Межзвездное пространство заполнено веществом. В основном это водород и гелий, которые в условиях межзвездной среды не могут существовать в твердом состоянии; даже при температуре 3 К Вселенная чересчур горяча для их конденсации.
Но, несмотря на это, твердое вещество все же существует. Это крошечные замерзшие частицы, называемые межзвездной пылью. Пылевые частицы состоят из более тяжелых химических элементов, синтезированных в термоядерных реакциях в недрах звезд и при взрывах сверхновых.
Больше всего в них содержится кислорода (О), углерода (С) и азота (N); далее следуют магний (Mg), кремний (Si) и железо (Fe). Кроме того, в их состав входит водород, захватываемый из межзвездной среды.
Как и в других областях астрономии, исследование межзвездной пыли затруднено тем, что изучаемое вещество недоступно — нельзя взять его образцы для лабораторного анализа.
Единственный прямой источник информации — это электромагнитное излучение звезд, прошедшее на пути к Земле через области межзвездной среды, содержащие пыль. Определив длины волн, на которых межзвездные пылевые частицы рассеивают и поглощают излучение. Можно сделать вывод об их физических свойствах и химическом составе.
В последнее время ценные данные были получены другим методом: путем моделирования в лабораторных условиях взаимодействия газа, твердого вещества и излучения в межзвездном пространстве.
Цель таких экспериментов — получить вещество, которое позволило бы объяснить астрономические наблюдения. Как из астрономических наблюдений, так и из лабораторных экспериментов следует, что структура пылевых частиц удивительно сложна.
Это вовсе не инертные и аморфные комочки космической пыли. Оказывается, типичная пылевая частица имеет отчетливо выраженную внутреннюю структуру: ядро, состоящее главным образом из силикатов (типа скальных пород), и оболочку, состоящую из более летучих веществ.
В оболочке пылинки, содержащей аккрецированные атомы углерода, кислорода и азота, происходят сложные химические процессы, причем возможен взрыв неустойчивых компонентов смеси. Пылевые частицы характеризуются своего рода «жизненным циклом».
Они появляются в виде силикатных «зародышей», выброшенных из сильно про эволюционировавших звезд, затем подвергаются разнообразным физическим и химическим процессам и заканчивают свой «жизненный путь» в виде «сырья» для образования новых поколений звезд.
Несмотря на присутствие газа и пыли, межзвездная среда — это гораздо более высокий вакуум, чем удалось когда-либо достичь на Земле.
Средняя концентрация межзвездного вещества в нашей Галактике — один атом водорода на 1 см3. Однако распределение вещества неоднородно. Крупномасштабное распределение газа в спиральных галактиках типа нашей характеризуется повышением концентрации в области центральной плоскости галактического диска.
Наибольшая концентрация достигается, по-видимому, вдоль внутренней границы спиральных рукавов. В более мелких масштабах газ также распределен неоднородно: большая его часть собрана в межзвездные облака.
Существуют облака двух типов. Диффузные облака — области низкой концентрации, в которых содержатся лишь свободные атомы водорода и других химических элементов. Концентрация здесь может быть ниже 20 атомов на 1 см3.
Молекулярные облака — области более высокой концентрации, в которых атомы водорода образуют в основном двухатомные молекулы (Н2).
Найдены и более сложные молекулы. В молекулярных облаках концентрация может достигать миллиона атомов на 1 см3. Но даже самые плотные молекулярные облака чрезвычайно разрежены по земным масштабам.
И все же масса межзвездного газа в Галактике составляет 10% полной массы звезд. Распределение межзвездной пыли, по-видимому, совпадает с распределением газа. Пыль выдает свое присутствие, рассеивая свет звезд.
Взаимодействие пыли с излучением определяется размерами частиц и длиной волны излучения. Рассмотрим частицы известковой пыли. Они больше длины волны видимого света, поэтому рассеивают свет всех длин волн одинаково.
Свет, прошедший через весь известковой пыли, тускнеет, но его цвет не изменяется.
Напротив, частицы, сравнимые по размерам с данной длиной волны, рассеивают свет этой длины волны наиболее интенсивно. Например, частицы, размеры которых несколько меньше типичной длины волны видимого света, рассеивают синий свет сильнее, чем красный, поэтому синий свет не достигает наблюдателя.
Свет звезд на пути через межзвездную среду краснеет, что приводит к характерной картине «межзвездной экстинкции» в широком диапазоне длин волн — от дальней инфракрасной до ультрафиолетовой области спектра.
Сначала кривая экстинкции плавно идет вверх: с уменьшением длины волны от инфракрасной через видимую к ближней ультрафиолетовой области поток рассеянного излучения постепенно увеличивается.