулий, который излучает указанные линии. В 1927 г. американскому астроному Айра Боуэну удалось объяснить природу линий небулия. Он показал, что в условиях чрезвычайно низкой плотности материи и излучения, существующих в газовых туманностях (эти условия практически недостижимы на Земле), происходит накопление дважды ионизованных, то есть лишенных двух внешних электронов, атомов кислорода, в так называемых метастабильных состояниях. Вероятность перехода из этих состояний (уровней) на более низкие уровни ничтожно мала. Поэтому на Земле такие переходы, как говорят, «запрещены» (указанные спектральные линии называются запрещенными, так как атомные переходы, необходимые для их образования, в земных условиях имеют место чрезвычайно редко, как будто они «запрещены») и соответствующие им спектральные линии не наблюдаются. В газовых туманностях подобные переходы из-за большого накопления атомов в метастабильных состояниях совершаются очень часто. Именно переходы атомов дважды ионизованного кислорода из метастабильных уровней в нормальные и приводит к излучению линий небулия. Это объяснение Боуэна было лишь качественным, и требовалось разработать общую количественную теорию образования подобных «запрещенных» линий в спектрах космических объектов. Первый шаг в этом направлении сделал норвежский ученый Росселанд. Однако разработанная им теория была частной и неприменима к наиболее важным случаям излучения «запрещенных» линий в спектрах газовых туманностей. Амбарцумян создал общую теорию возбуждения атомов, находящихся в метастабильных состояниях, и образования «запрещенных» линий, которая нашла широкое применение в астрофизике. В частности, на основе этой теории он предсказал существование в спектрах нестационарных звезд типа Вольфа-Райе (звезды типа Вольфа-Райе — горячие звезды, из поверхностных слоев которых происходит непрерывное истечение газовой материи. Вследствие такого истечения материи звезды типа Вольфа-Райе окружены расширяющимися газовыми оболочками. Свое название они получили по имени первых своих исследователей — французских астрономов Вольфа и Райе) «запрещенной» линии гелия, которая в последующем была действительно обнаружена.

Амбарцумян разработал специальные методы для определения температур ядер планетарных туманностей и звезд, окруженных газовыми оболочками. Такие газовые оболочки формируются, например, во время вспышек Новых и Сверхновых звезд, вследствие выброса ими в это время газовой материи или непрерывного истечения газовой материи из некоторых нестационарных звезд, например, звезд типа Вольфа-Райе. Им были заложены основы теории возбуждения и ионизации атомов в газовых оболочках небольших размеров.

Амбарцумян совместно с Н. А. Козыревым предложил методы определения масс газовых оболочек звезд. В результате применения этих методов было показано, в частности, что при вспышке Новая звезда выбрасывает массу, равную стотысячной массе Солнца, а Сверхновая звезда гораздо больше — массу, равную массе Солнца. Аналогичные оценки масс, выброшенных звездами газовых оболочек, имеют важное значение для выяснения темпов эволюции этих звезд.

Наконец, Амбарцумяну принадлежит единственный метод определения масс газовых туманностей по их светимости (светимость — мера мощности излучения космического объекта).

(Из книги Л. В. Мирзояна «Виктор Амбарцумян», Ереван,1985г.)

На сайте публикуются следующие статьи, отобранные самим В.А.Амбарцумяном для своей последней книги “A Life in Astrophysics”:
"The excitation of the metastable states in the gaseous nebulae,"
"On the radiative equilibrium of a planetary nebula,"
Эти статьи впервые были опубликованы в журналах:
Циркуляры ГАО [Pulkovo Obs. Circ], no. 6, pp. 10-17, 1933
и, соответственно,
Известия ГАО [Bulletin De L'Observatoire Central a Poulkovo], vol. XIII, no. 114, pp. 1-27, 1933.
Они же были перепечатаны в изданиях:
«Научные труды» [в 3-х томах] Под ред. В.В.Соболева. Изд-во АН АрмССР, 1960-1988.
“A Life in Astrophysics. Selected papers of Viktor A.Ambartsumian ” Edited by Rouben V. Ambartsumian, Allerton Press, 1998.