КВАЗАРЫ И РОДСТВЕННЫЕ ИМ ОБЪЕКТЫ

Все нарастающее число открываемых космических радиоисточников сопровождается поисками соответствующих им оптических объектов. В 1960 г. таким образом были отождествлены звездообразные объекты, как оптическое выражение радиообъектов, ЗС 48, ЗС 196, ЗС 286 (Мэтьюз и Сэндидж), а затем 3С 273 (М. Шмидт). Первый и последний из этих объектов описаны выше. Их особенностью, кроме чрезвычайно малых угловых размеров (<10"), был значительный ультрафиолетовый избыток излучения. Этот последний признак стал руководящим при дальнейших отождествлениях, так как для звезд такие избытки нехарактерны.

Новые объекты получили название квазизвездных объектов (QSO) или — сокращенно — квазаров. Уже в середине 1964 г. стало ясно, что среди радиоисточников квазары многочисленны: по крайней мере 30 % объектов третьего кембриджского каталога радиоисточников ЗС относятся к квазарам.

Уже известны свыше 2800 квазаров. У них определены красные смещения по эмиссионным линиям в спектре. Их видимые величины обычно слабее , хотя есть квазары, доступные визуальным наблюдениям в телескопы средней величины. Абсолютные величины их М превышают . Красные смещения варьируют в широком диапазоне от до , причем, последнего «рекордсмена» PKS 200— 330, «подпирают» два других квазара с . Значению соответствует скорость с и расстояние 15,6 миллиардов парсек). До сих пор астрономия с такими расстояниями не встречалась! И если мы можем наблюдать столь отдаленные области в нашей Вселенной, то лишь потому, что квазары являются в ней самыми мощными излучателями. Последнее справедливо, если квазары действительно являются объектами Метагалактики, или, как их еще называют, космологическими объектами, а не локальными объектами, соседними с нашей Галактикой, как это думают некоторые исследователи, считая, что наблюдаемые у квазаров красные смещения не имеют отношения к закону Хаббла.

Мы примем первую точку зрения, как встречающую меньше трудностей, т. е. положим, что квазары являются космологическими объектами.

Итак, квазары — это галактики весьма малых угловых размеров, дающие мощное радиоизлучение и в наблюдательном отношении отличающиеся избыточным по сравнению со звездами излучением в ультрафиолетовой области спектра.

По этому последнему признаку было открыто большое число галактик, весьма компактных или вполне звездообразных, но лишенных сколько-нибудь заметного радиоизлучения. В оптической же области они показывают значительные красные смещения спектральных линий. Эти объекты получили название радиоспокойных квазаров. Их значительно меньше, чем обычных галактик, но оценки их численности приводят все-таки к большим значениям — порядка для объектов с видимым блеском ярче . Среди них собственно квазары занимают не более полупроцента.

Квазары того и другого рода не являются объектами, совершенно чуждыми нормальным галактикам и радиогалактикам, так как существуют объекты, промежуточные по физическим свойствам между теми и другими. Среди них прежде всего следует назвать пока еще очень немногочисленные N-галактики (открыты в 1958 г.), отличающиеся малым компактным ядром и чрезвычайно слабым ореолом вокруг. У 16 известных в настоящее время N-галактик z достигает самое большее 0,3 или , т. е. это объекты, не столь удаленные от нас. Но можно быть уверенным, что на расстояниях, значительно больших, у N-галактик ореолы уже не будут различимы. Знакомые нам галактики Сейферта — в среднем еще более близкие к нам объекты. Если бы они находились на расстояниях раз в 5—10 больших, от них ничего не осталось бы для наблюдателя, кроме их ядер. И в спектральном отношении все эти три типа объектов весьма сходны: у N-галактик наблюдаются также очень широкие эмиссии, но они уже, чем в галактиках Сейферта: 30—50 А. То же отмечается у квазаров, но, как и у первых двух и в противоположность нормальным галактикам, эмиссионные линии у квазаров составляют отличительную особенность их спектров. Во всех случаях речь идет о нормальных эмиссионных спектрах, однако в высоких стадиях возбуждения и с нормальным химическим составом. Если у сейфертовских галактик из спектра убрать звездную составляющую, останется эмиссионный спектр, вполне подобный спектру квазара, и непрерывный спектр, свойственный нетепловому излучению. Обе эти составляющие принадлежат ядрам галактик Сейферта.

Отождествление эмиссионных линий в спектрах квазаров представило большие трудности, пока не было установлено, что многие из них являются очень сильными эмиссиями далекой ультрафиолетовой области спектра — передвинутые огромным красным смещением в видимую область. Особенно примечательным было обнаружение в ближней ультрафиолетовой области линии — резонансной линии водорода. На рис. 185 показана эта линия в спектре PKS 0237—23 на длине волны 3900 А со смещением на . Таким же путем были обнаружены другие большие значения z.

Радиоспокойные квазары, обнаруживаемые по их цвету, практически входят в одну группу с так называемыми компактными галактиками, которые Цвикки выделял по их малому отличию от звезд, даже если их фотографировать с крупнейшими телескопами.

Только галактики Цвикки более разнообразны по спектральным свойствам и по цветам и соответственно более многочисленны (свыше 700). Их ядра в общем больше, чем у N-галактик, и больше размеров квазаров.

Несколько более узкую группу объектов (около 500) представляют галактики Маркаряна, обнаруживаемые спектрально по избыточному излучению в ультрафиолетовой области спектра. Они отчасти совпадают с радиоспокойными квазарами, но содержат в себе и галактики Сейферта (в том числе очень повышенной светимости — до ) и N-галактики с более протяженными оболочками, чем обычно. В них встречаются также диффузные объекты, спектрально подобные скоплению голубых гигантов.

Рис. 185. Спектр квааара PKS 0237—23 (негатив), показывающий смещенную до эмиссионную линию и множество линий поглощения

Огромные успехи экспериментальной радиоастрономии, приведшие к интерферометрии радиоисточников с расстоянием между приемными антеннами в несколько тысяч (до 10 000) километров, позволили измерить угловые размеры некоторых квазаров. Они оказались очень малы: — того же порядка, как у звезд, — до 0,005" и ниже, а на коротких волнах (6—3 см) удалось выделить внутри квазаров компактные области с поперечником до 0,0004". С учетом закона Хаббла линейные размеры квазаров оказываются на 1—3 порядка меньше размеров нормальных галактик. Так, на волне около 70 см размеры определяются как квазар ЗС имеет поперечник 19 пк. Впрочем, наблюдения объектов 3С 273а и b позволяют предположить существование двух источников размером 18 пк, разделенных расстоянием в 150 пк.

В то же время на более коротких волнах (6—3 см) в этих же квазарах удалось выделить области, излучающие значительную (иногда до 80 %) долю общего излучения при угловых размерах у 3С 345 и 0,0006 у 3С 273. Последнему соответствует линейный диаметр всего лишь в 1 пк. Выше мы видели, сколь малы размеры ядер сейфертовских галактик.

Конечно, эти размеры относятся к радиоизлучающей области квазара, которая может и не совпадать с оптической.

При всей малости своих размеров квазары, по крайней мере близкие к нам, а тем более компактные галактики, отличаются от звезд по своему внешнему облику. Из них иногда исходят один или несколько жгутов, которые (как в случае 3С 273) объединяют две компоненты квазара.

Таблица 21. Характеристики внегалактических объектов

В таблице 21 сопоставлены важнейшие энергетические характеристики рассматриваемых здесь объектов. Из них видно, что обнаруженные благодаря своему мощному радиоизлучению квазары обладают значительно более мощным излучением в коротковолновой области, включая инфракрасную и особенно субмиллиметровую. В то же время сейфертовские галактики, ничем особенно не примечательные в радио- и видимом диапазоне, дают могучее излучение в инфракрасной области спектра, сближаясь с квазарами по общему энергетическому выходу.

Такое большое излучение, как у квазаров, не может возникать в малых массах. Как мы уже видели, у галактик отношение массы к светимости (М : L) в соответственных солнечных единицах меняется в широких пределах — от 1 для неправильных галактик, через 5— 10 у спиральных галактик, до 100 у эллиптических. По-видимому, это разнообразие указывает на различный возраст галактик: самые молодые из них являются наиболее эффективными в отношении излучения. Если квазары не выходят за пределы этой последовательности, то при самом осторожном подсчете (М : L= 1) масса квазара должна быть порядка масс Солнца. Но это — массы больших галактик вроде нашей Галактики или М 31 — туманности Андромеды, размеры которых на два порядка больше. Если приписать такую массу ядру упоминавшейся сейфертовской галактики NGC 1275, то получим плотность вещества в нем , тогда как средняя плотность вещества в нашей Галактике в окрестностях Солнца около , а в ядре Галактики порядка , т. е. все равно на много порядков меньше.

У нормальных галактик излучение в основном генерируется в звездах. Самая эффективная ядерная трансформация связана с превращением 1/130 массы в энергию. С другой стороны, малочисленность квазаров (как и сейфертовских галактик) указывает на кратковременность «квазарного» этапа существования галактик. Если принять, что этот этап длится , то общий запас энергии квазара получается Такое количество энергии ядерные процессы могут дать лишь при массе, не меньшей . При этом ничего не останется на нормальное излучение, галактики!

Непомерно больших масс и плотностей можно избежать, если будет найден источник энерговыделения, более эффективный, чем ядерные трансформации. Известен лишь один такой источник — гравитация. Выделение гравитационной энергии на единицу массы может быть в 100 раз более эффективным, чем у ядерной энергии. Предположим, что некая сверхзвезда (по гипотезе Хойла и Фаулера) с массой и размером в несколько парсек вследствие неустойчивости спадается до размеров шварцшильдовского радиуса (см. с. 289), который для объекта в миллион солнечных масс равен 1/50 а. е. или . Такой гравитационный коллапс сопровождается огромной потерей потенциальной энергии, которая должна найти себе выход либо в форме выброса отдельных масс с огромными скоростями, либо в форме излучения. Возможно и то и другое вместе.

Как, однако, возможно, что одни части звезды быстро спадаются, а другие разбрасываются? Такая возможность открывается, если сверхзвезда находилась в состоянии быстрого вращения или в ней происходили бурные турбулентные движения. Можно допустить, что в квазаре стадия коллапса не достигнута и, сбрасывая часть массы, он отдаляет от себя эту стадию, которая, может быть, и не случится. Самый процесс осуществляется в форме взрыва, охватывающего часть вещества сверхзвезды.

Примеры таких взрывов у близких радиогалактик мы видели в предыдущем разделе. Поэтому мы вправе допустить их и у квазаров. В нем могут встретиться все скорости вплоть до таких, которые порождают релятивистские протоны и электроны. Масса их в общем невелика (может быть, ). Более значительные массы движутся медленнее, все больше замедляясь по мере удаления, и мы наблюдаем тогда же расширяющиеся от центра газовые потоки, которые отмечались ранее у нашей Галактики в М 31, М 87, а в более бурной форме в галактиках Сейферта. Что же касается наиболее быстрых облаков плазмы, то они успевают удалиться от материнского тела на значительные расстояния. Расстояния между компонентами радиогалактик оказываются от 1 до 450 кпк, а в рекордном случае 3С 236 (см. выше, с. 441) свыше 5 Мпк.

Так как время жизни релятивистских электронов, способных вызывать их свечение, порядка миллиона лет, эти образования не могут быть старше миллиона лет, и скорости разброса плазмы действительно релятивистские. Симметричный выброс является естественным, как следствие закона сохранения импульса. Впрочем, мы видели, что новейшие радиоинтерферометрические измерения показывают иной раз совсем сложную структуру квазара в пределах долей парсека.

Здесь рассказано о возможном механизме перехода гравитационной энергии в излучение по схеме:

Альтернативой к нему может служить гипотеза В. А. Амбарцумяна, согласно которой ядра галактик и квазаров являются местом перехода вещества из дозвездного существования в форме сверхплотных тел в обычные для астрономии формы существования в виде звезд или разреженной межзвездной среды. Этот переход также может осуществляться как взрыв, выброс вещества с огромными скоростями и последующее излучение по схеме:

В качестве последнего этапа наших схем мы называем синхротронное излучение, поскольку эта форма нетеплового излучения наилучшим образом подходит к описываемой модели, по крайней мере для радиоизлучения. Что касается оптического излучения, а тем более рентгеновского, которое обнаружено по крайней мере у одного квазара ЗС 273, то они могут быть и коротковолновым крылом синхротронного излучения и самостоятельным излучением на основе обратного эффекта Комптона, при котором фотоны малой энергии получают в результате встречи с быстрыми электронами дополнительную энергию и становятся крупными квантами с частотой т. е. с длиной волны от 3 до 0,3 мкм. Если есть релятивистские электроны, то этот механизм совершенно неизбежен, поскольку в квазарах, имеющих малый объем, реализуется очень высокая плотность излучения.

Эффективность обратного комптон-эффекта пропорциональна где u — плотность радиации.

Как оптическое, так и коротковолновое радиоизлучение квазаров во многих случаях оказывается переменным. Более того, некоторые из этих объектов уже гораздо раньше были известны как переменные звезды. Таковы, например, , отождествляемая сейчас как квазар , или , совпадающая с радиоисточником 3С 120 и с компактной галактикой -галактика 3С 371 также является переменным радиоисточником.

BL Lacertae стала типичным представителем класса радиоисточников — лацертид. Они характеризуются отсутствием линий в оптическом спектре, как будто эта галактика не содержит звезд. На самом деле это свойство относится к очень яркому ядру. Когда при фотографировании оно было прикрыто, вокруг была обнаружена слабая, но гигантская эллиптическая галактика с . Другое название лацертид — блазары. Как класс, блазары объединяют внегалактические объекты, такие, как BL Lac и сильно поляризованные квазары. Считается, что они находятся в ядрах гигантских эллиптических галактик, обладают компактным радиоисточником с плоским спектром и сильно поляризованным гладким оптическим или инфракрасным непрерывным спектром. Они подвержены бурной переменности. Любопытно, что одна из ближайших к нам галактик (рис. 181) относится к блазарам.

Давно известная звезда X Comae оказалась N-галактикой с почти сейфертовским эмиссионным ядром (ширина линии На соответствует 4500 км/с). У нее , а оптически она меняется на в течение месяцев, после которых следуют длительные периоды покоя. Во время вспышки 1911 г., когда блеск X Comae достиг , абсолютная величина галактики была , и можно считать, что в этот период N-галактика превращалась в квазар.

Самое примечательное у этих галактик — сравнительная скоротечность изменений блеска или потока. У 3С 120 блеск упал вдвое за время с декабря 1967 до января 1968 г., 3С 371 изменилась на 0,15 за неделю и на за два года, 3С 345 — на за немного часов. Изменчивы и другие сейфертовские галактики (например, NGC 1275) с характерным временем около года. У 3С 273 существенные изменения происходят с нечетким периодом около лет, а у квазара 3С 446 между осенью 1965 и летом 1966 г. фотографический блеск вырос на , т. е. почти в двадцать раз, причем наблюдения спектра указывают на то, что изменения происходили главным образом в непрерывном спектре (излучение которого линейно поляризовано). Увеличения блеска на 100 % происходили на протяжении одного-двух дней.

Столь быстрые изменения у объектов размером в 1 пк представляются странными и даже невозможными, так как свет проходит расстояние в 1 пк за 3,26 года, и невозможно представить себе процесс, который распространяется в веществе квазара со скоростью, большей скорости света.

Приходится допустить, что быстрые изменения блеска или радиопотока у квазаров происходят в каких-то небольших образованиях внутри их сложной структуры, в уплотнениях, узлах и т. п. Но тогда изменения должны быть относительно гораздо более сильными, чем если их приписывать всему квазару.

Быстрые изменения блеска служили одним из главных доводов против космологической природы квазаров. Если это — локальные объекты, с расстоянием от нас в несколько килопарсек, их линейные размеры, при тех же угловых, должны быть в тысячу раз меньше. Поэтому предлагалось считать квазары объектами, выброшенными из Галактики со скоростями, почти релятивистскими. Но поскольку Галактика не представляет собой уникальный объект во Вселенной, можно ожидать, что и другие галактики производили такие выбросы, а тогда среди квазаров должны наблюдаться объекты, приближающиеся к нам, а это не замечено.

Есть еще довод против локального происхождения квазаров. Принимая скромную оценку их массы, , при наблюдаемых скоростях получаем среднюю кинетическую энергию . Но оценки (см. выше) дают общее их число . Тогда их общая кинетическая энергия , а это по теории относительности эквивалентно массе , т. е. полной массе большой галактики, тогда как в ядре галактики содержится всего лишь .

Наличие очень больших гравитационных полей при размерах, близких к шварцшильдовскому радиусу, также позволило бы объяснить наблюдаемые красные смещения (см. с. 220), не прибегая к космологическим расстояниям. Но дело в том, что эмиссионные линии, по которым определяют z у квазаров, нередко принадлежат к запрещенным, возникающим лишь в разреженной среде. А тогда при малой средней плотности критическое гравитационное поле может возникнуть лишь у масс порядка Это — масса среднего скопления галактик, а не одной из них.

В последнее время удалось установить, что пять квазаров лежат внутри границ пяти скоплений. При анализе окрестностей квазара QSOB 264, у которого , нашли у нескольких соседних галактик почти такое , а у других, расположенных рядом, ; очевидно, эти галактики принадлежат другому скоплению, а квазар — первому. Таким образом, по крайней мере один из квазаров находится на космологическом расстоянии.

Как было сказано выше, у многих квазаров наблюдаются абсорбционные линии, не совпадающие с эмиссионными и обладающие обычно своим значением г. Поразительным оказалось то, что у некоторых квазаров существуют две или три системы абсорбционных линий, а у квазара PKS 0237—23 их даже 8. При значении для эмиссий, для абсорбций найдено и . Как правило, . Легко понять, что противоположный результат был бы странным — ведь абсорбционные линии возникают между источником и наблюдателем, т. е. в местах, более близких к нам, чем источник, и, следовательно, с меньшим z.

Это могли бы быть облака поглощающих газов в межгалактическом пространстве. Однако такое объяснение приходится отбросить из-за малой плотности межгалактической среды. К сожалению, трудности встречаются и при объяснении абсорбционных линий поглощением в газовых облаках, движущихся вблизи излучающих областей квазара, где плотность достаточно высока. В этом случае можно было бы ожидать образование в числе прочих линий поглощения при переходах с метастабильных уровней на более высокие. Этого не наблюдается.

Рис. 186. Трехкомпонентная схема кваза . Центральная сверхплотная область, из лучающая высокочастотное излучение дио- и оптического диапазона. Ее окружает более обширная, с ослабленным магнитным полем область длинноволнового радиоизлучения, где энергия электронов уже сильно ослаблена. Большая область содержит в себе разрозненные выбросы, которые могут быть расположены резко односторонне. в них образуются абсорбционные линии

Все же можно приписывать образование абсорбционных линий не очень близким к квазару массам газа, выброшенным из него, именно тем, которые движутся к наблюдат вдоль луча зрения. Таких масс может быть несколько, что и объясняет несколько значений . Среди них могут быть и массы, падающие обратно на квазар. Очевидно, в этом случае может быть (рис. 186).

Популярная модель ядра квазара, подсказываемая многими наблюдениями и находящаяся в согласии с современными теоретическими идеями, представляет собой вращающуюся черную дыру, чье гравитационное поле доставляет энергию для колоссального потока электромагнитных а релятивистских частиц, наблюдаемых при анализе оптического и ультрафиолетового спектра. Значительная часть потока образует пучки, движущиеся в основном с релятивистскими скоростями наружу вдоль оси вращения и питаемыми высокотемпературным аккреционным диском вокруг черной дыры.

Прямое свидетельство существования таких, как их называют, «джетов», тянущихся на парсеки или мегапарсеки, дают радионаблюдения, особенно интерферометрические со сверхдлинной базой (VLBI). При таких наблюдениях обнаруживается «сверхсветовое» распространение прочь от активного ядра узлов, выстроившихся длинным, узким и часто очень прямым рядом джетов, соединяющих ядро с внешним протяженным остатком джетовой активности. Часто наблюдаемая односторонность узких джетов приписывается релятивистскому доплеровскому усилению потока от приближающегося пучка, хотя эта интерпретация менее удовлетворительна на очень больших расстояниях от ядра. Двухсторонние джеты более обычны у объектов низкой светимости, может быть, указывая на, в общем, более низкие скорости.

Центральный «движитель» окружен плотным облачком ( атомов/см3), быстро движущимися облачками или волокнами, которые ионизованы сильным ультрафиолетовым излучением от движителя и порождает сильные и широкие эмиссионные линии, соответствующие скоростям 2000—20000 км/с. Фотоионизационные подсчеты подсказывают, что облачка простираются на расстоянии от 0,1 до 100 пк от центрального ионизующего источника, в зависимости от его светимости.

Таким образом, большинство соображений говорит о том, что квазары — космологические объекты, находящиеся от нас на расстояниях миллиардов световых лет, содержащие в себе огромные запасы энергии и излучающие их с необыкновенной щедростью. Самые удаленные из них предстают перед нами как объекты весьма давнего этапа существования Вселенной, — как мы видели выше, порядка десяти миллиардов лет. Это делает их очень ценными для изучения истории Вселенной. Значимость их повышается, если каждый из них представляет короткую эпоху, т. е. если квазары — мимолетные фазы в развитии галактик. Но мы видели, что иначе запасы сохраняемой в них энергии должны быть признаны невероятно большими, такими, что и гравитационная энергия не в состоянии их обеспечить. Можно, конечно, допустить, что в квазарах мы сталкиваемся с пока неизвестными нам законами природы. Но самая малочисленность квазаров говорит в пользу кратковременности их активного существования. Правда, за лет, при долголетии в лет, их число должно быть в раз больше, чем фиксируемое сейчас — — для объектов до , т. е. вырастает до , а это уже сходно с общим числом галактик до . Поэтому можно высказать еще одно предположение, что квазар является ранней стадией в развитии каждой галактики. Но в каком отношении они находятся к радиогалактикам типа и т. п., пока еще неясно.

Заметим себе, наконец, что для обнаружения наиболее удаленных объектов во Вселенной радио галактик и типа являются наиболее обещающими, так как их излучение в радиодиапазоне остается пока непревзойденным. В настоящее время радиоисточники, дающие в метровом диапазоне плотность потока , наблюдаются без труда и локализуются с точностью ±15".

Такая плотность на пять порядков меньше плотности излучения Cyg А. Поэтому такой источник, как Cyg А, удаленный от нас в 100 раз дальше, останется доступным нашим наблюдениям. Но в оптической области он будет уступать столь же удаленным квазарам.