Реферат: Квазары

Т А Й Н Ы К В А ЗА Р О В

ВВЕДЕНИЕ

Мерцай, мерцай, квазизвезда!

Ты далека иль ты близка?

В истории астрономии, древнейшей из наук, небыло времени, столь богатого самыми выдающимися открытиями, как наши дни.Особенно счастливыми оказались последние десятилетия, считая открытия квазаровв 1963 г. Было обнаружено реликтовое излучение, стали известны пульсары,последовало открытие нейтронных звезд в тесных двойных системах, невидимыхкорон галактик, черных дыр, видимых сверхсветовыхдвижений в квазарах.

Астрофизика – отрасль астрономии,изучающая самые большие объекты окружающего нас мира, считая Вселенную какцелое, а также физическую природу небесных тел. Изучая Вселенную, астрономыпостепенно вышли далеко за границы видимого участка электромагнитного спектра.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 делала еще первыешаги, широкое распространение получил термин “радиозвезды”. Так называлинекоторые “точечные” источникикосмического радиоизлучения. Постепенно многие из них были отождествлены с ужеоткрытыми до того астрономами туманностями и галактиками. Почти все, новсе-таки не все.

К 1963 г. загадочными остались пятьзвездообразных объектов, получивших впоследствии наименование квазизвездныхрадиоисточников, или квазаров.

Судя по мощности радиоизлучения, квазарыникак не могут быть звездами в обычном, общепринятом понимании этого слова.Пять объектов, значащихся в звездных каталогах 1963 г. (включенные в 3-йКембриджский каталог (3С) космических радиоисточников) под условнымиобозначениями 3С48(отождествленный со звездой 16-й величины в созвездии Треугольника), 3С147, 3С196, 3С273 (отождествленныйсо звездой 13-й величины в созвездии Девы) и 3С286.

Квазары могут быть либо наиболее удаленнымииз известных нам объектов и наиболее мощными источниками излучения, либоспутниками довольно обычных галактик и тогда их излучение не удается объяснитьс помощью известных механизмов.

Не все квазары — радиоисточники

Хотя именно радиоастрономии мы обязаныоткрытием квазаров, вскоре стало ясно, что далеко не все они являютсярадиоисточниками. Было открыто большое число не излучающих в радиодиапазонеобъектов, которые во всех остальных отношениях были похожи на первые квазары3С273 и 3С48. Из известных более 1300 квазаров лишь несколько процентовотносятся к радиоисточникам. Таким образом, большинство квазаров “спокойны” врадиодиапазоне.

КВАЗАРЫ – САМАЯ ПОРАЗИТЕЛЬНАЯ ЗАГАДКА АСТРОФИЗИКИ

Название “квазары” есть сокращение оттермина “квазизвездные радиоисточники”. Но поскольку многие квазары, какоказалось, 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 сочетаютв себе несовместимые свойства. Потребовалось немало усилий, прежде чем былопонято, что квазары родственны радиогалактикам и другим галактикам, в ядрахкоторых происходят мощные процессы энерговыделения. В квазарах эти процессыдостигают максимального масштаба и интенсивности. По мощности излучения квазарв сотни раз превосходит Галактику, а рождается это излучение в объеме,сравнимом по размеру с объемом Солнечной системы. Квазар – очень компактныйобъект.

Открытие квазаров и два первых десятилетияих изучения – это, как видно, только начало длительных исследований, цельюкоторых является объяснение физического механизма активности галактических ядери квазаров. Они все еще остаются самой поразительной загадкой современнойастрофизики.

Расстояние до квазаров

По мере накопления данных наблюденийбольшинство астрономов пришли к выводу, что квазары дальше от нас, чем любыедругие объекты, доступные наблюдениям. Но небольшая часть астрономовутверждала, что наиболее убедительные данные наблюдений говорят опространственной 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 небесныхтел, сфотографировали их спектр. И увидели совсем неожиданное! Эти “звезды”имели спектр, резко отличающийся от всех других звезд. Спектры были совершеннонезнакомыми. У большинства квазаров они не содержали не только хорошо известныхи характерных для обычных звезд линий водорода, в них вообще с первого взгляданельзя было обнаружить ни одной линии даже какого-либо другого химическогоэлемента.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 смещения спектральных линий квазаровбыла предметом больших научных дискуссий, в итоге которых подавляющеебольшинство астрофизиков пришли к выводу, что красное смещение спектральныхлиний связано с общим расширением Метагалактики.

В спектре объектов 3С273 и 3С48 красное смещение достигаетнебывалой величины. Смещение линий к красному концу спектра может бытьпризнаком удаления источника от наблюдателя. Чем быстрее удаляется источниксвета, тем больше красное смещение в его спектре.

Характерно, что в спектре практически всехгалактик (а для далеких галактик это правило не имеет ни одного исключения)линии в спектре всегда смещены к его красному концу. Грубо говоря, красноесмещение пропорционально расстоянию до галактики. Именно в этом выражается ЗАКОН КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ, объясняемыйныне как результат стремительного расширения всей наблюдаемой совокупностигалактик.

Скоростьудаления

У наиболее далеких из известных до сихгалактик красное смещение весьма велико. Соответствующие ему скорости удаленияизмеряются десятками тысяч километров в секунду. Но у объекта 3С48 красноесмещение превзошло все рекорды. Получилось, что он уносится от Земли соскоростью только примерно вдвое меньше скорости света! Если считать, что этотобъект подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, чторасстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 млрд. световых лет! К примеру,за 8 1/3 минут лучсвета долетит до Солнца, за 4 года – до ближайшей звезды. А здесь почти 4млрд.лет непрерывного сверхстремительного полета – время, сравнимое спродолжительностью жизни нашей планеты.

Для объекта 3С196 расстояние, такженайденное 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, ниСолнца не существовало! Объект 3С196 очень быстрый – его скорость удаления получу зрения достигает 200 тысяч километров в секунду.

Возрастквазаров

По современным оценкам, возрасты квазаровизмеряются миллиардами лет. За это время каждый квазар излучает огромнуюэнергию. 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 разпревышать массу Солнца. Между тем современная теоретическая астрофизикадоказывает, что при массе более чем в 100 раз превышающей солнечную, звезданеизбежно теряет устойчивость и распадается на ряд фрагментов.

Из известных ныне квазаров, общее числокоторых более 10 000, самый близкий удален на 260 000 000 световых лет, самыйдалекий – на 15 млрд. световых лет. Квазары, пожалуй, наиболее старые изобъектов, наблюдаемых нами, т.к. с расстояния в миллиарды световых лет обычныегалактики не видны ни в один телескоп. Однако это “живое прошлое” пока чтосовершенно непонятно нам. Природа квазаров до сих пор полностью не выяснена.

НЕОБЫЧАЙНАЯ СВЕТИМОСТЬ

Подчиняясь тому же закону космологическогоудаления, что и галактики, источники 3С273 и 3С48 сами по себе сильноотличаются от обычных галактик, подобных нашей Галактике. Прежде всего поражаетих необычайная светимость, в сотни раз превышающая светимость нашей Галактики.

Казалось бы, объекты, столь далекие отЗемли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самыми мощнымисовременными телескопами. В действительности, например, объект 3С273 можнонайти в созвездии Волосы Вероники как звездочку 12,6 звездной величины. Такиезвезды доступны даже любительским телескопам.

Таинственным является и тот факт, что посвоим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они выглядят как точечныеисточники света, в то время как даже самые далекие галактики похожи на размытые светящиеся кляксы.

Источникэнергии

Какими же чудовищными по мощности излучениядолжны быть эти источники света, если с расстояния в миллиарды световых лет оникажутся такими яркими!

Самый трудный вопрос, связанный с квазарами,- это объяснение гигантского выделения энергии. Если квазары и в самом деленаходятся на космологически большихрасстояниях от нас (т.е. красное смещение действительно связано с расширениемВселенной), 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 относительнонебольшой области пространства, т.е достаточно компактен. А это само по себеуже говорит о том, что механизм выделения энергии в квазаре весьма необычен.

Многие астрофизики считают, что квазарысвязаны с ядрами галактик, находящимися на определенной ступени эволюции.Например, ядро галактики М87 гораздо ярче ее внешних частей. Но есть галактикии других типов, так называемые сейфертовские галактики, у которых контрастяркого ядра со слабосветящейся остальной частью выражен еще более резко.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 также предположение, что, каки в галактике М87, выделение энергии в квазарах, возможно, связано с наличиемсверхмассивных черных дыр. Начиная с середины 70-х годов идея о том, чтогигантское выделение энергии в квазарах объясняется черными дырами, приобрелабольшую популярность.

Процесс выделения энергии тоже связывают сработой сил тяготения, а радиоизлучение квазара – это синхротронное излучениезаряженных частиц в магнитном поле.

Некоторые астрономы считают, что потокиэнергии от квазаров значительно ниже, поскольку расстояния до них сильнопреувеличены. Если квазары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мы думаем, то мызавышаем в 10 000 раз их светимость при расчетах мощности излучения по ихнаблюдаемой 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 своейструктуре, имеют обычные красные смещения, которым соответствуют скорости удаления, равныенескольким процентам от скорости света. А квазары, расположенные на небепоблизости от них, имеют красныесмещения в 10 – 20 раз больше!

Если квазары находятся по соседству сдовольно 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 бытьвыброшено (всегда в направлении от нас!) с такими огромными скоростями исохранить при этом форму единого объекта?

Ответ гласит: это никому неизвестно. За 15лет не удалось определить ни расстояния до квазаров, ни их природу и источникиих колоссальной энергии. Может быть, загадка квазаров таит в себе ключ ккакой-то новой области астрофизики, какие-то новые возможности возникновениябольших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новые способыгенерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко. Будемнадеяться, 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 квазаров заключается в том, что некоторые из них меняют свою яркость с периодом в несколько суток, недельили лет, тогда как обычные галактики не обнаруживают таких вариаций.

Московские астрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремоврешили выяснить, как вели себя в прошлом “странные звезды”. Они внимательно просмотрели73 негатива, на которых с 1896 по 1963 г. был запечатлен объект 3С273. Вывод, ккоторому пришли советские ученые, можно считать вполне достоверным. А онпоразителен. Оказалось, что 3С273 менял свою яркость! И не чуть-чуть, а оченьзаметно – от 12,0 до 12,7 звездной величины, т.е. почти в два раза. Бывалислучаи (например, в период с 1927 по 1929 г.), когда за непродолжительное времяпоток излучения от 3С273 возрастал в 3 – 4 раза! Иногда за несколько сутокобъект менялся на 0,2 – 0,3 звездной величины. При этом внешне, оптически, непроисходило никаких других существенных изменений – “странная звезда” неизменноказалась звездой, хотя и переменной. Подобное явление позже было обнаружено и уобъекта 3С48.

Известны тысячи переменных звезд, по разнымпричинам изменяющихся. Но среди обычных галактик не было зарегистрировано ниодной переменной. Хотя многие из них содержат тысячи и миллионы переменныхзвезд, колебания их светимости происходят в разнобой и столь несущественны длягалактики в целом, что общее излучение галактик всегда остается практическинеизменным. Ни один оптический инструмент мира не может уловить хотя бымалейшие колебания светимости какой-нибудь из галактик.

Остаются три возможности. Первая из нихнелепа: звезды галактики изменяются сразу и одинаково, как по команде, в одномритме. С физической стороны такое объяснение настолько абсурдно, такпротиворечит всем нашим знаниям о космосе, что не заслуживает серьезногорассмотрения. Вторая возможность — странные объекты, сходные с галактиками похарактеру красного смещения, имеют физическую природу, совершенно отличную отгалактик. Однако, большинство астрономов предполагают, что квазары – активныеядра сверхдалеких галактик.

Бесспорно, что квазары – это не протяженные,разбросанные на десятки тысяч световых лет звездные системы, а какие-то весьмакомпактные тела небольших сравнительно размеров и колоссальной массы (миллиардысолнечных масс). Относительно малые размеры могут объяснить быстроту колебанийсветимости всего объекта в целом, а огромная масса – единственно возможнаяпричина исключительной яркости, или, точнее светимости небесного тела. Чеммассивнее звезда, тем ярче она светит. Эта закономерность следует как изнаблюдений, так и из теоретических соображений.

Не только по массе, но и по мощностиизлучения квазары резко отличаются от всех известных небесных тел. Дажесверхновые звезды “бледнеют” в сравнении с ними. Сверхновые звезды излучаютсвета в несколько миллиардов раз больше, чем Солнце только в момент своегомощного взрыва. Рядовой же квазар всегда в десятки тысяч раз излучает больше

Инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров

В последние годы астрономам удалосьзарегистрировать инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров; ониобнаружили, что мощность излучения некоторых объектов в этих областях спектрадаже больше, чем в видимой области и радиодиапазоне. Если просуммироватьэнергии излучения во всех областях спектра, то оказывается, что некоторыеквазары генерируют в 100 000 раз больше энергии в секунду, чем гигантскиегалактики при условии, что наши оценки расстояний до квазаров верны.

Развитие рентгеновской астрономии помоглоустановить, что большинство квазаров оказались мощными рентгеновскимиисточниками. Некоторый намек на это можно было заметить еще в результате самыхпервых рентгеновских наблюдений квазара 3С273, а в последних исследованияхобсерватории “Эйнштейн” (“НЕАО-В”) было обнаружено уже более 100 квазаров ссильным рентгеновским излучением.

Исходя из этих наблюдений, полагают, что вотличие от радиоизлучения рентгеновское излучение – характерное свойствоквазаров.

ГАЛАКТИКИ И КВАЗАРЫ

За последнее время накопилось множествосвидетельств того, что квазары родственны галактикам и представляют собойобширные звездные системы с компактнымицентральными областями – ядрами, откуда исходит основная доля их излучения.Размеры ядер малы, их яркость намного выше яркости звезд, поэтому квазарывыглядят на астрономических фотографиях точечными источниками.

Пожалуй, первым из фактов, позволивших найтиместо квазаров в общей семье астрономических систем, был химический состав ихизлучающих областей: они испускают линии тех же химических элементов, что иСолнце или облака газа в диске нашей Галактики. “Нормальный” химический составквазаров прямо указывает на их родство с “обычными” звездными системами.

Очень важно, что параллельно с изучениемквазаров 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 повышеннымрадиоизлучением и занесенной в 3-й Кембриджский каталог. Это красное смещение даже больше, чем у двухпервых квазаров 3С273 и 3С48. Наибольшеекрасное смещение, зарегистрированное у галактик, принадлежит галактике 3С324 изтого же каталога. Методы наблюдения галактик со столь большими краснымисмещениями, примененные к квазарам, позволили непосредственно обнаружить вокругсамых близких из них протяженные светящиеся образования, которые оказалисьзвездными системами, подобными обычным галактикам. В 1982 г. удалось наблюдатьзвездную систему вокруг ядра квазара 3С273.

Глубокое родство имеется и в проявленияхактивности ядер галактик и квазаров. Значительное сходство выявляется междурадиоизлучающими квазарами и радиогалактиками, т.е. галактиками с повышеннымрадиоизлучением.

Ядра квазаров и ядра галактик

Активные процессы в галактических ядрахстали предметом всестороннего изучения незадолго до открытия квазаров, с 1955г., когда И.С.Шкловский дал объяснение явлению выброса из ядра галактики ДеваА. В.А.Амбарцумян выдвинул общуюконцепцию активности ядер галактик и привлек к этому явлению широкое вниманиеастрономов. Различные проявления активности ядер – переменность, истечения ивыбросы вещества, радиоизлучающие компоненты – достигают в квазарахмаксимальных масштабов по энергетике и пространственным размерам. Резервуаром игенератором энергии для этих явлений служит ядро квазара, которое должно бытьмассивнее и гораздо компактнее, чем самые мощные ядра галактик.

Еще в 60-х годах советский астрофизикБ.В.Комберг высказал гипотезу о том, что квазары (как и ядра активных галактик)представляют собой сверхмассивные двойные системы. Эта гипотеза, получившая впоследние годы ряд подтверждений, нуждается в новых наблюдениях. Скорее всего,ядра квазаров — это и не звезды, и непростые их скопления, а компактные и очень массивные объекты, представляющиесобой ядра чрезвычайно активных галактик, удаленных от нас на миллиардысветовых лет и поэтому невидимых с больших расстояний. Подтверждением этомуявляется, например, открытие светящегося гало вокруг квазара 3С273, что приняторассматривать как доказательство того, что данный квазар – далекая галактика.

Сходство выбросов у квазара 3С273 и угалактики Дева А – важное указание на общую природу явлений активности вквазарах и ядрах галактик. Не менее важно и то, что многие массивныеэллиптические галактики являются источниками интенсивного радиоизлучения.Такова, например, галактика Лебедь А. Ее радиоизлучение было обнаруженослучайно в 1946 г. По мощности излучения радиогалактика Лебедь А сравнима сквазарами 3С273 и 3С48, хотя и уступает самым мощным квазарам, светимость которых еще в100 – 1000 раз больше.

Квазары и сейфертовские галактики

Значительное сходство с квазарами имеют исейфертовские галактики, названные так в честь открывшего их в 40-е годыамериканского астронома К.Сейферта. Они принадлежат к классу спиральныхгалактик и составляют примерно одну сотую их общей численности. Сейфертовскиегалактики обладают компактными яркими ядрами, из которых исходит излучение всильно расширенных линиях водорода и гелия. Ядра являются иногда мощнымисточником радиоволн и рентгеновских лучей. Их излучение переменно, что, как ив случае квазаров, указывает на происходящие в ядрах этих галактик бурныепроцессы.

Квазары и лацертиды

Родственны квазарам и так называемыелацертиды (от Лацерта – латинскогоназвания созвездия Ящерицы, где был найден первый объект этого типа – галактикаBL Ящерицы). Этосильные источники оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Как и ядраквазаров, они выглядят на фотографиях точечными источниками, окруженными иногдаслабо светящимися ореолами, которые в действительности являются звездными системами.Лацертиды обнаруживают также сильную переменность. Расстояния до них сравнимы срасстояниями до далеких квазаров.

От нормальных галактик – к квазарам

Итак, прослеживается вполне очевиднаянепрерывность 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 природыквазаров.

Квазары и наша Галактика

Ядро нашей Галактики не принадлежит к числуактивных. Центральную ее область невозможно наблюдать оптическими методамииз-за поглощения света газопылевыми облаками, лежащими на луче зрения. Данные оней получены из наблюдений в инфракрасном и радиодиапазонах электромагнитныхволн, для которых облака прозрачны. В центре вращения Галактики находитсядовольно яркий радиоисточник Стрелец А; его радиосветимость сильно уступаетсветимости квазаров и активных ядер.

КРАТНЫЕ КВАЗАРЫ

Особое внимание астрофизиков и физиковпривлекли кратные (двойные, тройные) квазары: двойной квазар в созвездииБольшой Медведицы (1978), тройной квазар в созвездии Льва (1980) и такой жеквазар в созвездии Рыб (1981). Каждый из объектов представлял собойквазаров-близнецов, расположенных друг от друга на расстоянии несколькихугловых секунд, имеющих очень похожие спектры и красные смещения. Однако, повсей вероятности, перечисленные квазары не есть “истинные” кратные квазары, алишь изображения соответствующего источника. Расщепление одного изображения нанесколько происходит под действием гравитационного поля массивной галактики,оказавшейся на пути между квазаром и нами. Лучи света от квазаров могутискривляться под действием гравитации галактик, играющих роль источниковгравитационной фокусировки. Такие гравитационные линзы могут искажать формыдалеких галактик, что, по мнению некоторых ученых, открывает новые возможностиисследования крупномасштабных неоднородностей в распределении вещества воВселенной.

Не исключено, что эффект гравитационнойлинзы в некоторых случаях создают не далекие галактики, а массивные черныедыры. Индийские астрофизики Г.Падманабхан и С.Читре обратили внимание наслучаи, когда видно удвоенное изображение квазара, а галактики, вызвавшей этоявление, поблизости не обнаружено. Вот и появилась гипотеза о том, что эффектсоздают практически точечные черные дыры с массой, в миллион раз превосходящеймассу Солнца. Так как до сих пор нигде ни одна черная дыра не обнаружена, топока трудно сказать, насколько близка к истине такая гипотеза.

Вопрос о том, существуют ли в природе“истинные” двойные квазары, остается предметом исследований и дискуссий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из всего выше изложенного можно сделать вывод:

1)

точек в отличие от размытых клякс,изображающих галактики;

2)

инфракрасного, видимого и рентгеновского излучения;

3)

4)

Главная задача современной звезднойастрономии состоит в выяснении деталей строения Метагалактики, т.е. всего доступного нашему изучению звездногомира. Открытие квазаров и уменьшение их численности по мере дальнейшегопроникновения в глубины Вселенной, возможно, показывает, что “границы”Метагалактики близки к наблюдению самых старых объектов мироздания.

Список использованнойлитературы:

1.

1993

2.

3.

4.

5.

Мир, 1983

еще рефераты

Еще работы по астрономии

Реферат по астрономии

Кометы