Реферат: Квазары

Введение

В 1963 г.американский астроном голландского происхождения М.Шмидт сделал одно извеличайших открытий в астрономии ХХ в. Это открытие, однако имеет своюпредысторию. Около 1960 г. небольшое количество радиоисточников было оченьнадежно отождествлено со звездами, что было полной неожиданностью. Ведь до сихпор космические радиоисточники отождествлялись либо с галактиками, либо стуманностями (например, образовавшимися при вспышках сверхновых звезд).Ожидаемые потоки радиоизлучении даже от самых близких звезд должны быть крайненезначительны. А между тем отождествленные со звездами радиоисточники былидовольно интенсивны. Вполне естественно, что астрономы-оптики сразу жезаинтересовались этими звездами. М. Шмидт получил и исследовал спектр такой довольнояркой звезды 13-й величины, отождествленной с интенсивным радиоисточником 3С273. Этот спектр содержал линии излучения, которые поначалу ни с какимилабораторными линиями отождествить не удавалось. Велико же было изумлениеастрономов, когда Шмидт с полной достоверностью отождествил эти линии сосновными линиями водорода серии Бальмера, длины волн которых смещены в краснуюсторону на неслыханную в те времена величину, соответствующую скорости удаленияисточника 42000 км/с! Такая скорость удаления с большой вероятностью означает,что объект 3С 273 находится в Метагалактике, а наблюдаемое красное смещениеспектральных линий обусловлено расширением Вселенной. Применяя закон Хаббла(см. выше), получим расстояние до этого источника около 600 мегапарсек или околодвух миллиардов световых лет. С такими расстояниями астрономы еще тогда невстречались. Тем более удивительно, что несмотря на громадность расстояния,объект 3С 273 довольно ярок. Отсюда следует, что светимость 3С 273приблизительно в сто раз превышает светимость нашей Галактики, считающейсягигантской звездной системой. С объектами такой высокой светимости астрономытогда еще не встречались. Следует заметить, что удивительные свойства объекта3С 273 были открыты только благодаря тому, что он оказался радиоисточником. Нанебе имеется много тысяч звездочек 13-й величины, и среди них объект 3С 273,многократно попадавший в поле зрения оптических телескопов и долгие годырешительно ничем не привлекавший к себе внимания. Это был далеко не последнийслучай, когда радиоастрономия играла роль «гида», обращающеговнимание на необычность того или иного оптического космического объекта.

Сразу жепосле выяснения метагалактической природы 3С 273 автор этой статьи пришел кпарадоксальному выводу, что блеск 3С 273 может меняться со временем. Советскиеастрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов тщательно исследовали старые фотографии неба,на которые 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.

Открытиепеременности 3С 273 действительно было парадоксальным. До этого временипеременность астрономы обнаруживали и изучали у звезд разных типов. Но ведь,казалось, 3С 373 — это галактика, состоящая из триллионов звезд, каждая изкоторых, конечно, должна излучать независимо. Так что о переменности«сглаженного» и усредненного по времени излучения такого огромногоколичества звезд не могло быть и речи! И все же переменность, и притомзначительная, была налицо! Из того простого факта, что характерное времяизменения потока (а, следовательно, светимости) было около 1 года, сочевидностью следовало, что линейные размеры излучающей области не превышают 1световой год — величина, ничтожно малая для галактик. Отсюда следовал вывод,что излучают не звезды, а что-то другое. В отношении этого «другого»можно было только сказать, что это объект, в известной степени близкий по своейприроде ядрам сейфертовских галактик, но только в тысячи раз мощнее и активнее.Кстати, заметим, что исторически переменность блеска ядер сейфертовскихгалактик была открыта позднее, а само исследование этих галактик в значительнойстепени стимулировалось исследованием объектов, родственных по своей природе 3С273 и получивших название «квазаров» («квази-звездные» объекты).

Что такое квазары?

Ихпроисхождение, строение и свойства

Квазарыпредставляют собой совершенно новый тип космических объектов наряду созвездами, галактиками и туманностями. Поэтому открытие квазаров в астрономиибыло вполне аналогично открытию нового типа животных в зоологии. Сразу же послевыяснения «квазарной» природы 3С 273 в астрономии начался«квазарный бум». За несколько лет границы наблюдаемой Вселеннойраздвинулись в огромной степени. Оказалось, что 3С 273 — один ив самых близкихк нам квазаров. Очень скоро были обнаружены такие объекты, у которых из-закрасного смещения линии в довольно далекой ультрафиолетовой части спектра«съехали» в видимую область. Следует заметить, что и в спектре 3С 273наблюдались ультрафиолетовые линии ионизованного магния с«лабораторной» длиной волны 0,28 микрона, которые при отсутствиикрасного смещения поглощались бы слоем озона в земной атмосфере. Но это — «почти видимые» линии. А вот когда астрономы сперва в синей, а потоми в желтой части наблюдаемого спектра нашли «королеву астрофизики» — резонансную линию водорода «лайман альфа», лабораторная длина волныкоторой О,12 микрон, — можно было только глубоко вздохнуть! Ведь это означало,что в результате красного смещения длина волны излучения увеличилась… больше,чем в четыре раза! В ту эпоху, когда квазаром были излучены кванты, которыесейчас улавливаются земными телескопами, размеры Вселенной были в 4 — 4,5 разаменьше, чем сейчас, а ее возраст, приблизительно, в 10 раз меньше нынешних 15 — 20 миллиардов лет. Тогда заведомо не было еще Солнца и Солнечной системы.Вполне возможно, что не было даже нашей Галактики, а если она и была, то онасильнейшим образом отличалась от той, которую астрономы наблюдают сейчас. Когдапредставишь себе, что слабое пятнышко образовано на фотографической пластинкеквантами, до этого путешествовавшими по Вселенной 10 — 15 миллиардов лет,пропадает желание заниматься астрономией, так что лучше об этом не думать.

Нужнозаметить, что вскоре после открытия квазаров были обнаружены такой же природыоптические объекты без признаков радиоизлучения. Они получили название«радиоспокойные» квазары. Оказалось, что таких квазаров во многодесятков раз больше, чем радиоизлучающих.

Особыйинтерес представляют линии поглощения, обнаруженные в спектрах самых удаленныхквазаров, обычно таких, у которых линия «лайман- альфа» из-закрасного смещения «переползает» в видимую область. Очень частовеличина красного смещения, определяемая по линиям поглощения, значительноменьше, чем по линиям излучения. Кроме того, в ряде случаев наблюдается вспектре одного квазара несколько систем линий поглощения, отличающихся краснымсмещением. Скорее всего эти линии образуются «по пути», припрохождении света через наружные газовые слои более близких к нам галактик.Однако окончательно решенным этот вопрос пока считать нельзя.

Радиоструктураквазаров во многом напоминает радиогалактики, так что обычно по одной лишь этойструктуре отличить квазары невозможно. Так же, как и у радиогалактик, оченьчасто наблюдаются двойные радиоисточники, между которыми находится компактный,иногда переменный, радиоисточник, совпадающий по своим координатам созвездообразным оптическим объектом — квазаром. В очень редких случаях у самыхблизких квазаров около звездообразного объекта наблюдаются очень слабыепротяженные образования. От квазара 3С 273 исходит слабая струя — выброспротяженностью около 20". На таком огромном расстоянии этим угловымразмерам соответствует линейная протяженность около 100 тысяч световых лет. Этаструя, помимо оптического излучения, излучает также радиоволны, так что квазар3С 273 можно рассматривать как двойной радиоисточник. Следует заметить, чтоаналогичные выбросы наблюдаются также и у некоторых радиогалактик. Особенноинтересен выброс у одной из ближайших к нам радиогалактик, о котором речь будетидти дальше.

Важнымвопросом является принадлежность квазаров к скоплениям галактик. Долгое времянельзя было решить вопрос в положительном смысле. Это и понятно, ведь квазарыизлучают в сотни раз интенсивнее «нормальных» галактик, поэтомупоследние, находящиеся в том же скоплении, будут слишком слабы, чтобы изучатьсяспектроскопически. Ведь критерием принадлежности к одному скоплению являетсяодинаковое красное смещение у галактик и квазаров. Только для немногих, сравнительноблизких квазаров, удалось обнаружить скопления галактик, в которых онинаходятся.

В настоящеевремя известно и занесено в каталоги свыше тысячи квазаров, что и позволяетвыполнить их статистический анализ. Прежде всего, удалось построить«функцию светимости» квазаров, т.е. их распределение по мощностиизлучения. Из нее следует, что относительное количество квазаров убывает помере роста мощности их излучения. Важнейшим результатом таких статистическихисследований является вывод о том, что на более ранних этапах эволюцииВселенной, когда ее размеры были в 3-5 раз меньше нынешних, квазаров былогораздо больше, чем сейчас. В ту отдаленную эпоху квазаров было почти столькоже, сколько и «нормальных» галактик. Нельзя исключить гипотезу, чтотогда все галактики были квазарами! Этот важный вывод, однако, нуждается длясвоего подтверждения в новых наблюдениях.

Обращает насебя внимание то обстоятельство, что количество квазаров, начиная со значениякрасного смещения, превосходящего некоторый предел (соответствующий увеличениюдлины волны в 4,5 — 5 раз), резко падает. Конечно, нельзя исключить чистоинструментальную причину этого явления, однако вполне возможно, что квазары сбольшими красными смещениями просто отсутствуют. Такое отсутствие естественнеевсего объяснить тем, что как раз в эту эпоху развития Вселенной образовывалисьпутем конденсации газа галактики. До этого (т.е. при большом красном смещении)ни галактик, 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 ужеговорили о переменности оптического излучения квазаров. Как крайнее проявлениетакой переменности следует упомянуть о «вспышке» квазара 3С 279. Внастоящее время он наблюдается как слегка переменная слабая звездочка 18-йвеличины. Однако на старых астрономических фотографиях довоенного времени (т.е.задолго до открытия квазаров) этот объект оказался существенно более ярким — почти 13 величины! Это означает, что он был ярче, чем теперь, в сотню раз! Знаяпо красному смещению расстояние 3С 279, можно найти, что во время«вспышки» его светимость была почти в сотню раз больше, чем у 3С 273и в десять тысяч раз больше, чем у нашей Галактики! И при этом размерыизлучающей области ничтожно малы, меньше светового года. В настоящее времяквазар 3С 279 считается самым мощным «маяком» Вселенной. Мы видим,что разброс значений светимостей метагалактических объектов чрезвычайно велипочти такой же, как у звезд!

Большоезначение для понимания природы квазаров имеют исследования переменности ихрадиоизлучения, особенно на сантиметровом диапазоне. При этом было показано,что моменты максимума потока излучения должны меняться закономерным образом сизменением длины волны. Так же должен меняться и сам характер радиоспектра(диаграмма на 15 стр., где приведены результаты наблюдений спектров квазаров вразные моменты времени). На основании теории синхротронного излучения можно поизвестной частоте, соответствующей максимуму радиоизлучения, и величинемаксимального потока определить угловые размеры источников радиоизлучения,которые оказываются порядка тысячных долей секунды дуги. Зная (по величинекрасного смещения) расстояния до квазаров, можно теперь найти линейные размерысвязанных с ними компактных радиоистоников. Установлено, что их размеры меньшеодного светового года, в согласии с оценками, полученными на основе анализапеременности потока.

До сих пормы говорили только о радио- и оптическом излучении квазаров и радиогалактик.Между тем, в последнее десятилетие все большее значение приобретаетисследование рентгеновского излучения этих метагалактических объектов. Впервыерентгеновское излучение от внегалактического объекта было обнаружено еще в 1971г. на первом специализированном рентгеновском спутнике «Ухуру»,заложившем основы современной рентгеновской астрономии. Этим объектом сказаласьодна из ближайших радиогалактик NGC 4486. Другим метагалактическимрентгеновским источником оказалась яркая сейфертовская галактика NGC 4151. Неподлежит сомнению, что излучает активное ядро этой галактики. Вскоре былобнаружен слабый поток рентгеновского излучения и от первого открытого квазара 3С273, а также от радиогалактики Лебедь-А. Новый этап в изучении внегалактическихрентгеновских источников наступил в 1979 г., после запуска космическойлаборатории имени Эйнштейна. На этой обсерватории чувствительность приемнойрентгеновской аппаратуры была в 1000 раз выше, чем на «Ухуру», приочень хорошей угловой разрешающей способности. В результате оказалось возможнымосуществить массовое определение рентгеновского излучения большого количестваквазаров, а также сейфертовских галактик. Кроме того, был получен большойнаблюдательный материал по рентгеновскому излучению скоплений галактик,представляющий особый интерес.

Всего былоисследовано рентгеновское излучение более чем 100 квазаров и большогоколичества сейфертовских галактик и скоплений. Практически все квазары являютсяисточниками рентгеновского излучения, мощность которого меняется в широкихпределах, от сотых долей полного 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 годаназад группа австралийских астроном во главе с Р.Уэбстер (R.Webster;Мельбурнский университет) пришла к весьма неожиданному выводу: среди всехсуществующих во Вселенной квазаров около 80% остаются неоткрытыми. Как известно,квазар — невероятно мощный точечный источник радиоизлучения; по одной изгипотез, он представляет собой удаленную активную галактику, которая получаетэнергию в результате аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру,находящуюся в центре квазара. Проведя наблюдения нескольких сот квазаров,австралийские ученые обнаружили, что излучение около 80% из них необычайносильно сдвинуто в красную часть спектра. Астрономы же, работающие с оптическимиприборами, ищут квазары, как правило, среди голубых объектов. Если большинствоквазаров — красные, значит, основная их масса нам все еще неизвестна. Однако вмарте 1996 г. английские астрономы С.Серджент (S.Serjent; Имперский колледж вЛондоне) и С.Ролингс (S.Rawlings; Оксфордский университет) «успокоили „своих коллег, показав, что квазары, наблюдавшиеся австралийскими учеными,“нетипичны ». Уэбстер и ее сотрудники полагали, что «покраснение» изучаемых объектов вызвано космической пылью, присутствующей в любойоколоквазарной области. Однако английские астрономы указывают, что квазары,наблюдавшиеся австралийцами, обладают плоским, «сплющенным „радиоспектром. Другими словами, спектральная яркость их излучения врадиодиапазоне с повышением частоты понижается очень медленно. А это считаетсяважным признаком таких объектов. Квазары, изучавшиеся группой Уэбстер, сильноизлучают на высоких радиочастотах — в красной области оптического спектра. Втаком случае наблюдаемое красное излучение вызывается не космической пылью, аимеет ту же синхротронную природу, что и радиоизлучение квазаров: заряженныеэлектроны излучают, двигаясь с релятивистской скоростью по спирали вдольмагнитно-силовых линий. Но при этом возбуждается лишь плоский спектр красногоизлучения, что характерно лишь для небольшой группы квазаров. Таким образом,число “упущенных » астрономами квазаров никак не может бытьзначительным.

Заключение

Наконец, впоследнее время получены первые данные о гамма-излучении некоторыхвнегалактических объектов (например, 3С 273, NGC 5128, NGC 4151). Исследованияв этой важной области только начинаются.

<img src="/cache/referats/12681/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1036">

Списокиспользованной литературы:

1.И.Шкловский 'Земля и Вселенная'. — 1982. — N 4. — С.190 — 195.

2.Nature. 1996. V.379. 6563. P.304(Великобритания).