Як виявили квазари

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

Історія астрономічних відкриттів — це насамперед історія винайдення та вдосконалення приладів для спостереження небесних тіл. Поява оптичних телескопів дала можливість роздивлятися об’єкти більш детально, впровадження фотопластинок дозволило реєструвати набагато слабші зірки й туманності, а також трохи «вийти за межі» спектрального діапазону, до якого чутливе людське око. Серед найважливіших із подібних досягнень, безперечно, є радіоастрономія — техніка, що свого часу відкрила нам зовсім інший Всесвіт із величезним розмаїттям невідомих раніше явищ і структур.

Квазар 3C 273 (в лівому верхньому кутку зображення) та його джет (праворуч внизу)

Навіть за відсутності Місяця та наземних джерел засвічування нічне небо насправді не повністю темне — воно постійно світиться у лініях випромінювання атмосферних газів (але це світіння дуже слабке і наші очі його майже не відчувають). У радіодіапазоні вся небесна сфера теж постійно випромінює на частоті приблизно 160 ГГц, що відповідає довжині хвилі 1,9 мм — це так званий реліктовий мікрохвильовий фон, своєрідне «відлуння» Великого вибуху. На його тлі виділяються більш «яскраві» хмари міжзоряного та міжгалактичного газу, а також порівняно компактні області зореутворення. Але досить велика частина космічних радіохвиль надходить із точкових джерел — найзагадковіших об’єктів, багато з яких ще не розкрили нам усіх своїх таємниць. До них належать і квазари. Власне, сама їхня назва, що являє собою скорочення від quasi-stellar radio source (квазізоряне радіоджерело), містить у собі натяк на «зоряний» вигляд.

Річ у тім, що перші радіотелескопи мали дуже низьку роздільну здатність — вони дозволяли вельми приблизно визначити напрямок, із якого приходить випромінювання, та кутові розміри його джерела. Коли ці показники достатньою мірою покращилися, астрономи зрозуміли, що деякі з радіоджерел дуже малі. Поступово їх почали ототожнювати з об’єктами, знайденими в ході спостережень в інших спектральних діапазонах. Часто це були молоді зірки, що лише формувались, або навпаки — залишки спалахів наднових, які утворюються після завершення активного існування масивних світил. Але в деяких випадках на місці радіоджерела не вдавалося знайти буквально нічого.

Квазар 3C 48

В середині минулого століття всі відомі на той час «небесні радіопередавачі» були зведені у так званий Третій кембриджський каталог і почали позначатися номером із префіксом «3C». У 1960 році, використовуючи нову техніку інтерферометрії, астрономи Алан Сендідж і Томас Метьюс (Allan Sandage, Thomas Matthews) зуміли досить точно визначити положення джерела 3C 48, відкритого незадовго до того. Йому відповідала слабенька зірка в сузір’ї Трикутника, що мала 16-ту зоряну величину, тобто була у 10 тис. разів слабшою за об’єкти, які можна побачити неозброєним оком, але, тим не менше, посилала у простір потужний потік радіохвиль.

Ще цікавіша історія трапилася з джерелом 3C 273. Воно розташоване  у сузір’ї Діви, десь неподалік від екліптики, тому астрономи висловили припущення, що його може час від часу затуляти Місяць під час руху навколоземною орбітою. Такі «покриття» справді вдалося спостерігати. Різниця моментів зникнення та наступної появи радіосигналу, виміряних з двох різних пунктів земної поверхні, дозволила обчислити точні координати 3C 273 та знайти його оптичний відповідник, що мав уже достатньо високий блиск — 12,6m. А це вже дозволяло отримати знімки його спектра за допомогою тогочасної техніки. Тут і сталася головна несподіванка: цей спектр виявився не схожим на жоден з побачених раніше.

Ще до того, як почався розквіт радіоастрономії, завдяки роботам Едвіна Габбла (Edwin Hubble) вчені вже впевнилися в тому, що наш Чумацький Шлях — лише одна з величезної кількості зоряних систем, що населяють Всесвіт, який постійно розширюється, і на достатньо великих просторових масштабах швидкість взаємного віддалення двох об’єктів у ньому пропорційна відстані між ними. Швидкість «розлітання» можна виміряти спектральними методами — за зсувом характерних ліній випромінювання окремих хімічних елементів до більш довгохвильового кінця спектра (його ще називають «червоним зсувом», або англійською — redshift, і позначають латинською літерою z). У спектрі 3C 273 цей зсув виявився настільки великим, що лінії випромінювання водню, які зазвичай перебувають в ультрафіолетовому діапазоні, «переповзли» до його видимої частини. Для 3C 48 цей показник виявився навіть більшим і відповідав відстані майже 4 млрд світлових років. Настільки далекі об’єкти астрономам ще не зустрічалися…

Фотографія квазара 3C 273, зроблена за до- помогою вдосконаленої оглядової камери ACS космічного телескопа Hubble. Найяскравішу частину квазара було «затулено» спеціальним непрозорим екраном (коронографом). Це дозволило роздивитися його «околиці» — ту- манність неправильної форми. За багатьма ознаками, насправді це далека галактика, що «постачає» матерію для «живлення» суперма- сивної чорної діри у своєму центрі. Ліворуч — знімок 3C 273, зроблений наземним телескопом (рамкою обведене поле правого зображення) R.C. Джерело:Thomson, IoA, Cambridge, UK;C.D. Mackay, IoA, Cambridge, UK;A.E. Wright, ATNF, Parkes, Australia

Аби за такої відстані видавати видимий блиск, навіть більший, ніж у багатьох зірок нашої Галактики, джерело випромінювання мусить мати неймовірно велику потужність. Наприклад, у вже згаданого квазара 3C 273 вона у чотири трильйони разів перевищує сонячну. Уявити собі, що стільки енергії випромінює «звичайна» зірка (навіть дуже масивна й гаряча), було неможливо. Довелося шукати ефективніші механізми енерговиділення, серед яких називали, наприклад, наявність у деяких місцях Всесвіту локальних скупчень антиматерії, яка постійно анігілює з «нормальною» речовиною з повним перетворенням маси на енергію. Врешті-решт учені знайшли найкраще пояснення: ним стало падіння великих обсягів матерії на супермасивні чорні діри. Цей механізм запропонували у 1964 році американський астрофізик австрійського походження Едвін Зальпетер (Edwin Salpeter) і радянський фізик Яків Зельдович.

З появою великої кількості потужних оптичних та радіотелескопів кількість відомих радіоджерел із великими значеннями z — саме так можна описати основні характеристики об’єктів, що отримали назву «квазарів» — почала швидко зростати, а це, у свою чергу, зумовило потребу певної диференціації уже всередині цього класу. Наприклад, до особливої категорії віднесли джерело, що спочатку вважалося змінною зіркою та отримало позначення BL Ящірки. Коли знайшли ще кілька схожих об’єктів, їм дали назву «блазари». Паралельно вдосконалювалася й техніка спостережень. У 1982 році на зображенні, синтезованому за результатами роботи декількох радіоантен, вперше вдалося помітити дві «пелюстки» у квазара 3C 48. Нині ми вже знаємо, що це так звані джети — високошвидкісні струмені речовини, яка у процесі падіння на супермасивну чорну діру та взаємодії з оточуючим її акреційним диском була викинута назад у космічний простір. Подібні структури (але меншого розміру) на той час уже спостерігалися в інших, більш близьких галактиках, що містять у своїх центральних областях чорні діри з масами порядку мільйонів сонячних. Це стало одним із головних доказів «чорнодірного» механізму випромінювання квазарів.

Ліворуч — зображення квазара PKS 1127-145 та його околиць, отримане в оптичному діапазоні космічним телескопом Hubble. Власне квазар видно як найяскраві- шу «зірку» з чотирма «променями» у правому нижньому куті. Він перебуває на відстані приблизно 10 млрд світ- лових років. На цій фо- тографії помітно також багато більш близьких галактик, що практично не проявляють себе на правому знімку, зроби- леному рентгенівським телескопом Chandra. Натомість квазар і один із його джетів у цьому діапазоні стають домі- нантою поля зору

У 1990 році розпочав свою роботу космічний телескоп Hubble, який невдовзі зробив ще один крок до розуміння природи цих загадкових об’єктів — він сфотографував невелику «туманність» неправильної форми, що оточує яскраве «ядро» квазара 3C 273. Стало очевидним, що це насправді ядро дуже далекої галактики, яка перебуває на стадії формування.

Надалі квазарів відкривали все більше, і червоний зсув у спектрах деяких із них свідчив про те, що вони розташовані від нас на величезних відстанях. Поточний «рекордсмен» — ULAS J1342+0928 2017 у сузір’ї Волопаса — має z=7,54, тобто світло від нього йшло до нас більш ніж 13 млрд років, і ми спостерігаємо його у той момент, коли від народження нашого Всесвіту минуло лише 690 млн років. Звичайно, весь цей час квазар не «стояв на місці», а продовжував віддалятися, тому зараз відстань до нього складає майже 30 млрд світлових років.

Чим більшою ставала чутливість астрономічних інструментів, тим більше вчені знаходили квазарів. Стало зрозумілим, що це насправді досить типове явище для ранніх етапів еволюції Всесвіту. Дуже ймовірно, що всі великі галактики (у тому числі й наш Чумацький Шлях) в епоху свого формування проходили «квазароподібну» стадію, коли їхня центральна супермасивна чорна діра поглинала величезні об’єми навколишньої речовини та швидко зростала, утворюючи головну «точку притягання» майбутньої зоряної системи.

Вивчення квазарів супроводжувалося й іншими цікавими відкриттями. Наприклад, поблизу деяких із них знайшлися «двійники» з абсолютно аналогічним спектром та кривою блиску, «зсунутою» в минуле на певний фіксований проміжок часу. Між такими «квазарами-близнюками» розташовувалася більш близька масивна галактика. Вчені зрозуміли, що в даному разі ми маємо справу з ефектом гравітаційного лінзування — викривлення променів світла під дією гравітації масивного об’єкта, який перебуває між джерелом випромінювання та спостерігачем. У результаті фотони, випущені квазаром, йдуть до нас двома шляхами трохи відмінної довжини, утворюючи два майже ідентичні зображення. Втім, таких зображень може бути й більше: у 1985 році група дослідників під керівництвом Джона Гухри (John Huchra) сфотографувала далеку зоряну систему в сузір’ї Пегаса, оточену чотирма «віддзеркаленнями» квазара, на який вона випадково спроєктувалася. Оскільки цей ефект був передбачений ейнштейнівською Теорією відносності, цей тепер уже класичний випадок отримав назву «Хрест Ейнштейна».

«Хрест Ейнштейна» — квазар Q2237+030. Між чотирма його «віддзеркаленнями» видно лінзуючу галактику

Гравітаційне лінзування дає можливість більше дізнатися про властивості квазарів, уточнити відстань до них і побачити слабші об’єкти, що за відсутності «природної лінзи» перебували би за межами досяжності наявних астрономічних інструментів. Зараз у вивченні цих загадкових радіоджерел беруть участь багато телескопів — як наземних, так і космічних (останні дозволяють вести спостереження в ультрафіолетовому, інфрачервоному та рентгенівському діапазонах спектра, для яких земна атмосфера непрозора). Загальна кількість відомих квазарів уже перевищила 200 тисяч і продовжує зростати. Вони приховують ще багато таємниць, водночас дозволяючи знайти відповіді на інші питання, пов’язані з еволюцією нашого Всесвіту та його структурою на великих масштабах. Наприклад, з їхньою допомогою вчені зараз намагаються з’ясувати, коли завершилася так звана реіонізація міжгалактичного нейтрального газу — ця інформація дуже важлива під час моделювання механізмів утворення перших зірок, планетних систем і галактик. Додатковим потужним інструментом тут можуть стати спеціалізовані обсерваторії для реєстрації гравітаційних хвиль (першими з них стали американська LIGO та європейська Virgo), що можуть «побачити» наслідки взаємодії та зіткнення супермасивних чорних дір. Цю техніку астрономи лише почали опановувати, але вже зрозуміло, що вона також здатна подарувати нам багато відкриттів.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine