Реферат: Квазари – сама вражаюча загадка астрофізики
Розвиток рентгенівської астрономії допоміг встановити, що більшість квазарів виявилася могутніми рентгенівськими джерелами. Деякий натяк на це можна було помітити ще в результаті найперших рентгенівських наглядів квазара 3С273, а в останніх дослідженнях обсерваторії “Ейнштейн” (“НЕАО-В”) було знайдено вже більше 100 квазарів з сильним рентгенівським випромінюванням.
Виходячи з цих наглядів, вважають, що на відміну від радіовипромінювання рентгенівське випромінювання – характерна властивість квазарів.
Кратні квазари
Особливу увагу астрофізиків і фізиків привернули кратні (подвійні, потрійні) квазари: подвійний квазар в сузір'ї Великої Ведмедиці (1978), потрійний квазар в сузір'ї Льва (1980) і такий же квазар в сузір'ї Риб (1981). Кожний з об'єктів був квазарів-близнят, розташованих один від одного на відстані декількох кутових секунд, що мають дуже схожі спектри і червоні зсуви. Проте, ймовірно, перераховані квазари не є “істинні” кратні квазари, а лише зображення відповідного джерела. Розщеплювання одного зображення на декілька відбувається під дією гравітаційного поля масивної галактики, що виявилася на шляху між квазаром і нами. Проміння світла від квазарів може викривлятися під дією гравітації галактик, що грають роль джерел гравітаційного фокусування. Такі гравітаційні лінзи можуть спотворювати форми далеких галактик, що, на думку деяких учених, відкриває нові можливості дослідження великомасштабних неоднорідностей в розподілі речовини у Всесвіті.
Не виключено, що ефект гравітаційної лінзи в деяких випадках створюють не далекі галактики, а масивні чорні діри. Індійські астрофізики Г. Падманабхан і С. Читре обернули увагу на випадки, коли видно подвоєне зображення квазара, а галактики, що викликала це явище, поблизу не знайдено. Ось і з'явилася гіпотеза про те, що ефект створюють практично точкові чорні діри з масою, в мільйон раз перевершуючої масу Сонця. Оскільки дотепер ніде жодна чорна діра не знайдена, то поки важко сказати, наскільки близька до істини така гіпотеза.
Питання про те, чи існують в природі “істинні” подвійні квазари, залишається предметом досліджень і дискусій.
Радіоструктура квазарів
Радіоструктура квазарів багато в чому нагадує радіогалактики, так що звичайно по одній лише цій структурі відрізнити квазари неможливо. Так само, як і у радіогалактик, дуже часто спостерігаються подвійні радіоджерела, між якими знаходиться компактний, іноді змінний, радіоджерело, співпадаюче по своїх координатах із зіркоподібним оптичним об'єктом - квазаром. В дуже окремих випадках у найближчих квазарів біля зіркоподібного об'єкту спостерігаються дуже слабкі протяжні утворення. Від квазара 3С 273 виходить слабкий струмінь - викид протяжністю близько 20". На такій величезній відстані цим кутовим розмірам відповідає лінійна протяжність близько 100 тисяч світлових років. Цей струмінь, крім оптичного випромінювання, випромінює також радіохвилі, так що квазар 3С 273 можна розглядати як подвійне радіоджерело. Слід помітити, що аналогічні викиди спостерігаються також і у деяких радіогалактик. Особливо цікавий викид у однієї з найближчих до нас радіогалактик, про яке йтиметься далі.
Важливим питанням є приналежність квазарів до скупчень галактик. Довгий час не можна було вирішити питання в позитивному значенні. Це і зрозуміло, адже квазари випромінюють в сотні раз інтенсивніше за "нормальні" галактики, тому останні, що знаходяться в тому ж скупченні, будуть дуже слабкі, щоб вивчатися спектроскопічно. Адже критерієм приналежності до одного скупчення є однаковий червоний зсув у галактик і квазарів. Тільки для небагатьох, порівняльно близьких квазарів, вдалося знайти скупчення галактик, в яких вони знаходяться.
В даний час відома і занесена в каталоги понад тисячу квазарів, що і дозволяє виконати їх статистичний аналіз. Перш за все, вдалося побудувати "функцію світимості" квазарів, тобто їх розподіл по потужності випромінювання. З неї виходить, що відносна кількість квазарів убуває у міру зростання потужності їх випромінювання. Найважливішим результатом таких статистичних досліджень є висновок про те, що на більш ранніх етапах еволюції Вселеної, коли її розміри були в 3-5 разів менше нинішніх, квазарів було набагато більше, ніж зараз. В ту віддалену епоху квазарів було майже стільки ж, скільки і "нормальних" галактик. Не можна виключити гіпотезу, що тоді всі галактики були квазарами! Цей важливий висновок, проте, має потребу для свого підтвердження в нових наглядах.
Звертає на себе увагу та обставина, що кількість квазарів, починаючи із значенням червоного зсуву, що перевершує деяку межу (відповідний збільшенню довжини хвилі в 4,5 - 5 разів), різко падає. Звичайно, не можна виключити чисто інструментальну причину цього явища, проте цілком можливо, що квазари з великими червоними зсувами просто відсутні. Така відсутність природніше всього пояснити тим, що якраз в цю епоху розвитку Всесвіту утворювалися шляхом конденсації газу галактики. До цього (тобто при великому червоному зсуві) ні галактик, ні квазарів просто не було. Такий висновок, звичайно, мав би дуже велике значення для проблеми еволюції Вселеної, оскільки дозволив би уточнити епоху формування галактик, а отже, і зірок. Потрібні, проте, ще нові високоякісні нагляди, щоб його підтвердити.
Вище ми вже говорили про змінність оптичного випромінювання квазарів. Як крайній прояв такої змінності слід згадати про "спалах" квазара 3С 279. В даний час він спостерігається як злегка змінна слабка зірочка 18-й величини. Проте на старих астрономічних фотографіях довоєнного часу (тобто задовго до відкриття квазарів) цей об'єкт виявився істотно більш яскравим - майже 13 величини! Це означає, що він був яскравіше, ніж тепер, в сотню раз! Знаючи по червоному зсуву відстань 3С 279, можна знайти, що під час "спалаху" його світимість була майже в сотню раз більше, ніж у 3С 273 і в десять тисяч раз більше, ніж у нашої Галактики! І при цьому розміри випромінюючої області нікчемно малі, менше світлового року. В даний час квазар 3С 279 вважається наймогутнішим "маяком" Всесвіту. Ми бачимо, що розкид значень світимостей об'єктів метагалактик надзвичайно вели майже такій же, як у зірок!
Велике значення для розуміння природи квазарів мають дослідження змінності їх радіовипромінювання, особливо на сантиметровому діапазоні. При цьому було показано, що моменти максимуму потоку випромінювання повинні мінятися закономірним чином із зміною довжини хвилі. Так само повинен мінятися і сам характер радіоспектру (діаграма на 15 стор., де приведені результати наглядів спектрів квазарів в різні моменти часу). На підставі теорії синхротронного випромінювання можна по відомій частоті, відповідній максимуму радіовипромінювання, і величині максимального потоку визначити кутові розміри джерел радіовипромінювання, які виявляються порядку тисячних часток секунди дуги. Знаючи (по величині червоного зсуву) відстані до квазарів, можна тепер знайти лінійні розміри пов'язаних з ними компактних радіо-джерел. Встановлено, що їх розміри менше одного світлового року, у згоді з оцінками, одержаними на основі аналізу змінності потоку.
Дотепер ми говорили тільки про радіо і оптичному випромінюванні квазарів і радіогалактик. Тим часом, в останнє десятиріччя все більше значення придбаває дослідження рентгенівського випромінювання цих об'єктів метагалактик. Вперше рентгенівське випромінювання від позагалактичного об'єкту було знайдено ще в 1971 р. на першому спеціалізованому рентгенівському супутнику "Ухуру", що заклав основи сучасної рентгенівської астрономії. Цим об'єктом позначилася одна з найближчих радіогалактик NGC 4486. Іншим рентгенівським джерелом метагалактики виявилася яскрава сейфертовська галактика NGC 4151. Не підлягає сумніву, що випромінює активне ядро цієї галактики. Незабаром був знайдений слабкий потік рентгенівського випромінювання і від першого відкритого квазара 3С 273, а також від радіогалактики Либідь-А. Новий етап у вивченні позагалактичних рентгенівських джерел наступив в 1979 р., після запуску космічної лабораторії імені Ейнштейна. На цій обсерваторії чутливість приймальної рентгенівської апаратури була в 1000 разів вище, ніж на "Ухуру", при дуже хорошій кутовій роздільній здатності. В результаті виявилося можливим здійснити масове визначення рентгенівського випромінювання великої кількості квазарів, а також сейфертовських галактик. Крім того, був одержаний великий наглядовий матеріал по рентгенівському випромінюванню скупчень галактик, що представляє особливий інтерес.
Всього було досліджено рентгенівське випромінювання більш ніж 100 квазарів і велику кількість сейфертовських галактик і скупчень. Практично всі квазари є джерелами рентгенівського випромінювання, потужність якого міняється в широких межах, від сотих часток повного випромінювання нашої Галактики до значень, в тисячу раз перевершуючих повну потужність Галактики. Як правило, рентгенівське випромінювання квазарів змінне; це указує (як у разі радіовипромінювання), що воно виникає в малій області. Наявність могутнього рентгенівського випромінювання квазарів і активних ядер галактик свідчить про грандіозні процеси, пов'язані з нагрівом газу до температури порядка сотні мільйонів градусів, що відбуваються там. Мабуть, частина рентгенівського випромінювання не пов'язана з гарячою плазмою, а створюється релятивістськими електронами, що взаємодіють з полем випромінювання великої густини (явище Комптона). В даний час, комбінуючи тільки рентгенівські і оптичні нагляди, вдалося відкрити ряд нових квазарів. Це наочно демонструє, що "проникаюча" здатність рентгенівської астрономії може бути навіть вище, ніж у радіоастрономії.
Знайшлися ''зниклі'' квазари
В 2000 році група австралійських астроном на чолі з Р.Уебстер (R.Webster; Мельбурнській університет) прийшла до вельми несподіваного висновку: серед всіх існуючих у Всесвіті квазарів біля 80% залишаються невідкритими. Як відомо, квазар - неймовірно могутнє точкове джерело радіовипромінювання; по одній з гіпотез, він є видаленою активною галактикою, яка одержує енергію в результаті аккреції речовини на надмасивну чорну діру, що знаходиться в центрі квазара. Провівши нагляди декількох стільників квазарів, австралійські учені знайшли, що випромінювання біля 80% з них надзвичайно сильно зсунуте в червону частину спектру. Астрономи ж, що працюють з оптичними приладами, шукають квазари, як правило, серед голубих об'єктів. Якщо більшість квазарів - червона, значить, основна їх маса нам все ще невідома. Проте в березні 1996 р. англійські астрономи С.Серджент і С.Ролінгс "заспокоїли " своїх колег, показавши, що квазари, що спостерігалися австралійськими ученими, "нетипові ". Уебстер і її співробітники вважали, що "почервоніння " об'єктів, що вивчаються, викликано космічним пилом, присутнім в будь-якій біляквазарной області. Проте англійські астрономи указують, що квазари, що спостерігалися австралійцями, володіють плоскими, "сплюснутими " радіоспектром. Іншими словами, спектральна яскравість їх випромінювання в радіодіапазоні з підвищенням частоти знижується дуже поволі. А це вважається важливою ознакою таких об'єктів. Квазари, що вивчалися групою Уебстер, сильно випромінюють на високих радіочастотах - в червоній області оптичного спектру. У такому разі спостережуване червоне випромінювання викликається не космічним пилом, а має ту ж синхротронну природу, що і радіовипромінювання квазарів: заряджені електрони випромінюють, рухаючись з релятивістською швидкістю по спіралі уздовж магнітно-силових ліній. Але при цьому збуджується лише плоский спектр червоного випромінювання, що характерне лише для невеликої групи квазарів. Таким чином, число "упущених " астрономами квазарів ніяк не може бути значним.
Астрономи нарешті побачили квазари другого типу
Припущення про існування квазаров другого типа було вперше озвучено на початку 80-х років, коли була побудована єдина модель квазарів і інших яскравих об'єктів, що підживляються енергією від масивних черных дыр.
Звичайні квазари знаходяться на відстані декількох мільярдів світлових років від Землі. Квазар другого типу, як і звичайний квазар, є дуже яскравим джерелом рентгеновского і іншого випромінювання, але на відміну від перших оточені хмарою газу і пилу, яка зменшує його яскравість видимому діапазоні довжини хвиль. Інакше кажучи, до недавнього часу побачити квазар другого типу нікому не вдавалося.
І ось на днях людський погляд вперше поглянув на цей астрономічний об'єкт. За заявою астрономів, ця знахідка є важливим кроком на шляху до розуміння того як на зорі існування Всесвіту утворили чорні діри і галактики. В роботах брали участь фахівці з декількох обсерваторій з різних країн світу, у тому числі з університету Джонса Хопкинса і Південної європейської Обсерваторії. Для пошуку квазара другого типу були використані рентгеновский космический телескоп "Chandra" і наземний Великий Телескоп Very Large Telescope (VLT) з Південної європейської обсерваторії в Чилі. Знайдений квазар другого типу розташований в південному созвездии Печь на відстані 9 мільярдів світлових років від Землі.
В кожній галактиці квазар в центрі
Квазари — це яскраві джерела випромінювання в оптичній і інших частинах спектру. Звичайно вони знаходяться в центрі якої-небудь галактики. Серед астрофізиків поширена думка, що квазар є порівняно невеликим гарячим газовим диском, що оточує чорну діру, маса якої може складати 1011мас Сонця.
Недавно фахівці вважали, що радіогалактики влаштовані інакше, ніж “квазарні”. Проте, після того, як знайшли в центрі радіогалактики Лебідь А, розташованої в 750 млн. св. років від нас, крихітне джерело інфрачервоного випромінювання, співпадаюче з радіоджерелом, думка кардинально помінялася щодо пристрою всіх галактик. Інфрачервоне джерело схоже на квазар, але він дивно слабкий і невидимий в оптичній області.
Відомо, що яскравість квазара в інфрачервоному промінні пропорційна його інтенсивності в рентгенівському діапазоні. Галактика Либідь А — могутнє джерело рентгенівського випромінювання.
Відповідний йому але інтенсивності квазар був би повинен був випромінювати в інфрачервоному діапазоні в 200 разів сильніше, ніж спостерігається. Такий квазар можна б було легко спостерігати в оптичному діапазоні.
Надалі, учені прийшли до висновку, що в центрі радіогалактики Лебідь А розташований саме квазар, проте, він екранується тороїдальною хмарою газу і космічного пилу (“бубликом”).
Встановлено, що інфрачервоне джерело в центрі Лебедя А лежить за щільною водневою хмарою. Очевидно, воно і є частина того ж “бублика” з діаметром близько 10 св. років, який був раніше знайдений. Із Землі “бублик” видний з торця, тому випромінювання, що йде до нас з центру галактики, повинне пройти крізь досить щільне скупчення матерії. Згідно наглядам астрономів, скупчення пропускає не більше 1/200 всього інфрачервоного випромінювання, поступаючого з об'єкту, що знаходиться усередині нього. Якби не ця обставина, квазар, що лежить в центрі Лебедя А, виглядав би в 10 разів яскравіше, ніж навколишня його галактика. Цей квазар — рядовий серед подібних об'єктів, але він, мабуть, найближчий до нас. Наступний за ним по відстані квазар ЗС 273 володіє в 30 разів більшою світимістю.
Відкриття підтверджує те, що було дотепер чисто теоретичним твердження, згідно якому всі активні галактики влаштовані в основному однаково, але при нагляді із Землі вони можуть виглядати різно — залежно від своєї орієнтації щодо нас.