Квазары. Что это на самом деле?

---

Квазары - одни из самых ярких объектов-явлений во Вселенной. Чем они являются и какова история их открытия и исследования?

Сам термин «квазар» образовался от слов quasistellar и radiosource, буквально означая: радиоисточник, похожий на звезду. Это самые яркие объекты нашей Вселенной, имеющие очень сильное красное смещение.

Их относят к активным галактическим ядрам – это галактики, не укладывающиеся в традиционную классификацию.

Многие считают их огромными чёрными дырами, интенсивно всасывающими в себя всё, что их окружает. Вещество, приближаясь к ним, разгоняется и очень сильно разогревается. Под воздействием магнитного поля чёрной дыры частицы собираются в пучки, которые разлетаются от её полюсов. Этот процесс сопровождается очень ярким свечением. Есть версия, что квазары – это галактики в начале своей жизни, и фактически, мы видим их появление.

Если предположить, что квазар – некая сверхзвезда, сжигающая составляющий её водород, то массу она должна иметь до миллиарда солнечной!

Но это противоречит современной науке, считающей, что звезда, массой больше 100 солнечных, обязательно будет неустойчивой и, вследствие этого, распадётся. Источник их гигантской энергии тоже пока остается загадкой.

Яркость

Квазары имеют громадную мощность излучения. Она может превышать мощность излучения всех звёзд целой галактики в сотни раз. Мощь так велика, что объект, отдалённый от нас на миллиарды световых лет, мы можем увидеть в обычный телескоп.

Получасовая мощность излучения квазара может быть сопоставима с энергией, выделившейся при взрыве сверхновой.
Светимость может превышать светимость галактик в тысячи раз, а ведь последние состоят из миллиардов звёзд! Если сравнивать количество энергии, произведённое в единицу времени квазаром и Солнцем, то разница получится в 10 триллионов раз! А размер такого объекта может быть вполне сравним с объёмом Солнечной системы.

Возраст

Возраст этих суперобъектов определяется десятками миллиардов лет. Ученые вычислили: если сегодня соотношение квазаров и галактик 1 : 100000, то 10 млрд. лет назад оно было 1 : 100.

Расстояния до квазаров

Расстояния до удалённых объектов Вселенной определяются с помощью эффекта Доплера. Для всех наблюдаемых квазаров характерно сильное красное смещение, то есть, они удаляются. И скорость их удаления просто фантастическая. Например, для объекта 3С196 была вычислена скорость 200000 км/сек (две трети скорости света)! А расстояние до него около 12 млрд. световых лет. Для сравнения, галактики летят с максимальными скоростями «всего» в десятки тысяч км/сек.

Некоторые астрономы считают, что и потоки энергии от квазаров, и расстояния до них несколько преувеличены. Дело в том, что нет уверенности в методах изучения сверхдалёких объектов, за всё время интенсивных наблюдений не удалось достаточно определённо установить расстояния до квазаров.

Переменность

Настоящая загадка – переменность квазаров. Они изменяют свою светимость с необычайной частотой, у галактик таких изменений не бывает. Период изменений может исчисляться годами, неделями и сутками. Рекордом считается изменение блеска в 25 раз за один час. Эта переменность характерна для всех излучений квазара. Исходя из последних наблюдений, выясняется, что большая часть квазаров расположена возле центров громадных эллиптических галактик.

Изучая их, нам становится более понятной структура Вселенной и её эволюция.

Подробнее...

Взглянув на ясное ночное небо, мы увидим мириады таинственно мерцающих звезд. Самые яркие из них, видимые невооруженным глазом, могут быть удалены от нас на несколько тысяч световых лет. При помощи телескопа их можно различить на расстояниях, в тысячи раз больших, — в миллионы световых лет.

На еще больших расстояниях отдельные звезды различать уже невозможно, но их можно видеть объединенными в галактики — звездные системы, подобные нашей, в которой находится Солнце. Эти галактики насчитывают тысячи и сотни тысяч миллионов звезд. Общее излучение таких галактик может быть уловлено на расстояниях в миллиарды световых лет. Свет от них, регистрируемый фотопластинкой, начал свой путь еще в то время, когда на Земле только зарождалась жизнь.

И все же таким путем мы можем охватить лишь небольшую часть Вселенной. Нам необходимо проникнуть гораздо дальше в глубины пространства и времени, чтобы стали яснее история и строение Вселенной. Небесные тела, которые мы можем видеть сейчас,— звезды и галактики — начали формироваться более 10 миллиардов лет назад. Таким образом, надо вернуться, по крайней мере, на 10 миллиардов лет в прошлое, чтобы понять историю развития материи.

До Коперника картина мироздания представлялась человеку несложной.

Центром мира была Земля, естественное место концентрации материи. Коперник сдвинул земной шар с этого привилегированного положения. Его последователь и друг Галилея, итальянский философ Джордано Бруно говорил уже о бесконечном числе миров во Вселенной. Она представлялась заполненной небесными телами однородной плотности, равномерно распределенными во времени и пространстве, подобно молекулам газа в замкнутом сосуде.

Первоначально звезды и наше Солнце рассматривались в качестве молекул этого «космического газа». Но после работ американского астронома Эдвина Хаббла «молекулами космологии» стали галактики — эти острова материи, содержащие миллиарды звезд.

Однако природа оказалась сложнее.

Галилей был уверен, что одни и те же законы физики применимы и к небесам и к Земле. Но если применить закон всемирного тяготения к газу, заполняющему бесконечный объем (например, к «газу», в котором роль молекул играют галактики), то несложный расчет показывает, что этот газ не может находиться в состоянии равновесия. Будет преобладать либо сила тяготения, либо космическое отталкивание. Образованный галактиками газ должен обязательно расширяться или сжиматься.

В 1926 году наблюдения Хаббла доказали, что Вселенная расширяется. Чем дальше мы проникаем в глубины пространства, тем быстрее разбегаются от нас видимые галактики. Наблюдения неизменно подтверждают закон Хаббла, по которому скорость разбегания галактик пропорциональна их расстоянию от нас.

Галактики на расстоянии 1 миллиарда световых лет имеют скорость разбегания 30 000 километров в секунду, то есть скорости света. Галактики, удаленные на расстояние вдвое большее — на 2 миллиарда световых лет, разбегаются вдвое быстрее, и т. д. Наша Вселенная не статическое, неподвижное образование. Перед нами развертывается картина, меняющаяся со временем.

Поскольку мы живем в эволюционирующей Вселенной, мы не можем не строить предположений о ее прошлом и будущем.

Как долго продолжится это разбегание, это расширение Вселенной? Если оно будет длиться бесконечно, то галактики разойдутся друг от друга на столь гигантские расстояния, что свет любой из них уже не дойдет до некогда ближайших к ней соседей. Суждено ли и нашей Галактике, Млечному Пути, превратиться в одинокий остров, плывущий в безбрежной пустоте?

Допустим, мы запускаем фильм истории в обратную сторону — в прошлое, а не в будущее. Мы увидим тогда, как галактики сближаются друг с другом. Примерно 10 миллиардов лет назад вся материя Вселенной была сильно сконденсирована. Расширение должно было начаться из состояния исключительно высокой плотности, а его начало — напоминать взрыв.

Многие астрономы, опираясь на расчеты русского ученого А. Фридмана, приняли гипотезу, согласно которой материя во Вселенной первоначально находилась в сверхплотном состоянии. Путем теоретических расчетов они пытались вывести из этого современные условия Вселенной. Другие делали ряд оговорок, считая, что цепь дедуктивных выводов, протянувшаяся столь далеко в прошлое, зависит от множества самых незначительных обстоятельств, которые могли быть упущены.

Однако благодаря открытию радиоволн, приходящих к нам из бездонных глубин космоса (1965—1966), в море предположений и гипотез появилась первая надежная точка опоры. В области метровых и более длинных радиоволн мы можем принимать радиоизлучение галактик и других небесных тел. В миллиметровом диапазоне излучение в основном образуется в атмосфере и ионосфере Земли. А вот в промежуточном, сантиметровом, диапазоне космос молчит.

При более тщательном исследовании «безмолвного диапазона» было открыто слабое тепловое излучение. Источниками этого некогерентного излучения не являются какие-либо известные небесные тела; оно не приходит из каких-то определенных участков неба. Это «фоновый шум», равномерно заполняющий всю Вселенную и одинаковый во всех направлениях. Он соответствует температуре 3° по шкале Кельвина (шкала абсолютных температур), или —270° по Цельсию.

Фоновое излучение — всего лишь слабый радиошум, но, когда мы осознаем, что оно равномерно заполняет всю Вселенную, его важная роль становится очевидной. Это излучение содержит в миллиарды раз больше фотонов, чем общее число атомов во Вселенной, а плотность его энергии в сотни тысячи раз превышает плотность энергии света, излучаемого всеми звездами.

Если мы путем дедукции придем к выводу, что, чем глубже в прошлое, тем меньшим и меньшим был объем пространства, занимаемый Вселенной, то, чем дальше по времени мы удалимся в прошлое, тем чаще будем встречаться все с более и более интенсивными излучениями и с более и более высокими температурами. Поскольку сейчас температура «фона» составляет 3°К, то 5 миллиардов лет назад она должна была составлять 6° К, а 7 миллиардов лет назад 30° К.

Можно дать только одно объяснение такому большому числу фотонов в космическом пространстве: они образовались в сгустке материи огромной плотности и чрезвычайно высокой температуры, как и должно было быть 10 миллиардов лет назад, когда началось расширение Вселенной.

От этой первоначальной стадии — по мере того как излучение охватывает все больший и больший объем — температура убывает по адиабатическому закону. Нынешняя температура 3° К свидетельствует о том, что начальной точке расширения Вселенной соответствовало особое состояние материи с температурой, превышающее миллион миллионов градусов, причем основную роль играло тогда излучение, а не частицы, из которых построено вещество.

В соответствии с расчетами русского ученого Я. Б. Зельдовича в течение первой секунды расширения температура упала до 10 миллиардов градусов, а к концу первой минуты — до нескольких миллионов градусов. С этого момента вещество стало преобладать над излучением, началось образование первых атомных ядер. В течение первых 10 миллионов лет температура упала до 4 тысяч градусов и в массе ионизованной плазмы появились условия для образования нейтральных атомов, с полным набором окружающих ядро электронов.

После этого протяженные области быстро движущегося газа начали эволюционировать: из каждой сформировалась основа галактики. Постепенно Вселенная приобрела современный вид, а мы тем самым продвинулись из мира не слишком обоснованных предположений к доводам науки, опирающимся на наблюдения.

Вполне естественно, что остаточное излучение с температурой 3° К дает нам лишь общую, не детальную картину рождения атомов и галактик. Информация, которую мы можем получить из нынешнего состояния вещества в атомной форме, также дает нам искаженную картину.

Дело в том, что тяжелые элементы непрерывно рождаются во Вселенной и сейчас. Поэтому почти невозможно выяснить начальную пропорцию различных элементов, определить плотность и температуру на начальном этапе. Вот почему астрономы сочли бы величайшим открытием, если бы удалось получить прямые, неискаженные сведения, дающие нам необходимую информацию о начальной фазе расширения Вселенной.

По сути дела, нам нужны маяки, которые были бы видны на колоссальнейших расстояниях и, следовательно, сияли бы в миллионы и миллионы раз ярче звезд и в сотни раз ярче галактик. Именно такие маяки помогли бы нам проследить в глубинах времени и пространства путь, пройденный Вселенной, и дали бы возможность раскрыть ее строение.

Сейчас крепнет уверенность, что астрономам удалось открыть такие маяки.

Эти светила были названы «квазарами» (от quasi-stellar). В действительности они представляют собой особого рода галактики, ошибочно принятые первоначально за звезды.

 

Квазар, обозначаемый З-С-9, изученный с помощью, как оптических телескопов, так и радиотелескопов, имеет спектр, в котором смещение достигает 215 процентов в сторону более длинных волн. Если, как обычно предполагается, это «красное смещение» вызвано скоростью удаления источника света от наблюдателя и если эта скорость пропорциональна расстоянию (другими словами, если наша Вселенная расширяется), то это красное смещение соответствует скорости удаления, равной 240000 километров в секунду, и расстоянию в 8 миллиардов световых лет.

Самое поразительное то, что эти светила излучают достаточно видимого света, чтобы их можно было наблюдать с таких колоссальнейших расстояний. Видимо, испускаемая ими энергия превышает излучение Солнца более чем в миллион миллионов раз.

На еще больших расстояниях объект оказывается слишком слабым, чтобы можно было измерить красное смещение в его спектре, и наши оптические телескопы пока еще не могут превзойти этот предел. Но расстояние 8 миллиардов световых лет означает, что свет от квазара З-С-9 провел в пути столько же времени. Глядя на этот квазар, мы, в сущности, заглядываем на 8 миллиардов лет в прошлое, а это составляет примерно 80 процентов истории нашей Вселенной.

Хотя сейчас 8 миллиардов световых лет как будто и составляют предел возможности оптических наблюдений, радиоастрономия может повести нас еще дальше.

Радиотелескопы помогли обнаружить источники космического радиоизлучения такого же типа, как квазар З-С-9, но слабее его. Если предположить, что все эти радиоисточники имеют одну и ту же абсолютную яркость, то их видимая яркость позволяет оценить предел достижимости радиотелескопов в 9 миллиардов световых лет. Этот предел значительно превзойден новым гигантским радиотелескопом в Пуэрто-Рико

Предполагается, что этот радиотелескоп будет способен зарегистрировать излучение от радиогалактик и квазаров, расположенных на расстояниях 10—12 миллиардов световых лет. Это означает, что становится возможным принять «репортаж» о начале нашей Вселенной.

Эта возможность, фантастичная еще несколько лет назад, становится реальной благодаря чудовищному количеству света и других электромагнитных волн, испускаемому квазарами. Их радиоизлучение — результат одного или нескольких взрывов, разогревших центральное ядро настолько, что оно способно светить, как миллион солнц в течение миллиона лет и даже более. Радиоизлучение от радиогалактик вызывается взрывом подобного же рода, но, видимо, меньшей мощности.

Эти маяки в космосе можно использовать как исходные триангуляционные пункты для построения карты звездного мира во времени и в пространстве. И это дело отнюдь не далекого будущего. Работа по составлению такой карты уже началась, полученные результаты представляют огромный интерес.

Что можно сказать об изменении свойств квазаров со временем?

В течение 100 тысяч лет, прошедших после начальной вспышки, излучение должно сохранять постоянную интенсивность, которая затем начинает экспоненциально убывать. Через миллион лет после вспышки мощность излучения составляет всего 1/1000 начальной, а через 10 миллионов лет она падает еще в 1000 раз. На этой стадии квазар настолько ослабевает, что его уже невозможно обнаружить. Не найдено ни одного квазара, возраст которого превышал бы несколько миллионов лет.

Расстояние квазаров и их распределение в пространстве могут быть рассчитаны по их видимой яркости. При этом выясняется, что их пространственная плотность более или менее постоянна в пределах 1—2 миллиардов световых лет. За пределами этого расстояния число квазаров увеличивается во всех направлениях. Их плотность удваивается в сферическом слое с радиусом в несколько миллиардов световых лет. Затем с дальнейшим увеличением расстояния их плотность вновь быстро убывает, и на «радиогоризонте», то есть на расстоянии 9 миллиардов световых лет, их плотность составляет лишь 1/50 наблюдаемой на более близких расстояниях.

Фактически это распределение в пространстве отражает эволюцию во времени: мы наблюдали квазары на расстояниях, соответствующих длительности их существования. Если квазары кажутся наиболее многочисленными на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, то это объясняется тем, что в тот далекий период времени их взрывы были наиболее частыми.

Но когда мы заглядываем еще дальше, то отмечаем почти полное отсутствие квазаров, хотя современные радиотелескопы достаточно мощны, чтобы обнаружить их даже на таких огромных расстояниях. Это объясняется тем, что, продвигаясь назад во времени, мы достигли эпохи, предшествующей появлению первых квазаров.

Если у нас есть основания рассматривать квазары в качестве «самовоспламеняющихся» и быстро эволюционирующих ядер различных галактик, то моменты их вспышек можно связать с рождением галактик.

Стадия квазара должна быть приурочена к рождению галактики или следовать за ним через некоторое строго определенное время. Таким образом, квазары как бы отмечают на шкале времени рождение галактик, которое в свою очередь свидетельствует о критическом состоянии материи Вселенной, уже достаточно охладившейся после первоначального взрыва. Турбулентность некогда раскаленного космического газа существенно уменьшается, силы тяготения объединяют быстро движущиеся массы в протогалактики, то есть галактики в процессе конденсации.

Из этих наблюдений, видимо, следует, что процесс вспышек квазаров достиг кульминации 8—9 миллиардов лет назад; у нас нет никаких данных, указывающих на многочисленность квазаров в периоды, отстоящие от нашей эпохи еще дальше.

Мы живем в сравнительно спокойный период эволюции Вселенной, когда материя уже длительное время сконцентрирована в галактики и звезды.

Но с помощью радиотелескопов можно заглянуть в прошлое, достичь ранних стадий в жизни Вселенной, когда преобладающим фактором были потоки высокотемпературного излучения, а не скопления вещества. Мы уже почти достигли тех времен, когда только забрезжил рассвет мира, когда, возможно, не было звезд и все, что существовало, состояло из аморфной, еще не организованной материи.

Первые результаты этого исследования еще далеки от точности. Приведенные данные о пространстве и времени еще должны проверяться и уточняться. Эта задача и выпадает на долю более крупных телескопов, проектируемых или строящихся. Данные, полученные с их помощью, позволят астрономам и астрофизикам воссоздать историю нашей Вселенной.

Первый радиотелескоп был построен всего четверть века назад, а первый оптический телескоп — три века назад. Человек живет на Земле примерно миллион лет, а жизнь на Земле существует не менее миллиарда лет. Возраст Солнца, Земли и планет — 6—7 миллиардов лет, а Галактики, в которую входит наша солнечная система, 8—9 миллиардов лет. Расширение Вселенной, продолжающееся и ныне, могло начаться 10— 12 миллиардов лет назад. Но чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем неопределеннее становятся события, отмечающие предысторию Вселенной.

Прошло не так уж много времени, с тех пор как ученые начали изучать прошлое Человека и Земли. Чтобы не блуждать в лабиринтах гипотез и предположений и не потерять путь в туманных далях пространства и времени, ученые имеют сейчас таких гидов, как квазары, — это маяки, свет и радиосигналы которых дошли до нас через миллиарды лет.

 

Интересное Космос