Реферат: Квазары
Введение
В 1963 г. американский астрономголландского происхождения М.Шмидт сделал одно из величайших открытий вастрономии ХХ в. Это открытие, однако имеет свою предысторию. Около 1960 г.небольшое количество радиоисточников было очень надежно отождествлено созвездами, что было полной неожиданностью. Ведь до сих пор космическиерадиоисточники отождествлялись либо с галактиками, либо с туманностями(например, образовавшимися при вспышках сверхновых звезд). Ожидаемые потокирадиоизлучении даже от самых близких звезд должны быть крайне незначительны. Амежду тем отождествленные со звездами радиоисточники были довольно интенсивны.Вполне естественно, что астрономы-оптики сразу же заинтересовались этимизвездами. М. Шмидт получил и исследовал спектр такой довольно яркой звезды 13-йвеличины, отождествленной с интенсивным радиоисточником 3С 273. Этот спектрсодержал линии излучения, которые поначалу ни с какими лабораторными линиямиотождествить не удавалось. Велико же было изумление астрономов, когда Шмидт с полнойдостоверностью отождествил эти линии с основными линиями водорода серииБальмера, длины волн которых смещены в красную сторону на неслыханную в тевремена величину, соответствующую скорости удаления источника 42000 км/с! Такаяскорость удаления с большой вероятностью означает, что объект 3С 273 находитсяв Метагалактике, а наблюдаемое красное смещение спектральных линий обусловленорасширением Вселенной. Применяя закон Хаббла (см. выше), получим расстояние доэтого источника около 600 мегапарсек или около двух миллиардов световых лет. Стакими расстояниями астрономы еще тогда не встречались. Тем более удивительно,что несмотря на громадность расстояния, объект 3С 273 довольно ярок. Отсюдаследует, что светимость 3С 273 приблизительно в сто раз превышает светимостьнашей Галактики, считающейся гигантской звездной системой. С объектами такойвысокой светимости астрономы тогда еще не встречались. Следует заметить, чтоудивительные свойства объекта 3С 273 были открыты только благодаря тому, что оноказался радиоисточником. На небе имеется много тысяч звездочек 13-й величины,и среди них объект 3С 273, многократно попадавший в поле зрения оптическихтелескопов и долгие годы решительно ничем не привлекавший к себе внимания. Этобыл далеко не последний случай, когда радиоастрономия играла роль«гида», обращающего внимание на необычность того или иногооптического космического объекта.
Сразу же после выясненияметагалактической природы 3С 273 автор этой статьи пришел к парадоксальномувыводу, что блеск 3С 273 может меняться со временем. Советские астрономыА.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов тщательно исследовали старые фотографии неба, накоторые случайно попадал этот объект. Эти фотографии хранились в«стеклянной библиотеке» Государственного Астрономического институтаим. Штернберга. Результаты превзошли самые смелые ожидания: 3С 273 менял свойблеск за несколько лет почти на целую звездную величину, т.е. примерно в 2.5раза! Вскоре это открытие советских ученых было подтверждено на более богатомнаблюдательном материале в США.
Открытие переменности 3С 273действительно было парадоксальным. До этого времени переменность астрономыобнаруживали и изучали у звезд разных типов. Но ведь, казалось, 3С 373 — этогалактика, состоящая из триллионов звезд, каждая из которых, конечно, должнаизлучать независимо. Так что о переменности «сглаженного» иусредненного по времени излучения такого огромного количества звезд не моглобыть и речи! И все же переменность, и притом значительная, была налицо! Из тогопростого факта, что характерное время изменения потока (а, следовательно,светимости) было около 1 года, с очевидностью следовало, что линейные размерыизлучающей области не превышают 1 световой год — величина, ничтожно малая длягалактик. Отсюда следовал вывод, что излучают не звезды, а что-то другое. Вотношении этого «другого» можно было только сказать, что это объект,в известной степени близкий по своей природе ядрам сейфертовских галактик, нотолько в тысячи раз мощнее и активнее. Кстати, заметим, что историческипеременность блеска ядер сейфертовских галактик была открыта позднее, а самоисследование этих галактик в значительной степени стимулировалось исследованиемобъектов, родственных по своей природе 3С 273 и получивших название«квазаров» («квази-звездные» объекты).
Что такое квазары?
Ихпроисхождение, строение и свойства
Квазары представляют собой совершенноновый тип космических объектов наряду со звездами, галактиками и туманностями.Поэтому открытие квазаров в астрономии было вполне аналогично открытию новоготипа животных в зоологии. Сразу же после выяснения «квазарной»природы 3С 273 в астрономии начался «квазарный бум». За несколько летграницы наблюдаемой Вселенной раздвинулись в огромной степени. Оказалось, что3С 273 — один ив самых близких к нам квазаров. Очень скоро были обнаруженытакие объекты, у которых из-за красного смещения линии в довольно далекойультрафиолетовой части спектра «съехали» в видимую область. Следуетзаметить, что и в спектре 3С 273 наблюдались ультрафиолетовые линии ионизованногомагния с «лабораторной» длиной волны 0,28 микрона, которые приотсутствии красного смещения поглощались бы слоем озона в земной атмосфере. Ноэто — «почти видимые» линии. А вот когда астрономы сперва в синей, апотом и в желтой части наблюдаемого спектра нашли «королевуастрофизики» — резонансную линию водорода «лайман альфа»,лабораторная длина волны которой О,12 микрон, — можно было только глубоковздохнуть! Ведь это означало, что в результате красного смещения длина волныизлучения увеличилась… больше, чем в четыре раза! В ту эпоху, когда квазаромбыли излучены кванты, которые сейчас улавливаются земными телескопами, размерыВселенной были в 4 — 4,5 раза меньше, чем сейчас, а ее возраст, приблизительно,в 10 раз меньше нынешних 15 — 20 миллиардов лет. Тогда заведомо не было ещеСолнца и Солнечной системы. Вполне возможно, что не было даже нашей Галактики,а если она и была, то она сильнейшим образом отличалась от той, которуюастрономы наблюдают сейчас. Когда представишь себе, что слабое пятнышкообразовано на фотографической пластинке квантами, до этого путешествовавшими поВселенной 10 — 15 миллиардов лет, пропадает желание заниматься астрономией, такчто лучше об этом не думать.
Нужно заметить, что вскоре послеоткрытия квазаров были обнаружены такой же природы оптические объекты безпризнаков радиоизлучения. Они получили название «радиоспокойные»квазары. Оказалось, что таких квазаров во много десятков раз больше, чемрадиоизлучающих.
Особый интерес представляют линиипоглощения, обнаруженные в спектрах самых удаленных квазаров, обычно таких, укоторых линия «лайман- альфа» из-за красного смещения«переползает» в видимую область. Очень часто величина красногосмещения, определяемая по линиям поглощения, значительно меньше, чем по линиямизлучения. Кроме того, в ряде случаев наблюдается в спектре одного квазаранесколько систем линий поглощения, отличающихся красным смещением. Скорее всегоэти линии образуются «по пути», при прохождении света через наружныегазовые слои более близких к нам галактик. Однако окончательно решенным этотвопрос пока считать нельзя.
Радиоструктура квазаров во многомнапоминает радиогалактики, так что обычно по одной лишь этой структуре отличитьквазары невозможно. Так же, как и у радиогалактик, очень часто наблюдаютсядвойные радиоисточники, между которыми находится компактный, иногда переменный,радиоисточник, совпадающий по своим координатам со звездообразным оптическимобъектом — квазаром. В очень редких случаях у самых близких квазаров околозвездообразного объекта наблюдаются очень слабые протяженные образования. Отквазара 3С 273 исходит слабая струя — выброс протяженностью около 20". Натаком огромном расстоянии этим угловым размерам соответствует линейнаяпротяженность около 100 тысяч световых лет. Эта струя, помимо оптическогоизлучения, излучает также радиоволны, так что квазар 3С 273 можно рассматриватькак двойной радиоисточник. Следует заметить, что аналогичные выбросынаблюдаются также и у некоторых радиогалактик. Особенно интересен выброс уодной из ближайших к нам радиогалактик, о котором речь будет идти дальше.
Важным вопросом являетсяпринадлежность квазаров к скоплениям галактик. Долгое время нельзя было решитьвопрос в положительном смысле. Это и понятно, ведь квазары излучают в сотни разинтенсивнее «нормальных» галактик, поэтому последние, находящиеся втом же скоплении, будут слишком слабы, чтобы изучаться спектроскопически. Ведькритерием принадлежности к одному скоплению является одинаковое красноесмещение у галактик и квазаров. Только для немногих, сравнительно близкихквазаров, удалось обнаружить скопления галактик, в которых они находятся.
В настоящее время известно и занесенов каталоги свыше тысячи квазаров, что и позволяет выполнить их статистическийанализ. Прежде всего, удалось построить «функцию светимости»квазаров, т.е. их распределение по мощности излучения. Из нее следует, чтоотносительное количество квазаров убывает по мере роста мощности их излучения.Важнейшим результатом таких статистических исследований является вывод о том,что на более ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее размеры были в 3-5 разменьше нынешних, квазаров было гораздо больше, чем сейчас. В ту отдаленнуюэпоху квазаров было почти столько же, сколько и «нормальных»галактик. Нельзя исключить гипотезу, что тогда все галактики были квазарами!Этот важный вывод, однако, нуждается для своего подтверждения в новыхнаблюдениях.
Обращает на себя внимание тообстоятельство, что количество квазаров, начиная со значения красного смещения,превосходящего некоторый предел (соответствующий увеличению длины волны в 4,5 — 5 раз), резко падает. Конечно, нельзя исключить чисто инструментальную причинуэтого явления, однако вполне возможно, что квазары с большими краснымисмещениями просто отсутствуют. Такое отсутствие естественнее всего объяснитьтем, что как раз в эту эпоху развития Вселенной образовывались путемконденсации газа галактики. До этого (т.е. при большом красном смещении) нигалактик, ни квазаров просто не было. Такой вывод, конечно, имел бы оченьбольшое значение для проблемы эволюции Вселенной, так как позволил бы уточнитьэпоху формирования галактик, а следовательно, и звезд. Нужны, однако, еще новыевысококачественные наблюдения, чтобы его подтвердить.
Выше мы уже говорили о переменностиоптического излучения квазаров. Как крайнее проявление такой переменностиследует упомянуть о «вспышке» квазара 3С 279. В настоящее время оннаблюдается как слегка переменная слабая звездочка 18-й величины. Однако настарых астрономических фотографиях довоенного времени (т.е. задолго до открытияквазаров) этот объект оказался существенно более ярким — почти 13 величины! Этоозначает, что он был ярче, чем теперь, в сотню раз! Зная по красному смещениюрасстояние 3С 279, можно найти, что во время «вспышки» его светимостьбыла почти в сотню раз больше, чем у 3С 273 и в десять тысяч раз больше, чем унашей Галактики! И при этом размеры излучающей области ничтожно малы, меньшесветового года. В настоящее время квазар 3С 279 считается самым мощным«маяком» Вселенной. Мы видим, что разброс значений светимостейметагалактических объектов чрезвычайно вели почти такой же, как у звезд!
Большое значение для пониманияприроды квазаров имеют исследования переменности их радиоизлучения, особенно насантиметровом диапазоне. При этом было показано, что моменты максимума потокаизлучения должны меняться закономерным образом с изменением длины волны. Так жедолжен меняться и сам характер радиоспектра (диаграмма на 15 стр., гдеприведены результаты наблюдений спектров квазаров в разные моменты времени). Наосновании теории синхротронного излучения можно по известной частоте,соответствующей максимуму радиоизлучения, и величине максимального потокаопределить угловые размеры источников радиоизлучения, которые оказываютсяпорядка тысячных долей секунды дуги. Зная (по величине красного смещения)расстояния до квазаров, можно теперь найти линейные размеры связанных с нимикомпактных радиоистоников. Установлено, что их размеры меньше одного световогогода, в согласии с оценками, полученными на основе анализа переменности потока.
До сих пор мы говорили только орадио- и оптическом излучении квазаров и радиогалактик. Между тем, в последнеедесятилетие все большее значение приобретает исследование рентгеновскогоизлучения этих метагалактических объектов. Впервые рентгеновское излучение отвнегалактического объекта было обнаружено еще в 1971 г. на первомспециализированном рентгеновском спутнике «Ухуру», заложившем основысовременной рентгеновской астрономии. Этим объектом сказалась одна из ближайшихрадиогалактик NGC 4486. Другим метагалактическим рентгеновским источникомоказалась яркая сейфертовская галактика NGC 4151. Не подлежит сомнению, чтоизлучает активное ядро этой галактики. Вскоре был обнаружен слабый потокрентгеновского излучения и от первого открытого квазара 3С 273, а также отрадиогалактики Лебедь-А. Новый этап в изучении внегалактических рентгеновскихисточников наступил в 1979 г., после запуска космической лаборатории имениЭйнштейна. На этой обсерватории чувствительность приемной рентгеновскойаппаратуры была в 1000 раз выше, чем на «Ухуру», при очень хорошейугловой разрешающей способности. В результате оказалось возможным осуществитьмассовое определение рентгеновского излучения большого количества квазаров, атакже сейфертовских галактик. Кроме того, был получен большой наблюдательныйматериал по рентгеновскому излучению скоплений галактик, представляющий особыйинтерес.
Всего было исследовано рентгеновскоеизлучение более чем 100 квазаров и большого количества сейфертовских галактик ископлений. Практически все квазары являются источниками рентгеновскогоизлучения, мощность которого меняется в широких пределах, от сотых долейполного излучения нашей Галактики ( » 1044 эрг/с) до значений, в тысячу разпревосходящих полную мощность Галактики. Как правило, рентгеновское излучениеквазаров переменно; это указывает (как в случае радиоизлучения), что оновозникает в малой области. Наличие мощного рентгеновского излучения квазаров иактивных ядер галактик свидетельствует о происходящих там грандиозных процессах,связанных с нагревом газа до температуры порядка сотни миллионов градусов.По-видимому, часть рентгеновского излучения не связана с горячей плазмой, асоздается релятивистскими электронами, взаимодействующими с полем излучениябольшой плотности (явление Комптона). В настоящее время, комбинируя толькорентгеновские и оптические наблюдения, удалось открыть ряд новых квазаров. Этонаглядно демонстрирует, что «проникающая» способность рентгеновскойастрономии может быть даже выше, чем у радиоастрономии.
Нашлись ''пропавшие'' квазары
Два года назад группа австралийскихастроном во главе с Р.Уэбстер (R.Webster; Мельбурнский университет) пришла квесьма неожиданному выводу: среди всех существующих во Вселенной квазаров около80% остаются неоткрытыми. Как известно, квазар — невероятно мощный точечныйисточник радиоизлучения; по одной из гипотез, он представляет собой удаленнуюактивную галактику, которая получает энергию в результате аккреции вещества насверхмассивную черную дыру, находящуюся в центре квазара. Проведя наблюдениянескольких сот квазаров, австралийские ученые обнаружили, что излучение около80% из них необычайно сильно сдвинуто в красную часть спектра. Астрономы же,работающие с оптическими приборами, ищут квазары, как правило, среди голубыхобъектов. Если большинство квазаров — красные, значит, основная их масса намвсе еще неизвестна. Однако в марте 1996 г. английские астрономы С.Серджент(S.Serjent; Имперский колледж в Лондоне) и С.Ролингс (S.Rawlings; Оксфордскийуниверситет) «успокоили » своих коллег, показав, что квазары,наблюдавшиеся австралийскими учеными, «нетипичны ». Уэбстер и еесотрудники полагали, что «покраснение » изучаемых объектов вызванокосмической пылью, присутствующей в любой околоквазарной области. Однакоанглийские астрономы указывают, что квазары, наблюдавшиеся австралийцами,обладают плоским, «сплющенным » радиоспектром. Другими словами,спектральная яркость их излучения в радиодиапазоне с повышением частотыпонижается очень медленно. А это считается важным признаком таких объектов.Квазары, изучавшиеся группой Уэбстер, сильно излучают на высоких радиочастотах- в красной области оптического спектра. В таком случае наблюдаемое красноеизлучение вызывается не космической пылью, а имеет ту же синхротронную природу,что и радиоизлучение квазаров: заряженные электроны излучают, двигаясь срелятивистской скоростью по спирали вдоль магнитно-силовых линий. Но при этомвозбуждается лишь плоский спектр красного излучения, что характерно лишь длянебольшой группы квазаров. Таким образом, число «упущенных „астрономами квазаров никак не может быть значительным.
Заключение
Наконец, в последнее время полученыпервые данные о гамма-излучении некоторых внегалактических объектов (например,3С 273, NGC 5128, NGC 4151). Исследования в этой важной области тольконачинаются.
Диаграмма
/>
Список использованной литературы:
1.И.Шкловский ''Земля и Вселенная''. — 1982. — N 4. — С.190 — 195.
2.Nature. 1996. V.379. 6563. P.304 (Великобритания).