Акреционно-гравитационная гипотеза красного смещения галактик и квазаров.

Повторим основные понятия.

1. Красное смещение.

Рисунок 1 иллюстрирует эффект Доплера:

Рис. 1

Атомы всех элементов излучают свет в виде линейчатого спектра. Спектры элементов уникальны. Если источник света удаляется от нас, то весь набор линий как одно целое сдвигается в область более длинных волн к красному участку спектра. Чем больше скорость удаляющегося источника, тем больше сдвиг. В этом и состоит оптический эффект Доплера. Так как весь набор линий сдвигается к красному участку спектра, то для краткости говорят, что линии краснеют. Так возник термин "красное смещение".

2. Закон Хаббла.

На рис.2 показана оригинальная диаграмма зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них, построенная Хабблом в 1929 г. для трёх десятков ближайших галактик. Скорость удаления галактики определялась по красному смещению. Усреднённое значение скорости в зависимости от расстояния изображено пунктирной линией. Верхняя пунктирная линия получена Хабблом, а линия, расположенная ниже, - более позднее уточнение.

Рис. 2

На основании этой диаграммы была получена прямая пропорциональная зависимость между красным смещением линий в спектре галактики и расстоянием до неё, которая в общем виде записывается так:

cz = Hr,

где c - скорость света, z – красное смещение, r - расстояние. Коэффициент пропорциональности H был назван постоянной Хаббла. Хаббл определил ее значение как ~50 км сек^-1 Мпк^-1. На сегодняшний день H оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет).

3. Звёзды, по которым определяют расстояние до галактик.

Цефеиды . Цефеиды – это гигантские пульсирующие звёзды. Они в 10³—10⁵ раз ярче Солнца. При пульсации светимость звезды изменяется в 2-6 раза. Период пульсации 1-200 суток. Между периодом пульсации и светимостью звезды существует строгая зависимость. Поэтому сопоставив период пульсации цефеиды с видимым её блеском определяют расстояние до звезды, а значит и до галактики к которой она принадлежит. За это свойство цефеиды прозвали маяками Вселенной.

Сверхновые I типа. Сверхновые звёзды – это звёзды, светимость которых при вспышке превышает светимость Солнца в десятки и сотни тысяч раз. Вспыхнувшая звезда достигает максимума светимости в течение нескольких суток, затем в течение нескольких суток светимость её максимальна, а потом резко убывает. Отмечены случаи, когда светимость сверхновой в несколько раз превышала суммарную светимость материнской галактики. На рис. 3 типичная кривая блеска сверхновой звезды I типа.

Рис. 3

Сверхновые звёзды бывают двух типов. Определение расстояния до галактики со вспыхнувшей сверхновой можно произвести по сверхновым I типа. По спектру сверхновой I определяют её светимость. Сравнение светимости звезды с видимой её величиной сразу же даёт расстояние до сверхновой, а значит и до галактики, в которой она находится.

Замечание. По цефеидам определяют расстояние до сравнительно близких галактик, в которых ещё можно различить отдельные звёзды. По сверхновой I можно определить расстояние до любой галактики, в том числе и до чрезвычайно удалённой.

Существует немалое число наблюдательных данных, не укладывающихся в рамки гипотезы космологического происхождения красных смещений галактик и квазаров. Молес и Ноталле (1981) отмечают, что красное смещение галактик в скоплениях зависит от морфологического типа и наличия радиоизлучения. Гирауд (1881) и Силентик (1977) обнаруживают бόльшие красные смещения у спиральных галактик в скоплениях, чем у галактик других морфологических типов. Киил (1982) указывает на существование квазаров с различными красными смещениями, группирующихся вокруг ярких галактик. Арп (1982) наблюдает галактики со спутником, имеющие существенно различные красные смещения; он же (1982 б) отмечает наличие физической связи между галактиками и квазарами, обладающими различными по величине красными смещениями. Ходж (1974), Льюис (1975) указывают на систематические отличия между лучевыми скоростями галактик, определенными по оптическим и радионаблюдениям. Янг и др. обращают внимание на множественность красных смещений одного объекта, определенных по разным сериям абсорбционных линий. Киппер (1975) отмечает существование корреляции между яркостью галактик и их красным смещением.

Перечисленные здесь, а также некоторые другие свидетельства, заставляют подвергнуть сомнению правильность гипотезы о космологической природе красных смещений. Так, Киппер (1974) приходит к выводу, что только около 10% величины красных смещений может иметь доплеровский характер. Боросон и Окс (1982) на основании факта смещения в голубую часть спектра на 300-500 км/с эмиссии ядра 3С48 по сравнению с эмиссионными линиями галактики также высказывают сомнения относительно космологического характера красных смещений. Мельников и Попов (1975) утверждают, что красные смещения удаленных галактик содержат часть, не укладывающуюся в рамки космологической природы. Кароджи и др. (1975), высказывают сомнение в космологической природе красных смещений на основании наблюдательного факта приобретения дополнительного смещения излучением, проходящим через скопление галактик. Уисрамасингх и др. (1975) считают возможным объяснение происхождения 3-градусного фонового излучения без привлечения гипотезы о расширении Вселенной и высказывают соответствующую идею.

Перейдем к рассмотрению идеи некосмологической природы красных смещений. Идея высказывается в расчете на интуитивное понимание основных положений идеи.

4. Об аккреции газа на ядро галактики и излучении галактики.

Дадим краткий обзор публикаций, в которых аккреции газа на ядро галактики придается важное энергетическое значение, а также публикаций, в которых некоторые наблюдаемые явления интерпретируются, как свидетельства существования аккреции. Из-за наличия фона ночного неба радиус R видимой части галактики убывает с ростом расстояния r до галактики R~. Вследствие этого излучение звезд видимой части галактики убывает по закону I_зв ~ . Излучение аккрецирующего газа из видимой части галактики убывает по закону I_аккр ~, q<2. То есть с ростом r I_зв убывает быстрее, чем I_аккр. Вследствие этого для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние r_кр, такое, что при r>r_кр наблюдатель фиксирует преимущественно излучение аккрецирующего газа в линиях. При r<r_кр в излучении галактики преобладает непрерывное излучение звезд.

На теоретические предпосылки существования аккреции межгалактического газа на ядро галактики указывают многие авторы. Аккрецией объясняют светимость и спектр скопления галактик Такахара и Икеучи (1975), Фабиан и Нульсен (1977), Шибазаки и Хеши (1976). Хоффман и др. (1976) строят модель непрерывной аккреции газа для объяснения некоторых свойств галактик. Бергерон (1980), Витмайр и Матис (1977) с помощью аккреции объясняют источник энергии активных ядер. Пелат и др. (1981) считают, что для объяснения наблюдаемой светимости сейфертовской галактики достаточно скорости аккреции в 1М_סּ в год. Базу и Бхаттачария (1980), Риис (1981) и Силк (1976) объясняют аккрецией рост массы центральных тел галактик и их скоплений. Рубин и др.(1982) предполагают, что активность ядер галактик в группах галактик поддерживается аккрецией.

Иногда указывают на возможное существование противоположного аккреции явления, называемого галактическим ветром (Брегма (1978) ). Однако наблюдательных данных подтверждающих это предположение практически нет. Горбацкий (1979) высказывает сомнение относительно существования галактического ветра.

Если все же галактический ветер существует, то он, вряд ли сможет препятствовать течению аккреции межгалактического газа, так как в области предполагаемого существования галактического ветра энергия аккрецирующих частиц на 3-4 порядка больше возможной энергии частиц галактического ветра.

Имеются многочисленные данные, подтверждающие существование аккреции газа на ядро галактики или центральную галактику скопления. Так, у некоторых галактик наблюдается система волокон, которую Форд и Батчер (1979), Гриндей и др.(1980) интерпретируют как аккрецию на ядро галактики. Гордон и Готтесман (1981) обнаруживают падение газа на ядро у 32-х голубых компактных галактик из выборки в 99 галактик. Кулхане (1980), Нульсен и др.(1982) отмечают признаки аккреции газа на центральную область скоплений. Из работ Фабиона и др. (1981), Пелата и др.(1981),Канизареса и др. (1980) следует, что скорость аккреции газа меняется в широких пределах, достигая М=400 М_סּ в год, и зависит в первую очередь от массы галактики и температуры окружающего галактику газа.

Оценим вклад излучения аккрецирующего газа в излучение галактики в зависимости от расстояния r до галактики.

Астрономический объект не может быть зафиксирован, если его блеск не превосходит флуктуаций фона ночного неба Iф.

Рис 4.

На рис.4 горизонтальной линией показана максимальная величина флуктуаций ночного неба sI_ф ≈ 0,01 I_ф. Кривые I, II, и III изображают блеск одиночной площадки диска одной и той же галактики, но расположенной от наблюдателя на разных расстояниях r₁<r₂<r₃. По горизонтальной оси отложено расстояние R от площадки до центра галактики. Радиус видимой части галактики, расположенной на расстоянии r₁ , равен R₁. Для галактики, расположенной на расстоянии r₂>r₁, радиус видимой части R₂<R₁. Галактика, расположенная на расстоянии r₃, не видна. Таким образом, радиус R видимой части галактики убывает с ростом расстояния r до галактики, что в первом приближении может быть аппроксимировано зависимостью R ~.

Соответственно убывает излучение звезд Iзв видимой части галактики, так как убывает масса вещества М (R), заключенная в этой части. Считая плотность ядра галактики однородной, получаем оценку

~~~.

Плотность газа, аккрецирующего на галактику из межгалактического пространства, возрастает с уменьшением расстояния R до центра галактики по закону , q<2.

Оценка показателя q<2 определяется тем, что аккрецирующий газ ускоряется и, следовательно, в более глубоких слоях галактики скорость его выше, чем во внешних слоях.

Соответственно излучение аккрецирующего газа Iаккр, заключенного в объеме радиуса R ,можно оценить так:

где Е(R)- кинетическая энергия аккрецирующей частицы.

Из сравнения оценок Iзв и Iаккр видим, что с увеличением расстояния r до галактики излучение звезд видимой части галактики убывает значительно быстрей, чем излучение аккрецирующего газа, заключенного в том же объеме. Вследствие этого для каждой галактики существует некоторое критическое расстояние r_кр такое, что для r>r_кр выполняется условие Iаккр> Iзв .

Это означает, что для достаточного удаленных галактик наблюдатель фиксирует преимущественно излучение аккрецирующего газа в линиях, а не непрерывное излучение звезд галактики.

При r<r_кр в излучении галактики преобладает непрерывное излучение звезд.

Выше показано, что в спектрах массивных или далеких галактик доминирует излучение газа, аккрецирующего на ядро галактики.

Ближе к наблюдателю расположенный падающий газ удаляется от наблюдателя с некоторой скоростью, зависящей от массы галактики М и от расстояния частицы от центра галактики R,

V=V(M,R).

При излучении частицы, движущейся с этой скоростью, фотон приобретает красное смещение доплеровской природы

z_D=z_D(M,R),

хотя сама галактика может быть неподвижной относительно наблюдателя.

После излучения по направлению к наблюдателю фотон преодолевает тяготение галактики и приобретает дополнительное красное смещение гравитационной природы

z_G=MG/Rc²,

(G – гравитационная постоянная, c – скорость света).

Итоговое красное смещение z будет содержать оба компонента и определится по формуле

z= z_G +z_D+ z_Gּz_D или z= (1+z_G )(1+z_D) - 1

Поскольку оба компонента z_G и z_D полного красного смещения z растут с ростом массы М галактики и уменьшением расстояния R излучающей области до центра галактики, то можно считать, что полное красное смещение z является функцией массы М и расстояния R излучающей области до центра галактики

z= z(М, R). (1)

Как видим, в механизме возникновения красных смещений играют важную роль два явления: аккреция газа на ядро и гравитация.

Предлагается предварительно назвать механизм аккреционно-гравитационным или (ради краткости) AG – механизмом.

Равенство (1), выражающее в общем виде AG – механизм, говорит, что величина красных смещений зависит от массы галактик и их компактности. Действительно, существуют наблюдательные данные, подтверждающие существование таких зависимостей. Связь между компактностью галактик и их красными смещениями отмечают Льюис (1975) и Арп (1974).

Массы радиогалактик обычно на порядок и больше превосходят массы нормальных галактик. Из AG – механизма следует, что красные смещения радиогалактик должны втрое и более превосходить красные смещения нормальных галактик. Действительно, этот факт ярко демонстрируется на диаграмме «Блеск – красное смещение» [Ленг (1978)], на которой радиогалактики расположены выше прямой регрессии для нормальных галактик.

Красные смещения близких галактик определяются тремя способами:

1. по звездному (абсорбционному) спектру;

2. по спектру излучения ионизированных облаков водорода Н׀׀;

3. по излучению на волне 21 см облаков нейтрального водорода.

При этом применяется либо метод длинной щели спектрографа, либо метод короткой щели для определения лучевых скоростей во многих точках видимого изображения галактики, по которым в итоге находят среднюю лучевую скорость галактики.

В последующих работах будет показано, что AG – механизм не работает в полную меру для близких галактик.

Во всех случаях определения лучевых скоростей близких галактик находятся их собственные (не космологические) скорости, которые обычно заключены, как отмечает Зонн (1978), в пределах -1000<V<1000 км/с.

Таким образом, при достаточно большой массе галактик М мощность излучения газа, аккрецирующего на галактику, превзойдет мощность излучения звезд галактики. Суть идеи о некосмологическом красном смещении состоит в следующем. Газ, аккрецирующий на ядро галактики и расположенный к наблюдателю ближе ядра, удаляется от наблюдателя со скоростью V, зависящей от массы галактики и расстояния R до её центра V=V(M,R). Фотон, излученный удаляющейся частицей, имеет красное допплеровское смещение z_D=z_D(V,R). Двигаясь к наблюдателю, этот фотон преодолевает тяготение галактики и приобретает дополнительное красное смещение гравитационной природы z_G= z_G(M,R). Суммарное красное смещение фотона окажется равным z= z_D+ z_G +z_D· z_G.

Полученные результаты могут быть использованы для объяснения красных смещений галактик и квазаров без привлечения гипотезы о расширении Вселенной.

Итак, суть аккреционно-гравитационной гипотезы о природе красного смещения такова. Наблюдаемые красные смещения галактик и квазаров обусловлены двумя явлениями - аккрецией межгалактического газа на ядро галактики и флуктуациями неустранимого фона ночного неба.

Основное возражение, выдвигаемое обычно против объяснения красных смещений аккрецией межгалактического газа на ядро галактики, состоит в следующем. Температура межгалактического газа находится в пределах 10⁷÷10⁸ ºК. При такой температуре газ полностью ионизован. Отсюда следует, что будет иметь место дисковая аккреция, которая не может дать больших значений красного смещения. Поэтому наблюдаемые в некоторых случаях большие красные смещения можно объяснить только разбеганием галактик, но не аккрецией.

Однако, проведенные различными учеными расчёты показали, что при аккреции газа одновременно идут два процесса:

- охлаждение за счет излучения;

- нагревание за счет перехода части энергии аккреции во внутреннюю энергию газа.

В результате действия этих процессов в каждой части галактики устанавливается некоторая равновесная температура. Изначально присущее межгалактическому газу тепло излучается на отрезке от начала аккреции до радиуса галактики. При дальнейшем сжатии аккрецирующий газ медленно нагревается от нескольких десятков градусов на краю галактики до нескольких сот градусов в глубоких слоях галактики. Такая температура недостаточна для ионизации газа. Следовательно межгалактический газ аккрецирует преимущественно как нейтральный и будет иметь место не дисковая, а сферическая аккреция, которая может дать сколь угодно большие красные смещения.

Вторая составляющая аккреционно-гравитационного механизма красного смещения – это флуктуации фона ночного неба. Фон ночного неба слагается в основном из трёх составляющих:

- излучение от далеких, слабых галактик,

- галактический фон (излучение слабых и ненаблюдаемых звезд нашей Галактики и рассеянное на межпланетной пыли излучение Солнца),

- свечение атмосферы, вызванное фотохимическими процессами в ее верхних слоях.

Небольшой вклад в фон ночного неба вносит также микроволновое фоновое излучение, флуктуации которого были недавно открыты. Внеатмосферные наблюдения влияния фона ночного неба не устраняют.

Насколько удалось установить из публикаций различных авторов, влияние фона ночного неба при построении космологических теорий никогда ранее не учитывалось. Эта идея целиком и полностью принадлежит В.М. Антонову. Суть её такова. Астрономический объект не может быть зафиксирован, если его блеск не превосходит флуктуаций блеска (фона) ночного неба; величина флуктуаций фона ночного неба порядка одного процента от фона. Из-за наличия флуктуаций фона ночного неба радиус видимой части галактики убывает с ростом расстояния до галактики. Из-за наличия фона ночного неба для близких галактик фиксируется преимущественно излучение звёзд, а для далёких галактик фиксируется излучение из глубоких слоёв галактики, где доминирует рекомбинационное излучение аккрецирующего газа. Так как аккрецирующий газ удаляется от наблюдателя, то это вносит вклад в фиксируемое красное смещение галактики.

Сопоставления свойств квазаров и галактик

В 1960 году были обнаружены очень слабые точечные источники радиоизлучения с большими красными смещениями. Многие из них впоследствии оказались радиогалактиками. Но несколько источников при сколь угодно сильном разрешении так и оставались точечными, как звёзды. Поэтому они получили название квазары (квази-звездные радиоисточники). Как оказалось, название "радиоисточники" они получили напрасно. На данный момент известно уже около двухсот тысяч квазаров и лишь у 1% из них выявлено заметное излучение энергии в виде радиоволн. Квазары со слабым излучением радиоволн получили отдельное название "квазаги" (квази-звёздные галактики). Но переход от квазаров к квазагам не был резким - доля излучения в радиоволнах по отношению к полному излучению уменьшалась постепенно. Поэтому в настоящее время за этими обоими объектами закрепилось обозначение "QSO" ("quasi-stellar objects - квази-звездные объекты) или QSS (quasi-stellar sources - квази-звездные источники). Но чаще всё же по-прежнему используется термин "квазары".

Впрочем, от мысли, что эти объекты являются звёздами, также пришлось отказаться. Началось с того, спектр квази-звездных объектов настолько резко отличался от спектров всех других звезд, что казался нераспознаваемым. Вскоре, однако, выяснилось, что спектр просто сильно смещён в красную сторону. По величине красного смещения по закону Хаббла определили расстояние до квазаров (расстояние, найденное по формуле Хаббла называется космологическим). Получилось, что квазары находятся на краю видимой Вселенной. Сопоставили найденное расстояние с блеском квазара, и получилось, что масса квазара должна превышать массу Солнца в сотни миллионов или даже в миллиарды раз. Согласно законам физики звёзд с такими массами быть не может.

Следующий шаг к пониманию природы квазаров был сделан, когда по спектрам сопоставили химический состав излучающих областей квазаров с химическим составом излучающих областей обычных галактик. Химические составы квазаров и обычных галактик оказались одинаковыми. Это свидетельствовало о родстве галактик и квазаров. Однако, отмечается такая особенность спектров квазаров: у разных линий красные смещения различны; в спектре есть как линии излучения, так и линии поглощения; обычно линии поглощения смещены к красному концу спектра меньше, чем линии излучения, но бывает и наоборот. Последнее явление особенно ставит астрономов в тупик.

Далее последовал длительный процесс сопоставления свойств квазаров со свойствами галактик различных типов. И опять выяснилось, что резкого перехода от галактик к квазарам нет. Вместо этого есть цепочка плавного перехода от нормальных галактик к квазарам: нормальные галактики- эллиптические галактики - радиогалактики- "голубые" галактики - компактные галактики - галактики Сейферта - Лацертиды - квазары. Нормальные галактики - это сравнительно близкие к нам галактики, в непрерывных спектрах которых нет смещённых линий излучения, а есть только тёмные линии поглощения с небольшим красным смещением. Лацертиды -галактики c очень активными ядрами высокой переменной мощности . Переменность на самых различных масштабах времени - от нескольких десятков часов до нескольких лет. Как и ядра квазаров, они выглядят на фотографиях точечными источниками. Расстояния до них, найденные по красному смещению, сравнимы с расстояниями до далеких квазаров. На фотографиях лацертиды иногда окружены слабо светящимися ореолами - звездными системами. Вскоре около нескольких сравнительно близких квазаров также были обнаружены слабые туманности, состоящие из звёзд. Это дало основание полагать, что квазары - галактики с необычно активными ядрами.

В настоящее время большинством астрономов признано, что квазары - это галактики с очень активными ядрами. На самом деле ядра всех галактик активны в большей или меньшей степени. Причём прослеживается закономерность - чем больше космологическое расстояние до галактики ( то есть, чем больше красное смещение), тем активнее ядро галактики и тем мощнее её светимость (т.е. полная мощность излучения) галактики. Поэтому, обсуждая свойства квазаров - очень высокая светимость и очень большая амплитуда переменности, некоторые астрономы осторожно добавляют: "если расстояние до квазара определено правильно". Действительно, если квазары в 100 раз ближе к нам, чем определено по красному смещению, то их светимость мы завышаем в 10 000 раз, и при правильном определении расстояния вместо гигантской светимости 10⁴⁶ - 10⁴⁸ эрг/с мы бы получили светимость 10⁴² - 10⁴⁴ эрг/с, как у нормальных галактик. А о том, что космологические расстояния, найденные по красному смещению, могут быть ошибочными, свидетельствуют примеры взаимодействующих галактик, соединённых отчётливо видным перешейком, и, тем не менее, имеющих сильно отличающиеся красные смещения.

Возникает предположение: не является ли квазар явлением оптическим, связанным с завышением расстояния до него. Для проверки этого предположения нужно взять достаточно мощную нормальную галактику, отнести её на достаточно большое расстояние, применить аккреционный механизм красного смещения и посмотреть, что из этого получится. Аккреционный механизм красного смещения обусловлен тем, что излучение аккрецирующего газа из некоторой области галактики пропорционально энергии аккреции газа в этой области. Механизм перехода кинетической энергии аккрецирующего газа в излучение такой. При столкновении нейтрального атома с массивной частицей (ионом или другим нейтральным атомом) он ионизуется - вместо нейтрального атома появляются ион и свободный электрон, к которым перешла кинетическая энергия ионизованного атома. В дальнейшем при столкновении электрона с каким-либо ионом они рекомбинируют, образовывая новый нейтральный атом, а кинетическая энергия захваченного электрона выделяется в виде энергии кванта электромагнитного излучения. Процесс ионизации-рекомбинации идёт с очень большой скоростью, порождая рекомбинационное излучение аккрецирующего газа.

Рекомбинационное излучение может возникать двумя путями:

• при столкновении аккрецирующих частиц с частицами межзвездного газа - излучение I_аг;

• при столкновении аккрецирующих частиц между собой - излучение I_аа. Таким образом, полное излучение Iизл аккрецирующего газа есть сумма двух составляющих:

I_изл= I_аа + I_аг.

В зависимости от распределения массы галактики и межзвездного газа, преобладающим может быть любой из этих механизмов.

Известно, что плотность межзвездного газа резко немонотонна и колеблется скачками от значений 10^-3 до значений 2•10^-3 и даже 10⁵см^-3. Есть сообщения о наблюдениях газовых облаков ещё большей плотности.

Для проведения расчётов возьмём спиральную галактику, аналогичную нашей Галактике, удаленную на такое расстояние, что большая часть спиральных рукавов и ядра будет скрыта флуктуациями фона ночного неба. Если такая галактика будет повернута к наблюдателю ребром, то аккреционный механизм красного смещения будет проявляться весьма слабо, так как газ, аккрецирующий в плоскости галактики, будет замагничиваться в спиральных рукавах, а газ, аккрецирующий по направлению, перпендикулярному к плоскости галактики, имеет малое красное смещение. Если же далекая спиральная галактика будет повернута плоскостью к наблюдателю, то эффект, вызванный аккрецией газа, проявится наиболее отчетливо.

Рассмотрим излучение I_аг на плотных газовых облаках. В ядрах спиральных галактик наблюдаются плотные (~10⁵ см^-3) водородные облака диаметром ~ 0,1 пк. Толщина спиральной галактики в центре составляет 5•10²⁰ ÷ 10²¹см. Судя по размерам указанных плотных облаков, их наличие следует ожидать на расстояниях R до центра галактики больших, чем 10¹⁷см. Допустим, что облако расположено в слое 10¹⁷< R <10¹⁸см. Для галактики с массой М=10⁴⁵г. красное смещение z излучения аккрецирующего газа для 10¹⁷< R < 10¹⁸см. может варьироваться в пределах от 0,2 до 4,5 (в зависимости от распределения массы по объему галактики), а скорость аккреции от 10⁹ до 2•10¹⁰см/с.

Плотность межгалактического газа равна 10^-6 см^-3. Если бы газ аккрецировал к центру галактики прямолинейно, то при R ~ 10¹⁷см его плотность была бы равна ~30 см^-3. В действительности величина плотности, по-видимому, значительно больше (на порядок, или более того), так как межгалактический газ аккрецирует на полюс не прямолинейно, а соскальзывает по магнитным линиям, создавая "эффект воронки". Это проиллюстрировано на рис.1, где в поперечном разрезе показано магнитное поле спиральной галактики квадрупольной конфигурации. Синим цветом изображен конус, в котором находился бы аккрецирующий газ при прямолинейной аккреции. Траектории газа для реально осуществляющейся аккреции показаны чёрным цветом. Как видно, чем ближе к центру галактики, тем сильнее реальная плотность аккрецирующего газа будет превышать плотность, рассчитанную для прямолинейной аккреции.

С учетом всего сказанного, оценка интенсивности излучения аккрецирующего газа из объема облака с диаметром 0,1пк плотностью n_г =10⁵ см^-3, расположенного на расстоянии 10¹⁷< R <10¹⁸см от центра галактики дает I_изл ~ 10⁴² ÷ 10⁴⁴эрг/с, что сравнимо с мощностью излучения всей галактики в оптическом диапазоне. Расчет расстояний r до далеких галактик производится по формуле: (с - скорость света, H - постоянная Хаббла). При z =0,74, Н =75 км·с/Мпс расчетное значение r равно 1,1•10²⁸ см. Если реально галактика удалена от наблюдателя на расстояние 10²⁶см., то происходит завышение этого расстояния на два порядка, а следовательно, энергия излучения завышается на четыре порядка. То есть получается I_изл ~ 10⁴⁶ ÷ 10⁴⁸ эрг/с - типичная "колоссальная" энергия излучения квазаров.

Описанный выше механизм излучения квазаров позволяет совершенно естественно, не привлекая гипотезу о чёрной дыре, объяснить свойства квазаров:

• 1) Рассчитанная по космологическму расстоянию "колоссальная" энергия излучения квазаров ~ 10⁴⁶ ÷ 10⁴⁸ эрг/с есть следствие завышения расстояния до квазаров.

• 2) аномально малые размеры квазара ~ 10¹² см., которые вычислили по переменности излучения, наблюдаемой иногда на интервалах порядка минуты, являются следствием сжатия аккрецирующего газа магнитным полем галактики в узкий жгут ("эффект воронки").

• 3) Наличие в спектре квазара эмиссионных линий с различными z а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных линий иллюстрирует рис.2. Если на луче зрения расположены три облака газа на разных расстояниях от центра галактики R1>R2>R3, то излучение из этих облаков имеют красные смещения z₁< z₂ < z₃.

Таким образом в спектре квазара могут появиться линии излучения (эмиссионные) с различными красными смещениями z_1,em < z_2,em < z_3,em. Появление линий поглощения (абсорбционных) объясняется аналогично. Если интенсивности излучения из облаков 2 и 3 сравнимы по мощности, то всё излучение из облака 3 поглотится в облаке 2 и в спектре появится абсорбционная линия с z_2,abs > z_1,em

Для возникновения явления, наблюдаемого как квазар, не обязательно, чтобы галактика была спиральной. Достаточно, чтобы она обладала собственным магнитным полем и чтобы угол φ между магнитной осью и лучём зрения был невелик. С ослаблением магнитного поля или увеличением угла φ описанные выше эффекты становятся менее отчетливыми (исчезает "эффект воронки", уменьшается z).

Сформулируем кратко основные утверждения.

1. Квазар - явление оптическое, обусловленное следующими причинами:

• 1) Галактика далека от наблюдателя, так что периферийные части её скрыты флуктуациями фона ночного неба;

• 2) Фиксируемое наблюдателем излучение квазара является излучением аккрецирующего газа, идущим из глубоких слоев галактики;

• 3) Галактика обладает собственным магнитным полем и угол между магнитной осью и лучём зрения невелик . Вследствие этого межгалактический газ, начиная аккрецию с разных направлений, соскальзывает по магнитным линиям и в глубоких слоях галактики удаляется от наблюдателя почти по параллельным траекториям;

• 4) Энергия излучения в линиях только за счет столкновения аккрецирующего газа с межзвездными газовыми облаками может быть сравнима с энергией излучения всей галактики в оптическом диапазоне и составляет 10⁴²÷10⁴⁴ эрг/с.;

• 5) Расстояние до галактики, найденное по закону Хаббла, завышается на два и более порядка, что приводит к завышению энергии излучения до значений 10⁴⁶÷10⁴⁸ эрг/с.

2. Аномально малые размеры квазара, определяемые по переменности излучения, обусловлены излучением аккрецирующего газа, сжатого магнитным полем в узкий жгут.

3. Наличие в спектре квазара эмиссионных линий с различными красными смещениями, а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных линий, объясняется излучением аккрецирующего газа на межзвездных газовых облаках, расположенных на разных расстояниях R от центра галактики.

По мнению ученых, такие различные объекты, как квазары, активные галактические ядра, сейфертовские и радиогалактики, а также блазары, по всей видимости, имеют единое происхождение - в их центре располагается большая черная дыра. Все дело в том, под каким углом наблюдатель их видит. Если - в плоскости аккреционного диска, то окружающее вещество экранирует ее центральную часть, смягчая излучение, и наблюдается радиогалактика, поскольку максимум излучения находится в радиодиапазоне.

Если же на наблюдателя направлен один из джетов (пучок высокоэнергичных элементарных частиц) активного ядра какой-либо галактики, то виден блазар, источник жесткого гамма-излучения переменной яркости. Хотя чаще всего, конечно, наблюдение за активным галактическим ядром происходит под каким-либо промежуточным углом. В этом случае до Земли долетает излучение и от джетов, и от аккреционного диска, и от нагретого в окружающем пространстве газа, и тогда речь идет о квазаре.

В спектре излучения квазара представлены все длины волн, измеряемые современными детекторами, - от радиоволн до жесткого гамма-излучения с энергией квантов в несколько тераэлектронвольт. Тем не менее название «квазар» произошло от английского «quasar» («quasi-stellar rаdio source»)-«звездоподобный источник радиоволн». Объяснение этого факта простое - в начале 1960-х годов квазары были впервые обнаружены именно в радиодиапазоне. На данный момент лишь у 1% квазаров выявлено заметное излучение энергии в виде радиоволн. Теперь часто можно встретить обозначение «QSO» («quasi-stellar objects)- звездоподобные объекты. Дальнейшие исследования показали, что квазар гораздо больше звезды, но лишь немногим больше солнечной системы. По космическим меркам, это все равно ничтожно мало - ведь излучает он как целая галактика. Причем яркость квазаров существенно меняется за время от суток до месяцев, что совершенно несвойственно обычным галактикам.

На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой квазар - это сверхмассивная черная дыра, втягивающая в себя окружающее вещество (аккреция вещества). По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Если черная дыра при этом имеет мощное магнитное поле, то оно дополнительно закручивает падающие частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов.

Эта область излучает рентгеновские лучи. Чуть дальше от центра температура еще немного ниже - примерно 50 000 К, там излучается ультрафиолет. С приближением же к границе аккреционного диска температура падает и в этой области происходит излучение электромагнитных волн все большей длины, вплоть до инфракрасного диапазона.

Не надо забывать и о том, что свет от далеких квазаров приходит к нам сильно «покрасневшим». Для количественного определения степени покраснения астрономы используют букву z. Именно выражение z+1 показывает, во сколько раз увеличилась длина волны электромагнитного излучения, долетевшего от источника (квазара) до Земли. Так, если появляется сообщение, что обнаружен квазар с z=4, то это означает, что его ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нанометров превращается в инфракрасное излучение с длиной волны 1 500 нанометров. Кстати, для исследователей на Земле это большая удача, ведь ультрафиолетовая часть спектра поглощается атмосферой и эти линии никогда бы не наблюдались. Здесь же длина волны за счет красного смещения увеличилась, как будто специально для того, чтобы пройти сквозь земную атмосферу и быть зарегистрированной в приборах.

Согласно другой точке зрения квазары - это первые молодые галактики, и мы просто наблюдаем процесс их зарождения. Впрочем, существует и промежуточный, хотя вернее было бы сказать «объединенный» вариант гипотезы, согласно которому квазар - это черная дыра, поглощающая вещество формирующейся галактики.

Так или иначе, но предположение о сверхмассивной черной дыре в центре галактики оказалось плодотворным и способным объяснить многие свойства квазаров. Так, например, масса черной дыры, находящейся в центре типичной галактики, составляет 10⁶-10¹⁰ солнечных масс и, следовательно, ее гравитационный радиус варьируется в пределах Зх10⁶-Зх10¹⁰ км, что согласуется с предыдущей оценкой размеров квазаров.     Новейшие данные также подтверждают компактность тех областей, из которых исходит свечение. Например, 5-летние наблюдения позволили определить орбиты шести звезд, вращающихся около похожего центра излучения, находящегося в нашей галактике. Одна из них недавно пролетела от черной дыры на расстоянии, составляющем всего 8 световых часов, двигаясь со скоростью 9 000 км/с.

Динамика поглощения

Как только вокруг черной дыры появляется материя в любой форме, черная дыра начинает излучать энергию, поглощая вещество. На начальной стадии, когда формировались первые галактики, вокруг черных дыр было много вещества, являющегося для них своеобразной «пищей», и черные дыры светились очень ярко - вот они, квазары! Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен с номером 550014+81 излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного пути с его сотней миллиардов звезд!

Когда вещества в окрестности центра становится меньше, свечение ослабевает, но, тем не менее, ядро галактики продолжает оставаться самой яркой ее областью (это явление, называемое «Активное галактическое ядро», астрономам известно давно). Наконец, настает момент, когда черная дыра поглощает из окружающего пространства основную часть вещества, после чего излучение почти прекращается и черная дыра становится тусклым объектом. Но она ждет своего часа! Как только в окрестностях появится новое вещество (например, при столкновении двух галактик), черная дыра засияет с новой силой, с жадностью поглощая звезды и частицы окружающего межзвездного газа. Так что, стать заметным квазару удается только за счет своего окружения. Современная техника уже позволяет различить вокруг далеких квазаров отдельные звездные структуры, являющиеся питательной средой для ненасытных черных дыр.     Впрочем, в наше время, когда столкновения галактик редки, квазары возникать не могут. И судя по всему, это действительно так - почти все наблюдаемые квазары находятся на очень существенном удалении, а значит, прилетающий от них свет был испущен очень давно, еще в те времена, когда рождались первые галактики. Именно поэтому квазары иногда называют «динозаврами Вселенной», намекая не только на их крайне почтенный возраст, но и на то, что они, образно говоря, «вымерли».

Столь мощные источники лучистой энергии, как квазары, - опасные соседи, поэтому нам, землянам, можно только радоваться тому обстоятельству, что в нашей Галактике и в ближайшем скоплении галактик они отсутствуют. Их обнаруживают в основном на самом краю видимой части нашей Вселенной, в тысячах мегапарсек от Земли. Но тут возникает естественный вопрос - а не противоречит ли это наблюдение распространенному мнению об однородности Вселенной? Как получилось, что в одних галактиках квазары существуют, а в других нет? Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить, что свет от наблюдаемых нами квазаров летел миллиарды лет. А это означает, что взору землян квазары предстают в «первозданном» виде, такими, какими они были миллиарды лет назад, и сегодня они скорее всего уже утратили свою былую силу. Следовательно, те галактики, которые расположены недалеко от квазаров, «видят» гораздо более слабые источники света. Но тогда, если Вселенная однородна, то же самое должно относиться и к нашей Галактике! И тут остается повнимательнее присмотреться к ближайшим к нам космическим структурам, в попытке отыскать объекты, напоминающие остывшие квазары, эдакие квазары-призраки.

Оказывается, такие объекты действительно существуют. Квазары, являющиеся одними из самых древних образований, родились почти одновременно с Вселенной, то есть примерно 13 млрд. лет назад. Причем они не только крайне отдалены от нашей Галактики - согласно закону расширения Хаббла (чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется), расстояние между нами продолжает неуклонно увеличиваться. Так вот, наиболее далекие квазары «убегают» от нас со скоростью всего на 5% меньшей скорости света. Наиболее яркие квазары испускают ежесекундно столько же световой энергии, сколько сотня обычных галактик типа нашего Млечного пути (это примерно 10⁴² ватт). Чтобы обеспечить выход такого количества энергии, черная дыра каждую секунду поглощает массу, равную массе Земли, за год же «съедается» около 200 солнечных масс. Подобный процесс не может проходить бесконечно долго - когда-нибудь окружающее вещество иссякнет, и квазар либо перестанет функционировать, либо же станет излучать относительно слабо.

Итак, свечение квазара со временем уменьшается, но что же может заставить его время от времени увеличивать яркость? Чтобы понять механизм этого процесса, вспомним, что черная дыра поглощает любую материю, а не только элементарные частицы. В галактике же, центр которой занят черной дырой, особого порядка нет. Конечно, в целом звезды вращаются вокруг центра, но всегда есть те звезды одиночки или их небольшие скопления, которые нарушают заведенный порядок. Они-то и бывают наказаны - их захватывает и поглощает черная дыра. При этом если звезда «проглатывается» целиком, без предварительного разрушения, то света выделяется мало. Причина состоит в том, что как бы звезда ни была велика, ее электрический заряд равен нулю. Поэтому она не излучает активно свет и не теряет быстро энергию и момент импульса, испуская в окружающее пространство в основном гравитационные волны. А значит, она вращается вокруг черной дыры достаточно долго, потихоньку падая на нее. Но если звезда при подходе к так называемому Шварцшильдовскому горизонту черной дыры - гравитационному радиусу, прохождение которого закрывает путь обратно навсегда - разрушается приливными силами, то дополнительное излучение может быть очень заметно. После поглощения нарушителя порядка, свечение квазара возвращается к норме.

Еще совсем недавно считалось, что черные дыры являются одной из конечных стадий существования звезд, а затем, с течением времени, эти черные дыры сливаются в сверхмассивные. Но тогда откуда же взялись массивные черные дыры в период формирования первых галактик? Проблема легко разрешается в рамках моделей первичных, то есть появившихся до начала звездообразования, черных дыр. Возможна и другая точка зрения - черные дыры и звезды образуются практически одновременно и по одному и тому же сценарию. Облака водорода и темной материи сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие - массивные черные дыры.

Разобравшись в общих чертах с устройством квазаров, ученые пытаются использовать их в качестве инструмента для исследования Космоса. Например, наблюдая эффект микролинзирования, можно обнаружить темные объекты с массой, примерно равной массе Юпитера. Они выдают себя, отклоняя свет квазара так, что мы видим как бы кратковременное увеличение его блеска. Если такие тела будут обнаружены, то, возможно, будет решена проблема темной материи.

Сейчас для многих ученых открытие нового квазара обозначает открытие новой черной дыры. Так, изучение недавно открытого квазара с красным смещением z=6.43 указывает на то, что черная дыра, сердце этого квазара, очень массивна - примерно миллиард масс Солнца. Следовательно, массивные черные дыры появились очень рано. Этот вывод крайне важен для космологии. Ученым не так давно стало понятно, что энергия вакуума, хоть и чрезвычайно мала, но отлична от нуля. Этот революционный для науки вывод был впервые сделан на основе исследования скорости удаления квазаров. Оказалось, что красное смещение, а значит, и скорость космических объектов по мере удаления от Земли растут даже быстрее, чем того требует закон Хаббла. Затем другие наблюдения, в том числе за реликтовым излучением, еще более утвердили научную общественность в правильности этого вывода. Так что получается, что наша Вселенная не просто степенно расширяется, а разлетается со все увеличивающейся скоростью. Открытие квазаров очень сильно повлияло на космологию, породив множество новых моделей зарождения и развития Вселенной. И сегодня ученые почти уверены в том, что черные дыры играют существенную роль в формировании галактик и их последующей судьбе.

Заключение

Из всего выше изложенного можно сделать вывод: квазизвездные радиоисточники, или квазары, на фотоснимках имеют вид светящихся точек в отличие от размытых клякс, изображающих галактики;

Кроме радиоизлучения, они испускают мощные потоки инфракрасного, видимого и рентгеновского излучения;

Спектры видимого излучения квазаров характеризуются самым большим красным смещением из всех известных источников. Если это красное смещение обусловлено расширением вселенной, то квазары должны быть самыми удаленными из известных объектов и наиболее мощными источниками фотонов;

Однако, многие квазары наблюдаются на небе по соседству с пекулярными галактиками. Если квазары действительно как-то связаны с этими галактиками, то они примерно в сто раз ближе, чем мы думали, и их необычное красное смещение представляет собой тайну, еще не разгаданную астрофизиками.

Главная задача современной звездной астрономии состоит в выяснении деталей строения метагалактики, т.е. всего доступного нашему изучению звездного мира. Открытие квазаров и уменьшение их численности по мере дальнейшего проникновения в глубины вселенной, возможно, показывает, что "границы" метагалактики близки к наблюдению самых старых объектов мироздания.

Сначала казалось, что эти небесные тела ни на что не похожи и сочетают в себе несовместимые свойства. Потребовалось немало усилий, прежде чем было понято, что квазары родственны радиогалактикам и другим галактикам, в ядрах которых происходят мощные процессы энерговыделения. В квазарах эти процессы достигают максимального масштаба и интенсивности. По мощности излучения квазар в сотни раз превосходит галактику, а рождается это излучение в объеме, сравнимом по размеру с объемом солнечной системы. Квазар – очень компактный объект.

Открытие квазаров и два первых десятилетия их изучения – это, как видно, только начало длительных исследований, целью которых является объяснение физического механизма активности галактических ядер и квазаров. Они все еще остаются самой поразительной загадкой современной астрофизики.

Глоссарий

Активные ядра - ядра галактик, наблюдаемые процессы в которых нельзя объяснить свойствами находящихся в них звезд и газово-пылевых комплексов.

Астрофизика (от греч. αστρον — "светило" и φύσις — "природа") — наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких, как звёзды, галактики и т. д.

Галактика - (др.-греч. Γαλαξίας — Млечный Путь) — гравитационно-связанная система из звёзд, межзвёздного газа, пыли и тёмной материи.

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны[1] λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Квазар - класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от "точечных источников" — звёзд.

Радиоволна - электромагнитное излучение с длинами волн 5×10−5—1010 метров и частотами, соответственно, от 6×1012 Гц и до нескольких Гц[1].

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 м).

Спектр - (лат. spectrum от лат. specter — виде́ние, призрак) в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы).

Туманность - межзвёздное облако, состоящее из пыли, газа и плазмы, выделяющееся своим излучением или поглощением по сравнению с окружающей его межзвёздной средой.

Функция светимости - эмпирическая зависимость, характеризующая распределение звёзд в данном объёме в зависимости от их абсолютной звёздной величины (или же, что равносильно, их светимости).

Черная дыра - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

Эффект Доплера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Именной указатель

Юрий Николаевич Ефремов - астроном, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела изучения Галактики и переменных звёзд ГАИШ МГУ. Член Международного астрономического союза.

Эдвин Пауэлл Хаббл - знаменитый американский астроном. В 1914—1917 годах работал в Йеркской обсерватории, с 1919 г. — в обсерватории Маунт-Вилсон. Член Национальной академии наук в Вашингтоне с 1927 года.

Арп Хэлтон - профессиональный астроном, который ранее в своей карьере, был ассистентом Эдвина Хаббла. Он был награжден призом Элен Б. Уорнер, Кливлендской Премией Ньюкомба, Премией Александра фон Гумбольдта за высокие научные достижения. В течение многих лет он работал в обсерваториях Маунт-Вильсон и Паломарской. За это время он создал известный каталог "Специфические (Пекулярные) Галактики", в котором собраны деформированные или "неправильные" галактики.

Мартин Шмидт - голландский астроном, измеривший расстояния до астрономических объектов, именуемых квазарами. Лауреат премии Кавли (2008) в области астрофизики.

Список литературы

1. Е.П.Левитан "Эволюционирующая Вселенная", М. Просвещение, 1993

2. Ф.Ю.Зигель "Астрономия в ее развитии", М. Просвещение, 1988

3. И.С.Шкловский ''Земля и Вселенная''. - 1982. - N 4. - С.190 – 195

4. Nature. 1996. V.379. 6563. P.304 (Великобритания)

5. В.М.Антонов,Л.М.Топтунова, "Некоторые проблемы внегалактической астрономии", http://www.red-shift.info/index.htm, 2009

6. Л.М.Топтунова, «Трудности господствующих космологических теорий», http://www.astrogalaxy.ru/, 2008

7. "Открытая Астрономия 2.5", ООО "ФИЗИКОН"

8. Б.А.Воронцов “Очерки о Вселенной” Москва. 1976

9. А.М.Арзуманян “Небо. Звёзды. Вселенная” Москва. 1987

10. Ф.Ю.Зигель “Сокровища звёздного неба” Москва. 1976

11. И.А.Климиш “Астрономия наших дней” Москва. 1980

12. Т.А.Агекян “Звёзды. Галактики. Метагалактики” Москва. 1982

13. А.А.Чихевский “ Земное эхо солнечных бурь” Москва. 1976

14. Д.Голдсмит, Т.Оуен “Поиски существования во Вселенной”, М. Сфера, 1983

15. И.К.Розгачева «О возможной природе квазаров в компактной модели Вселенной», Астрономический журнал, 1998

16. В.С.Артюх, С.А.Тюльбашев «Особенность космологической эволюции квазаров с крутыми спектрами», Астрономический журнал, 1998

17. В.И.Докучаев «Образование квазаров в кластерах первичных черных дыр», Gravitation and Cosmology, 2005

18. А.И.Смирнов «Модель квазаров», Известия вузов. Физика, 2005

19. А.И.Смирнов «Детектирование гравитационных волн», Известия вузов. Физика, 2006

20. В.Г.Сурдин «Голый» квазар», Земля и Вселенная, 2007

21.  Д.З.Вибе «Странности в распределении галактик», Природа, 2006

22. А.И.Смирнов «Классификация квазаров», Известия вузов. Физика, 2006

23. А.И.Смирнов «Суперквазары», Известия вузов. Физика, 2007

24. А.М.Черепащук «Оптические исследования рентгеновских двойных систем и ядер галактик», Земля и Вселенная, 2010

25. А.И.Смирнов, Ю.Б.Лихушин «Квазар в центре галактики», Известия вузов. Физика, 2010

26. А.И.Цыган «Ускорение квазара односторонним джетом и асимметричным излучением», Астрономический журнал, 2008

27. С.В.Пилипенко «О пространственном распределении квазаров», Астрономический журнал, 2008

28. А.В.Глушков «Квазары - источники космических лучей сверхвысоких энергий», Ядерная физика, 2007

29. А.И.Смирнов, Ю.Б.Лихушин «Аккреция в квазарах», Известия вузов. Физика, 2007

62