150 (Квазари – сама вражаюча загадка астрофізики)

Квазари – сама вражаюча загадка астрофізики

В 1963 р. американський астроном голландського походження М. Шмідт зробив одне з найбільших відкриттів в астрономії ХХ в. Це відкриття, проте має свою передісторію. Близько 1960 р. невелика кількість радіоджерел було дуже надійне ототожнено із зірками, що було повною несподіванкою. Адже дотепер космічні радіоджерела ототожнювалися або з галактиками, або з туманностями . Очікувані потоки радіовипромінюванні навіть від найближчих зірок повинні бути украй незначні. А тим часом ототожнені із зірками радіоджерела були досить інтенсивні. Цілком природно, що астрономи-оптики зразу ж зацікавилися цими зірками. М. Шмидт одержав і дослідив спектр такої досить яскравої зірки 13-й величини, ототожненої з інтенсивним радіоджерелом 3С 273. Цей спектр містив лінії випромінювання, які спочатку ні з якими лабораторними лініями ототожнити не вдавалося. Велике ж був подив астрономів, коли Шмідт з повною достовірністю ототожнив ці лінії з основними лініями водню серії Бальмера, довжини хвиль яких зміщені в червону сторону на нечувану за тих діб величину, відповідну швидкості видалення джерела 42000 км/с! Така швидкість видалення з великою вірогідністю означає, що об'єкт 3С 273 знаходиться в Метагалактиці, а спостережуваний червоний зсув спектральних ліній обумовлений розширенням Всесвіту. Застосовуючи закон Хаббла одержимо відстань до цього джерела близько двох мільярдів світлових років. З такими відстанями астрономи ще тоді не зустрічалися. Тим більше дивно, що, не дивлячись на громадність відстані, об'єкт 3С 273 досить яскравий. Звідси витікає, що світимість 3С 273 приблизно в сто разів перевищує світимість нашої Галактики, гігантською зоряною системою, що вважається. З об'єктами такої високої світимості астрономи тоді ще не зустрічалися. Слід помітити, що дивні властивості об'єкту 3С 273 були відкриті тільки завдяки тому, що він виявився радіоджерелом. На небі є багато тисяч зірочок 13-й величини, і серед них об'єкт 3С 273, багатократно потрапляючий в полі зору оптичних телескопів і довгі роки рішуче нічим не привертаючий до себе уваги. Зразу ж після з'ясування природи метагалактики 3С 273 автор цієї статті прийшов до парадоксального висновку, що блиск 3С 273 може мінятися з часом. Радянські астрономи А.С.Шаров і Ю.Н.Ефремов ретельно досліджували старі фотографії неба, на які випадково потрапляв цей об'єкт. Ці фотографії зберігалися в "скляній бібліотеці" Державного Астрономічного інституту їм. Штернберга. Результати перевершили найсміливіші очікування: 3С 273 міняв свій блиск за декілька років майже на цілу зоряну величину, тобто приблизно в 2.5 рази! Незабаром це відкриття радянських учених було підтверджено на більш багатому наглядовому матеріалі в США.

Відкриття змінності 3С 273 було дійсне парадоксальним. Донині змінність астрономи знаходили і вивчали у зірок різних типів. Але ж, здавалося, 3С 373 - це галактика, що складається з трильйонів зірок, кожна з яких, звичайно, повинна випромінювати незалежно. Отже про змінність "згладженого" і усередненого за часом випромінювання такої величезної кількості зірок не могло бути і мови! Та все ж змінність, і притому значна, була в наявності! З того простого факту, що характерний час зміни потоку (а, отже, світимості) був біля 1 року, з очевидністю витікало, що лінійні розміри випромінюючої області не перевищують 1 світловий рік - величина, нікчемно мала для галактик. Звідси слідував висновок, що випромінюють не зірки, а щось інше. Відносно цього "іншого" можна було тільки сказати, що це об'єкт, до певної міри близький по своїй природі ядрам сейфертовських галактик, але тільки в тисячі раз могутніше і активніше. До речі, помітимо, що історично змінність блиску ядер сейфертовських галактик була відкрита пізніше, а саме дослідження цих галактик в значній мірі стимулювалося дослідженням об'єктів, споріднених по своїй природі 3С 273 і "квазарів", що одержали назву, “квазізоряні радіоджерела” ("квази-зоряні" об'єкти).

Відстань до квазарів

У міру накопичення даних наглядів більшість астрономів прийшла до висновку, що квазари далі від нас, ніж будь-які інші об'єкти, доступні наглядам. Але невелика частина астрономів затверджувала, що найпереконливіші дані наглядів говорять про просторову близькість квазарів і не дуже далеких галактик.

Червоний зсув

Більшість квазарів інтенсивно випромінює радіохвилі. Коли астрономи точно визначили положення цих радіоджерел на фотографіях, одержаних у видимому світлі, вони знайшли зіркоподібні об'єкти.

Щоб встановити природу дивних небесних тіл, сфотографували їх спектр. І побачили зовсім несподіване! Ці “зірки” мали спектр, різко відмінний від всіх інших зірок. Спектри були абсолютно незнайомими. У більшості квазарів вони не містили не тільки добре відомих і характерних для звичайних зірок ліній водню, в них взагалі з першого погляду не можна було знайти жодній лінії навіть якого-небудь іншого хімічного елемента. Працюючий в США молодий голландський астрофізик М.Шмідт з'ясував, що лінії в спектрах дивних джерел невпізнанні лише тому, що вони сильно зміщені в червону область спектру, а насправді це лінії добре відомих хімічних елементів (раніше всього водню).

Причина зсуву спектральних ліній квазарів була предметом великих наукових дискусій, у результаті яких пригнічуюче більшість астрофізиків прийшли до висновку, що червоний зсув спектральних ліній пов'язаний із загальним розширенням Метагалактики.

В спектрі об'єктів 3С273 і 3С48 червоний зсув досягає небувалої величини. Зсув ліній до червоного кінця спектру може бути ознакою видалення джерела від спостерігача. Чим швидше віддаляється джерело світла, тим більше червоний зсув в його спектрі.

Характерний, що в спектрі практично всіх галактик (а для далеких галактик це правило не має жодного виключення) лінії в спектрі завжди зміщені до його червоного кінця. Червоний зсув пропорційний відстані до галактики.

Швидкість видалення

У найдальших з відомих до цих галактик червоний зсув вельми великий. Відповідні йому швидкості видалення вимірюються десятками тисяч кілометрів в секунду. Але у об'єкту 3С48 червоний зсув перевершив всі рекорди. Вийшло, що він несеться від Землі з швидкістю тільки приблизно удвічі менше швидкості світла! Якщо вважати, що цей об'єкт підкоряється загальному закону червоного зсуву, легко обчислити, що відстань від Землі до об'єкту 3С48 рівна 3,78 млрд. світлових років! Наприклад, за 8 1/3 хвилин промінь світла долетить до Сонця, за 4 роки – до найближчої зірки. А тут майже 4 млрд.рок безперервні надстрімкі польоти – час, порівнянний з тривалістю життя нашої планети.

Для об'єкту 3С196 відстань, також знайдена по червоному зсуву, вийшла рівною 12 млрд. світлових років, тобто ми уловили промінь світла, яке було послане до нас ще тоді, коли ні Землі, ні Сонця не існувало! Об'єкт 3С196 дуже швидкий – його швидкість видалення по променю зору досягає 200 тисяч кілометрів в секунду.

Вік квазарів

За сучасними оцінками, віки квазарів вимірюються мільярдами років. За цей час кожний квазар випромінює величезну енергію. Нам невідомі процеси, які могли б служити причиною такого енерговиділення. Якщо припустити, що перед нами надзірка, в якій “згоряє” водень, то її маса повинна в мільярд раз перевищувати масу Сонця. Тим часом сучасна теоретична астрофізика доводить, що при масі більш ніж в 100 разів перевищуючої сонячну, зірка неминуче втрачає стійкість і розпадається на ряд фрагментів.

З відомих нині квазарів, загальне число яких більше 10 000, найближчий видалений на 260 000 000 світлових років, найдальший – на 15 млрд. світлових років. Квазари, мабуть, найстаріші з об'єктів, спостережуваних нами, оскільки з відстані в мільярди світлових років звичайні галактики не видні ні в один телескоп. Проте це “живе минуле” поки що вчинено незрозуміло нам. Природа квазарів дотепер повністю не з'ясована.

Надзвичайна світимість

Підкоряючись тому ж закону космологічного видалення, що і галактики, джерела 3С273 і 3С48 самі по собі сильно відрізняються від звичайних галактик, подібних нашій Галактиці. Перш за все вражає їх надзвичайна світимість, в сотні раз перевищуюча світимість нашої Галактики.

Здавалося б, об'єкти, такі далекі від Землі, повинні бути доступними лише спостерігачу, озброєному наймогутнішими сучасними телескопами. Насправді, наприклад, об'єкт 3С273 можна знайти в сузір'ї Волосся вероніки як зірочку 12,6 зоряної величини. Такі зірки доступні навіть любительським телескопам.

Таємним є і той факт, що за своїми розмірами квазари явно менше галактик: адже вони виглядають як точкові джерела світла, тоді як навіть найдальші галактики схожі на розмиті плями, що світяться.

Джерело енергії

Якими ж жахливими по потужності випромінювання повинні бути ці джерела світла, якщо з відстані в мільярди світлових років вони здаються такими яскравими!

Найважче питання, пов'язане з квазарами, - це пояснення гігантського виділення енергії. Якщо квазари і справді знаходяться на космологічно великих відстанях від нас (тобто червоний зсув дійсно пов'язаний з розширенням Всесвіту), то потрібно пояснити, як виникає ця найсильніша світимість. Залишається загадкою, яке ж джерело енергії підтримує свічення квазара. Ясне одне, що який би не було це джерело, зосереджений він у відносно невеликій області простору, тобто достатньо компактний. А це саме по собі вже говорить про те, що механізм виділення енергії в квазарі вельми незвичайний.

Багато астрофізиків вважають, що квазари пов'язані з ядрами галактик, що знаходяться на певному ступені еволюції. Наприклад, ядро галактики М87 набагато яскравіше за її зовнішні частини. Але є галактики і інших типів, так звані сейфертовськи галактики, у яких контраст яскравого ядра з рештою слабосвітної частини виражений ще більш різко. Можливо, квазари – наступний ступінь цієї послідовності. Якщо вони розташовані дуже далеко, то ми бачимо тільки їх яскраве ядро, слабка ж оболонка (якщо вона взагалі є) просто зовсім не видна.

Висловлюється також припущення, що, як і в галактиці М87, виділення енергії в квазарах, можливо, пов'язано з наявністю надмасивних чорних дір. Починаючи з серединою 70-х років ідея про те, що гігантське виділення енергії в квазарах пояснюється чорними дірами, придбала велику популярність.

Процес виділення енергії теж пов'язують з роботою сил тяжіння, а радіовипромінювання квазара – це синхротронне випромінювання заряджених частинок в магнітному полі.

Деякі астрономи вважають, що потоки енергії від квазарів значно нижче, оскільки відстані до них сильно перебільшені. Якщо квазари, скажімо, в 100 разів ближче до нас, ніж ми думаємо, то ми завищуємо в 10 000 разів їх світимість при розрахунках потужності випромінювання по їх спостережуваній яскравості. Астрономи, які дотримуються цієї точки зору, виходять з того факту, що квазари часто видні на небі поряд з пекулярними (незвичайними) галактиками. Ці галактики, хоча і дещо незвичайні по своїй структурі, мають звичайні червоні зсуви, яким відповідають швидкості видалення, рівні декільком відсоткам від швидкості світла. А квазари, розташовані на небі поблизу від них, мають червоні зсуви в 10 – 20 разів більше!

Якщо квазари знаходяться по сусідству з досить близькими галактиками, ніж пояснити їх величезні червоні зсуви? Єдине розумне пояснення – ефект Доплера, але чому ми завжди спостерігаємо лише червоний зсув (видалення) і ніколи – фіолетове (наближення)? І як речовина могла бути викинуте (завжди в напрямі від нас!) з такими величезними швидкостями і зберегти при цьому форму єдиного об'єкту?

Відповідь свідчить: це нікому невідомо. За 15 років не вдалося визначити ні відстані до квазарів, ні їх природу і джерела їх колосальної енергії. Можливо, загадка квазарів таїть в собі ключ до якоїсь нової області астрофізики, якісь нові можливості виникнення великих червоних зсувів в невідомих нам ситуаціях або нові способи генерації гігантських енергій, якщо квазари знаходяться дуже далеко. Сподіватимемося, що в подальші роки нам вдасться подолати ці труднощі в поясненні природи видалених областей Всесвіту, в яких розташовані квазізоряні об'єкти. А зараз ми можемо тільки сказати: мабуть, це природні, а не штучні астрономічні об'єкти, оскільки поки не зрозуміло, як цивілізація могла б “зробити” квазар.

Змінність і розмір

Ще одна загадка квазарів полягає в тому, що деякі з них міняють свою яскравість з періодом в декілька діб, тижнів або років, тоді як звичайні галактики не знаходять таких варіацій.

Московські астрономи А.С.Шаров і Ю.Н.Ефремов вирішили з'ясувати, як поводилися у минулому “дивні зірки”. Вони уважно проглянули 73 негативи, на яких з 1896 по 1963 р. був відображений об'єкт 3С273. Висновок, до якого прийшли радянські учені, можна вважати цілком достовірним. А він вражаючий. Виявилося, що 3С273 міняв свою яскравість! І не трохи, а дуже помітно – від 12,0 до 12,7 зоряних величин, тобто майже в два рази. Бували випадки (наприклад, в період з 1927 по 1929 р.), коли за нетривалий час потік випромінювання від 3С273 зростав в 3 – 4 рази! Іноді за декілька діб об'єкт мінявся на 0,2 – 0,3 зоряної величини. При цьому зовні, оптично, не відбувалося ніяких інших істотних змін – “дивна зірка” незмінно здавалася зіркою, хоча і змінною. Подібне явище пізніше було знайдено і у об'єкту 3С48.

Відомі тисячі змінних зірок, що з різних причин змінюються. Але серед звичайних галактик не було зареєстровано жодної змінної. Хоча багато хто з них містить тисячі і мільйони змінних зірок, коливання їх світимості відбуваються в різнобій і такі неістотні для галактики в цілому, що загальне випромінювання галактик завжди залишається практично незмінним. Жоден оптичний інструмент миру не може уловити хоча б щонайменші коливання світимості якої-небудь з галактик.