Квазары ярче тыщи галактик
Квазары ярче тыщи галактик
Астрологи с незапамятных времен обожают порядок — все у их подсчитано, классифицировано и идентифицировано. Но ночное небо не перестает поражать внимательных наблюдателей и повсевременно подбрасывает новые и неизвестные объекты в звездные сборники. Квазары, открытые всего 40 годов назад, не на шуточку озадачили ученых собственной феноменальной яркостью свечения и компактностью размеров. И только не так давно астрофизикам удалось осознать, откуда эти «динозавры Вселенной» черпают энергию, нужную для того, чтоб светиться на звездном небе с таковой умопомрачительной яркостью.
На фото: звезда, попавшая в поле тяготения громоздкой темной дыры, поначалу разрывается на части приливными силами, а потом, в виде ярко светящегося очень ионизированного газа, поглощается темной дырой. После такового «знакомства» от звезды остается только крутящееся вокруг темной дыры маленькое разреженное скопление.
«Ненужное» открытие
В 1960 году астрологи T. Мэттьюз и A. Сендидж, работая на 5-метровом телескопе, расположенном на горе Паломар в Калифорнии, нашли ничем не приметную, еле приметную в любительский телескоп звездочку 13-й звездной величины, наблюдаемую в созвездии Девы. И конкретно из этой искры воспламенилось пламя!
Все началось с того, что в 1963 году Мартином Шмидтом было найдено, что этот объект (по каталогу 3С 273) имеет очень огромное красноватое смещение. Означает, размещен он очень далековато от нас и очень ярок. Расчеты проявили, что 3С 273 находится на расстоянии 620 мегапарсек, и удаляется со скоростью 44 тыщи км/с. Обыденную звезду с такового расстояния не узреешь, а на огромную звездную систему, типа галактики, квазар, будучи очень небольшим, был не похож.
В том же 1963 году 3С 273 был отождествлен с массивным радиоисточником. Радиотелескопы тогда не были настолько точны в определении направления прихода радиоволн, как на данный момент, потому звездные координаты квазара 3С 273 были определены методом наблюдения его покрытия Луной на обсерватории «Паркском» в Австралии. Таким макаром, перед изумленными взглядами астрофизиков стал совсем необыкновенный объект, ярко сверкавший в видимом и радиодиапазоне электрических волн. Сейчас найдено уже более 20 тыщ таких звездоподобных объектов, часть из которых отлично видна также в рентгеновском и радиодиапазоне.
Московские астрологи А. Шаров и Ю. Ефремов решили узнать, как изменялась светимость 3С 273 в прошедшем. Они отыскали 73 фото этого объекта, самая ранешняя из которых датировалась 1896 годом. Оказалось, что объект 3С 273 пару раз менял свою яркость практически в 2 раза, а время от времени, к примеру в период с 1927 по 1929 год в 3—4 раза.
Нужно сказать, что парадокс переменной яркости был найден еще ранее. Так, исследования, проведенные в Пулковской обсерватории в 1956-м, проявили, что ядро галактики NGC 5548 довольно очень изменяет с течением времени свою яркость.
Сейчас спецы понимают всю значимость этого наблюдения, но несколько десятилетий вспять ученые были убеждены, что излучение от ядер галактик в оптическом спектре обеспечивается только млрд находящихся там звезд, и даже если несколько тыщ из их по каким-то причинам погаснут, то с Земли этого приметно не будет. Означает, рассуждали ученые, большая часть звезд в ядре галактики должны «мигать» синхронно! Хотя, естественно, управлять схожим оркестром не под силу ни одному дирижеру. Таким макаром, конкретно из-за собственной абсолютной непонятности это открытие и не завлекло к для себя особенного внимания.
Последующие наблюдения проявили, что изменение интенсивности излучения с периодом несколько месяцев — для квазаров явление обыденное, и размер области излучения не превосходит расстояния, которое проходит свет за эти самые несколько месяцев. А для того чтоб конфигурации во всех точках области происходили синхронно, необходимо, чтоб информация о начинающемся изменении успела дойти до всех точек. Понятно, что материя квазара испускает свет не по команде, а в силу происходящих на нем процессов, но факт синхронности, другими словами одновременности, конфигурации критерий и величины излучения показывает на компактность данного квазизвездного объекта. Поперечник большинства квазаров, по-видимому, не превосходит 1-го светового года, что в 100 тыщ раз меньше размеров галактики, а светят они при всем этом иногда как целая сотка галактик.
Кто есть кто
Как это обычно и бывает, сходу после обнаружения квазаров начались пробы введения новых законов физики, хотя сначала неясно было даже, из какого же конкретно вещества они состоят, настолько необыкновенным был диапазон излучения квазаров. Вобщем, прошло совершенно малость времени, и хим состав излучающих областей квазаров был опознан по спектральным линиям узнаваемых хим частей. Водород и гелий на квазарах схожи земным, вот только диапазоны их излучения, как оказывается, очень сдвинуты в красноватую сторону из-за большой скорости убегания.
На сегодня более всераспространена точка зрения, согласно которой квазар — это сверхмассивная темная дыра, втягивающая в себя окружающее вещество (аккреция вещества). По мере приближения к темной дыре заряженные частички разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Если темная дыра при всем этом имеет массивное магнитное поле, то оно дополнительно закручивает падающие частички и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов.
Под действием массивных гравитационных сил, создаваемых темной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при всем этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям — спиралям. При всем этом закон сохранения момента импульса принуждает крутящиеся частички двигаться все резвее по мере приближения к центру темной дыры, сразу собирая их в аккреционный диск, так что вся «конструкция» квазара кое-чем припоминает Сатурн с его кольцами. В аккреционном диске скорости частиц очень значительны, и их столкновения порождают не только лишь энергичные фотоны (рентгеновское излучение), да и другие длины волн электрического излучения. При столкновениях энергия частиц и скорость радиального движения уменьшаются, они потихоньку приближаются к темной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам темной дыры и вылетает оттуда с большой скоростью. Так образуются наблюдаемые учеными джеты, длина которых добивается 1 млн. световых лет. Частички в джете сталкиваются с межзвездным газом, излучая радиоволны.
В центре аккреционного диска температура относительно низкая, она добивается 100 000К. Эта область испускает рентгеновские лучи. Чуток далее от центра температура еще малость ниже — приблизительно 50 000К, там излучается ультрафиолет. С приближением же к границе аккреционного диска температура падает и в этой области происходит излучение электрических волн все большей длины, прямо до инфракрасного спектра.
Не нужно забывать и о том, что свет от дальних квазаров приходит к нам очень «покрасневшим». Для количественного определения степени покраснения астрологи употребляют буковку z. Конкретно выражение z+1 указывает, во сколько раз возросла длина волны электрического излучения, долетевшего от источника (квазара) до Земли. Так, если возникает сообщение, что найден квазар с z=4, то это значит, что его уф-излучение с длиной волны 300 нанометров преобразуется в инфракрасное излучение с длиной волны 1 500 нанометров. Кстати, для исследователей на Земле это большая фортуна, ведь ультрафиолетовая часть диапазона поглощается атмосферой и эти полосы никогда бы не наблюдались. Тут же длина волны за счет красноватого смещения возросла, будто бы специально для того, чтоб пройти через земную атмосферу и быть зарегистрированной в устройствах.
Согласно другой точке зрения квазары — это 1-ые юные галактики, и мы просто смотрим процесс их зарождения. Вобщем, существует и промежный, хотя точнее было бы сказать «объединенный» вариант догадки, согласно которому квазар — это темная дыра, всасывающая вещество формирующейся галактики. Так либо по другому, но предположение о сверхмассивной темной дыре в центре галактики оказалось плодотворным и способным разъяснить многие характеристики квазаров.
Так, к примеру, масса темной дыры, находящейся в центре обычной галактики, составляет 106—1010 солнечных масс и, как следует, ее гравитационный радиус варьируется в границах 3х106—3х1010 км, что согласуется с предшествующей оценкой размеров квазаров.
Новые данные также подтверждают компактность тех областей, из которых исходит свечение. К примеру, 5-летние наблюдения позволили найти орбиты 6 звезд, крутящихся около схожего центра излучения, находящегося в нашей галактике. Одна из их не так давно пролетела от темной дыры на расстоянии, составляющем всего 8 световых часов, двигаясь со скоростью 9 000 км/с.
Динамика поглощения
Как вокруг темной дыры возникает материя в хоть какой форме, темная дыра начинает источать энергию, поглощая вещество. На исходной стадии, когда формировались 1-ые галактики, вокруг темных дыр было много вещества, являющегося для их специфичной «пищей», и темные дыры сияли очень ярко — вот они, квазары! Кстати, энергии, которую средний квазар испускает в секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на млрд лет. А один рекордсмен с номером S50014+81 испускает свет в 60 тыщ раз лучше всего нашего Млечного пути с его соткой млрд звезд!
Когда вещества в округи центра становится меньше, свечение слабеет, но все же ядро галактики продолжает оставаться самой броской ее областью (это явление, называемое «Активное галактическое ядро», астрологам понятно издавна). В конце концов, настает момент, когда темная дыра поглощает из окружающего места основную часть вещества, после этого излучение практически прекращается и темная дыра становится мерклым объектом. Но она ожидает собственного часа! Как в округах появится новое вещество (к примеру, при столкновении 2-ух галактик), темная дыра засияет с новейшей силой, с алчностью поглощая звезды и частички окружающего межзвездного газа. Так что, стать приметным квазару удается только за счет собственного окружения. Современная техника уже позволяет различить вокруг дальних квазаров отдельные звездные структуры, являющиеся питательной средой для ненасытных темных дыр.
Вобщем, в наше время, когда столкновения галактик редки, квазары появляться не могут. И судя по всему, это вправду так — практически все наблюдаемые квазары находятся на очень существенном удалении, а означает, прилетающий от их свет был испущен очень издавна, еще в те времена, когда рождались 1-ые галактики. Вот поэтому квазары время от времени именуют «динозаврами Вселенной», намекая не только лишь на их очень почетный возраст, да и на то, что они, образно говоря, «вымерли».
Сфера обитания
Настолько массивные источники лучистой энергии, как квазары, — небезопасные соседи, потому нам, землянам, можно только ликовать тому обстоятельству, что в нашей Галактике и в ближнем скоплении галактик они отсутствуют. Их обнаруживают в главном на самом краю видимой части нашей Вселенной, в тыщах мегапарсек от Земли. Но здесь волей-неволей появляется естественный вопрос — а не противоречит ли это наблюдение всераспространенному воззрению об однородности Вселенной? Как вышло, что в одних галактиках квазары есть, а в других нет? Для того чтоб ответить на эти вопросы, нужно вспомнить, что свет от наблюдаемых нами квазаров летел млрд лет. А это значит, что взгляду землян квазары стают в «первозданном» виде, такими, какими они были млрд годов назад, и сейчас они вероятнее всего уже утратили свою былую силу. Как следует, те галактики, которые размещены неподалеку от квазаров, «видят» еще более слабенькие источники света. Но тогда, если Вселенная однородна, то же самое должно относиться и к нашей Галактике! И здесь остается повнимательнее приглядеться к наиблежайшим к нам галлактическим структурам, в попытке найти объекты, напоминающие остывшие квазары, этакие квазары-призраки. Оказывается, такие объекты вправду есть. Квазары, являющиеся одними из самых старых образований, родились практически сразу со Вселенной, другими словами приблизительно 13 миллиардов. годов назад. При этом они не только лишь очень отдалены от нашей Галактики — согласно закону расширения Хаббла (чем далее от нас объект, тем резвее он удаляется), расстояние меж нами продолжает непреклонно возрастать. Итак вот, более дальние квазары «убегают» от нас со скоростью всего на 5% наименьшей скорости света.
Переменная яркость
Более калоритные квазары испускают раз в секунду столько же световой энергии, сколько сотка обыденных галактик типа нашего Млечного пути (это приблизительно 1042 ватт). Чтоб обеспечить выход такового количества энергии, темная дыра каждую секунду поглощает массу, равную массе Земли, за год же «съедается» около 200 солнечных масс. Схожий процесс не может проходить нескончаемо длительно — когда-нибудь окружающее вещество иссякнет, и квазар или закончит работать, или же станет источать относительно слабо.
Итак, свечение квазара с течением времени миниатюризируется, но что все-таки может вынудить его временами наращивать яркость? Чтоб осознать механизм этого процесса, вспомним, что темная дыра поглощает всякую материю, а не только лишь простые частички. В галактике же, центр которой занят темной дырой, особенного порядка нет. Естественно, в целом звезды крутятся вокруг центра, но всегда есть те звезды-одиночки либо их маленькие скопления, которые нарушают заведенный порядок. Они-то и бывают наказаны — их захватывает и поглощает темная дыра. При всем этом если звезда «проглатывается» полностью, без подготовительного разрушения, то света выделяется не достаточно. Причина заключается в том, что вроде бы звезда ни была велика, ее электронный заряд равен нулю. Потому она не испускает интенсивно свет и не теряет стремительно энергию и момент импульса, испуская в окружающее место в главном гравитационные волны. А означает, она крутится вокруг темной дыры довольно длительно, потихоньку падая на нее. Но если звезда при подходе к так именуемому Шварцшильдовскому горизонту темной дыры — гравитационному радиусу, прохождение которого закрывает путь назад навечно — разрушается приливными силами, то дополнительное излучение может быть очень приметно. После поглощения нарушителя порядка, свечение квазара ворачивается к норме.
Еще совершенно не так давно числилось, что темные дыры являются одной из конечных стадий существования звезд, а потом, со временем, эти темные дыры соединяются в сверхмассивные. Но тогда откуда же взялись мощные темные дыры в период формирования первых галактик? Неувязка просто разрешается в рамках моделей первичных, другими словами показавшихся до начала звездообразования, темных дыр. Вероятна и другая точка зрения — темные дыры и звезды образуются фактически сразу и по одному и тому же сценарию. Облака водорода и черной материи сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а огромные — мощные темные дыры.
Поставщики инфы
Разобравшись в общих чертах с устройством квазаров, ученые пробуют использовать их в качестве инструмента для исследования Космоса. К примеру, следя эффект микролинзирования, можно найти черные объекты с массой, приблизительно равной массе Юпитера. Они выдают себя, отклоняя свет квазара так, что мы лицезреем вроде бы краткосрочное повышение его блеска. Если такие тела будут обнаружены, то, может быть, будет решена неувязка черной материи. На данный момент для многих ученых открытие нового квазара обозначает открытие новейшей темной дыры. Так, исследование не так давно открытого квазара с красноватым смещением z=6.43 показывает на то, что темная дыра, сердечко этого квазара, очень массивна — приблизительно млрд масс Солнца. Как следует, мощные темные дыры появились очень рано. Этот вывод очень важен для космологии. Ученым не так издавна стало понятно, что энергия вакуума, хоть и очень мала, но отлична от нуля. Этот революционный для науки вывод был в первый раз изготовлен на базе исследования скорости удаления квазаров. Оказалось, что красноватое смещение, а означает, и скорость галлактических объектов по мере удаления от Земли вырастают даже резвее, чем того просит закон Хаббла. Потом другие наблюдения, в том числе за реликтовым излучением, еще больше утвердили научную общественность в корректности этого вывода. Так что выходит, что наша Вселенная не просто степенно расширяется, а разлетается со все увеличивающейся скоростью. Открытие квазаров очень очень воздействовало на космологию, породив огромное количество новых моделей зарождения и развития Вселенной. И сейчас ученые практически убеждены в том, что темные дыры играют существенную роль в формировании галактик и их следующей судьбе.
Сергей Рубин, доктор физико-математических наук
Источник — www.vokrugsveta.ru/publishing/vs/archives/?item_id=411