Квазары

Квазары

ВВЕДЕНИЕ

 

   В истории астрономии, древнейшей из наук, не было времени, столь богатого самыми выдающимися открытиями, как наши дни. Особенно счастливыми оказались последние десятилетия, считая открытия квазаров в 1963 г. Было обнаружено реликтовое излучение, стали известны пульсары, последовало открытие нейтронных звезд в тесных двойныхсистемах, невидимых корон галактик,  черных дыр, видимых сверхсветовых движенийв квазарах.

 

  Астрофизика – отрасльастрономии, изучающая самые большие объекты окружающего нас мира, считаяВселенную как целое, а также физическую природу небесных тел. Изучая Вселенную,астрономы постепенно вышли далеко за границы видимого участка электромагнитногоспектра. Постепенно сложилась астрономия невидимого. В зависимости от участкаэлектромагнитного спектра в настоящее время различают радиоастрономию,инфракрасную астрономию, ультрафиолетовую и рентгеновскую астрономию и, наконец,наиболее коротковолновую гамма-астрономию. Эти разделы входят главным образом вастрофизику. Несмотря на многие свои отрасли, астрономия, конечно, остаетсяединой наукой о КОСМОСЕ.

КВАЗИЗВЕЗДНЫЕ РАДИОИСТОЧНИКИ

 

   Когда радиоастрономия  делалаеще 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 астрономамитуманностями и галактиками. Почти все, но все-таки не все.

 

   К 1963 г. загадочнымиостались пять звездообразных объектов, получивших впоследствии наименование квазизвездныхрадиоисточников, или квазаров.

 

   Судя по мощностирадиоизлучения, квазары никак не могут быть звездами в обычном, общепринятомпонимании этого слова. Пять объектов, значащихся в звездных каталогах 1963 г.(включенные в 3-й Кембриджский каталог (3С) космических радиоисточников) подусловными обозначениями   3С48 (отождествленный со звездой 16-й величиныв созвездии Треугольника),  3С147,  3С196,  3С273 (отождествленный созвездой 13-й величины в созвездии Девы)  и  3С286.

 

   Квазары могут быть  либонаиболее удаленными из известных нам объектов и наиболее мощными источникамиизлучения, либо спутниками довольно обычных галактик и тогда их излучение неудается объяснить с помощью известных механизмов.

Не все квазары — радиоисточники

 

   Хотя именно радиоастрономиимы обязаны открытием квазаров, вскоре стало ясно, что далеко не все ониявляются радиоисточниками. Было открыто большое число не излучающих врадиодиапазоне объектов, которые во всех остальных отношениях были похожи напервые квазары 3С273  и  3С48. Из известных более 1300 квазаров лишь несколькопроцентов относятся к радиоисточникам. Таким образом, большинство квазаров“спокойны” в радиодиапазоне.

КВАЗАРЫ – САМАЯ ПОРАЗИТЕЛЬНАЯ ЗАГАДКА АСТРОФИЗИКИ

 

   Название “квазары”  естьсокращение от термина “квазизвездные радиоисточники”. Но поскольку многиеквазары, как оказалось, не имеют заметного радиоизлучения, их стали называть “квазизвезднымиобъектами”. 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 родственнырадиогалактикам и другим галактикам, в ядрах которых происходят мощные процессыэнерговыделения. В квазарах эти процессы достигают максимального масштаба иинтенсивности. По мощности излучения квазар в сотни раз превосходит Галактику,а рождается это излучение в объеме, сравнимом по размеру с объемом Солнечнойсистемы. Квазар – очень компактный объект.

 

   Открытие квазаров  и двапервых десятилетия их изучения – это, как видно, только начало длительныхисследований, целью которых является объяснение физического механизмаактивности галактических ядер и квазаров. Они все еще остаются самойпоразительной загадкой современной астрофизики.

Расстояние до квазаров

 

   По мере накопления  данныхнаблюдений большинство астрономов пришли к выводу, что квазары дальше от нас,чем любые другие объекты, доступные наблюдениям. Но небольшая часть астрономовутверждала, что наиболее убедительные данные наблюдений говорят опространственной близости квазаров и не очень далеких галактик.

КРАСНОЕ  СМЕЩЕНИЕ

 

   Большинство квазаровинтенсивно излучают радиоволны. Когда астрономы точно определилиположения этих радиоисточников на фотографиях, полученных в видимом свете, ониобнаружили  звездообразные объекты.

 

   Чтобы установить природустранных небесных тел, сфотографировали их спектр. И увидели совсемнеожиданное! Эти “звезды” имели спектр, резко отличающийся от всех другихзвезд. Спектры были совершенно незнакомыми. У большинства квазаров они несодержали не только хорошо известных и характерных для обычных звезд линийводорода, в них вообще с первого взгляда нельзя было обнаружить ни одной линиидаже какого-либо другого химического элемента. Работавший в США молодойголландский астрофизик М.Шмидт выяснил, что линии в спектрах странныхисточников неузнаваемы лишь потому, что они сильно смещены в красную областьспектра, а на самом деле это линии хорошо известных химических элементов(прежде всего водорода).

 

   Причина смещенияспектральных линий квазаров была предметом больших научных дискуссий, в итогекоторых подавляющее большинство астрофизиков пришли к выводу, что красноесмещение спектральных линий связано с общим расширением Метагалактики.

 

   В спектре объектов 3С273  и 3С48  красное смещение достигает небывалой величины. Смещение линий к красномуконцу спектра может быть признаком удаления источника от наблюдателя. Чембыстрее удаляется источник света, тем больше красное смещение в его спектре.

 

   Характерно, что в спектрепрактически всех галактик (а для далеких галактик это правило не имеет ниодного исключения) линии в спектре всегда смещены к его красному концу. Грубоговоря, красное смещение пропорционально расстоянию до галактики. Именно в этомвыражается  ЗАКОН КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ, объясняемый ныне как результатстремительного расширения всей наблюдаемой совокупности галактик.

Скорость удаления

 

   У наиболее далеких  изизвестных до сих галактик красное смещение весьма велико. Соответствующие емускорости удаления измеряются десятками тысяч километров в секунду. Но у объекта3С48 красное смещение превзошло все рекорды. Получилось, что он уносится отЗемли 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! Кпримеру, за 8 1/3 минут луч света долетит до Солнца, за4 года – до ближайшей звезды. А здесь почти 4 млрд.лет непрерывногосверхстремительного полета – время, сравнимое с продолжительностью жизни нашейпланеты.

 

   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 удаленияпо лучу зрения достигает 200 тысяч километров в секунду.

Возраст квазаров

 

   По современным оценкам,возрасты квазаров измеряются миллиардами лет. За это время каждый квазаризлучает огромную энергию. Нам неизвестны процессы, которые могли бы служитьпричиной такого энерговыделения. Если предположить, что перед нами сверхзвезда,в которой “сгорает”  водород, то ее масса должна в миллиард раз превышать массуСолнца. Между тем современная теоретическая астрофизика доказывает, что примассе более чем в 100 раз превышающей солнечную, звезда неизбежно теряетустойчивость и распадается на ряд фрагментов.

 

   Из известных ныне  квазаров,общее число которых более 10 000, самый близкий удален на 260 000 000 световыхлет, самый далекий – на 15 млрд. световых лет. Квазары, пожалуй, наиболеестарые из объектов, наблюдаемых нами, т.к. с расстояния в миллиарды световыхлет обычные галактики не видны ни в один телескоп. Однако это “живое прошлое”пока что совершенно непонятно нам. Природа квазаров до сих пор полностью невыяснена.

НЕОБЫЧАЙНАЯ  СВЕТИМОСТЬ

 

   Подчиняясь тому же  законукосмологического удаления, что и галактики, источники 3С273 и 3С48 сами по себесильно отличаются от обычных галактик, подобных нашей Галактике. Прежде всегопоражает их необычайная светимость, в сотни раз превышающая светимость нашейГалактики.

 

   Казалось бы, объекты, стольдалекие от Земли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самымимощными современными телескопами. В действительности, например, объект 3С273можно найти в созвездии Волосы Вероники как звездочку 12,6 звездной величины.Такие звезды доступны даже любительским телескопам.

 

   Таинственным является  и тотфакт, что по своим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они выглядят какточечные источники света, в то время как даже самые  далекие галактики похожина размытые светящиеся кляксы.

Источник энергии

 

   Какими же чудовищными  помощности излучения должны быть эти источники света, если с расстояния вмиллиарды световых лет они кажутся такими яркими!

 

   Самый трудный вопрос, связанныйс квазарами, — это объяснение гигантского выделения энергии. Если квазары и всамом деле находятся  на космологически больших расстояниях от нас (т.е.красное смещение действительно связано с расширением Вселенной), то нужнообъяснить, как возникает эта сильнейшая светимость. Остается загадкой, какой жеисточник энергии поддерживает свечение квазара. Ясно одно, что каков бы ни былэтот источник, сосредоточен он в относительно небольшой области пространства,т.е достаточно компактен. А это само по себе уже говорит о том, что механизмвыделения энергии в квазаре весьма необычен.

 

   Многие астрофизики  считают,что квазары связаны с ядрами галактик, находящимися на определенной ступениэволюции. Например, ядро галактики М87 гораздо ярче ее внешних частей. Но естьгалактики и других типов, так называемые сейфертовские галактики, у которыхконтраст яркого ядра со слабосветящейся остальной частью выражен еще болеерезко. Возможно, квазары – следующая ступень этой последовательности. Если онирасположены очень далеко, то мы видим только их яркое ядро, слабая же оболочка(если она вообще есть) просто совсем не видна.

 

   Высказывается такжепредположение, что, как и в галактике М87, выделение энергии в квазарах,возможно, связано с наличием сверхмассивных черных дыр. Начиная с середины 70-хгодов идея о том, что гигантское выделение энергии в квазарах объясняетсячерными дырами, приобрела большую популярность.

 

   Процесс выделения  энергиитоже связывают с работой сил тяготения, а радиоизлучение квазара – это синхротронноеизлучение заряженных частиц в магнитном поле.

 

   Некоторые астрономы  считают,что потоки энергии от квазаров значительно ниже, поскольку расстояния до нихсильно преувеличены. Если квазары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мыдумаем, то мы завышаем в 10 000 раз их светимость при расчетах мощностиизлучения по их наблюдаемой яркости. Астрономы, которые придерживаются этойточки зрения, исходят из того факта, что квазары часто видны на небе рядом спекулярными (необычными) галактиками. Эти галактики, хотя и несколько необычныпо своей структуре, имеют обычные красные смещения, которым  соответствуютскорости удаления, равные нескольким процентам от скорости света. А квазары,расположенные на небе поблизости  от них, имеют красные смещения в 10 – 20 разбольше!

 

   Если квазары находятся  пососедству с довольно близкими галактиками, чем объяснить их огромные красныесмещения? 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 отнас!) с такими огромными скоростями и сохранить при этом форму единого объекта?

 

   Ответ гласит: это никомунеизвестно. За 15 лет не удалось определить ни расстояния до квазаров, ни ихприроду и источники их колоссальной энергии. Может быть, загадка квазаров таитв себе ключ к какой-то новой области астрофизики, какие-то новые возможностивозникновения больших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новыеспособы генерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко.Будем надеяться, что в последующие годы нам удастся преодолеть эти трудности вобъяснении природы удаленных областей Вселенной, в которых расположеныквазизвездные объекты. А сейчас мы можем только сказать: по-видимому, этоестественные, а не искусственные астрономические объекты, поскольку пока непонятно, как цивилизация могла бы “сделать” квазар.

ПЕРЕМЕННОСТЬ   И   РАЗМЕР

 

   Еще одна загадка  квазаровзаключается в том, что некоторые из них меняют свою яркость с периодом внесколько суток, недель или лет, тогда как обычные галактики не обнаруживаюттаких вариаций.

 

   Московские астрономыА.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов решили выяснить, как вели себя в прошлом “странныезвезды”. Они внимательно просмотрели 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 г.был запечатлен объект 3С273. Вывод, к которому пришли советские ученые, можносчитать вполне достоверным. А он поразителен. Оказалось, что 3С273 менял своюяркость! 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 – 4раза! Иногда за несколько суток объект менялся на 0,2 – 0,3 звездной величины.При этом внешне, оптически, не происходило никаких других существенныхизменений – “странная звезда” неизменно казалась звездой, хотя и переменной.Подобное явление позже было обнаружено и у объекта 3С48.