Найяскравіше тисячі галактик, публікації, навколо світу
Астрономи з давніх-давен люблять порядок - все у них підраховано, класифіковано та ідентифіковано. Однак нічне небо не перестає дивувати уважних спостерігачів і постійно підкидає нові і невідомі об'єкти в зоряні каталоги. Квазари, відкриті всього 40 років тому, не на жарт спантеличили вчених своєю феноменальною яскравістю світіння і компактністю розмірів. І тільки недавно астрофізикам вдалося зрозуміти, звідки ці «динозаври Всесвіту» черпають енергію, необхідну для того, щоб сяяти на зоряному небі з такою дивною яскравістю.
На фото: зірка, що потрапила в поле тяжіння масивної чорної діри, спочатку розривається на частини приливними силами, а потім, у вигляді яскраво світиться сильно іонізованого газу, поглинається чорною дірою. Після такого «знайомства» від зірки залишається лише обертається навколо чорної діри невелике розріджений хмара.
«Непотрібне» відкриття
У 1960 році астрономи T. Метьюз і A. Сендіджа, працюючи на 5-метровому телескопі, розташованому на горі Паломар в Каліфорнії, виявили нічим не примітне, ледве помітну в аматорський телескоп зірочку 13-й зоряної величини, що спостерігається в сузір'ї Діви. І саме з цієї іскри зайнялося полум'я!
У тому ж 1963 році 3С 273 був ототожнений з потужним радіоджерелом. Радіотелескопи тоді не були настільки точними у визначенні напрямку приходу радіохвиль, як зараз, тому зоряні координати квазара 3С 273 були визначені шляхом спостереження його покриття Місяцем на обсерваторії «паркская» в Австралії. Таким чином, перед здивованими поглядами астрофізиків постала зовсім незвичайний об'єкт, яскраво виблискував у видимому і радіодіапазоні електромагнітних хвиль. На даний момент виявлено вже понад 20 тисяч таких звездоподобних об'єктів, частина з яких добре видно також в рентгенівському і радіодіапазоні.
Московські астрономи А. Шаров та Ю. Єфремов вирішили з'ясувати, як змінювалася світність 3С 273 в минулому. Вони знайшли 73 фотографії цього об'єкта, найраніша з яких датувалася 1896 роком. Виявилося, що об'єкт 3С 273 кілька разів міняв свою яскравість майже в 2 рази, а іноді, наприклад в період з 1927 по 1929 рік в 3-4 рази.
Треба сказати, що феномен змінної яскравості був виявлений ще раніше. Так, дослідження, проведені в Пулковської обсерваторії в 1956-му, показали, що ядро галактики NGC 5548 досить сильно змінює з часом свою яскравість.
Тепер фахівці розуміють всю важливість цього спостереження, але кілька десятиліть тому вчені були переконані, що випромінювання від ядер галактик в оптичному діапазоні забезпечується виключно мільярдами знаходяться там зірок, і навіть якщо кілька тисяч з них з якихось причин згаснуть, то з Землі цього помітно не буде. Значить, міркували вчені, більшість зірок в ядрі галактики повинні «блимати» синхронно! Хоча, звичайно, управляти подібним оркестром не під силу жодному диригенту. Таким чином, саме через свою абсолютної незрозумілості це відкриття і не привернуло до себе особливої уваги.
Подальші спостереження показали, що зміна інтенсивності випромінювання з періодом кілька місяців - для квазарів явище звичайне, і розмір області випромінювання не перевищує відстані, яке проходить світло за ці самі кілька місяців. А для того щоб зміни у всіх точках області відбувалися синхронно, потрібно, щоб інформація про нинішньому зміні встигла дійти до всіх точок. Зрозуміло, що матерія квазара випромінює світло не по команді, а в силу що відбуваються на ньому, але факт синхронності, тобто одночасності, зміни умов і величини випромінювання вказує на компактність даного квазізвездние об'єкта. Діаметр більшості квазарів, мабуть, не перевищує одного світлового року, що в 100 тисяч разів менше розмірів галактики, а світять вони при цьому часом як ціла сотня галактик.
Хто є хто
Як це зазвичай і буває, відразу після виявлення квазарів почалися спроби введення нових законів фізики, хоча спочатку незрозуміло було навіть, з якого ж саме речовини вони складаються, настільки незвичним був спектр випромінювання квазарів. Втім, пройшло зовсім небагато часу, і хімічний склад випромінюючих областей квазарів був пізнаний за спектральним лініях відомих хімічних елементів. Водень і гелій на квазари ідентичні земним, ось тільки спектри їх випромінювання, як виявилося, сильно зміщені в червону сторону через великий швидкості втечі.
На сьогоднішній день найбільш поширена точка зору, згідно з якою квазар - це надмасивна чорна діра, що втягує в себе навколишню речовину (аккреция речовини). У міру наближення до чорної діри заряджені частинки розганяються, стикаються, і це призводить до сильного випромінювання світла. Якщо чорна діра при цьому має потужне магнітне поле, то воно додатково закручує падаючі частки і збирає їх в тонкі пучки, джети, що розлітаються від полюсів.
Під дією потужних гравітаційних сил, створюваних чорною дірою, речовина потрапляє до центру, але рухається при цьому не по радіусу, а по звужується колах - спіралям. При цьому закон збереження моменту імпульсу змушує обертаються частки рухатися все швидше в міру наближення до центру чорної діри, одночасно збираючи їх в аккреційний диск, так що вся «конструкція» квазара чимось нагадує Сатурн з його кільцями. У аккреційному диску швидкості частинок дуже великі, і їх зіткнення породжують не тільки енергійні фотони (рентгенівське випромінювання), а й інші довжини хвиль електромагнітного випромінювання. При зіткненнях енергія частинок і швидкість кругового руху зменшуються, вони потихеньку наближаються до чорної діри і поглинаються нею. Інша частина заряджених частинок направляється магнітним полем до полюсів чорної діри і вилітає звідти з величезною швидкістю. Так утворюються спостерігаються вченими джети, довжина яких сягає 1 млн. Світлових років. Частинки в джет стикаються з міжзоряним газом, випромінюючи радіохвилі.
У центрі аккреционного диска температура відносно невисока, вона досягає 100 000К. Ця область випромінює рентгенівські промені. Трохи далі від центру температура ще трохи нижче - приблизно 50 000К, там випромінюється ультрафіолет. З наближенням ж до кордону аккреционного диска температура падає і в цій області відбувається випромінювання електромагнітних хвиль все більшої довжини, аж до інфрачервоного діапазону.
Не треба забувати і про те, що світло від далеких квазарів приходить до нас сильно «почервонілим». Для кількісного визначення ступеня почервоніння астрономи використовують букву z. Саме вираз z + 1 показує, у скільки разів збільшилася довжина хвилі електромагнітного випромінювання, долетевшего від джерела (квазара) до Землі. Так, якщо з'являється повідомлення, що виявлений квазар з z = 4, то це означає, що його ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 300 нанометрів перетворюється в інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі 1 500 нанометрів. До речі, для дослідників на Землі це велика удача, адже ультрафіолетова частина спектра поглинається атмосферою і ці лінії ніколи б не спостерігалися. Тут же довжина хвилі за рахунок червоного зсуву збільшилася, як ніби спеціально для того, щоб пройти крізь земну атмосферу і бути зареєстрованою в приладах.
Відповідно до іншої точки зору квазари - це перші молоді галактики, і ми просто спостерігаємо процес їх зародження. Втім, існує і проміжний, хоча вірніше було б сказати «об'єднаний» варіант гіпотези, згідно з яким квазар - це чорна діра, що поглинає речовина формується галактики. Так чи інакше, але припущення про надмасивної чорної діри в центрі галактики виявилося плідним і здатним пояснити багато властивостей квазарів.
Так, наприклад, маса чорної діри, що знаходиться в центрі типової галактики, становить 10 6 -10 10 сонячних мас і, отже, її гравітаційний радіус варіюється в межах 3 × 10 6 -3 × 10 10 км, що узгоджується з попередньою оцінкою розмірів квазарів .
Новітні дані також підтверджують компактність тих областей, з яких виходить світіння. Наприклад, 5-річні спостереження дозволили визначити орбіти шести зірок, що обертаються біля схожого центру випромінювання, що знаходиться в нашій галактиці. Одна з них нещодавно пролетіла від чорної діри на відстані, що становить всього 8 світлових годин, рухаючись зі швидкістю 9 000 км / с.
динаміка поглинання
Як тільки навколо чорної діри з'являється матерія в будь-якій формі, чорна діра починає випромінювати енергію, поглинаючи речовина. На початковій стадії, коли формувалися перші галактики, навколо чорних дір було багато речовини, що є для них своєрідною «їжею», і чорні діри світилися дуже яскраво - ось вони, квазари! До речі, енергії, яку середній квазар випромінює за секунду, вистачило б для забезпечення Землі електрикою на мільярди років. А один рекордсмен з номером S50014 + 81 випромінює світло в 60 тисяч разів інтенсивніше всього нашого Чумацького шляху з його сотнею мільярдів зірок!
Коли речовини в околиці центру стає менше, світіння слабшає, але тим не менше ядро галактики продовжує залишатися найяскравішою її областю (це явище, зване «Активне галактичне ядро», астрономам відомо давно). Нарешті, настає момент, коли чорна діра поглинає з навколишнього простору основну частину речовини, після чого випромінювання майже припиняється і чорна діра стає тьмяним об'єктом. Але вона чекає свого часу! Як тільки в околицях з'явиться нова речовина (наприклад, при зіткненні двох галактик), чорна діра засяє з новою силою, з жадібністю поглинаючи зірки і частки навколишнього міжзоряного газу. Так що, стати помітним Квазара вдається тільки за рахунок свого оточення. Сучасна техніка вже дозволяє розрізнити навколо далеких квазарів окремі зоряні структури, що є живильним середовищем для ненаситних чорних дір.
Втім, у наш час, коли зіткнення галактик рідкісні, квазари виникати не можуть. І судячи з усього, це дійсно так - майже всі спостережувані квазари знаходяться на дуже істотному видаленні, а значить, що прилітає від них світло було видано дуже давно, ще в ті часи, коли народжувалися перші галактики. Саме тому квазари іноді називають «динозаврами Всесвіту», натякаючи не тільки на їх вкрай поважний вік, але і на те, що вони, образно кажучи, «вимерли».
Середовище проживання
Настільки потужні джерела променевої енергії, як квазари, - небезпечні сусіди, тому нам, землянам, можна тільки радіти тій обставині, що в нашій Галактиці і в найближчому скупченні галактик вони відсутні. Їх виявляють в основному на самому краю видимої частини нашого Всесвіту, в тисячах мегапарсек від Землі. Але тут волею-неволею виникає природне запитання - а чи не суперечить це спостереження поширеній думці про однорідність Всесвіту? Як вийшло, що в одних галактиках квазари існують, а в інших ні? Для того щоб відповісти на ці питання, необхідно згадати, що світло від спостережуваних нами квазарів летів мільярди років. А це означає, що погляду землян квазари постають в «первозданному» вигляді, такими, якими вони були мільярди років тому, і сьогодні вони швидше за все вже втратили свою колишню силу. Отже, ті галактики, які розташовані недалеко від квазарів, «бачать» набагато слабші джерела світла. Але тоді, якщо Всесвіт однорідний, то ж саме повинно ставитися і до нашої Галактиці! І тут залишається уважніше придивитися до найближчих до нас космічним структурам, в спробі відшукати об'єкти, що нагадують остиглі квазари, такі собі квазари-примари. Виявляється, такі об'єкти дійсно існують. Квазари, що є одними з найдавніших утворень, народилися майже одночасно із Всесвітом, тобто приблизно 13 млрд. Років тому. Причому вони не тільки вкрай віддалені від нашої Галактики - відповідно до закону розширення Хаббла (чим далі від нас об'єкт, тим швидше він віддаляється), відстань між нами продовжує неухильно збільшуватися. Так ось, найбільш далекі квазари «тікають» від нас зі швидкістю всього на 5% меншою швидкості світла.
Мінлива яскравість
Найбільш яскраві квазари випускають щомиті стільки ж світлової енергії, скільки сотня звичайних галактик типу нашого Чумацького шляху (це приблизно 10 42 Ватт). Щоб забезпечити вихід такої кількості енергії, чорна діра кожну секунду поглинає масу, рівну масі Землі, за рік же «з'їдається» близько 200 сонячних мас. Подібний процес не може проходити нескінченно довго - коли-небудь навколишню речовину вичерпається, і квазар або перестане функціонувати, або ж стане випромінювати відносно слабко.
Отже, світіння квазара з часом зменшується, але що ж може змусити його час від часу збільшувати яскравість? Щоб зрозуміти механізм цього процесу, згадаємо, що чорна діра поглинає будь-яку матерію, а не тільки елементарні частинки. У галактиці ж, центр якої зайнятий чорною дірою, особливого порядку немає. Звичайно, в цілому зірки обертаються навколо центру, але завжди є ті зірки-одинаки або їх невеликі скупчення, які порушують заведений порядок. Вони-то і бувають покарані - їх захоплює і поглинає чорна діра. При цьому якщо зірка «проковтує» цілком, без попереднього руйнування, то світла виділяється мало. Причина полягає в тому, що як би зірка не була велика, її електричний заряд дорівнює нулю. Тому вона не випромінює активно світло і не втрачає швидко енергію і момент імпульсу, випускаючи в навколишній простір в основному гравітаційні хвилі. А значить, вона обертається навколо чорної діри досить довго, потихеньку падаючи на неї. Але якщо зірка при підході до так званого шварцшільдовскім горизонту чорної діри - гравітаційного радіусу, проходження якого закриває шлях назад назавжди - руйнується приливними силами, то додаткове випромінювання може бути дуже помітно. Після поглинання порушника порядку, світіння квазара повертається до норми.
Ще зовсім недавно вважалося, що чорні діри є однією з кінцевих стадій існування зірок, а потім, з плином часу, ці чорні діри зливаються в надмасивні. Але тоді звідки ж узялися масивні чорні діри в період формування перших галактик? Проблема легко вирішується в рамках моделей первинних, тобто з'явилися до початку зореутворення, чорних дір. Можлива й інша точка зору - чорні діри і зірки утворюються практично одночасно і по одному і тому ж сценарію. Хмари водню і темної матерії стискаються під дією гравітаційних сил. Малі хмари утворюють зірки, а великі - масивні чорні діри.
постачальники інформації
Розібравшись в загальних рисах з пристроєм квазарів, вчені намагаються використовувати їх як інструмент для дослідження Космосу. Наприклад, спостерігаючи ефект мікролінзування, можна виявити темні об'єкти з масою, приблизно рівною масі Юпітера. Вони видають себе, відхиляючи світло квазара так, що ми бачимо як би короткочасне збільшення його блиску. Якщо такі тіла будуть виявлені, то, можливо, буде вирішена проблема темної матерії. Зараз для багатьох вчених відкриття нового квазара позначає відкриття нової чорної діри. Так, вивчення недавно відкритого квазара з червоним зміщенням z = 6.43 вказує на те, що чорна діра, серце цього квазара, дуже масивна - приблизно мільярд мас Сонця. Отже, масивні чорні діри з'явилися дуже рано. Цей висновок дуже важливий для космології. Вченим не так давно стало зрозуміло, що енергія вакууму, хоч і надзвичайно мала, але відмінна від нуля. Цей революційний для науки висновок був вперше зроблений на основі дослідження швидкості видалення квазарів. Виявилося, що червоне зміщення, а значить, і швидкість космічних об'єктів в міру віддалення від Землі ростуть навіть швидше, ніж того вимагає закон Хаббла. Потім інші спостереження, в тому числі за реліктовим випромінюванням, ще більш затвердили наукову громадськість у правильності цього висновку. Так що виходить, що наш Всесвіт не просто статечно розширюється, а розлітається зі все наростаючою швидкістю. Відкриття квазарів дуже сильно вплинуло на космологію, породивши безліч нових моделей зародження і розвитку Всесвіту. І сьогодні вчені майже впевнені в тому, що чорні діри грають істотну роль у формуванні галактик і їх подальшу долю.
Сергій Рубін, доктор фізико-математичних наук