Разнообразие квазаров

 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

История квазаров берет начало с 1959 года, когда астрономы приступили к работе над поисками эквивалентов в видимом свете мощных радиоисточников, входивших в новый на тот момент Третий Кембриджский каталог. Для отождествления ученые использовали Паломарский атлас неба — собрание фотопластинок, полученных на 1,22-метровом фотографическом телескопе Шмидта. Уже в 1960 и 1962 годах удалось отождествить два объекта: 3С 48 — со слабой звездой 16-й величины и 3C 286 — со звездой 17-й величины, но их оптические спектры не поддавались объяснению. Усложняло ситуацию то, что тогдашние радиотелескопы определяли положение небесных объектов довольно грубо, поэтому для уточнения был предложен оригинальный метод наблюдений во время покрытия некоторых радиоисточников Луной.

Спектр квазара 3C 273, полученный Шмидтом. Внизу — лабораторный спектр для сравнения. Обозначены три эмиссионные линии водорода и дублет дважды ионизированного кислорода

Благодаря этому в 1962 году удалось вычислить точные координаты источника 3C 273 и установить, что он имеет как точечнe., так и протяженнe. компонентe. Первая соответствовала звезде 13-й величины, спектр которой получили на самом крупном в то время 5-метровом телескопе Хейла Паломарской обсерватории. Этот спектр существенно отличался от обычных звезд, поэтому подобные объекты стали называть квазизвездными радиоисточниками, или квазарами.

Даже когда квазар теряет активность, в окружающем пространстве остаются воспоминания о ней. Такой «след» был случайно найден при анализе данных обзора Galaxy Zoo у далекой галактики IC 2497 (она расположена на расстоянии 724 млн световых лет). Эта галактика имеет активное ядро, которое пока «тихое», но присутствие квазара в ней выдает находящееся на расстоянии от 45 до 70 тыс. световых лет от ядра характерное облако ионизированного газа. Его назвали «объектом Ханні» (Hanny’s Voorwerp). На снимке она зеленого цвета. Согласно результатам исследований, квазар «выключился» всего 70 тыс. лет назад. На данный момент известно уже несколько десятков таких объектов

Проблемой в спектрах квазаров было то, что они содержали эмиссионные линии на «неправильных» местах. Сначала трудно было понять, какому элементу они принадлежат, а иногда эти линии были даже единичными. Разгадать эту загадку уже в следующем году сумел астроном Маартен Шмидт (Maarten Schmidt), отметивший, что пропорции расстояний между несколькими широкими эмиссионными линиями в оптическом спектре квазара 3C 273 точно соответствуют одной из спектральных серий атома водорода, но сильно смещены в «красную» сторону, то есть в сторону больших длин волн. Ученый предположил, что это следствие космологического расширения Вселенной, а следовательно, объект располагается от нас очень далеко. Эмиссионные линии были сдвинуты на одинаковую величину z=Δλ/λ0=0.158, называемую «красным смещением» (в этой формуле λ₀ — длина волны соответствующей линии в лабораторном спектре, Δλ — величина ее сдвига).

Самым удаленным среди массивных квазаров является объект SDSS J0100+2802. Он включает в себя сверхмассивную черную дыру массой 12 млрд солнечных и расположен на расстоянии 12,8 млрд световых лет, то есть этот монстр уже существовал, когда Вселенной было всего 900 млн лет! Светимость квазара превышает соответствующий показатель Солнца в 420 триллионов раз. Ученые до сих пор не имеют однозначного объяснения существования столь массивных объектов в такие ранние времена

При пересчете на скорость удаления это соответствует 47 тыс. км/c. Почти сразу красное смещение было вычислено еще для нескольких квазаров (например, для 3С 48 z=0,367). С использованием известного закона Хаббла стало понятно, что эти объекты являются внегалактическими и к тому же очень далекими источниками: 3C 273 должен был располагаться на расстоянии 2,4 млрд. световых лет, а 3С 48 — на расстоянии 4,5 млрд. световых лет. Всеобщее расширение Вселенной как причина столь большого z для квазаров сначала вызвала скептицизм в научном сообществе, но под давлением все большего количества наблюдаемых данных такое объяснение довольно быстро стало общепринятым.

Структура активного ядра галактики согласно современным представлениям (адаптация автора). Слева — радиотихое ядро, справа — радиогромкое. Источник: NASA/CXC/M.Weiss

С 1965 года стало понятно, что не все квазары являются мощными источниками в радиодиапазоне. Такие «тихие» объекты назвали квазагами. Более того, уже известные «радиогромкие» квазары составляют всего одну девятую от числа квазагов. Во избежание путаницы сейчас все эти объекты называют квазарами, но уже в значении «квазизвездный объект».

Открытие квазаров (через 4 года после идентификации первых таких объектов их было известно уже 150) поставило перед сообществом астрофизиков задачу поиска физической причины, объясняющей их огромное энерговыделение. Ведь чтобы быть замеченными с такого расстояния, они должны иметь светимость 10³⁸-10⁴¹ Вт! Это превышает светимость обычных звезд в 10¹²-10¹⁵ раз. Благодаря архивам наблюдений почти сразу удалось вычислить ориентировочные размеры квазаров, пользуясь переменностью их блеска и исходя из того, что свет имеет ограниченную скорость. Например, 3C 273 имеет характерную переменность с периодом около недели. То есть область пространства, откуда поступает излучение, не превышает размеры Солнечной системы! Сейчас нам известны квазары с переменностью всего в несколько часов. Таким образом, это не только далекие и мощные образования, но и достаточно компактные.

Согласно современным теоретическим исследованиям и прецизионным наблюдениям в разных диапазонах электромагнитных волн, квазары — это разновидность мощных активных ядер галактик (далее АЯГ). Наибольшим их отличием от «обычных» галактических ядер является наличие сильного излучения в коротковолновой части спектра, то есть от видимого и до гамма-диапазона. Часть АЯГ также интенсивно «светится» в инфракрасном и радиодиапазонах, охватывая, таким образом, весь спектр электромагнитных волн.

За такую активность отвечает присутствие в их центрах сверхмассивных черных дыр (далее НМЧД) с массами от миллионов до десятков миллиардов масс Солнца, на которые падают огромные объемы окружающего вещества. Происходит т.н. процесс аккреции, во время которого материя «закручивается» в диск и вследствие трения между разными его «слоями» разогревается до высоких температур — почти 100 тысяч градусов в регионах, близких к НМЧД — и порождает сильное свечение. Вещество при таких температурах является плазмой. Превращение гравитационной энергии падения на черную дыру в электромагнитное излучение может быть очень эффективным. Например, обычное горение вязанки хвороста (окисление древесины) имеет эффективность всего 10⁻⁷%, термоядерные реакции — до 0,7%, а вот аккреция — от 6% аж до 42%! Следовательно, аккреционные диски являются, по сути, очень эффективными «машинами» по превращению массы покоя в энергию.

Контуры джета квазара 3C 279 в радиодиапазоне, полученные при наблюдениях с помощью радиоинтерферометрической сети VLBI в разные годы. Положение «0» — ядро квазара. Для демонстрации смещения одних и тех же фрагментов их положения соединены сплошными линиями. Источник: Glenn Piner B. et al

Мощное излучение квазаров связано не только с разогревом плазмы аккреционного диска как такового. Взаимодействие элементарных частиц (прежде всего электронов) с высокоэнергетическими фотонами, «столкновение» быстрых электронов и протонов между собой также вносят значительный вклад в особенности спектров квазаров. Отдельным пунктом стоит еще один важный процесс — взаимодействие высокоэнергетических заряженных частиц с магнитным полем. Благодаря этому взаимодействию генерируется мощное излучение в широком диапазоне энергий от полярных выбросов АЯГ в целом и от квазаров в частности. При этом магнитное поле аккреционного диска особым образом взаимодействуя с НМЧД, участвуя в образовании этих выбросов. В литературе их на английский манер называют джетами (jets). Они представляют собой противоположно направленные потоки частиц, способные двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В экстремальных случаях их размеры могут достигать миллионов световых лет. Квазары с проявлениями джетов и сильным радиоизлучением астрофизики называют радиогромкими, и наоборот — те, у которых нет подобных свойств, получили название радиотихих. Уже упомянутый квазар 3C 273 относится к первой категории. Обнаруженная в 1962 году протяженная структура оказалась вылетающим из его центра джетом. Его видимая скорость превышает скорость света в семь раз, но, учитывая ряд геометрических поправок, ученые получили ее реальную величину — 0,1÷0,2 световой, что все равно очень много (30-60 тыс. км/с). А вот для фрагмента D джета квазара 3C 279 наблюдаемая скорость примерно впятеро превышает световую, при этом реальная скорость составляет около 0,98 c.

Комбинированное изображение джета квазара 3C273 в различных диапазонах электромагнитных волн. Синим цветом обозначено рентгеновское излучение, зарегистрированное космической обсерваторией Chandra; зеленым — оптическое, сфотографированное телескопом Hubble; красным — инфракрасное (по наблюдения космического аппарата Spitzer). Показаны также радиоконтуры по данным радиотелескопов VLA. Узел А — ближайший к ядру квазара. Источник: UCHIYAMA Y. et al

Установление того факта, что квазары являются активными ядрами галактик, то есть частями систем уже известных объектов Вселенной, произошло не сразу, хотя у квазара 3C 48 еще в середине 1960-х была обнаружена окружающая его слабая «туманность». Главной помехой стала их огромная удаленность и светимость. Последняя может от нескольких сотен до тысяч раз превышать совокупную светимость всех звезд галактики. Лишь в середине 70-х годов прошлого века исследования с помощью мощнейших оптических телескопов позволили высказать предположение (причем только для ближайших квазаров с z<0,5), что эти объекты не являются отдельными небесными телами, а содержатся в далеких звездных системах.

Изображения двух квазаров в одном линейном масштабе, полученные камерой ACS космического телескопа Hubble. Справа — типичный пример квазара со своей галактикой (расстояние ~1.5 млрд световых лет). Слева — квазар (в центре) на расстоянии ~5 млрд световых лет, материнская галактика которого не отслеживается, но на ее присутствие указывает ряд спектральных исследований. Вверху слева видна сильно искривленная галактическая структура, свидетельствующая о «недавнем» столкновении двух звездных систем. Справа внизу — звезда, принадлежащая Млечному Пути. Источник: NASA/ESA, ESO, Frédéric Courbin (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) & Pierre Magain (Universite de Liège, Belgium)

Окончательное подтверждение этой гипотезы было получено только в 1982 году, когда спектральные наблюдения показали признаки присутствия обычных звезд в окрестностях 3C 48. По мере последующего усовершенствования телескопов ученые смогли открыть достаточно «бурный» мир материнских галактик квазаров.

В спектре квазара PKS 0405-123 (z=0,574) наблюдается поглощение в двух далеких облаках холодного межгалактического газа на разных расстояниях. Цветами обозначены спектральные линии поглощения кислорода и водорода. Источник: NASA/ESA, the Hubble 5M4 ERO Team, and DSS STScl-PRC09-25g

Например, в 2007 году с помощью космического телескопа Hubble группа астрофизиков пришла к выводу, что, по крайней мере, часть квазаров для обеспечения своей активной деятельности должна иметь внешний источник поступления вещества, которым может быть столкновение с молодыми, богатыми газом галактиками. Эти выводы были сделаны после анализа наблюдений ряда квазаров, демонстрирующих в своих спектрах низкое содержание «металлов» — химических элементов тяжелее водорода и гелия. Результаты, полученные другими командами ученых, указывают на реалистичность такого объяснения.

Изображения квазаров, полученные камерой WFPC2 космического телескопа Hubble, на которых прослеживается разнообразие форм «квазарных» галактик. Диапазон красных смещений объектов охватывает интервал от 0,155 до 0,285. Источник: NASA, J. Bahcall (Institute for Advanced Study), M.Disney (University of Wales)

Известно много изображений галактик с квазарами, оказавшимися похожими на облака неправильной формы. Приблизительно двум третям всего количества известных материнских галактик свойственны «правильные» формы, то есть они принадлежат к эллиптическим и спиральным без отчетливых признаков процессов слияния или столкновения с другими галактиками. Таким образом, материал для «кормления» сверхмассивных черных дыр содержится в самих этих системах — столкновения хотя и имеют большое значение, но астрофизикам еще предстоит установить другие механизмы «снабжения материалом» НМЧД. Следует отметить, что получение изображений галактик, содержащих квазары, вследствие высокой яркости последних представляет собой собой непростую задачу даже в наше время, несмотря на постоянное усовершенствование телескопов. Известен даже квазар, для которого это напрямую сделать не удалось.

Довольно часто при линзировании света квазаров более близкими к нам галактиками изображения далеких объектов раздваиваются или даже утраиваются. Примеров, когда таких «отражений» образуется сразу четыре, очень мало. Но такие случаи важны при изучении распределения темной материи во Вселенной. В конце 2019 года было проведено наблюдение сразу нескольких таких гравитационных линз, где количество линзированных изображений квазаров равнялось четырем.

Естественным было бы ожидать, что запасы газа для «подкормки» мощной активности со временем иссякают, и квазар должен «погаснуть». И действительно, в близкой Вселенной астрономы не наблюдают подобных чрезвычайно ярких объектов. Но сверхмассивные черные дыры в центрах галактик никуда не делись — просто часть из них проявляет себя с меньшей активностью и принадлежит к широкому классу близких активных ядер галактик. Среди них есть, например, сейфертовские галактики, названные так по фамилии их первооткрывателя Карла Сейферта (Carl Seyfert). Другая часть либо совсем «погасла», либо проявляет спорадическую активность, как, например, черная дыра в центре нашего Млечного Пути. Подводя итог, можно сказать, что квазары — это активные ядра молодых, богатых газом галактик ранней Вселенной, которые еще только формируются или только что сформировались.

Известно немало двойных квазаров, когда один объект имеет два ярких активных ядра. В 2007 году группа ученых во главе с Джорджем Джорговски открыла первый тройной квазар. После тщательного анализа данных телескопов VLT (Европейская Южная обсерватория, Чили) и Keck I (обсерватория Мауна Кеа, Гавайи) удалось установить, что объект LBQS 1429-008, открытый еще в 1989 году — это три отдельных квазара, расположенных на взаимных расстояниях ~100-150 тыс. световых лет. Это свидетельствует о процессе слияния трех отдельных активных ядер в течение следующих нескольких сотен миллионов лет. Вся система находится на расстоянии 10,5 млрд световых лет

Сейчас нам известно уже свыше сотни тысяч квазаров. Они не только интересны сами по себе, но также приносят большую пользу в космологии, физике высоких энергий и экстремальных состояний вещества, различных направлениях астрофизики. Например, благодаря квазарам удалось обнаружить дальние сверхскопления галактик, установить «узлы космической паутины» крупномасштабной структуры Вселенной. Кроме того, благодаря своей мощности и удаленности эти объекты помогают в поисках обширных резервуаров холодного газа в ранней Вселенной, выступая в роли «подсветки» этих газовых облаков. После прохождения сквозь них свет квазара будет содержать «отпечаток» их присутствия, по которому можно оценить расстояние этих образований и некоторые их свойства. Эти облака фактически являются «строительным материалом» для будущих галактик, поэтому они часто демонстрируют первичный химический состав, без «загрязнения» химическими элементами тяжелее гелия. Кроме того, их пространственное распределение даже позволяет воспроизвести картину распространения темной материи. А экзотический эффект линзирования света квазаров более близкими галактиками или их скоплениями дает возможность найти эту загадочную материю в галактическом гало или определить ее массовую долю в общей массе скоплений.

Самым удаленным из уже известных квазаров считается объект ULAS J134208.10+092838.61, найденный в 2018 году. Он имеет красное смещение z=7,54, что эквивалентно расстоянию 13,1 млрд световых лет, то есть мы видим его в момент, когда Вселенной было всего 690 млн лет! При этом масса его центральной черной дыры оценивается в 800 млн масс Солнца, что очень много для столь ранней эпохи, а светимость квазара превышает солнечную 4×10¹³ раз. Ближайшим известным квазаром является Mrk 231, расстояние до него оценивается в 581 млн световых лет (на снимке)

Открытие квазаров если не совершило революцию, то уж точно внесло значительный вклад в астрофизику. Они демонстрируют нам бурные времена ранней Вселенной, являются «окном» в физические процессы с невероятной энергетикой, а благодаря своей большой яркости и удаленности позволяют изучать свойства межгалактической среды. Даже невозможно представить, какие еще сюрпризы принесут нам эти далекие, но очень важные «квазизвездные» объекты.

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