Кваза́р (англ. quasar ) - особо мощное и далёкое активное ядро галактики. Квазары – одни из самых ярких объектов во Вселенной. Мощность излучения квазара иногда в десятки и сотни раз выше суммарной мощности всех звёзд таких галактик, как наша.
Вначале квазары опознали как объекты с большим красным смещением (красное смещение - сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону) и электромагнитным излучением, имеющие очень малые угловые размеры. По этой причине их долго не удавалось отличить от звезд, т.к. протяженные источники больше соответствуют галактикам. И лишь позднее вокруг квазаров удалось обнаружить следы родительских галактик.
Термин quasar обозначает «похожий на звезду» . По одной из теорий, квазары представляют собой галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество.
Первый квазар, 3C 48, был обнаружен в конце 1950-х Аланом Сендиджем и Томасом Метьюзом во время радиообзора неба . В 1963 г. было известно уже 5 квазаров. В том же году голландский астроном Мартин Шмидт доказал, что линии в спектрах квазаров сильно смещены в красную сторону.
В последнее время принято полагать, что источником излучения является аккреционный диск сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре галактики и, следовательно, красное смещение квазаров больше космологического на величину гравитационного смещения, предсказанного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО). На сегодняшний день обнаружено уже более 200 000 квазаров. По красному смещению и блеску квазара определяют расстояние до него. Например, один из ближайших квазаров и более яркий из них, 3C 273, находится на расстоянии около 3 млрд. световых лет . Последние наблюдения показывают, что большинство квазаров находятся вблизи центров огромных эллиптических галактик, а нерегулярная переменность блеска квазаров на временных масштабах менее суток указывает на то, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы.
В среднем квазар производит примерно в 10 триллионов раз больше энергии в секунду, чем наше Солнце (и в миллион раз больше энергии, чем самая мощная известная звезда), и обладает переменностью излучения во всех диапазонах длин волн.
Физический механизм, ответственный за генерацию столь мощного излучения в относительно небольшом объёме, пока достоверно не известен. Процессы, происходящие в квазарах, являются предметом интенсивных теоретических исследований.
В спектрах далёких квазаров обнаружены узкие линии поглощения водорода и ионов тяжёлых элементов. Природа узких линий поглощения остаётся неясной. Поглощающей средой могут быть обширные короны галактик или отдельные облака холодного газа в межгалактическом пространстве. Не исключено, что такие облака могут быть остатками диффузной среды, из которой образовались галактики.
На расстоянии 2 млрд световых лет от нашего дома находится самый мощный и смертоносный объект во всей нашей Вселенной. Квазар - это ослепительный луч энергии, протяженность которого составляет несколько миллиардов километров. Ученые не могут до конца изучить этот объект.
Что такое квазар
Сегодня астрономы всего мира пытаются изучить квазары, их происхождение и принцип действия. Многочисленные исследования доказывают, что квазар – это огромный, бесконечно движущийся котел смертоносного газа. Мощнейший источник энергии объекта находится внутри, в самом сердце квазара. Это огромная черная дыра. Квазар весит столько же, сколько весят миллиарды солнц.Квазар поглощает все, что попадается на его пути. Черная дыра разбивает целые звезды и галактики, засасывая их внутрь себя до тех пор, пока они полностью не сотрутся и не растворятся в ней. На сегодняшний день квазар – это самое худшее, что только может быть во Вселенной.
Объекты далекого космоса
Квазары – самые отдаленные и яркие объекты в изученной человечеством Вселенной. В 60-е года прошлого века ученые считали их радио-звездами, ведь они были обнаружены при помощи сильнейшего источника радиоволн. Термин «квазар» произошел от словосочетания «квазизвездный радиоисточник». Также можно встретить название QSOs в многочисленных трудах ученых о космосе. Поле того как мощность оптических радиотелескопов стала намного больше, астрономы обнаружили, что квазар – это не звезда, а неизвестный науке звездообразный объект.
Предполагается, что радиоизлучение исходит не из самого квазара, а от лучей, которыми он окружен. Квазары до сих пор являются одними из самых загадочных объектов, которые расположены далеко за пределами Галактики. На сегодняшний день мало кто может рассказать про квазары. Что это такое и как устроены эти небесные тела, смогут ответить только самые опытные астрономы и ученые. Единственное, что точно доказано, что квазары выделяют огромнейшее количество энергии. Она равна той, что выделяют 3 млн солнц! Некоторые квазары выделяют в 100 раз больше энергии, чем все вместе взятые звезды нашей Галактики. Интересно, что все вышеперечисленное квазар производит на участке, приблизительно равному Солнечной системе.
Излучение и величина квазаров
Следы предшествующих галактик были обнаружены вокруг квазаров. Их распознавали как объекты с красным смещением, которые имеют электромагнитное излучение вместе с радиоволнами и невидимым светом, и имеющие очень маленькие угловые размеры. Эти факторы до открытия квазаров не давали возможности отличить их звезд – точечных источников. Наоборот, протяженные источники скорее соответствуют форме галактик. Для сравнения: коэффициент средней величины самого яркого квазара составляет 12,6, а самой яркой звезды – 1,45.
Где находятся загадочные небесные объекты
Черные дыры, пульсары и квазары находятся достаточно далеко от нас. Они являются самыми отдаленными небесными телами во Вселенной. Квазары имеют самое большое инфракрасное излучение. По спектральному анализу астрономы имеют возможность определять скорость движения различных объектов, расстояние между ними и до них от Земли.
Если излучение квазара краснеет, значит, он движется по направлению от Земли. Чем больше покраснение - тем дальше от нас квазар и его скорость возрастает. Все виды квазаров движутся на очень высоких скоростях, которые, в свою очередь, бесконечно меняются. Доказано, что скорость движения квазаров доходит до отметки 240 тыс. км/сек., а это почти 80% скорости света!
Мы не увидим современные квазары
Так как это самые отдаленные от нас объекты, то сегодня мы наблюдаем их движения, происходившие миллиарды лет назад. Поскольку свет только успел добраться до нашей Земли. Скорее всего, самыми отдаленными, а поэтому и самыми древними являются именно квазары. Космос позволяет нам увидеть их такими, какими они только появились около 10 млрд лет назад. Можно предположить, что некоторые из них сегодня уже перестали существовать.
Что представляют собой квазары
Хоть это явление изучено и недостаточно, но, по предварительным данным, квазар – это огромная черная дыра. Ее материя ускоряет свое движение, когда воронка дыры затягивает материю, что приводит к нагреванию этих частиц, их трению друг о друга и бесконечному движению общей массы материи. Скорость молекул квазара становится с каждой секундной все больше, а температура все выше. Сильнейшее трение частиц обусловливает выделение огромного количества света и других видов излучений, например таких, как рентген. Ежегодно черные дыры могут поглощать массу, равную одному нашему Солнцу. Как только затянутая в смертельную воронку масса поглотится, выделенная энергия разольется излучениями в две стороны: вдоль южного и северного полюсов квазара. Астрономы называют это необычное явление «космический самолет».
Последние наблюдения астрономов показывают, что в основном эти небесные объекты находятся в центре эллиптических галактик. По одной из теорий происхождения квазаров, они представляют собой молодую галактику, в которой массивнейшая черная дыра поглощает окружающее ее вещество. Основоположники теории говорят о том, что источником излучения выступает аккреционный диск этой дыры. Он находится в центре галактики, а из этого следует, что красное спектральное смещение квазаров больше космологического ровно на величину гравитационного смещения. Это ранее предсказывал Эйнштейн в своей общей теории относительности.
Квазары часто сравнивают с маяками Вселенной. Их видно с самых дальних расстояний, благодаря им изучают ее эволюцию и структуру. С помощью «небесного маяка» изучают распределение любого вещества на луче зрения. А именно: самые сильные спектральные линии поглощения водорода трансформируются в линии по красному смещению поглощения.
Версии ученых о квазарах
Существует и другая схема. Квазар, по мнению некоторых ученых, - это формирующаяся молодая галактика. Эволюция галактик мало изучена, так как человечество намного моложе, чем они. Возможно, квазары – это раннее состояние образования галактик. Можно предположить, что выброс их энергии происходит из самых молодых ядер активных новых галактик.
Другие астрономы и вовсе считают квазары точками пространства, в которых новая материя Вселенной берет свое начало. Их гипотеза доказывает полную противоположность черной дыре. Человечеству понадобится немало времени, чтобы изучить стигматы квазаров.
Известные квазары
Первый из обнаруженных квазаров был открыт Мэтьюзом и Сендиджем в 1960 году. Он располагался в созвездии Девы. Скорее всего, он связан с 16-ю звездами этого созвездия. По истечении трех лет Мэтьюз заметил, что этот объект имеет огромное красное спектральное смещение. Единственным доказывающим фактором, что это не звезда, стало его выделение большого количества энергии на относительно небольшом участке пространства.
Наблюдения человечества
История квазаров началась с изучения и измерения по специальной программе видимых угловых размеров радиоактивных источников.
В 1963 году квазаров уже насчитывали около 5. В этом же году голландские астрономы доказали спектральное смещение линий к красному спектру. Они доказали, что это происходит из-за космологического смещения в результате их удаления, поэтому расстояние можно было высчитывать по закону Хаббла. Практически сразу еще два ученых Ю. Ефремов и А. Шаров открыли переменность блеска обнаруженных квазаров. Благодаря фотометрическим снимкам, они установили, что переменность имеет периодичность всего в несколько дней.
Один из ближайших к нам квазаров (3С 273) имеет красное смещение и блеск, соответствующий расстоянию приблизительно в 3 млдр. световых лет. Самые отдаленные небесные объекты в сотни раз превосходят свечение обычных галактик. Их легко зарегистрировать при помощи современных радиотелескопов на расстоянии 12 млрд световых лет и более. Недавно был зарегистрирован новый квазар на расстоянии 13,5 млрд световых лет от Земли.
Сложно точно подсчитать, сколько квазаров обнаружено на сегодняшний день. Это происходит как из-за постоянных открытий новых объектов, так и из-за отсутствия четкой границы между активными галактиками и квазарами. В 1987 году был опубликован список зарегистрированных квазаров в размере 3594, в 2005 их было более 195 тыс., а сегодня их число перевалило за 200 тыс.
Изначально термин «квазар» обозначал некий класс объектов, которые в видимом (оптическом) диапазоне очень похожи на звезду. Но они имеют ряд отличий: сильнейшее радиоизлучение и малые угловые размеры (< 10).
Такое первоначальное представление об этих телах сложилось во времена их открытий. И оно верно и сейчас, но все же ученые распознали и радиоспокойные квазары. Они не создают такого сильного излучения. По состоянию на 2015 год, таких объектов зарегистрировано около 90% от всех известных.
Сегодня стигматы квазаров определяют по красному перемещению спектра. Если в космосе обнаружено тело, имеющее подобное смещение и выделяющее мощный поток энергии, то у него есть все шансы носить название «квазар».
Заключение
На сегодняшний день астрономы насчитывают около двух тысяч таких небесных тел. Главным инструментом для изучения квазаров является космический телескоп Хаббл. Так как технические прогрессы человечества не могут не радовать своими успехами, то можно предположить, что в будущем мы разгадаем загадку о том, что такое квазар и черная дыра. Возможно, они являются своеобразным «мусорным ящиком», который поглощает все ненужные объекты, а может, они и есть центры и энергия Вселенной.
Астрономы издревле любят порядок — все у них подсчитано, классифицировано и идентифицировано. Однако ночное небо не перестает удивлять внимательных наблюдателей и постоянно подбрасывает новые и неведомые объекты в звездные каталоги. Квазары, открытые всего 40 лет назад, не на шутку озадачили ученых своей феноменальной яркостью свечения и компактностью размеров. И только недавно астрофизикам удалось понять, откуда эти «динозавры Вселенной» черпают энергию, необходимую для того, чтобы сиять на звездном небе с такой удивительной яркостью.
На фото: звезда, попавшая в поле тяготения массивной черной дыры, сначала разрывается на части приливными силами, а затем, в виде ярко светящегося сильно ионизированного газа, поглощается черной дырой. После такого «знакомства» от звезды остается лишь вращающееся вокруг черной дыры небольшое разреженное облако.
В 1960 году астрономы T. Мэттьюз и A. Сендидж, работая на 5-метровом телескопе, расположенном на горе Паломар в Калифорнии, обнаружили ничем не примечательную, еле заметную в любительский телескоп звездочку 13-й звездной величины, наблюдаемую в созвездии Девы. И именно из этой искры возгорелось пламя!
Все началось с того, что в 1963 году Мартином Шмидтом было обнаружено, что этот объект (по каталогу 3С 273) имеет очень большое красное смещение. Значит, расположен он чрезвычайно далеко от нас и очень ярок. Расчеты показали, что 3С 273 находится на расстоянии 620 мегапарсек, и удаляется со скоростью 44 тысячи км/с. Обычную звезду с такого расстояния не увидишь, а на большую звездную систему, типа галактики, квазар, будучи очень маленьким, был не похож.
В том же 1963 году 3С 273 был отождествлен с мощным радиоисточником. Радиотелескопы тогда не были столь точны в определении направления прихода радиоволн, как сейчас, поэтому звездные координаты квазара 3С 273 были определены путем наблюдения его покрытия Луной на обсерватории «Паркском» в Австралии. Таким образом, перед изумленными взорами астрофизиков предстал совершенно необычный объект, ярко сверкавший в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн. На данный момент обнаружено уже более 20 тысяч таких звездоподобных объектов, часть из которых хорошо видна также в рентгеновском и радиодиапазоне.
Московские астрономы А. Шаров и Ю. Ефремов решили выяснить, как менялась светимость 3С 273 в прошлом. Они нашли 73 фотографии этого объекта, самая ранняя из которых датировалась 1896 годом. Оказалось, что объект 3С 273 несколько раз менял свою яркость почти в 2 раза, а иногда, например в период с 1927 по 1929 год в 3-4 раза.
Надо сказать, что феномен переменной яркости был обнаружен еще раньше. Так, исследования, проведенные в Пулковской обсерватории в 1956-м, показали, что ядро галактики NGC 5548 достаточно сильно изменяет со временем свою яркость.
Теперь специалисты понимают всю важность этого наблюдения, но несколько десятилетий назад ученые были убеждены, что излучение от ядер галактик в оптическом диапазоне обеспечивается исключительно миллиардами находящихся там звезд, и даже если несколько тысяч из них по каким-то причинам погаснут, то с Земли этого заметно не будет. Значит, рассуждали ученые, большинство звезд в ядре галактики должны «мигать» синхронно! Хотя, конечно, управлять подобным оркестром не под силу ни одному дирижеру. Таким образом, именно из-за своей абсолютной непонятности это открытие и не привлекло к себе особого внимания.
Дальнейшие наблюдения показали, что изменение интенсивности излучения с периодом несколько месяцев — для квазаров явление обычное, и размер области излучения не превосходит расстояния, которое проходит свет за эти самые несколько месяцев. А для того чтобы изменения во всех точках области происходили синхронно, нужно, чтобы информация о начинающемся изменении успела дойти до всех точек. Понятно, что материя квазара излучает свет не по команде, а в силу происходящих на нем процессов, но факт синхронности, то есть одновременности, изменения условий и величины излучения указывает на компактность данного квазизвездного объекта. Поперечник большинства квазаров, по-видимому, не превышает одного светового года, что в 100 тысяч раз меньше размеров галактики, а светят они при этом порой как целая сотня галактик.
Как это обычно и бывает, сразу после обнаружения квазаров начались попытки введения новых законов физики, хотя поначалу непонятно было даже, из какого же именно вещества они состоят, столь необычным был спектр излучения квазаров. Впрочем, прошло совсем немного времени, и химический состав излучающих областей квазаров был опознан по спектральным линиям известных химических элементов. Водород и гелий на квазарах идентичны земным, вот только спектры их излучения, как оказалось, сильно смещены в красную сторону из-за большой скорости убегания.
На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой квазар — это сверхмассивная черная дыра, втягивающая в себя окружающее вещество (аккреция вещества). По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Если черная дыра при этом имеет мощное магнитное поле, то оно дополнительно закручивает падающие частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов.
Под действием мощных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям — спиралям. При этом закон сохранения момента импульса заставляет вращающиеся частицы двигаться все быстрее по мере приближения к центру черной дыры, одновременно собирая их в аккреционный диск, так что вся «конструкция» квазара чем-то напоминает Сатурн с его кольцами. В аккреционном диске скорости частиц очень велики, и их столкновения порождают не только энергичные фотоны (рентгеновское излучение), но и другие длины волн электромагнитного излучения. При столкновениях энергия частиц и скорость кругового движения уменьшаются, они потихоньку приближаются к черной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам черной дыры и вылетает оттуда с огромной скоростью. Так образуются наблюдаемые учеными джеты, длина которых достигает 1 млн. световых лет. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом, излучая радиоволны.
В центре аккреционного диска температура относительно невысокая, она достигает 100 000К. Эта область излучает рентгеновские лучи. Чуть дальше от центра температура еще немного ниже — примерно 50 000К, там излучается ультрафиолет. С приближением же к границе аккреционного диска температура падает и в этой области происходит излучение электромагнитных волн все большей длины, вплоть до инфракрасного диапазона.
Не надо забывать и о том, что свет от далеких квазаров приходит к нам сильно «покрасневшим». Для количественного определения степени покраснения астрономы используют букву z. Именно выражение z+1 показывает, во сколько раз увеличилась длина волны электромагнитного излучения, долетевшего от источника (квазара) до Земли. Так, если появляется сообщение, что обнаружен квазар с z=4, то это означает, что его ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нанометров превращается в инфракрасное излучение с длиной волны 1 500 нанометров. Кстати, для исследователей на Земле это большая удача, ведь ультрафиолетовая часть спектра поглощается атмосферой и эти линии никогда бы не наблюдались. Здесь же длина волны за счет красного смещения увеличилась, как будто специально для того, чтобы пройти сквозь земную атмосферу и быть зарегистрированной в приборах.
Согласно другой точке зрения квазары — это первые молодые галактики, и мы просто наблюдаем процесс их зарождения. Впрочем, существует и промежуточный, хотя вернее было бы сказать «объединенный» вариант гипотезы, согласно которому квазар — это черная дыра, поглощающая вещество формирующейся галактики. Так или иначе, но предположение о сверхмассивной черной дыре в центре галактики оказалось плодотворным и способным объяснить многие свойства квазаров.
Так, например, масса черной дыры, находящейся в центре типичной галактики, составляет 10 6 -10 10 солнечных масс и, следовательно, ее гравитационный радиус варьируется в пределах 3×10 6 -3×10 10 км, что согласуется с предыдущей оценкой размеров квазаров.
Новейшие данные также подтверждают компактность тех областей, из которых исходит свечение. Например, 5-летние наблюдения позволили определить орбиты шести звезд, вращающихся около похожего центра излучения, находящегося в нашей галактике. Одна из них недавно пролетела от черной дыры на расстоянии, составляющем всего 8 световых часов, двигаясь со скоростью 9 000 км/с.
Как только вокруг черной дыры появляется материя в любой форме, черная дыра начинает излучать энергию, поглощая вещество. На начальной стадии, когда формировались первые галактики, вокруг черных дыр было много вещества, являющегося для них своеобразной «пищей», и черные дыры светились очень ярко — вот они, квазары! Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен с номером S50014+81 излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного пути с его сотней миллиардов звезд!
Когда вещества в окрестности центра становится меньше, свечение ослабевает, но тем не менее ядро галактики продолжает оставаться самой яркой ее областью (это явление, называемое «Активное галактическое ядро», астрономам известно давно). Наконец, настает момент, когда черная дыра поглощает из окружающего пространства основную часть вещества, после чего излучение почти прекращается и черная дыра становится тусклым объектом. Но она ждет своего часа! Как только в окрестностях появится новое вещество (например, при столкновении двух галактик), черная дыра засияет с новой силой, с жадностью поглощая звезды и частицы окружающего межзвездного газа. Так что, стать заметным квазару удается только за счет своего окружения. Современная техника уже позволяет различить вокруг далеких квазаров отдельные звездные структуры, являющиеся питательной средой для ненасытных черных дыр.
Впрочем, в наше время, когда столкновения галактик редки, квазары возникать не могут. И судя по всему, это действительно так — почти все наблюдаемые квазары находятся на очень существенном удалении, а значит, прилетающий от них свет был испущен очень давно, еще в те времена, когда рождались первые галактики. Именно поэтому квазары иногда называют «динозаврами Вселенной», намекая не только на их крайне почтенный возраст, но и на то, что они, образно говоря, «вымерли».
Столь мощные источники лучистой энергии, как квазары, — опасные соседи, поэтому нам, землянам, можно только радоваться тому обстоятельству, что в нашей Галактике и в ближайшем скоплении галактик они отсутствуют. Их обнаруживают в основном на самом краю видимой части нашей Вселенной, в тысячах мегапарсек от Земли. Но тут волей-неволей возникает естественный вопрос — а не противоречит ли это наблюдение распространенному мнению об однородности Вселенной? Как получилось, что в одних галактиках квазары существуют, а в других нет? Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить, что свет от наблюдаемых нами квазаров летел миллиарды лет. А это означает, что взору землян квазары предстают в «первозданном» виде, такими, какими они были миллиарды лет назад, и сегодня они скорее всего уже утратили свою былую силу. Следовательно, те галактики, которые расположены недалеко от квазаров, «видят» гораздо более слабые источники света. Но тогда, если Вселенная однородна, то же самое должно относиться и к нашей Галактике! И тут остается повнимательнее присмотреться к ближайшим к нам космическим структурам, в попытке отыскать объекты, напоминающие остывшие квазары, эдакие квазары-призраки. Оказывается, такие объекты действительно существуют. Квазары, являющиеся одними из самых древних образований, родились почти одновременно со Вселенной, то есть примерно 13 млрд. лет назад. Причем они не только крайне отдалены от нашей Галактики — согласно закону расширения Хаббла (чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется), расстояние между нами продолжает неуклонно увеличиваться. Так вот, наиболее далекие квазары «убегают» от нас со скоростью всего на 5% меньшей скорости света.
Наиболее яркие квазары испускают ежесекундно столько же световой энергии, сколько сотня обычных галактик типа нашего Млечного пути (это примерно 10 42 Ватт). Чтобы обеспечить выход такого количества энергии, черная дыра каждую секунду поглощает массу, равную массе Земли, за год же «съедается» около 200 солнечных масс. Подобный процесс не может проходить бесконечно долго — когда-нибудь окружающее вещество иссякнет, и квазар либо перестанет функционировать, либо же станет излучать относительно слабо.
Итак, свечение квазара со временем уменьшается, но что же может заставить его время от времени увеличивать яркость? Чтобы понять механизм этого процесса, вспомним, что черная дыра поглощает любую материю, а не только элементарные частицы. В галактике же, центр которой занят черной дырой, особого порядка нет. Конечно, в целом звезды вращаются вокруг центра, но всегда есть те звезды-одиночки или их небольшие скопления, которые нарушают заведенный порядок. Они-то и бывают наказаны — их захватывает и поглощает черная дыра. При этом если звезда «проглатывается» целиком, без предварительного разрушения, то света выделяется мало. Причина состоит в том, что как бы звезда ни была велика, ее электрический заряд равен нулю. Поэтому она не излучает активно свет и не теряет быстро энергию и момент импульса, испуская в окружающее пространство в основном гравитационные волны. А значит, она вращается вокруг черной дыры достаточно долго, потихоньку падая на нее. Но если звезда при подходе к так называемому Шварцшильдовскому горизонту черной дыры — гравитационному радиусу, прохождение которого закрывает путь обратно навсегда — разрушается приливными силами, то дополнительное излучение может быть очень заметно. После поглощения нарушителя порядка, свечение квазара возвращается к норме.
Еще совсем недавно считалось, что черные дыры являются одной из конечных стадий существования звезд, а затем, с течением времени, эти черные дыры сливаются в сверхмассивные. Но тогда откуда же взялись массивные черные дыры в период формирования первых галактик? Проблема легко разрешается в рамках моделей первичных, то есть появившихся до начала звездообразования, черных дыр. Возможна и другая точка зрения — черные дыры и звезды образуются практически одновременно и по одному и тому же сценарию. Облака водорода и темной материи сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие — массивные черные дыры.
Разобравшись в общих чертах с устройством квазаров, ученые пытаются использовать их в качестве инструмента для исследования Космоса. Например, наблюдая эффект микролинзирования, можно обнаружить темные объекты с массой, примерно равной массе Юпитера. Они выдают себя, отклоняя свет квазара так, что мы видим как бы кратковременное увеличение его блеска. Если такие тела будут обнаружены, то, возможно, будет решена проблема темной материи. Сейчас для многих ученых открытие нового квазара обозначает открытие новой черной дыры. Так, изучение недавно открытого квазара с красным смещением z=6.43 указывает на то, что черная дыра, сердце этого квазара, очень массивна — примерно миллиард масс Солнца. Следовательно, массивные черные дыры появились очень рано. Этот вывод крайне важен для космологии. Ученым не так давно стало понятно, что энергия вакуума, хоть и чрезвычайно мала, но отлична от нуля. Этот революционный для науки вывод был впервые сделан на основе исследования скорости удаления квазаров. Оказалось, что красное смещение, а значит, и скорость космических объектов по мере удаления от Земли растут даже быстрее, чем того требует закон Хаббла. Затем другие наблюдения, в том числе за реликтовым излучением, еще более утвердили научную общественность в правильности этого вывода. Так что получается, что наша Вселенная не просто степенно расширяется, а разлетается со все увеличивающейся скоростью. Открытие квазаров очень сильно повлияло на космологию, породив множество новых моделей зарождения и развития Вселенной. И сегодня ученые почти уверены в том, что черные дыры играют существенную роль в формировании галактик и их последующей судьбе.
Сергей Рубин, доктор физико-математических наук
В 1963 году было сделано открытие исключительной важности: обнаружены квазары - объекты, свет (и радиоволны) от которых шли к нам целых 15 миллиардов лет. Это значит, что сейчас мы их видим такими, какими они были вскоре после Большого Взрыва, в результате которого началась история нашей Вселенной.
Что собой представляют квазары? Прежде всего это источники радиоволн. Отсюда и их название: квази (то есть почти) звездные радиоисточники. Квазары поразили всех прежде всего колоссальной своей мощностью: находясь на самом "краю" Вселенной, они испускали настолько интенсивное излучение, что оно не только дошло до нас, хотя и находилось в пути более 10 миллиардов лет, но дошло весьма интенсивным. Ведь квазар можно наблюдать в самый простой 20-сантиметровый телескоп, тогда как для наблюдения объектов, находящихся в тысячи раз ближе, нужны пятиметровые телескопы! Квазар излучает такое огромное количество энергии, что возникает законный вопрос, откуда он ее черпает. Энергия, которую он излучает за полчаса, равна всей энергии, которая выделяется при взрыве Сверхновой! Светимость каждого квазара в тысячу раз превышает светимость крупных галактик, в которые входят миллиарды звезд! Поражает в квазаре и другое - компактность этой фабрики энергии. Квазар скорее сравним по размерам со звездой, чем с галактикой. (Поэтому его и назвали "квази"-звездным источником. Естественно, главным является вопрос, как устроен квазар, как работает его фабрика энергии, или, как говорят физики, какова его физическая природа. Не менее поразительно и то, что его фабрика энергии работает неритмично. Излучаемая квазаром энергия (он излучает видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи, радиоволны) меняется не только в течение нескольких лет, но и в течение нескольких месяцев или даже недель. Это при среднем возрасте квазара 10 миллионов лет! Надо как-то объяснить такие значительные сбои в работе энергетиков квазара. Например, квазар ЗС под номером 345 за три недели изменил свою светимость вдвое, а квазар под номером 466 в том же третьем кембриджском каталоге (ЗС) изменил свою светимость вдвое даже в течение нескольких дней (в течение нескольких месяцев светимость его изменилась в 20 раз!). Такие изменения характерны не только для видимой светимости, но и для интенсивности радиоизлучения квазара.
Обращаем внимание на то, что сейчас мы получаем информацию о тех квазарах, которые существовали около 10 миллиардов лет тому назад. Просуществовав всего 10 миллионов лет, они перестали быть квазарами. Таким образом, мы ведем разговор об объектах, которые существовали во Вселенной до того, как образовалась Земля. Это смещение во времени (возможность путешествия в прошлое и невозможность увидеть то, что сейчас происходит в ее далеких уголках) происходит потому, что на передачу информации с помощью света во Вселенной могут потребоваться миллиарды лет! Поэтому те квазары, которые излучают сейчас, можно будет наблюдать через 10 миллиардов лет, когда их излучение придет к нам.
Измерения показали, что квазары движутся (вернее, двигались) со скоростями, составляющими 87% от скорости света. Скорости квазаров направлены от нас, то есть они разлетаются во все стороны с огромными скоростями. Измерялись не скорости, а смещение частоты излучения квазаров за счет эффекта Доплера. Оказалось, что смещение линий излучения атомов водорода происходит в сторону красного края спектра, то есть частота излучения увеличивается, что имеет место при удалении источника. Квазары движутся со скоростями, превышающими 250 000 км/с! Такие скорости запрещены другим объектам. Так, если бы звезда имела скорость движения больше 1000 км/с, то она покинула.бы Свою галактику. Кроме того, звезды движутся как от нас, так и к нам. Квазары же движутся исключительно от нас.
Как "работает" квазар9
Этот вопрос астрофизики изучают давно. Самым сложным оказалось понять, откуда квазар черпает такое большое количество энергии. За это время было предложено множество гипотез, объясняющих устройство квазара. Но они оказались несостоятельными. Поэтому их нет смысла рассматривать.
Оказалось, что проблема квазаров связана с проблемой активных ядер галактик. Они были открыты еще в 1943 году американским астрономом К. Сейфертом. В спектрах излучения, приходящего от космических объектов, были обнаружены широкие ("размытые") и очень интенсивные линии водорода, азота, кислорода и других химических элементов. Положение линии излучения, которому соответствует определенная частота (а значит, и длина волны), зависит от того, какова скорость движения излучающей частицы и куда направлена эта скорость. Если скорость излучателя направлена к нам, то линия смещается в одну сторону, а если от нас - то в противоположную сторону. Движение излучателя поперек луча зрения не приводит к смещению линии в спектре излучения. Если одновременно измеряется излучение от частиц, часть которых движется к нам, а другая часть - от нас, то линия излучения расширяется в обе стороны. Чем больше скорость частиц, тем линии излучения становятся шире. По величине этого уширения можно рассчитать скорость движения частиц. Это сделал К. Сейферт. Он установил, что в активных ядрах галактик частицы газа движутся с огромными скоростями, достигающими десятков тысяч километров в секунду. Скорости газа в обычных галактиках не более 300 км/с. Скорости движения частиц газа в активных ядрах галактик сравнимы по величине со скоростями разлета частиц при взрывах Сверхновых звезд. Сейферт исследовал активные ядра 12 таких необычных галактик. Эти галактики впоследствии были названы сейфертовскими.
Ядра сейфертовских галактик своим излучением напоминают квазары, но мощность их излучения меньше. Их еще называют мини-квазарами. Излучение активных ядер сейфертовских галактик, как и излучение квазаров, является переменным. Был сделан вывод, что квазары представляют собой центральные объекты (ядра) внутри галактик. Дальнейшие исследования квазаров показали, что процессы, обеспечивающие выделение энергии, не ограничены ядром галактики, а являются результатом взаимодействия галактики с этим ядром.
КВАЗИЗВЕЗДНЫЕ РАДИОИСТОЧНИКИ
Когда радиоастрономия делала еще первые шаги, широкое распространение получил термин “радиозвезды”. Так называли некоторые “точечные” источники космического радиоизлучения. Постепенно многие из них были отождествлены с уже открытыми до того астрономами туманностями и галактиками. Почти все, но все-таки не все.
К 1963 г. загадочными остались пять звездообразных объектов, получивших впоследствии наименование квазизвездных радиоисточников, или квазаров.
Судя по мощности радиоизлучения, квазары никак не могут быть звездами в обычном, общепринятом понимании этого слова. Пять объектов, значащихся в звездных каталогах 1963 г. (включенные в 3-й Кембриджский каталог (3С) космических радиоисточников) под условными обозначениями 3С48 (отождествленный со звездой 16-й величины в созвездии Треугольника), 3С147, 3С196, 3С273 (отождествленный со звездой 13-й величины в созвездии Девы) и 3С286.
Квазары могут быть либо наиболее удаленными из известных нам объектов и наиболее мощными источниками излучения, либо спутниками довольно обычных галактик и тогда их излучение не удается объяснить с помощью известных механизмов.
Не все квазары - радиоисточники
Хотя именно радиоастрономии мы обязаны открытием квазаров, вскоре стало ясно, что далеко не все они являются радиоисточниками. Было открыто большое число не излучающих в радиодиапазоне объектов, которые во всех остальных отношениях были похожи на первые квазары 3С273 и 3С48. Из известных более 1300 квазаров лишь несколько процентов относятся к радиоисточникам. Таким образом, большинство квазаров “спокойны” в радиодиапазоне.
КВАЗАРЫ – САМАЯ ПОРАЗИТЕЛЬНАЯ ЗАГАДКА АСТРОФИЗИКИ
Название “квазары” есть сокращение от термина “квазизвездные радиоисточники”. Но поскольку многие квазары, как оказалось, не имеют заметного радиоизлучения, их стали называть “квазизвездными объектами”. Однако сейчас широко употребляется короткое название “квазары”.
Сначала казалось, что эти небесные тела ни на что не похожи и сочетают в себе несовместимые свойства. Потребовалось немало усилий, прежде чем было понято, что квазары родственны радиогалактикам и другим галактикам, в ядрах которых происходят мощные процессы энерговыделения. В квазарах эти процессы достигают максимального масштаба и интенсивности. По мощности излучения квазар в сотни раз превосходит Галактику, а рождается это излучение в объеме, сравнимом по размеру с объемом Солнечной системы. Квазар – очень компактный объект.
Открытие квазаров и два первых десятилетия их изучения – это, как видно, только начало длительных исследований, целью которых является объяснение физического механизма активности галактических ядер и квазаров. Они все еще остаются самой поразительной загадкой современной астрофизики.
Расстояние до квазаров
По мере накопления данных наблюдений большинство астрономов пришли к выводу, что квазары дальше от нас, чем любые другие объекты, доступные наблюдениям. Но небольшая часть астрономов утверждала, что наиболее убедительные данные наблюдений говорят о пространственной близости квазаров и не очень далеких галактик.
КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Большинство квазаров интенсивно излучают радиоволны. Когда астрономы точно определили положения этих радиоисточников на фотографиях, полученных в видимом свете, они обнаружили звездообразные объекты.
Чтобы установить природу странных небесных тел, сфотографировали их спектр. И увидели совсем неожиданное! Эти “звезды” имели спектр, резко отличающийся от всех других звезд. Спектры были совершенно незнакомыми. У большинства квазаров они не содержали не только хорошо известных и характерных для обычных звезд линий водорода, в них вообще с первого взгляда нельзя было обнаружить ни одной линии даже какого-либо другого химического элемента. Работавший в США молодой голландский астрофизик М.Шмидт выяснил, что линии в спектрах странных источников неузнаваемы лишь потому, что они сильно смещены в красную область спектра, а на самом деле это линии хорошо известных химических элементов (прежде всего водорода).
Причина смещения спектральных линий квазаров была предметом больших научных дискуссий, в итоге которых подавляющее большинство астрофизиков пришли к выводу, что красное смещение спектральных линий связано с общим расширением Метагалактики.
В спектре объектов 3С273 и 3С48 красное смещение достигает небывалой величины. Смещение линий к красному концу спектра может быть признаком удаления источника от наблюдателя. Чем быстрее удаляется источник света, тем больше красное смещение в его спектре.
Характерно, что в спектре практически всех галактик (а для далеких галактик это правило не имеет ни одного исключения) линии в спектре всегда смещены к его красному концу. Грубо говоря, красное смещение пропорционально расстоянию до галактики. Именно в этом выражается ЗАКОН КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ, объясняемый ныне как результат стремительного расширения всей наблюдаемой совокупности галактик.
Скорость удаления
У наиболее далеких из известных до сих галактик красное смещение весьма велико. Соответствующие ему скорости удаления измеряются десятками тысяч километров в секунду. Но у объекта 3С48 красное смещение превзошло все рекорды. Получилось, что он уносится от Земли со скоростью только примерно вдвое меньше скорости света! Если считать, что этот объект подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 млрд. световых лет! К примеру, за 8 1/3 минут луч света долетит до Солнца, за 4 года – до ближайшей звезды. А здесь почти 4 млрд.лет непрерывного сверхстремительного полета – время, сравнимое с продолжительностью жизни нашей планеты.
Для объекта 3С196 расстояние, также найденное по красному смещению, получилось равным 12 млрд. световых лет, т.е. мы уловили луч света, который был послан к нам еще тогда, когда ни Земли, ни Солнца не существовало! Объект 3С196 очень быстрый – его скорость удаления по лучу зрения достигает 200 тысяч километров в секунду.
Возраст квазаров
По современным оценкам, возрасты квазаров измеряются миллиардами лет. За это время каждый квазар излучает огромную энергию. Нам неизвестны процессы, которые могли бы служить причиной такого энерговыделения. Если предположить, что перед нами сверхзвезда, в которой “сгорает” водород, то ее масса должна в миллиард раз превышать массу Солнца. Между тем современная теоретическая астрофизика доказывает, что при массе более чем в 100 раз превышающей солнечную, звезда неизбежно теряет устойчивость и распадается на ряд фрагментов.
Из известных ныне квазаров, общее число которых более 10 000, самый близкий удален на 260 000 000 световых лет, самый далекий – на 15 млрд. световых лет. Квазары, пожалуй, наиболее старые из объектов, наблюдаемых нами, т.к. с расстояния в миллиарды световых лет обычные галактики не видны ни в один телескоп. Однако это “живое прошлое” пока что совершенно непонятно нам. Природа квазаров до сих пор полностью не выяснена.
НЕОБЫЧАЙНАЯ СВЕТИМОСТЬ
Подчиняясь тому же закону космологического удаления, что и галактики, источники 3С273 и 3С48 сами по себе сильно отличаются от обычных галактик, подобных нашей Галактике. Прежде всего поражает их необычайная светимость, в сотни раз превышающая светимость нашей Галактики.
Казалось бы, объекты, столь далекие от Земли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самыми мощными современными телескопами. В действительности, например, объект 3С273 можно найти в созвездии Волосы Вероники как звездочку 12,6 звездной величины. Такие звезды доступны даже любительским телескопам.
Таинственным является и тот факт, что по своим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они выглядят как точечные источники света, в то время как даже самые далекие галактики похожи на размытые светящиеся кляксы.
Источник энергии
Какими же чудовищными по мощности излучения должны быть эти источники света, если с расстояния в миллиарды световых лет они кажутся такими яркими!
Самый трудный вопрос, связанный с квазарами, - это объяснение гигантского выделения энергии. Если квазары и в самом деле находятся на космологически больших расстояниях от нас (т.е. красное смещение действительно связано с расширением Вселенной), то нужно объяснить, как возникает эта сильнейшая светимость. Остается загадкой, какой же источник энергии поддерживает свечение квазара. Ясно одно, что каков бы ни был этот источник, сосредоточен он в относительно небольшой области пространства, т.е достаточно компактен. А это само по себе уже говорит о том, что механизм выделения энергии в квазаре весьма необычен.
Многие астрофизики считают, что квазары связаны с ядрами галактик, находящимися на определенной ступени эволюции. Например, ядро галактики М87 гораздо ярче ее внешних частей. Но есть галактики и других типов, так называемые сейфертовские галактики, у которых контраст яркого ядра со слабосветящейся остальной частью выражен еще более резко. Возможно, квазары – следующая ступень этой последовательности. Если они расположены очень далеко, то мы видим только их яркое ядро, слабая же оболочка (если она вообще есть) просто совсем не видна.
Высказывается также предположение, что, как и в галактике М87, выделение энергии в квазарах, возможно, связано с наличием сверхмассивных черных дыр. Начиная с середины 70-х годов идея о том, что гигантское выделение энергии в квазарах объясняется черными дырами, приобрела большую популярность.
Процесс выделения энергии тоже связывают с работой сил тяготения, а радиоизлучение квазара – это синхротронное излучение заряженных частиц в магнитном поле.
Некоторые астрономы считают, что потоки энергии от квазаров значительно ниже, поскольку расстояния до них сильно преувеличены. Если квазары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мы думаем, то мы завышаем в 10 000 раз их светимость при расчетах мощности излучения по их наблюдаемой яркости. Астрономы, которые придерживаются этой точки зрения, исходят из того факта, что квазары часто видны на небе рядом с пекулярными (необычными) галактиками. Эти галактики, хотя и несколько необычны по своей структуре, имеют обычные красные смещения, которым соответствуют скорости удаления, равные нескольким процентам от скорости света. А квазары, расположенные на небе поблизости от них, имеют красные смещения в 10 – 20 раз больше!
Если квазары находятся по соседству с довольно близкими галактиками, чем объяснить их огромные красные смещения? Единственное разумное объяснение – эффект Доплера, но почему мы всегда наблюдаем лишь красное смещение (удаление) и никогда – фиолетовое (приближение)? И как вещество могло быть выброшено (всегда в направлении от нас!) с такими огромными скоростями и сохранить при этом форму единого объекта?
Ответ гласит: это никому неизвестно. За 15 лет не удалось определить ни расстояния до квазаров, ни их природу и источники их колоссальной энергии. Может быть, загадка квазаров таит в себе ключ к какой-то новой области астрофизики, какие-то новые возможности возникновения больших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новые способы генерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко. Будем надеяться, что в последующие годы нам удастся преодолеть эти трудности в объяснении природы удаленных областей Вселенной, в которых расположены квазизвездные объекты. А сейчас мы можем только сказать: по-видимому, это естественные, а не искусственные астрономические объекты, поскольку пока не понятно, как цивилизация могла бы “сделать” квазар.
ПЕРЕМЕННОСТЬ И РАЗМЕР
Еще одна загадка квазаров заключается в том, что некоторые из них меняют свою яркость с периодом в несколько суток, недель или лет, тогда как обычные галактики не обнаруживают таких вариаций.
Московские астрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов решили выяснить, как вели себя в прошлом “странные звезды”. Они внимательно просмотрели 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 г. был запечатлен объект 3С273. Вывод, к которому пришли советские ученые, можно считать вполне достоверным. А он поразителен. Оказалось, что 3С273 менял свою яркость! И не чуть-чуть, а очень заметно – от 12,0 до 12,7 звездной величины, т.е. почти в два раза. Бывали случаи (например, в период с 1927 по 1929 г.), когда за непродолжительное время поток излучения от 3С273 возрастал в 3 – 4 раза! Иногда за несколько суток объект менялся на 0,2 – 0,3 звездной величины. При этом внешне, оптически, не происходило никаких других существенных изменений – “странная звезда” неизменно казалась звездой, хотя и переменной. Подобное явление позже было обнаружено и у объекта 3С48.
Известны тысячи переменных звезд, по разным причинам изменяющихся. Но среди обычных галактик не было зарегистрировано ни одной переменной. Хотя многие из них содержат тысячи и миллионы переменных звезд, колебания их светимости происходят в разнобой и столь несущественны для галактики в целом, что общее излучение галактик всегда остается практически неизменным. Ни один оптический инструмент мира не может уловить хотя бы малейшие колебания светимости какой-нибудь из галактик.
Остаются три возможности. Первая из них нелепа: звезды галактики изменяются сразу и одинаково, как по команде, в одном ритме. С физической стороны такое объяснение настолько абсурдно, так противоречит всем нашим знаниям о космосе, что не заслуживает серьезного рассмотрения. Вторая возможность - странные объекты, сходные с галактиками по характеру красного смещения, имеют физическую природу, совершенно отличную от галактик. Однако, большинство астрономов предполагают, что квазары – активные ядра сверхдалеких галактик.
Бесспорно, что квазары – это не протяженные, разбросанные на десятки тысяч световых лет звездные системы, а какие-то весьма компактные тела небольших сравнительно размеров и колоссальной массы (миллиарды солнечных масс). Относительно малые размеры могут объяснить быстроту колебаний светимости всего объекта в целом, а огромная масса – единственно возможная причина исключительной яркости, или, точнее светимости небесного тела. Чем массивнее звезда, тем ярче она светит. Эта закономерность следует как из наблюдений, так и из теоретических соображений.
Не только по массе, но и по мощности излучения квазары резко отличаются от всех известных небесных тел. Даже сверхновые звезды “бледнеют” в сравнении с ними. Сверхновые звезды излучают света в несколько миллиардов раз больше, чем Солнце только в момент своего мощного взрыва. Рядовой же квазар всегда в десятки тысяч раз излучает больше
Инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров
В последние годы астрономам удалось зарегистрировать инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров; они обнаружили, что мощность излучения некоторых объектов в этих областях спектра даже больше, чем в видимой области и радиодиапазоне. Если просуммировать энергии излучения во всех областях спектра, то оказывается, что некоторые квазары генерируют в 100 000 раз больше энергии в секунду, чем гигантские галактики при условии, что наши оценки расстояний до квазаров верны.
Развитие рентгеновской астрономии помогло установить, что большинство квазаров оказались мощными рентгеновскими источниками. Некоторый намек на это можно было заметить еще в результате самых первых рентгеновских наблюдений квазара 3С273, а в последних исследованиях обсерватории “Эйнштейн” (“НЕАО-В”) было обнаружено уже более 100 квазаров с сильным рентгеновским излучением.
Исходя из этих наблюдений, полагают, что в отличие от радиоизлучения рентгеновское излучение – характерное свойство квазаров.
ГАЛАКТИКИ И КВАЗАРЫ
За последнее время накопилось множество свидетельств того, что квазары родственны галактикам и представляют собой обширные звездные системы с компактными центральными областями – ядрами, откуда исходит основная доля их излучения. Размеры ядер малы, их яркость намного выше яркости звезд, поэтому квазары выглядят на астрономических фотографиях точечными источниками.
Пожалуй, первым из фактов, позволивших найти место квазаров в общей семье астрономических систем, был химический состав их излучающих областей: они испускают линии тех же химических элементов, что и Солнце или облака газа в диске нашей Галактики. “Нормальный” химический состав квазаров прямо указывает на их родство с “обычными” звездными системами.
Очень важно, что параллельно с изучением квазаров продолжалось углубленное изучение галактик. Это позволило установить, что большая величина красного смещения – не исключительная привилегия квазаров. Оно было также обнаружено у галактики 3С295, проявляющей себя также повышенным радиоизлучением и занесенной в 3-й Кембриджский каталог. Это красное смещение даже больше, чем у двух первых квазаров 3С273 и 3С48. Наибольшее красное смещение, зарегистрированное у галактик, принадлежит галактике 3С324 из того же каталога. Методы наблюдения галактик со столь большими красными смещениями, примененные к квазарам, позволили непосредственно обнаружить вокруг самых близких из них протяженные светящиеся образования, которые оказались звездными системами, подобными обычным галактикам. В 1982 г. удалось наблюдать звездную систему вокруг ядра квазара 3С273.
Глубокое родство имеется и в проявлениях активности ядер галактик и квазаров. Значительное сходство выявляется между радиоизлучающими квазарами и радиогалактиками, т.е. галактиками с повышенным радиоизлучением.
Ядра квазаров и ядра галактик
Активные процессы в галактических ядрах стали предметом всестороннего изучения незадолго до открытия квазаров, с 1955 г., когда И.С.Шкловский дал объяснение явлению выброса из ядра галактики Дева А. В.А.Амбарцумян выдвинул общую концепцию активности ядер галактик и привлек к этому явлению широкое внимание астрономов. Различные проявления активности ядер – переменность, истечения и выбросы вещества, радиоизлучающие компоненты – достигают в квазарах максимальных масштабов по энергетике и пространственным размерам. Резервуаром и генератором энергии для этих явлений служит ядро квазара, которое должно быть массивнее и гораздо компактнее, чем самые мощные ядра галактик.
Еще в 60-х годах советский астрофизик Б.В.Комберг высказал гипотезу о том, что квазары (как и ядра активных галактик) представляют собой сверхмассивные двойные системы. Эта гипотеза, получившая в последние годы ряд подтверждений, нуждается в новых наблюдениях. Скорее всего, ядра квазаров - это и не звезды, и не простые их скопления, а компактные и очень массивные объекты, представляющие собой ядра чрезвычайно активных галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет и поэтому невидимых с больших расстояний. Подтверждением этому является, например, открытие светящегося гало вокруг квазара 3С273, что принято рассматривать как доказательство того, что данный квазар – далекая галактика.
Сходство выбросов у квазара 3С273 и у галактики Дева А – важное указание на общую природу явлений активности в квазарах и ядрах галактик. Не менее важно и то, что многие массивные эллиптические галактики являются источниками интенсивного радиоизлучения. Такова, например, галактика Лебедь А. Ее радиоизлучение было обнаружено случайно в 1946 г. По мощности излучения радиогалактика Лебедь А сравнима с квазарами 3С273 и 3С48, хотя и уступает самым мощным квазарам, светимость которых еще в 100 – 1000 раз больше.
Квазары и сейфертовские галактики
Значительное сходство с квазарами имеют и сейфертовские галактики, названные так в честь открывшего их в 40-е годы американского астронома К.Сейферта. Они принадлежат к классу спиральных галактик и составляют примерно одну сотую их общей численности. Сейфертовские галактики обладают компактными яркими ядрами, из которых исходит излучение в сильно расширенных линиях водорода и гелия. Ядра являются иногда мощным источником радиоволн и рентгеновских лучей. Их излучение переменно, что, как и в случае квазаров, указывает на происходящие в ядрах этих галактик бурные процессы.
Квазары и лацертиды
Родственны квазарам и так называемые лацертиды (от Лацерта – латинского названия созвездия Ящерицы, где был найден первый объект этого типа – галактика BL Ящерицы). Это сильные источники оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Как и ядра квазаров, они выглядят на фотографиях точечными источниками, окруженными иногда слабо светящимися ореолами, которые в действительности являются звездными системами. Лацертиды обнаруживают также сильную переменность. Расстояния до них сравнимы с расстояниями до далеких квазаров.
От нормальных галактик – к квазарам
Итак, прослеживается вполне очевидная непрерывность свойств от нормальных галактик – через радиогалактики, эллиптические галактики с активными ядрами, сейфертовские галактики и лацертиды – к квазарам. Выяснение этого факта было решающим шагом к пониманию природы квазаров.
Квазары и наша Галактика
Ядро нашей Галактики не принадлежит к числу активных. Центральную ее область невозможно наблюдать оптическими методами из-за поглощения света газопылевыми облаками, лежащими на луче зрения. Данные о ней получены из наблюдений в инфракрасном и радиодиапазонах электромагнитных волн, для которых облака прозрачны. В центре вращения Галактики находится довольно яркий радиоисточник Стрелец А; его радиосветимость сильно уступает светимости квазаров и активных ядер.
КРАТНЫЕ КВАЗАРЫ
Особое внимание астрофизиков и физиков привлекли кратные (двойные, тройные) квазары: двойной квазар в созвездии Большой Медведицы (1978), тройной квазар в созвездии Льва (1980) и такой же квазар в созвездии Рыб (1981). Каждый из объектов представлял собой квазаров-близнецов, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких угловых секунд, имеющих очень похожие спектры и красные смещения. Однако, по всей вероятности, перечисленные квазары не есть “истинные” кратные квазары, а лишь изображения соответствующего источника. Расщепление одного изображения на несколько происходит под действием гравитационного поля массивной галактики, оказавшейся на пути между квазаром и нами. Лучи света от квазаров могут искривляться под действием гравитации галактик, играющих роль источников гравитационной фокусировки. Такие гравитационные линзы могут искажать формы далеких галактик, что, по мнению некоторых ученых, открывает новые возможности исследования крупномасштабных неоднородностей в распределении вещества во Вселенной.
Не исключено, что эффект гравитационной линзы в некоторых случаях создают не далекие галактики, а массивные черные дыры. Индийские астрофизики Г.Падманабхан и С.Читре обратили внимание на случаи, когда видно удвоенное изображение квазара, а галактики, вызвавшей это явление, поблизости не обнаружено. Вот и появилась гипотеза о том, что эффект создают практически точечные черные дыры с массой, в миллион раз превосходящей массу Солнца. Так как до сих пор нигде ни одна черная дыра не обнаружена, то пока трудно сказать, насколько близка к истине такая гипотеза.
Вопрос о том, существуют ли в природе “истинные” двойные квазары, остается предметом исследований и дискуссий.
Термин образован сочетанием двух слов - quasistellar (похожий на звезду) и radiosource (радиоизлучение). Подразумевается, что квазар - это квазизвездный источник радиоизлучения.
С момента обнаружения первых квазаров прошло уже более полувека. Число известных объектов назвать сложно из-за отсутствия четких разграничений между квазарами и остальными типами галактик с активными ядрами. Если в конце ХХ века было известно около 4000 подобных объектов, то на сегодняшний день их количество приближается к 200 тыс. Кстати, первичное мнение, что все квазары являются мощным источником радиоизлучения, оказалось ошибочным, - лишь сотая часть всех объектов соответствует этому требованию.
Самый яркий и ближайший к Солнечной системе квазар (3С273, открыт одним из первых) находится на расстоянии 3 млрд световых лет. Излучение от наиболее удаленного (РС1247+3406) проходит путь к земному наблюдателю за 13,75 млрд лет, что приблизительно равно возрасту Вселенной, т. е. сейчас мы его видим таким, каким он был в момент Большого взрыва. Квазар - это самый удаленный наблюдаемый объект безграничного космического пространства.
Ученых поставил в тупик первый же открытый квазар. Наблюдения и анализ спектра не имели ничего общего ни с одним из известных объектов настолько, что казались ошибочными и нераспознаваемыми. В 1963 году голландский астроном М. Шмидт (Паломарская обсерватория, США), предположил, что спектральные линии просто очень сильно смещены в длинноволновую (красную) сторону. Закон Хаббла позволил по величине красного смещения определить космологическое расстояние до объекта и скорость его удаления, что привело к еще большему удивлению. Удаленность квазара оказалась чудовищной, и при этом он выглядел в телескоп как обычная звезда +13m величины. Сопоставление расстояния со светимостью давало массу объекта в миллиарды масс Солнца, чего даже теоретически не может быть.
К интересным выводам приводит сравнение спектральных характеристик квазаров с данными галактик различных типов. Обнаруживается следующая структура плавного изменения свойств:
Последние удалены на гораздо меньшее расстояние, чем квазары, и вместе с ними образуют класс блазаров. По предположениям ученых, блазары - активные ядра галактик, связанные со сверхмассивными черными дырами.
Как такое может быть? Ведь черная дыра имеет такое сверхмощное гравитационное поле, что его не может покинуть даже свет. А квазар - это самый яркий объект, если учитывать расстояние до него.
Источником электромагнитного излучения выступают гравитационные силы черной дыры, находящейся в центре галактики. Они притягивают попавшие в поле звезды, и разрушают их. Из образовавшегося при этом газа вокруг черной дыры формируется аккреционный диск. Под действием гравитации он сжимается и приобретает высокую угловую скорость, что приводит к сильному разогреву и генерации излучения. Вещество из внутренних областей диска, не поглощенное черной дырой, идет на образование джетов - узконаправленных потоков элементарных частиц с высокой энергией, формирующихся под действием магнитного поля с противоположных полюсов ядра галактики. Длина джетов может лежать в диапазоне от нескольких до сотен тысяч световых лет и зависит от диаметра аккреционного диска объекта.
Приведенная выше теория - наиболее популярная, объясняющая большую часть наблюдаемых свойств "смертоносных" астрономических тел. Менее распространена версия, что квазар - "зародыш" галактики, формирование которой происходит на наших глазах. Но все ученые единодушны во мнении, что эти объекты - явления оптического характера. Одно и то же тело может идентифицироваться как сейфертовская или радиогалактика, как лацертид или квазар. Значение имеет, под каким углом оно расположено к наблюдателю:
Но, как правило, объект наблюдается под промежуточным углом, при котором принимается большая часть всего излучения.
Фундаментальное свойство квазаров - изменение светимости в течение коротких промежутков времени. Благодаря этому вычислили, что диаметр квазара не может быть более 4 млрд км (орбита Урана).
Ежесекундно квазар испускает в пространство в сто раз больше световой энергии, чем вся наша галактика (Млечный путь). Для поддержания такой колоссальной производительности черная дыра ежесекундно должна "проглатывать" планету не меньше Земли. При недостатке вещества интенсивность поглощения ослабевает, функционирование замедляется, блеск квазара ослабевает. После подхода и захвата новых "жертв" светимость приходит в норму.
Зная опасные свойства этих мощных источников энергии, остается благодарить мироздание, что они обнаружены лишь на огромном удалении, а в нашей и в ближайших галактиках - отсутствуют. Но нет ли здесь противоречия с Теорией однородности Вселенной? При поисках ответа следует учитывать, что мы наблюдаем эти объекты такими, какими они были миллиарды лет назад. Интересно, а что такое квазар в наше время, сегодня? Астрономы активно обследуют близлежащие космические структуры в поисках бывших, израсходовавших свое "топливо", сверхмощных источников. Ждем результатов.
Известные объекты ученые используют в качестве космологического инструмента для изучения свойств и определения основных этапов эволюции Вселенной. Так, только открытие квазаров позволило сделать выводы об отличии от нуля энергии вакуума, сформулировать основные проблемы поиска темной материи, укрепить уверенность в важном месте черных дыр в формировании галактик и их дальнейшем существовании.
Существует довольно много суждений о том, как устроен и как функционирует квазар. Отзывы специалистов о различных теориях также представлены широким спектром: от ироничных до восторженных. Но есть объекты с рядом свойств, у которых нет возможных объяснений.
Эти феноменальные результаты получаются, исходя из теории Большого взрыва, вследствии общей теории относительности. Что-то не так с теорией? В общем, квазар - это явление, которое еще ждет своих исследователей!
