Галактики і квазари (стр. 3 из 5)

ІІІ. Квазари

1. Історія відкриття квазарівСлово «квазар» було придумано як скорочення від «квази - зірковерадіоджерело». «Квази - зірковий» означає «схожий на зірку, але не зірка». Зараз астрономи вважають, що квазари – це сама яскрава з різновидів активних галактичних ядер.Уперше квазари виявили в 1960 року як радіоджерела, що збігаються в оптичному діапазоні зі слабкими зіркоподібними об'єктами. Радіоастрономи удосконалювали свої методи точного визначення місцезнаходження радіоджерел. Радіоджерело 3С48 начебто збігалося з однією зіркою, не схожою ні на які інші: у її спектрі були присутні яскраві лінії, які не вдавалося співвіднести з жодним з відомих атомів. Потім, в 1962р., ще одна таємнича зірка збіглася з іншим радіоджерелом, 3С 273. Роком пізніше Мартен Шмідт із обсерваторії Маунт Паломар у Каліфорнії довів, що якщо цьому зіркоподібному об'єкту приписати зсув 16%, то його спектр збіжиться зі спектром газоподібного водню. Таке червоне зміщення велике навіть для більшості галактик. Об'єкт 3С 273 виявився не екзотичною зіркою із Чумацького Шляху, а чимсь зовсім іншим, що летить від нас зі швидкістю в 16% швидкості світла. Відстань до цього квазара становить близько 3 млрд. світлового років, а видимий блиск дорівнює 12,6m. Розмір 3С 273 не перевищує одного світлового року. Виявилося, що й інші зіркоподібні радіоджерела, такі як 3С 48, мають більші червоні зсуву. От це-те компактні об'єкти з більшим червоним зсувом, які на фотографіях нагадують зірки, і є квазари. Теорія тяжіння Ейнштейна затверджує, що світло, проходячи через сильне гравітаційне поле, викривляє свою траекторію. Квазари демонструють нам цей ефект. Вони рідко виявляються на небі по сусідству один з одним. Але в 1979р. астрономи виявили пару ідентичних квазарів, розташованих дуже близько один до одного. Насправді це виявилися два зображення одного й того ж об'єкта, світло від якого було перекручене гравітаційною лінзою. Де на шляху світла, що йде від цього квазара, перебуває щось дуже щільне і масивне. Тяжіння цього об'єкта й розщеплює світло в подвійне зображення. Уперше рентгенівське випромінювання від позагалактичного об'єкта буловиявлено ще в 1971 р. на першому спеціалізованому рентгенівському супутнику "Ухуру", що заклав основи сучасної рентгенівської астрономії. Цим об'єктом позначилася одна з найближчих радіогалактик NGC 4486. Іншим метагалактичним рентгенівським джерелом виявилася яскрава сейфертівська галактика NGC 4151. Не підлягає сумніву, що випромінює активне ядро цієї галактики. Незабаром був виявлений слабкий потік рентгенівського випромінювання й від першого відкритого квазара 3С 273, а також від радіогалактики Лебідь-А. В 1982 році австралійськими астрономами був відкритий новий квазар, який одержав назву PKS 200-330, у якого виявився рекордний для того часу червоний зсув Z==3,78 .Це означає, що спектральні лінії астрономічного об'єкта, що віддаляється від нас, у результаті ефекту Доплера мають довжину хвилі, в 3, 78 рази перевищуючу значення нерухомого джерела сввітловипромінювання.Відстань до цього квазара, видимого в оптичний телескоп як зірка дев'ятнадцятої величини, становить 12,8 млрд світлових років.
У другій половині 80-х років було зафіксовано ще трохи найбільш віддалених квазарів, величина червоного зсуву яких уже перевищує 4,0. Таким чином, радіосигнали, послані цими квазарами тоді, коли ще не була сформована наша Галактика, у тому числі Сонячна система, можна тільки сьогодні зареєструвати на землі. А переборюють ці промені величезну відстань більше 13 млрд світлових років. Ці наступні один за одним астрономічні відкриття були зроблені в ході конкурентної наукової гонки австралійських астрономів з обсерваторії Сайдінг-Спрінг й їхніх американських колег з обсерваторії Маунт-Паломар у Каліфорнії. Сьогодні найвилученіший від нас об'єкт - квазар PC 1158+4635 із червоним зсувом, рівним 4,733. Відстань до нього становить 13,2 млрд світлового років.
Але от у тій же обсерваторії Маунт-Паломар за допомогою 5-метрового телескопа американські зоряні дослідники на чолі з відважним мисливцем за квазарами М. Шмідтом у вересні 1991 року остаточно підтвердили чутки про існування більш далекого від нас астрономічного об'єкта. Величина червоного зсуву рекордно далекого квазара під номером PC 1247+3406 становить 4,897. Здається, далі вже нікуди. Випромінювання цього квазара доходить до найвіддаленішої планети за час, майже рівний віку Всесвіту. Так що новий рекордсмен розташовується, якщо можна так виразитися, на самому краї неосяжної й нескінченної у своєму розширенні світобудови. 2. Характеристика квазарів Квазар (англ. quasar—скорочення від QUAsi stellAR radio source — «квази зоряне “радіо джерело”) — клас позагалактичних об'єктів, що відрізняються дуже високою світністю і настільки малим кутовим розміром, що протягом декількох років після відкриття їх не вдавалося відрізнити від «крапкових джерел» - зірок. Квазари являють собою зовсім новий тип космічних об'єктів поряд із зірками, галактиками й туманностями. Тому відкриття квазарів в астрономії було цілком аналогічно відкриттю нового типу тварин у зоології. У ту епоху, коли квазаром були випромінені кванти, які зараз уловлюються земними телескопами, розміри Всесвіту були в 4 - 4,5 рази менше, ніж зараз, а її вік, приблизно, в 10 разів менше нинішніх 15 - 20 мільярдів років. Тоді свідомо не було ще Сонця й Сонячної системи. Цілком можливо, що не було навіть нашої Галактики, а якщо вона й була, то вона найсильнішим чином відрізнялася від тієї, котру астрономи спостерігають зараз. Квазари занурені в галактики. Однак майже у всіх випадках квазар сяє настільки яскраво, що затьмарює набагато більш слабке світло створившої його галактики. Тому на фотографіях можна побачити лише світлу крапку відактивного ядра. Усередині квазара перебуває винятково потужне джерелоенергії, майже напевно це чорна діра. Вона оточена диском з речовини діаметром у кілька світлових років. Поблизу диска швидко несуться хмаригазу, а ще далі, на відстані близько 100 світлових років, більше тонкі й більше холодні хмари, де квазар зливається зі своєю галактикою. Варто зазначити, що незабаром після відкриття квазарів були виявлені такої ж природи оптичні об'єкти без ознак радіовипромінювання. Вони одержали назву "радіоспокійні" квазари. Виявилося, що таких квазарів у багато десятків разів більше, ніж радіовипромінюючих. Особливий інтерес представляють лінії поглинання, виявлені в спектрах найбільш далеких квазарів, звичайно таких, у яких лінія "лайман-альфа" з- за червоного зсуву "переповзає" у видиму область. Дуже часто величина червоного зсуву, яку визначають по лініях поглинання, значно менше, ніж по лініях випромінювання. Крім того, у ряді випадків спостерігається в спектрі одного квазара кілька систем ліній поглинання, що відрізняються червоним зсувом. Швидше за все ці лінії утворяться "на шляху", при проходженні світла через зовнішні газові шари більш близьких до нас галактик. Однак остаточно вирішеним це питання поки вважати не можна.

3. Відстань до квазарів

У міру нагромадження даних спостережень більшість астрономів дійшли висновку, що квазари далі від нас, чим будь-які інші об'єкти, доступні для спостереженням. Але невелика частина астрономів стверджувала, що найбільш переконливі дані спостережень говорять про просторову близькість квазарів і не дуже далеких галактик.4. Червоний зсув
Більшість квазарів інтенсивно випромінюють радіохвилі. Коли астрономи точно визначилиположення цих радіоджерел на фотографіях, отриманиху
видимомусвітлі, вони виявили зіркоподібні об'єкти.
Щоб встановити природу дивних небесних тіл, треба сфотографували їхній спектр і побачили зовсім несподіване. Ці “зірки” мали спектр, що різко відрізняється від усіх інших зірок. Спектри були зовсім незнайомими. У більшості квазарів вони містили не тільки добре відомі і характерні для звичайних зірок ліній водню, у них взагалі з першого погляду не можна було виявити ні однієї лінії якого-небудь іншого хімічного елемента.
Молодий голландський астрофізик М.Шмидт, що працював у США з'ясував, що лінії в спектрах дивних джерел невпізнанні лише тому, що вони сильно зміщені в червону область спектра, а насправді це лінії добре відомих хімічних елементів (насамперед водню).
Причина зсуву спектральних ліній квазарів була предметом більших наукових дискусій, у підсумку яких переважна більшість астрофізиків дійшли висновку, що червоний зсув спектральних ліній пов'язаний із загальнимрозширенням
Метагалактики.

Рис. 13 Зсув спектральних ліній у квазарі 3C273 У спектрі об'єктів 3С273 і 3С48 червоний зсув досягає небувалої величини. Зсув ліній до червоного кінця спектра може бути ознакою видалення джерела від спостерігача. Чим швидше віддаляється джерело світла, тим більше червоний зсув у його спектрі.Характерно, що в спектрі практично всіх галактик (а для далеких галактик це правило не має жодного виключення) лінії в спектрі завжди зміщені до його червоного кінця. Червоний зсув пропорційний відстані до галактики.

6. Вік квазарів

Ще одна загадка квазарів полягає в тому , що деякі з них змінюють свою яскравість із періодом у кілька доб, тижнів або років, тоді як звичайні галактики не виявляють таких варіацій.
Московські астрономи А.С.Шаров і Ю.Н. Єфремов вирішили з'ясувати, як поводилися в минулому “дивні зірки”. Вони уважно переглянули 73 негатива, на яких з 1896 по 1963 р. був відбитий об'єкт 3С273. Висновок, до якого прийшли радянські вчені, можна вважати цілком достовірним. А він разючий. Виявилося, що 3С273 міняв свою яскравість! І не трохи, а дуже помітно - від 12,0 до 12,7 зоряної величини, тобто майже у два рази. Бували випадки (наприклад, у період з 1927 по 1929 р.), коли за нетривалий час потік випромінювання від 3С273 зростав в 3 - 4 рази! Іноді за кілька доби об'єкт мінявся на 0,2 - 0,3 зоряної величини. При цьому зовні, оптично, не відбувалося ніяких інших істотних змін - “ дивна зірка ” незмінно видалася зіркою, хоча й змінною. Подібне явище пізніше було виявлено й в об'єкта 3С48.
Відомі тисячі змінних зірок, по різних причинах мінливих. Але серед звичайних галактик не було зареєстровано ні однієї змінної. Хоча багато хто з них містив тисячі й мільйони змінних зірок, коливання їх світимості відбуваються в різнобій і настільки несуттєві для галактики в цілому, що загальне випромінювання галактик завжди залишається практично незмінним. Жоден оптичний інструмент світу не може вловити хоча б найменші коливання світності який-небудь із галактик.
Залишаються три можливості. Перша з них безглузда: зірки галактики змінюються відразу й однаково, як по команді, в одному ритмі. З фізичної сторони таке пояснення настільки абсурдне, так суперечить усім нашим знанням про космос, що не заслуговує серйозного розгляду. Друга можливість - дивні об'єкти, подібні з галактиками по характеру червоного зсуву, мають фізичну природу, зовсім відмінну від галактик. Однак, більшість астрономів припускають, що квазари - активні ядра зверхдалеких галактик.
Безперечно, що квазари - це не протяжні, розкидані на десятки тисяч світлових років зоряні системи, а якісь досить компактні тіла невеликих порівняно розмірів і колосальної маси (мільярди сонячних мас). Відносно малі розміри можуть пояснити швидкість коливань світності всього об'єкта в цілому, а величезна маса - єдино можлива причина виняткової яскравості, або, точніше світності
небесного тіла. Чим масивніше зірка, тим яскравіше вона світить. Ця закономірність випливає як зі спостережень, так і з теоретичних міркувань.
Не тільки по масі, але й по потужності випромінювання квазари різко відрізняються від усіх відомих небесних тел. Навіть зверхнові зірки “бліднішають” у порівнянні з ними. Зверхнові зірки випромінюють світло в кілька мільярдів раз більше, ніж Сонце тільки в момент свого потужного вибуху. Рядовий же квазар завжди в десятки тисяч раз випромінює більше.
10. Інфрачервоне й рентген рентгенівське випромінювання квазарів
В останні роки астрономам вдалося зареєструвати інфрачервоне й рентгенівське випромінювання квазарів; вони виявили, що потужність випромінювання деяких об'єктів у цих областях спектра навіть більше, ніж у видимій області й радіодіапазоні. Якщо просумувати енергії випромінювання у всіх областях спектра, то виявляється, що деякі квазари генерують в 100 000 раз більше енергії в секунду, ніж гігантські галактики за умови, що наші оцінки відстаней до квазарів
вірні.
Розвиток рентгенівської астрономії допоміг установити, що більшість квазарів виявилися потужними рентгенівськими джерелами. Деякий натяк на це можна було помітити ще в результаті найперших рентгенівських спостережень квазара 3С273, а в останніх дослідженнях обсерваторії “ейнштейн” ( “НЕАО”) було виявлено більш 100 квазарів із сильним рентгенівським випромінюванням.
Виходячи із цих спостережень, вважають, що на відміну від радіовипромінювання рентгенівське випромінювання - характерна властивість для квазарів.
11. Кратні квазари
Особлива увага астрофізиків і фізиків залучили кратні (подвійні, потрійні) квазари: подвійний квазар у сузір'ї Великої Ведмедиці (1978), потрійний квазар у сузір'ї Леву (1980) і такий же квазар у сузір'ї Риб (1981). Кожний з об'єктів являв собою квазарів-близнюків, розташованих один від одного на відстані декількох кутових секунд, що мають дуже схожі спектри й червоні зсуви. Однак, цілком ймовірно , перераховані квазари не є “дійсні” кратні квазари, а лише зображення відповідного джерела. Розщеплення одного зображення відбувається під дією гравітаційного поля масивної галактики, яка опинилася на шляху між квазаром і нами. Промені світла від квазарів можуть викривлятися під дією гравітації галактик, що відіграють роль джерел гравітаційного фокусування. Такі гравітаційні лінзи можуть спотворювати форми далеких галактик, що, на думку деяких учених, відкриває нові можливості дослідження великомасштабних неоднорідностей у розподілі речовини у Всесвіті.
Не виключене, що ефект гравітаційної лінзи в деяких випадках створюють не далекі галактики, а масивні чорні діри. Індійські астрофізики Г.Падманабхан і С.Читре звернули увагу на випадки, коли видно подвійне зображення квазара, а галактики, що викликала це явище, поблизу не виявлено. От і з'явилася гіпотеза про те, що ефект створюють практично крапкові чорні діри з масою, у мільйон раз переважаючої масу Сонця. Тому що дотепер ніде жодна чорна діра не виявлена, те поки важко сказати, наскільки близька до істини така гіпотеза.
Питання про те, існують чи в природі “дійсні” подвійні квазари, залишається предметом досліджень і дискусій.12. Радіоструктура квазарів Радіоструктура квазарів багато в чому нагадує радіогалактики, так лише по одній цій структурі відрізнити квазари неможливо. Так само, як й у радіогалактик, дуже часто спостерігаються подвійні радіоджерела, між якими перебуває компактне, іноді змінне, радіоджерело, яке співпадає по своїх координатах із зіркоподібним оптичним об'єктом - квазаром. У найближчих квазарів зрідка біля зіркоподібного об'єкта спостерігаються дуже слабкі протяжні утворення. Від квазара 3С 273 виходить слабкий струмінь - викид довжиною близько 20". На такій величезній відстані цим кутовим розмірам відповідає лінійна довжина близько 100 тисяч світлових років. Цей струмінь, крім оптичного випромінювання, випромінює також радіохвилі, так що квазар 3С 273 можна розглядати як подвійне радіоджерело. Варто помітити, що аналогічні викиди спостерігаються також й у деяких радіогалактик. Важливим питанням є приналежність квазарів до скупчень галактик. Довгий час не можна було вирішити питання в позитивному змісті, адже критерієм приналежності до одного скупчення є однаковий червоний зсув у галактик й квазарів. Тільки для деяких, порівняно близьких квазарів, вдалося виявити скупчення галактик, у яких вони перебувають. Дуже складно визначити точне число виявлених на сьогоднішній день квазарів, але у наш час відомо й занесено в каталоги понад тисячу квазарів, що й дозволяє виконати їхній статистичний аналіз. Насамперед, вдалося побудувати "функцію світності" квазарів, тобто їхній розподіл по потужності випромінювання: відносна кількість квазарів зменшується по росту потужності їхнього випромінювання. Найважливішим результатом таких статистичних досліджень є висновок про те, що на більш ранніх етапах еволюції Всесвіту, коли його розміри були в 3-5 разів менше нинішніх, квазарів було набагато більше, ніж зараз. У ту віддалену епоху квазарів було майже стільки ж, скільки й "нормальних" галактик. Не можна виключити гіпотезу, що тоді всі галактики були квазарами! Цей важливий висновок бідує для свого підтвердження в нових спостереженнях. Звертає на себе увагу та обставина, що кількість квазарів, починаючи зі значення червоного зсуву, що перевершує деяку межу (відповідно збільшенню довжини хвилі в 4,5 - 5 разів), різко падає.Звичайно, не можна виключити чисто інструментальну причину цього явища,однак цілком можливо, що квазари з більшими червоними зсувами просто відсутні. Така відсутність природніше всього пояснюється тим, що саме у цю епоху розвитку Всесвіту утворювалися шляхом конденсації газу галактики. До цього (тобто при великому червоному зсуві) ні галактик, ні квазарів просто не було. Такий висновок, звичайно, мав би дуже велике значення для проблеми еволюції Всесвіту, тому що дозволив би уточнити епоху формування галактик, а отже, і зірок. Потрібні ще нові високоякісні спостереження, щоб це підтвердити. Вище ми вже говорили про змінність оптичного випромінювання квазарів. Як крайній прояв такої змінності варто згадати про "спалах" квазара 3С 279. У цей час він спостерігається як злегка змінна слабка зірочка 18-й величини. Однак на старих астрономічних фотографіях довоєнного часу (тобто задовго до відкриття квазарів) цей об'єкт виявився істотно більше яскравим - майже 13 величини! Це означає, що він був яскравіше, ніж зараз, у сотню раз! Знаючи по червоному зсуві відстань 3С 279, можна помітити, що під час "спалаху" його світність була майже в сотню раз більше, ніж в 3С 273 й у десять тисяч разів більше, ніж у нашої Галактики! І при цьому розміри випромінюючої області мізерно малі, менше світлового року. В наш час квазар 3С 279 уважається найпотужнішим "маяком" Всесвіту. Ми бачимо, що розкид значень світіння мегагалактичних об'єктів майже такий же, як у зірок!

Рис. 14 Галактика NGC 4319 і .....................квазар Маркарян 205

В 2005 році група астрономів використала у своєму дослідженні дані про 195 000 квазарів.