22.4. ВНЕГАЛАКТИЧЕСКИЕ РАДИОИСТОЧНИКИ

Мы уже показали, что радиоизлучение нашей Галактики можно объяснить генерацией ультрарелятивистских электронов в разбросанных по всей Галактике сверхновых. Однако имеется небольшая группа галактик, (в нее, в частности, входят самые массивные галактики), радиоизлучение которых намного мощнее, чем у всех остальных, а их радиоструктура не соответствует оптическому изображению. В радиодиапазоне светимость этих объектов в 103 — 108 раз больше, чем нашей Галактики. Соответственно и энергетические требования к ним намного выше. Радиоспектры этих источников степенные, причем излучение заметно поляризовано. Это, как всегда, заставляет думать, что мы имеем дело с синхротронным излучением. Два обстоятельства особенно существенны. Во-первых, среднему спектральному индексу протяженных радиоисточников соответствует спектральный индекс электронов хорошо согласующийся с данными о наблюдаемых в верхних слоях атмосферы электронах, протонах и ядрах космических лучей. Таким образом, если бы падающий на Землю поток космических лучей генерировался во внегалактических источниках, его спектр имел бы правильный вид. Это сильный аргумент в пользу предположения о том, что должен существовать некоторый универсальный механизм генерации ультрарелятивистских частиц со степенным спектром. Во-вторых, радиоизлучение протяженных радиоисточников испускается вне основного тела галактики там, где плотность межзвездного газа низка. В таких условиях синхротронное излучение является единственным правдоподобным механизмом. В отношении очень мощных компактных радиоисточников, наблюдаемых в ядрах некоторых радиогалактик и квазаров, нельзя быть столь категоричными, поскольку там совсем другие физические условия, а их астрофизическое окружение соответствует модели, описанной в разд. 22.3.

Поучительно подробнее рассмотреть свойства внегалактических радиоисточников, так как можно с уверенностью утверждать, что они должны выбрасывать во внегалактическое пространство значительные потоки космических лучей.

22.4.1. Типы радиоисточников. На рис. 22.4 приведено распределение по светимостям ярчайших радиоисточников. Заметим, что галактики, подобные нашей, очень редко попадают в такие выборки, поскольку типичные объекты имеют светимости в 103 — 108 раз большие. Приведенное распределение построено по результатам обзора на низкой частоте, 408 МГц, на которой преобладают протяженные источники. Подобное же распределение, построенное по высокочастотному обзору, включало бы значительно большую долю компактных источников (в частности, квазаров), спектры которых свидетельствуют о значительном синхротронном самопоглощении. Рассмотрим различные типы источников в соответствии с грубым морфологическим разделением на двойные, сложные и компактные источники.

Рис. 22.4. Распределение внегалактических радиоисточников по светимостям. Построено по гистограмме светимостей всех радиоисточников неба, поток от которых на частоте превышает Светимость нашей Галактики На диаграмме отмечены типы радиоисточников, обсуждаемые в тексте [12].

Двойные источники. Двойные радиоисточники являются преобладающим типом на низких частотах. Их радиоструктура имеет мало общего с оптической структурой связанных с ними галактик. Обычно имеются две радиоизлучающие области примерно одинаковой светимости, расположенные симметрично относительно галактики или квазара. Иногда они находятся внутри оптического контура галактики, а чаще разнесены на значительные расстояния, порядка Самые крупные — гигантские радиоисточники — имеют физические размеры примерно до На рис. 22.5 показана радиоструктура классического двойного радиоисточника Лебедь А. Как правило, радиоизлучающие области ближе к внешнему краю содержат компактное «горячее пятно». Такую конфигурацию часто называют структурой типа «голова—хвост». «Голова» — это компактное пятно, тогда как «хвост» — область пониженной поверхностной яркости, тянущаяся назад к ядру галактики. Характерный размер «головы» равен примерно Это совсем не так мало по сравнению с источниками в ядрах галактик, размеры которых составляют Структура типа «голова—хвост» обнаружена в самых мощных двойных радиоисточниках. У слабых источников «голова» относительно слаба или отсутствует совсем. Важным параметром двойных радиоисточников является аксиальное отношение —

(кликните для просмотра скана)

Рис. 22.6. (см. скан) Структура гигантского радиоисточника, связанного с галактикой Крупномасштабная структура получена на Кембриджском радиотелескопе, структура среднего масштаба — на Кембриджском радиотелескопе, мелкомасштабная структура — на интерферометре со сверхдлинной базой [8, 16].

отношение расстояния от горячего пятна до ядра галактики к размеру горячего пятна. В таких объектах, как Лебедь аксиальное отношение может достигать значений 30 — 50.

Двойная структура наблюдается у источников низких светимостей от слабых близких источников, например до чрезвычайно мощных квазаров, таких, как Характерной особенностью спектров многих двойных радиоисточников является наличие плоской составляющей, которую связывают с ядром галактики или квазаром. Наблюдения на интерферометрах со сверхдлинными базами свидетельствуют о том, что это излучение генерируется в отдельных источниках с угловыми размерами в тысячное доли секунды дуги, причем в некоторых случаях (например, у Лебедя они вытянуты в направлении

протяженных двойных компонентов. По-видимому, у всех источников есть такие компактные центральные компоненты, просто не всегда хватает чувствительности, чтобы их увидеть. Изучение этих компонентов даст возможность установить природу источников энергии и выяснить энергетический баланс двойных радиоисточников. В некоторых случаях в радио диапазоне наблюдаются выбросы из ядер галактик в сторону одного из радиокомпонентов. Хорошим примером является типичный во всех других отношениях двойной радиоисточник. Особенно яркий образец — это (рис. 22.6), в котором наличие выбросов проявляется во всех масштабах от тысячных долей секунды дуги до нескольких минут дуги.

Сложные источники. Все источники с более сложной морфологией объединены в один класс под названием «сложные источники». К ним относятся двойные источники, у которых ось искривлена (рис. диффузные источники, не обладающие явной осью симметрии (рис. 22.7,б), и «хвостатые» источники. Как правило, все они имеют низкую поверхностную яркость и большинство из них относится к слабым радиогалактикам.

Источники с радиохвостами образуют достаточно выделенный класс объектов, в которых основное излучение генерируется в протяженных «хвостах», имеющих вид слабого следа, тянущегося за соответствующей галактикой на очень большие расстояния (рис. 22.7,в). У многих источников

Рис. 22.7, а.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 22.8. Изменение тонкой структуры радиоисточника [15].

имеются указания на наличие связанного с ядром галактики компактного источника. Источники с радиохвостами находятся исключительно в группах и скоплениях галактик. Правда, нужно учесть эффект селекции, поскольку большинство из них искалось именно в скоплениях.

Сложные источники всех видов обычно находятся в скоплениях, а не среди галактик поля. Естественно связать их необычную структуру с движением плотного межгалактического газа в скоплениях относительно радиоизлучающих областей.

Компактные источники. Будем считать компактными источники, угловые размеры которых Это примерно предельное разрешение радиотелескопов, использующих для построения изображения вращение Земли. Поэтому информацию о структуре компактных источников нужно получать с помощью интерферометров со сверхдлинными базами, а также изучая их спектры и временные характеристики. Их угловые размеры лежат в интервале от менее 0,001 до примерно причем нередко структура проявляется в разных масштабах. Многие источники с плоскими на высоких частотах спектрами имеют угловые размеры в Это согласуется с данными о радиопеременности и с наблюдениями синхротронного самопоглощения на частотах Во многих ярчайших источниках путем интерферометрии со сверхдлинными базами регистрируют изменения в структуре, причем получены данные о разлете компонентов со скоростями, в 2—10 раз превышающими скорость света (рис. 22.8). Такие источники выглядят существенно несимметричными: один из их компонентов очень мал и имеет плоский спектр, тогда как спектр другого (или других) более крутой и соответствует Наиболее приемлемой сейчас считается модель, согласно которой вещество извергается из ядра в виде релятивистских выбросов. Покажите самостоятельно, что когда газ движется к наблюдателю под углом в к лучу зрения, то при скорости видимая поперечная скорость разлета компонентов будет равна

Поэтому, если и в достаточно мало, то может быть больше скорости света. Покажите также, что поток излучения от движущегося к наблюдателю со скоростью газа равен

где Таким образом, приближающийся газ должен быть много ярче, чем удаляющийся, так что, если даже вещество выбрасывается из ядра симметрично, мы будем видеть только часть, движущуюся к нам.

Подобные наблюдения не только могут пролить свет на природу компактных ядер, они также способствуют выяснению механизмов энергоснабжения внешних областей двойных радиоисточников.

22.4.2. Модели внегалактических радиоисточников. Начнем с протяженных двойных радиоисточников, поскольку связанные с ними проблемы сформулированы наиболее четко. Для построения моделей двойных радиоисточников принципиальное значение имеет изучение «горячих пятен», наблюдаемых на внешних краях их протяженных компонентов. Общепризнано, что их радиоизлучение генерируется синхротронным механизмом. Задача заключается в том, чтобы понять, как на таком большом расстоянии от основного источника энергии — ядра галактики или квазара — поддерживаются такие колоссальные потоки релятивистской плазмы и столь сильные магнитные поля. С количественной стороны пытались выяснить, сколько времени могут существовать подобные области повышенной плотности энергии при характерных условиях межгалактической среды в окрестности мощных радиоисточников.

Если ничто не мешает, облако релятивистской плазмы расширяется, как следует из релятивистской гидродинамики со скоростью следовательно, такие облака расширились бы и рассеялись за времена порядка времени прохождения света через них. Поэтому, если нет эффективных механизмов, препятствующих расширению, наблюдаемые горячие пятна должны непрерывно пополняться релятивистскими электронами и магнитными полями. Плазма может удерживаться в заданном объеме тепловым или динамическим давлением и, наконец, гравитационным притяжением. В «головах» таких источников, как Лебедь А, плотности энергии настолько велики что вряд ли какой-либо из перечисленных механизмов способен предотвратить рассеивание горячих пятен. Значит, запасы энергии горячих пятен должны непрерывно пополняться предположительно из ядра соответствующего оптического объекта.

Ряд независимых данных подтверждает описанную картину. Во-первых, было установлено, что в ряде случаев спектральные индексы в головных областях меньше, чем в хвостовых. В соответствии с синхротронной интерпретацией, это означает, что в «головах» частицы моложе, чем в «хвостах», поскольку вследствие синхротронных потерь спектр электронов, а следовательно, и спектр радиоизлучения становится круче (см. п. 19.2.3).

Этот результат согласуется с моделью, согласно которой свежие частицы впрыскиваются в головную область, а «хвосты» возникают из старых горячих пятен, которые рассеялись и образовали след за продвинувшейся дальше «головой». В случае Лебедя А, если принять напряженность магнитного поля исходя из равнораспределения энергии, время жизни частиц в головной области оказывается меньше, чем время, необходимое свету, чтобы дойти туда от ядра, и всего лишь в несколько раз больше, чем время прохождения света через само горячее пятно. Эти наблюдения согласуются с предположением о том, что происходит постоянное ускорение релятивистских электронов, которые затем уходят из «головы» источника.

Во-вторых, у значительной части двойных радиоисточников наблюдается компактный центральный компонент, свидетельствующий о том, что в ядре непрерывно происходят активные процессы, в результате которых в течение почти всей жизни радиоисточника генерируются релятивистские частицы и, возможно, магнитные поля. Некоторые из этих источников оказались переменными, а наблюдения на интерферометрах со сверхдлинными базами нередко показывают, что они вытянуты вдоль оси двойного источника.

В-третьих, как показывают наблюдения сверхсветового разлета в компактных источниках, что-то выбрасывается из ядра с релятивистской скоростью, а это как раз необходимо для эффективной передачи энергии от ядра к внешним компонентам. В случае ось сверхсветового разлета примерно совпадает с направлением на протяженный компонент обладающий типичной для двойного радиоисточника структурой типа «голова-хвост».

В-четвертых, в ряде источников наблюдаются выбросы, направленные из центральных областей в сторону протяженных компонентов.

Итоговая модель схематически изображена на рис. 22.9. Она называется «струйной» моделью или моделью «непрерывного потока». Из ядра исторгаются два противоположно направленных очень узких релятивистских выброса, которые выметают межзвездный и межгалактический газ на своем пути. Там, где выбросы внедряются в газ, их энергия преобразуется в энергию релятивистских частиц и, возможно, магнитного поля. В результате возникают яркие горячие пятна, которые отождествляются с «головами» радиоисточников. Скорость движения горячего пятна определяется из условия баланса давления на границе между концом выброса и межгалактическим газом

Здесь давление, оказываемое выбросом, плотность энергии релятивистских частиц в голове. Член описывает давление, оказываемое выталкиваемым газом плотностью

Концентрация тепловых частиц слишком мала, чтобы препятствовать расширению релятивистского газа, поэтому он постепенно рассеивается, формируя тянущийся за «головой» след, который отождествляется с «хвостом». Когда источник энергии в ядре истощается, выброс прекращает

Рис. 22.9. Схема эволюции «струйной» модели внегалактического радиоисточника.

питать энергией удаленные компоненты, и остается только диффузный хвост, который постепенно приходит в тепловое равновесие с окружающим межгалактическим газом. Такие источники можно отождествить с «отрелакси-ровавшими» или диффузными двойными радиоисточниками.

Основная модель является достаточно гибкой, чтобы объяснить большую часть типов протяженных внегалактических радиоисточников. Например, ось двойного источника может изогнуться в результате движения окружающего межгалактического газа относительно радиоизлучающих областей. Предельным случаем являются источники с радиохвостами, в которых плотность энергии релятивистских частиц и магнитных полей низка, поэтому их структура может определяться движением галактики относительно межгалактического газа в скоплении. Другие «аномалии» можно объяснить, если выброс прерывался (так, по-видимому, возникли «многоголовые» источники) или если он прецессирует. На границе между выбросом и межгалактическим газом могут развиваться неустойчивости, которые определяют детальную структуру источника.

Тем не менее остается много нерешенных проблем, которые важны для определений общих свойств источников. Во-первых, мы еще плохо представляем себе, откуда берется такое гигантское количество энергии. Преимущество модели непрерывного потока заключается в том, что она требует минимального темпа энерговыделения в центральном объекте. Согласно

этой модели, полная энергия протяженных областей (а для них проблема стоит наиболее остро) накапливалась в течение всего времени жизни источника — примерно лет. Однако природа источника энергии остается совершенно неопределенной. Во-вторых, не ясно происхождение двойного выброса. Привлекательная гидродинамическая модель была предложена Блендфордом и Рисом, но также кажутся приемлемыми электромагнитные модели, связанные с «вспышками» в релятивистских дисках. -третьих, серьезные проблемы ставит устойчивость выбросов. По-видимому, если выбросы не сильно релятивистские, в них может развиваться релятивистский вариант неустойчивости Кельвина — Гельмгольца. Наконец, еще не разработана полная самосогласованная модель динамической эволюции источников.

22.4.3. РОЛЬ В ПРОИСХОЖДЕНИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. Роль внегалактических радиоисточников в происхождении космических лучей состоит в следующем:

1. Внегалактические радиоисточники должны быть очень мощными источниками космических лучей. Расчет, основанный на условии минимума энергии для Лебедя А, показывает, что энергия ультрарелятивистских электронов должна составлять по крайней мере Для многих более протяженных источников эта цифра значительно выше. В космических лучах должны присутствовать также протоны и ядра. Если считать, что отношение протонов к электронам в источнике такое же, как в нашей Галактике, то полный запас энергии окажется по крайней мере

2. Из всего сказанного в разд. 22.4.2 следует, что при образовании протяженных двойных радиоисточников космические лучи выбрасываются далеко за пределы галактики. Действительно, в случае наиболее протяженных источников (их размеры около частицы должны выходить за границы скопления, поэтому должен существовать поток космических лучей от сильных радиоисточников в межгалактическое пространство.

3. Спектры излучения протяженных радиоисточников и нашей Галактики похожи, поэтому локальный спектр космических лучей от внегалактических источников должен иметь правильный вид.

Все эти соображения показывают, что к гипотезе о внегалактическом происхождении значительной части наблюдаемых в верхних слоях атмосферы космических лучей нужно отнестись серьезно. Этот вопрос мы подробно обсудим в следующей главе.