Розмаїття квазарів

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Анатолій Василенко
Кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник Лабораторії великомасштабної структури Всесвіту ГАО НАНУ

Історія квазарів бере початок з 1959 року, коли астрономи приступили до роботи над пошуком відповідників у видимому світлі потужних радіоджерел, які входили до нового на той час Третього Кембриджського каталогу. Для ототожнення вчені використовували Паломарський атлас неба — збірку фотопластинок, отриманих на 1,22-метровому фотографічному телескопі Шмідта. Вже у 1960 і 1962 роках вдалось ототожнити два об’єкти: 3С 48 — зі слабкою зорею 16-ї величини та 3C 286 — із зорею 17-ї величини, але вчені не змогли пояснити їхні оптичні спектри. Ускладнювало ситуацію те, що тогочасні радіотелескопи визначали положення небесних об’єктів досить грубо, тому для уточнення був запропонований оригінальний метод спостережень під час покриття деяких радіоджерел Місяцем.

Спектр квазара 3C 273, отриманий Шмідтом. Внизу — лабораторний спектр для порівняння. Позначені три емісійні лінії водню та дублет двічі іонізованого кисню

Завдяки цьому в 1962 році вдалось обчислити точні координати джерела 3C 273 та встановити, що воно має як точкову, так і протяжну компоненту. Перша відповідала зорі 13-ї величини, спектр якої отримали на найбільшому в той час 5-метровому телескопі Хейла Паломарської обсерваторії. Цей спектр суттєво відрізнявся від звичайних зір, тож подібні об’єкти стали називати квазізоряними радіоджерелами, або квазарами.

Навіть коли квазар втрачає активність, у навколишньому просторі залишаються «згадки» про нього. Такий «слід» був випадково знайдений під час аналізу даних огляду Galaxy Zoo біля далекої галактики IC 2497 (вона розташована на відстані 724 млн світлових років). Ця галактика має активне ядро, яке наразі є слабким, а присутність колишнього квазара в ній виказує наявна на відстані від 45 до 70 тис. світлових років від ядра IC 2497 характерна хмара іонізованого газу. Її назвали «об’єктом Ханні» (Hanny’s Voorwerp). На знімку вона зеленого кольору. Згідно з результатами досліджень, квазар «вимкнувся» лише 70 тис. років тому. На сьогодні відомо вже кілька десятків таких об’єктів

Проблемою у спектрах квазарів було те, що вони містили емісійні лінії на «неправильних» місцях. Спочатку важко було зрозуміти, якому елементу вони належать, а подекуди ці лінії були навіть одиничними. Розгадати цю загадку вже наступного року зумів астроном Маартен Шмідт (Maarten Schmidt), який зауважив, що пропорції відстаней між кількома широкими емісійними лініями в оптичному спектрі квазара 3C 273 точно відповідають одній зі спектральних серій атома водню, але сильно зміщеній у «червону» сторону — тобто у бік більших довжин хвиль. Вчений припустив, що це є наслідком космологічного розширення Всесвіту, а отже, об’єкт розташовується дуже далеко від Землі. Емісійні лінії були посунуті на однакову величину z=Δλ/λ0=0.158, що називається «червоним зсувом» (в цій формулі λ₀ — довжина хвилі відповідної лінії у лабораторному спектрі, Δλ — величина її зсуву).

Найвіддаленішим серед масивних квазарів є об’єкт SDSS J0100+2802. Він містить у собі надмасивну чорну діру масою 12 млрд сонячних і розташований на відстані 12,8 млрд світлових років, тобто цей монстр уже існував, коли Всесвіту було лише 900 млн років! Світність квазара перевищує відповідний показник Сонця у 420 трильйонів разів. Вчені досі не мають однозначного пояснення існування настільки масивних об’єктів у такі ранні часи

За перерахунку на швидкість віддалення це відповідає 47 тис. км/c. Майже відразу червоний зсув був обчислений для ще кількох квазарів (наприклад, для 3С 48 z=0,367). З використанням відомого закону Габбла стало зрозуміло, що ці об’єкти є позагалактичними й до того ж дуже далекими джерелами: 3C 273 повинен був розташовуватися на відстані 2,4 млрд світлових років, а 3С 48 — на відстані 4,5 млрд світлових років. Причина такого великого z для квазарів, як загальне розширення Всесвіту, спершу викликала скептицизм у науковій спільноті, але під тиском все більшої кількості спостережних даних таке пояснення досить швидко стало загальноприйнятим.

Структура активного ядра галактики згідно з сучасними уявленнями (адаптація автора). Ліворуч — радіотихе ядро, праворуч — радіогучне. Джерело: NASA/CXC/M.Weiss

З 1965 року стало зрозуміло, що не всі квазари є потужними джерелами у радіодіапазоні. Такі «тихі» об’єкти назвали квазагами. Навіть більше, вже відомі «радіогучні» квазари складають лише одну дев’яту від кількості квазагів. Для уникнення плутанини зараз усі ці об’єкти називають квазарами, але вже у значенні «квазізоряний об’єкт».

Відкриття квазарів (через 4 роки після ідентифікації перших таких об’єктів їх було відомо вже 150) поставило перед спільнотою астрофізиків завдання пошуку фізичної причини, пояснення їхнього величезного енерговиділення. Адже, щоб бути поміченими з такої відстані, вони мусили мати світність 10³⁸-10⁴¹ Вт! Це перевищує світність звичайних зірок у 10¹²-10¹⁵ разів. Завдяки архівам спостережень майже відразу вдалося вирахувати орієнтовні розміри квазарів, користуючись змінністю їхнього блиску та виходячи з того, що світло має обмежену швидкість. Наприклад, 3C 273 має характерну змінність з періодом близько тижня. Тобто область простору, звідки надходить випромінювання, не перевищує розмірів Сонячної системи! Зараз нам відомі квазари зі змінністю всього лише кілька годин. Таким чином, це не лише далекі й потужні утворення, але й досить компактні.

Згідно з сучасними теоретичними дослідженнями та прецизійними спостереженнями у різних діапазонах електромагнітних хвиль, квазари — це різновид потужних активних ядер галактик (далі АЯГ). Найбільшою їхньою відмінністю від «звичайних» галактичних ядер є наявність сильного випромінювання у короткохвильовій частині спектра, тобто від видимого й до гамма-діапазону. Частина АЯГ також інтенсивно «світиться» в інфрачервоному та радіодіапазонах, охоплюючи таким чином увесь спектр електромагнітних хвиль.

За таку активність відповідає присутність у їхніх центрах надмасивних чорних дір (далі — НМЧД) з масами від мільйонів до десятків мільярдів мас Сонця, на які падають величезні об’єми навколишньої речовини — відбувається тзв. процес акреції, під час якого матерія «закручується» в диск і внаслідок тертя між різними його «прошарками» розігрівається до високих температур — майже 100 тисяч градусів у регіонах, близьких до НМЧД — і породжує сильне світіння. Речовина при таких температурах є плазмою. Перетворення гравітаційної енергії падіння на чорну діру в електромагнітне випромінювання може бути дуже ефективним. Наприклад, звичайне горіння оберемку хмизу (окислення деревини) має ефективність лише 10⁻⁷%, термоядерні реакції — до 0,7%, а от акреція — від 6% аж до 42%! Отже, акреційні диски є, по суті, дуже ефективними «машинами» з перетворення маси спокою в енергію.

Контури джету квазара 3C 279 у радіодіапазоні, отримані при спостереженнях за допомогою радіоінтерферометричної мережі VLBI у різні роки. Положення «0» — ядро квазара. Для демонстрації зсуву одних і тих же фрагментів їхні положення з’єднані суцільними лініями. Джерело: Glenn Piner B. et al

Потужне випромінювання квазарів пов’язане не лише з розігрівом плазми акреційного диску як такого. Взаємодія елементарних частинок (насамперед електронів) із високоенергетичними фотонами, «зіткнення» швидких електронів і протонів між собою також роблять значний внесок в особливості спектрів квазарів. Окремим пунктом стоїть іще один важливий процес — взаємодія високоенергетичних заряджених частинок із магнітним полем. Завдяки цій взаємодії генерується потужне випромінювання у широкому діапазоні енергій від полярних викидів АЯГ у цілому та від квазарів зокрема. При цьому магнітне поле акреційного диска, особливим чином взаємодіючи з НМЧД, бере участь в утворенні цих викидів. У літературі їх на англійський лад називають джетами (jets). Вони являють собою протилежно спрямовані потоки частинок, які можуть рухатися зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В екстремальних випадках їхні розміри можуть досягати мільйонів світлових років. Квазари з проявами джетів і сильним радіовипромінюванням астрофізики називають радіогучними, й навпаки — ті, які не мають подібних властивостей, отримали назву радіотихих. Вже згаданий квазар 3C 273 належить до першої категорії. Виявлена в 1962 році протяжна структура виявилася джетом, що вилітає з його центру. Його видима швидкість перевищує швидкість світла всемеро, але, після врахування низки геометричних поправок, вчені отримали її реальну величину — 0,1÷0,2 світлової, що все одно дуже багато (30-60 тис. км/с). А ось для фрагмента D джету квазара 3C 279 спостережна швидкість приблизно вп’ятеро перевищує світлову, при цьому реальна швидкість складає близько 0,98 c.

Комбіноване зображення джету квазара 3C273 у різних діапазонах електромагнітних хвиль. Синім позначене рентгенівське випромінювання, зареєстроване космічною обсерваторією Chandra; зеленим — оптичне, сфотографоване телескопом Hubble; червоним — інфрачервоне, зареєстроване космічним апаратом Spitzer. Показані також радіоконтури за даними радіотелескопів VLA. Вузол А – найближчий до ядра квазара. Джерело: UCHIYAMA Y. et al

Встановлення того факту, що квазари є активними ядрами галактик, тобто частинами систем уже відомих об’єктів Всесвіту, відбулося не відразу, хоч у квазара 3C 48 ще в середині 1960-х була виявлена оточуюча його слабка «туманність». Головною завадою стала їхня величезна віддаленість і світність. Остання може від кількох сотень до тисяч разів перевищувати сукупну світність усіх зірок галактики. Лише в середині 70-х років минулого століття дослідження з допомогою найпотужніших оптичних телескопів дозволили висловити припущення (причому тільки для найближчих квазарів із z<0,5), що ці об’єкти не є окремими небесними тілами, а містяться в далеких зоряних системах.

Зображення двох квазарів у одному лінійному масштабі, отримані камерою ACS космічного телескопа Hubble. Праворуч — типовий приклад квазара зі своєю галактикою (відстань ~1.5 млрд світлових років). Ліворуч — квазар (у центрі) на відстані ~5 млрд світлових років, материнська галактика якого не відстежується, але на її присутність указує низка спектральних досліджень. Вгорі ліворуч видно сильно викривлену галактичну структуру, що свідчить про «нещодавнє» зіткнення двох галактик. Праворуч внизу — зоря, що належить нашій Галактиці. Джерело: NASA/ESA, ESO, Frédéric Courbin (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) & Pierre Magain (Universite de Liège, Belgium)

Остаточне підтвердження цієї гіпотези отримали лише 1982 року, коли спектральні спостереження показали ознаки присутності звичайних зірок в околицях 3C 48. З подальшим удосконаленням телескопів учені змогли відкрити достатньо «бурхливий» світ материнських галактик квазарів.

У спектрі квазара PKS 0405-123 (z=0,574) спостерігається поглинання у двох далеких хмарах холодного міжгалактичного газу на різних відстанях. Кольорами позначено спектральні лінії поглинання кисню та водню. Джерело: NASA/ESA, the Hubble 5M4 ERO Team, and DSS STScl-PRC09-25g

Наприклад, у 2007 році за допомогою космічного телескопа Hubble група астрофізиків дійшла висновку, що принаймні частина квазарів для забезпечення своєї активної діяльності повинна мати зовнішнє джерело надходження речовини, яким може бути зіткнення з молодими, багатими на газ галактиками. Ці висновки були зроблені після аналізу спостережень низки квазарів, що демонструють у своїх спектрах низький вміст «металів» — хімічних елементів, важчих за водень і гелій. Результати, отримані іншими командами вчених, указують на реалістичність такого пояснення.

Зображення квазарів, отримані камерою WFPC2 космічного телескопа Hubble, на яких відстежується розмаїття форм «квазарних» галактик. Діапазон червоних зсувів об’єктів охоплює інтервал від 0,155 до 0,285. Джерело: NASA, J. Bahcall (Institute for Advanced Study), M.Disney (University of Wales)

Відомо багато зображень галактик із квазарами, що виявилися схожими на хмаринки неправильної форми. Приблизно для двох третин усієї кількості відомих материнських галактик властиві «правильні» форми, тобто вони належать до еліптичних і спіральних без виразних ознак процесів злиття чи зіткнення з іншими галактиками. Отже, матеріал для «годування» надмасивних чорних дір міститься у самих цих системах — зіткнення хоч і має велике значення, але астрофізикам ще належить встановити інші механізми «постачання матеріалу» до НМЧД. Варто зазначити, що отримання зображень галактик, що містять квазари, внаслідок великої яскравості останніх являє собою непросту задачу навіть у наш час, попри постійне вдосконалення телескопів. Відомий навіть квазар, для якого це напряму зробити не вдалося.

Відомо багато випадків лінзування світла квазарів ближчими до нас галактиками, коли зображення далеких об’єктів роздвоюються або навіть розтроюються. Прикладів, коли таких зображень утворюється відразу чотири, дуже мало. Але такі випадки є важливими під час вивчення розподілу темної матерії у Всесвіті. Наприкінці 2019 року було проведене спостереження відразу кількох таких гравітаційних лінз, де кількість лінзованих зображень квазарів дорівнювала чотирьом

Природно очікувати, що запаси газу для «підживлення» потужної активності з часом вичерпуються, і квазар має «згаснути». І справді, у близькому Всесвіті астрономи не спостерігають подібних надзвичайно яскравих об’єктів. Але надмасивні чорні діри в центрах галактик нікуди не поділися — просто частина з них проявляє себе з меншою активністю та належить до широкого класу близьких активних ядер галактик. Серед них є, наприклад, сейфертівські галактики, названі так за прізвищем їхнього першовідкривача Карла Сейферта (Carl Seyfert). Інша частина або зовсім «згасла», або проявляє спорадичну активність, як-от чорна діра в центрі нашого Чумацького Шляху. Підсумовуючи, можна сказати, що квазари — це активні ядра молодих, багатих на газ галактик раннього Всесвіту, які ще тільки формуються чи щойно сформувалися.

Відомо багато подвійних квазарів, коли один об’єкт має два яскравих активних ядра. У 2007 році група вчених на чолі з Джорджем Джорговскі відкрила перший потрійний квазар. Після ретельного аналізу даних телескопів VLT (Європейська Південна обсерваторія, Чилі) та Keck I (обсерваторія Мауна Кеа, Гаваї) вдалося встановити, що об’єкт LBQS 1429-008, відкритий ще 1989 року — це три окремі квазари, розташовані на взаємних відстанях лише ~100-150 тис. світлових років. Це свідчить про процес злиття трьох окремих активних ядер в одне впродовж наступних кількох сотень мільйонів років. Уся система знаходиться на відстані 10,5 млрд світлових років

Зараз нам відомо вже більше сотні тисяч квазарів. Вони не лише цікаві самі по собі, але також приносять велику користь у космології, фізиці високих енергій та екстремальних станів речовини, різних напрямках астрофізики. Наприклад, завдяки квазарам вдалося виявити далекі надскупчення галактик, встановити «вузли космічного павутиння» великомасштабної структури Всесвіту. Окрім цього, завдяки своїй потужності та віддаленості ці об’єкти допомагають у пошуках великих резервуарів холодного газу в ранньому Всесвіті, виступаючи в ролі «підсвітки» цих газових хмар. Після проходження крізь них світло квазара міститиме «відбиток» їхньої присутності, за яким можливо оцінити відстань до цих утворень та деякі їхні властивості. Ці хмари фактично є «будівельним матеріалом» для майбутніх галактик, тому вони часто демонструють первинний хімічний склад, без «забруднення» хімічними елементами, важчими за гелій. Окрім того, їх просторовий розподіл навіть дозволяє відтворити картину поширення темної матерії. А екзотичний ефект лінзування світла квазарів ближчими галактиками або їхніми скупченнями дає можливість віднайти цю загадкову матерію в галактичних гало чи визначити її масову частку в загальній масі скупчень.

Найвіддаленішим квазаром на сьогодні вважається об’єкт ULAS J134208.10+092838.61, знайдений у 2018 році. Він має червоний зсув z=7,54, що еквівалентно відстані 13,1 млрд світлових років, тобто ми бачимо його в момент, коли Всесвіту було лише 690 млн років! При цьому маса його центральної чорної діри оцінюється у 800 млн мас Сонця, що є дуже багато для такої ранньої епохи, а світність квазара перевищує сонячну в 4×10¹³ разів. Найближчим відомим квазаром є Mrk 231, відстань до нього оцінюється у 581 млн світлових років (на знімку)

Відкриття квазарів здійснило якщо не революцію, то значний внесок в астрофізику. Вони демонструють нам бурхливі часи раннього Всесвіту, є «вікном» у неймовірні за енергетикою фізичні процеси, а завдяки своїй великій яскравості та віддаленості дозволяють вивчати властивості міжгалактичного середовища. Навіть неможливо уявити, які ще сюрпризи принесуть нам ці далекі, але дуже важливі «квазізоряні» об’єкти.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine