Как обнаружили квазары

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Володимир Манько

История астрономических открытий — это, прежде всего, история изобретения и усовершенствования приборов для наблюдений небесных тел. Появление оптических телескопов позволило рассматривать объекты более детально, внедрение фотопластинок — регистрировать гораздо более слабые звезды и туманности, а также немного «выйти за пределы» спектрального диапазона, к которому чувствителен человеческий глаз. Среди важнейших из подобных достижений, безусловно, значится радиоастрономия — техника, в свое время открывшая нам совсем другую Вселенную с огромным разнообразием неизвестных ранее явлений и структур.

Квазар 3C 273 (в левом верхнем углу изображения) и его джет (справа внизу)

Даже при отсутствии Луны и наземных источников засветки ночное небо на самом деле не полностью темное — оно постоянно светится в линиях излучения атмосферных газов (но это свечение очень слабое и наши глаза его почти не чувствуют). В радиодиапазоне вся небесная сфера тоже постоянно излучает на частоте примерно 160 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм — это так называемый реликтовый микроволновой фон, своеобразное «эхо» Большого взрыва. На этом фоне выделяются более «яркие» облака межзвездного и межгалактического газа, а также сравнительно компактные области звездообразования. Однако значительная часть космических радиоволн поступает из точечных источников — самых загадочных объектов, многие из которых пока не раскрыли нам всех своих тайн. К ним относятся и квазары. Собственно, само их название, представляющее собой сокращение от quasi-stellar radio source (квазизвездный радиоисточник), содержит намек на «звездный» вид.

Дело в том, что первые радиотелескопы обладали очень низкой разрешающей способностью — они позволяли весьма приблизительно определить направление, с которого происходит излучение, и угловые размеры его источника. Когда эти показатели в достаточной степени улучшились, астрономы поняли, что некоторые из радиоисточников очень малы. Постепенно их начали отождествлять с объектами, обнаруженными в ходе наблюдений в других спектральных диапазонах. Часто это были молодые, только формирующиеся звезды, или же наоборот — остатки вспышек сверхновых, происходящих после завершения активного существования массивных светил. Но в некоторых случаях на месте радиоисточника не удавалось найти буквально ничего.

Квазар 3C 48

В середине прошлого столетия все известные в то время «небесные радиопередатчики» были сведены в так называемый Третий кембриджский каталог и стали обозначаться номером с префиксом «3C». В 1960 году, используя новейшую технику интерферометрии, астрономы Алан Сэндидж и Томас Мэтьюс (Allan Sandage, Thomas Matthews) смогли довольно точно определить положение источника 3C 48, открытого незадолго до того. Ему соответствовала слабенькая звездочка в созвездии Треугольника. Она имела 16-ю звездную величину, то есть была в 10 тыс. раз слабее объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом, но, тем не менее, посылала в пространство мощный поток радиоволн.

Еще более интересная история случилась с источником 3C 273. Он расположен в созвездии Девы, недалеко от эклиптики, поэтому астрономы предположили, что его может время от времени закрывать Луна в ходе ее движения по околоземной орбите. Такие «покрытия» действительно удалось наблюдать. Разница моментов исчезновения и последующего появления радиосигнала, измеренных с двух разных пунктов земной поверхности, позволила вычислить точные координаты 3C 273 и найти его оптический эквивалент, имевший достаточно высокий блеск — 12,6ᵐ. А это уже давало возможность получить снимки его спектра с помощью имеющейся техники. Здесь-то и произошла главная неожиданность: этот спектр оказался не похож на ни один из виденных ранее.

Еще до того, как начался расцвет радиоастрономии, благодаря работам Эдвина Хаббла (Edwin Hubble) ученые убедились в том, что наш Млечный Путь — лишь одна из огромного количества звездных систем, которые населяют постоянно расширяющуюся Вселенную. На достаточно больших пространственных масштабах скорость взаимного удаления двух объектов в ней пропорциональна расстоянию между ними. Скорость «разлетания» можно измерить спектральными методами — по сдвигу характерных линий излучения отдельных химических элементов к более длинноволновому концу спектра (его еще называют «красным смещением», или по-английски «redshift», и обозначают латинской буквой z). В спектре 3C 273 этот сдвиг оказался настолько большим, что линии излучения водорода, обычно находящиеся в ультрафиолетовом диапазоне, «переползли» в его видимую часть. Для 3C 48 этот показатель оказался еще больше и соответствовал расстоянию почти 4 млрд световых лет. Столь далекие объекты астрономам еще не встречались…

Фотография квазара 3C 273, сделанная с помощью усовершенствованной смотровой камеры ACS космического телескопа Hubble. Самая яркая часть квазара была «заслонена» специальным непрозрачным экраном (коронографом). Это позволило рассмотреть его «окрестности» — туманность неправильной формы. По многим признакам, на самом деле это далекая галактика, «поставляющая» материю для «питания» сверхмассивной черной дыры в своем центре. Слева — снимок 3C 273, сделанный наземным телескопом (рамкой обведено поле правого изображения) R.C. Источник: Thomson, IoA, Cambridge, UK;C.D. Mackay, IoA, Cambridge, UK;A.E. Wright, ATNF, Parkes, Australia

Чтобы при таком расстоянии иметь больший видимый блеск, чем даже у многих звезд нашей Галактики, источник излучения должен обладать невероятно большой светимостью. Например, у уже упомянутого квазара 3C 273 она в четыре триллиона раз превышает солнечную. Представить себе, что столько энергии излучает «обычная» звезда (даже очень массивная и горячая), было невозможно. Пришлось искать более эффективные механизмы энерговыделения, среди которых называли, например, наличие в некоторых местах Вселенной локальных скоплений антиматерии, которая постоянно аннигилирует с «нормальным» веществом с полным превращением массы в энергию. В конце концов, ученые нашли лучшее объяснение: им стало падение больших объемов материи на сверхмассивные черные дыры. Этот механизм предложили в 1964 году американский астрофизик австрийского происхождения Эдвин Зальпетер (Edwin Salpeter) и советский физик Яков Зельдович.

С появлением большого количества мощных оптических и радиотелескопов число известных радиоисточников с большими значениями z — именно так можно описать основную характеристику объектов, получивших название «квазаров» — стало быстро расти, а это, в свою очередь, обусловило потребность определенной дифференциации уже внутри этого класса. К примеру, к особой категории отнесли источник, который первоначально считался переменной звездой и получил обозначение BL Ящерицы. Когда нашли еще несколько похожих объектов, им дали название «блазары». Параллельно совершенствовалась и техника наблюдений. В 1982 году на изображении, синтезированном по результатам работы нескольких радиоантенн, впервые удалось заметить два «лепестка» у квазара 3C 48. В настоящее время мы уже знаем, что это так называемые джеты — высокоскоростные струи вещества, возникающие в процессе его падения на сверхмассивную черную дыру и благодаря взаимодействию с окружающим ее аккреционным диском выбрасываемые обратно в космическое пространство. Подобные структуры (но меньшего размера) уже наблюдались в других, более близких галактиках, содержащих в своих центральных областях черные дыры с массами порядка миллионов солнечных. Это стало одним из главных доказательств «чернодырного» механизма излучения квазаров.

Слева — изображение квазара PKS 1127-145 и его окрестностей, полученное в оптическом диапазоне космическим телескопом Hubble. Собственно квазар виден как самая яркая «звезда» с четырьмя «лучами» в правом нижнем углу. Он находится на расстоянии около 10 млрд световых лет. На этой фотографии заметны также многие более близкие галактики, практически не проявляющие себя на правом снимке, сделанном рентгеновским телескопом Chandra. В то же время квазар и один из его джетов в этом диапазоне становятся доминантой поля зрения.

В 1990 году начал свою работу космический телескоп Hubble, вскоре сделавший еще один шаг к пониманию природы этих загадочных объектов — он сфотографировал небольшую «туманность» неправильной формы, окружающую яркое «ядро» квазара 3C 273. Стало очевидным, что это действительно ядро очень далекой галактики, находящейся на стадии формирования.

В дальнейшем квазаров открывали все больше, и красное смещение в спектрах некоторых из них свидетельствовало о том, что они расположены от нас на огромных расстояниях. Текущий «рекордсмен» — ULAS J1342+0928 2017 в созвездии Волопаса — имеет z=7,54, то есть свет от него шел к нам более 13 млрд лет, и мы наблюдаем его в тот момент, когда от рождения нашей Вселенной прошло всего 690 млн лет. Конечно, все это время квазар не «стоял на месте», а продолжал удаляться, поэтому сейчас расстояние до него составляет почти 30 млрд световых лет.

Чем более высокой становилась чувствительность астрономических инструментов, тем больше ученые находили квазаров. Стало ясно, что это действительно типичное явление для ранних этапов эволюции Вселенной. Весьма вероятно, что все крупные галактики (в том числе и наш Млечный Путь) в эпоху своего формирования проходили «квазарообразную» стадию, когда их центральная сверхмассивная черная дыра поглощала огромные объемы окружающего вещества и быстро росла, образуя главную «точку притяжения» будущей звездной системы.

Изучение квазаров сопровождалось и другими интересными открытиями. Например, вблизи некоторых из них нашлись «двойники» с абсолютно аналогичным спектром и кривой блеска, «сдвинутой» в прошлое на определенный промежуток времени. Между такими «квазарами-близнецами» располагалась более близкая массивная галактика. Астрономы поняли, что в данном случае мы имеем дело с эффектом гравитационного линзирования — искривления лучей света под действием гравитации массивного объекта, находящегося между источником излучения и наблюдателем. В результате фотоны, выпущенные квазаром, идут к нам двумя путями разной длины, образуя два почти идентичных изображения. Впрочем, таких изображений может быть и больше: в 1985 году группа исследователей под руководством Джона Хухры сфотографировала далекую звездную систему в созвездии Пегаса, окруженную четырьмя «отражениями» квазара, на который она случайно спроектировалась. Поскольку такой эффект был предусмотрен эйнштейновской теорией относительности, этот теперь уже классический случай получил название «Крест Эйнштейна».

«Крест Эйнштейна» — квазар Q2237+030. Между четырьмя его «отражениями» видна линзирующая галактика

Гравитационное линзирование позволяет больше узнать о свойствах квазаров, уточнить расстояние до них и увидеть более слабые объекты, которые в отсутствие «естественной линзы» оставались бы за пределами досягаемости имеющихся астрономических инструментов. Сейчас в изучении этих загадочных радиоисточников участвует множество телескопов — как наземных, так и космических. Последние позволяют вести наблюдения в ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах спектра, для которых земная атмосфера непрозрачна. Общее количество известных квазаров уже превысило 200 тысяч и продолжает расти. Они скрывают еще много тайн, в то же время позволяя найти ответы на другие вопросы, связанные с эволюцией нашей Вселенной и ее структурой на больших масштабах. К примеру, с их помощью ученые сейчас пытаются выяснить, когда завершилась так называемая реионизация межгалактического нейтрального газа — эта информация очень важна при моделировании механизмов образования первых звезд, планетных систем и галактик. Дополнительным мощным инструментом должны стать специализированные обсерватории для регистрации гравитационных волн (первыми из них стали американская LIGO и европейская Virgo), которые могут «увидеть» последствия взаимодействия и столкновения сверхмассивных черных дыр. Эту технику астрономы только начали осваивать, но уже понятно, что она тоже способна преподнести нам немало открытий.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine