Warum können Weltraumteleskope durch einen planetarischen Nebel sehen?

Nehmen wir an, wir haben eine kugelförmige Hülle aus einem lichtemittierenden Material, das viel größer ist als der Stern, den es umgibt. Wenn wir direkt in die Mitte der Schale blicken, führt uns unsere Sichtlinie nur durch eine kleine Menge Gas – nicht genug, um eine signifikante Emission zu verursachen. Blicken wir dagegen auf den Nebel am äußeren Rand, führt uns unsere Blickrichtung durch wesentlich mehr Materie:

^{Inspiriert teilweise durch ein Bild in diesem Stück von Phil Plait .}

Wenn Sie durch mehr lichtemittierendes Material schauen, sehen Sie eine stärkere Emission, als wenn Sie durch weniger Material schauen, also würden wir bei diesem Spielzeugmodell die Kanten als stark emittierend wahrnehmen. Ein kugelförmiger Nebel würde also nicht zu einer gleichmäßigen Emission in unserem gesamten Querschnitt führen.

Dieses einfache kugelförmige Modell gilt für einige Fälle, aber sicherlich nicht für alle, insbesondere weil viele Nebel nicht kugelförmig sind ( Wikipedia behauptet, dass nur ~ 20% wirklich kugelförmig sind, was ich nicht verifizieren konnte). Wir wissen, dass der Ringnebel eigentlich keine Kugel ist, weil die Helligkeit der zentralen Oberfläche viel geringer ist, als der Projektionseffekt, den ich oben beschrieben habe, vorhersagen würde. Etwas anderes muss eindeutig vor sich gehen. In diesem Fall wird die Diskrepanz dadurch gelöst, dass der Ringnebel ein bipolarer Nebel ist, dessen Achse entlang unserer Sichtlinie verläuft, mit einem dichten Gasring um seinen Äquator . Daher gibt es aus unserer Perspektive mehr Material in der Nähe seiner Ränder als in der Mitte, und daher sehen wir mehr Emissionen.

Kurze Antwort

Dünnes Gas in einem Nebel absorbiert nur einen Teil des Sternenlichts, der einer kleinen Teilmenge des gesamten sichtbaren Spektrums entspricht, entsprechend der entsprechenden molekularen Zusammensetzung des Nebels. Selbst in diesen begrenzten Spektralbereichen ist der Stern oft noch in einem Nebel sichtbar, da das Gas zu dünn sein kann, um die gesamte vom Stern emittierte Energie zu absorbieren.

Lange Antwort

Die Opazität von Gas ist abhängig von seiner Zusammensetzung und Temperatur frequenzabhängig. Monteiro et al. [2013] in Räumlich aufgelöste physikalische und chemische Eigenschaften des planetarischen Nebels NGC 3242 zeigen eine typische Spektralfigur von einem bestimmten Pixel des Nebels NGC 3242 (Ghost of Jupiter) (weg vom Zentralstern):

Die Spitzen und Täler in der obigen Abbildung entsprechen bestimmten Molekülen im Gasnebel, die Energie im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts (von 4000 bis 7000 Angström) emittieren und absorbieren. Die größten Peaks um 5000 A Wellenlänge sind wahrscheinlich doppelt ionisierter Sauerstoff . Siehe: Warum sind O III-Linien in den Spektren von Emissionsnebeln so deutlich, wenn die Menge an Sauerstoff relativ zu Wasserstoff millionenfach kleiner ist? für weitere Einzelheiten.

Sterne hingegen neigen dazu, ein breiteres Emissionsspektrum zu haben, das mit einem thermischen Schwarzkörper übereinstimmt. Hier ist ein Beispiel aus der Sloan Digital Sky Survey :

Entlang der Lichtfrequenzen, für die das Nebelgas größtenteils transparent ist, können wir also sicherlich erwarten, den Zentralstern zu sehen.

Barria & Kimeswenger [2018] zeigen in der HST/WFPC2-Bildanalyse und Wolkenmodellierung der mehrschaligen planetarischen Nebel NGC 3242, NGC 6826 und NGC 7662 Graustufenfiguren, die aus gefilterten Hubble-Teleskopbildern bei Lichtwellenlängen stammen, die verschiedenen molekularen Emissionen entsprechen. Hier ist ein Beispiel für NGC 3242 (Ghost of Jupiter):

Die dunkleren Pixel im Bild entsprechen höheren Energieemissionen. Der Stern variiert in der Energieintensität im Vergleich zum Gas nach Frequenz, ist aber immer noch in allen vier Wellenlängen oben sichtbar. Dies ist bei NGC 7662 (Schneeballnebel) nicht der Fall, der für ein eng ausgewähltes Spektrum von Sauerstoff- und Stickstoffemissionen vollständig verdeckt ist.

Aber auch hier ist im vollen optischen Spektrum der Zentralstern von NGC 7662 deutlich sichtbar:

Die Antwort ist ganz einfach: Sie können auch die andere Seite des Raums sehen (oder vielleicht durch den Dunst oder Dunst über Ihrem Ofen), wenn Sie ein leckeres Essen zubereiten) - auch wenn der Raum zwischen Ihnen und der Wand nicht leer ist: es ist mit Luft gefüllt. Aber Luft ist dünn genug, dass man durchsehen kann, auch wenn sie dick genug ist, um sowohl ein bisschen Licht zu absorbieren als auch ein bisschen Licht zu emittieren. Eine vielleicht astronomischere Analogie: Vom Weltraum aus sieht man, dass die Erde eine dünne Schicht hat, durch die man auch schauen kann :)

Im Weltraum sind die Dichten, über die wir sprechen, VIEL geringer als hier auf der Erde in der Luft. Selbst ein planetarischer Nebel ist für terrestrische Verhältnisse noch ein extrem gutes Vakuum (100.. 100000 Teilchen/Kubikzentimeter gegenüber 10 Milliarden Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter Luft).