§ 8. Эволюция радиоисточников

Прежде чем обращаться к способам определения по наблюдению обычных галактик, закончим вопрос о том, что же дали подсчеты радиоисточников.

Систематические наблюдения, проведенные кембриджскими радиоастрономами, возглавляемыми Райлом, явились основой для теоретических исследований.

Как показано в предыдущем параграфе, данные наблюдений дают сведения о законе эволюции радиоисточников. Эти сведения неполны, поскольку интерпретация данных зависит от предположений, относящихся к космологии (значения Приведем результаты работы Лонгейра (1966) — одной из работ этого направления.

Лонгейр принимает для расчетов модель плоского мира, т. е. случай критической плотности При этом Он задается различными вариантами закона эволюции. Удовлетворительное согласие с наблюдениями вплоть до достаточно малых

потоков дали два варианта. В варианте, обозначенном Лонгейром предполагается, что источники с абсолютной величиной сравнительно слабые) не эволюционируют, а более мощные, эволюционируют так, что мощность их растет пропорционально пропорционально Этот закон относится к области При предполагается, что нет никаких источников, ни сильных, ни слабых.

Второй вариант, обозначенный предполагает, что плотность источников с в прошлом была больше, пропорционально Плотность (на единицу сопутствующего объема) и мощность более слабых источников, была неизменной. При 204 источников нет.

Эти два варианта, как выяснилось позже, хорошо описывают также и результаты, относящиеся к источникам вплоть до еще меньших потоков,

Рис. 14. Стнсхиение числа источников с потоком меньше данного к величине Кривая 1 — в предположении об эволюции источников (см. текст), кривая 2 — в предположении об эволюции, кривая 3 — без учета эволюции. По оси абсцисс отложеи поток на частоте в единицах .

На графике, приведенном на рис. 14, показана кривая зависимости отношения в зависимости Кривая дана в логарифмическом масштабе. Закон соответствует плоскому пространству, без учета эволюции и красного смещения, константа А выбрана в соответствии с числом близких источников; поэтому для больших отношение Для сравнения

приведена кривая 3 без учета эволюции, но с учетом космологических эффектов эта кривая целиком лежит под осью абсцисс. Подъем кривой в области обусловлен эволюционным эффектом — возрастанием числа источников или их мощности. Спад кривой при требует для своего описания эволюционного эффекта противоположного знака — отсутствия или резкого уменьшения числа радиогалактик при или Крайняя левая точка получена Шоломицким поданным работы Кендердина, Райла и Поолея (1966) и в работе Лонгейра не была учтена, тем не менее она отлично легла на кривую.

На графике, приведенном на рис. 15, представлено распределение по мощности радиоисточников, находящихся вблизи нас в области Для них эволюционный эффект мал.

Рис. 15. Распределение по мощности радиоисточников, находящихся в области с По вертикали отложено количество источников с приходящихся на стерадиан, имеющих абсолютную радиояркость от до

Рис. 16. Эволюция радиоисточников в варианте Представлена кривая плотности радиоисточников, какой она должна быть на момент, соответствующий Эволюционируют только радиоисточники с Плотность дана на объем сопутствующего пространства, который в настоящее время совпадает с объемом, используемым для получения на рис. 15.

Эволюционные предположения Лонгейра соответствуют своеобразной деформации кривой для разных в варианте при кривая приведена на рис. 16, в варианте при вид кривой приведен на рис. 17. Кривая существенно меняет свою форму!

Особенно надо подчеркнуть «обрезание» при или 4. Предполагается, следовательно, что при или 4, т. е. раньше определенного момента ( лет), радиогалактик не было. Эта оценка момента начала массового рождения радиогалактик совпадает с оценками, полученными из других соображений.

Однако такая оценка основана на соотношении между размерами скоплений (диаметр порядка и средним расстоянием между ними (порядка ). Где-то при скопления соприкасались, заполняли все пространство, а следовательно, именно при этом произошло их обособление друг от друга (Цвикки дает значение Другая оценка связана с рассмотрением теплового баланса газа до образования галактик (см. далее).

Рис. 17. Эволюция радиоисточников в варианте Кривая на момент Меняется число источников с Плотность отложена в тех же единицах, что и на рис. 16.

На первый взгляд представляется неестественным резкое изменение самой формы кривой в прошлом по сравнению с плавной кривой в настоящее время: появление разрыва или горба на рис. 16 и 17. Это означает, что современные радиоисточники состоят из двух групп. По Лонгейру, с данными наблюдений совместимо предположение, что мощная эволюционирующая группа представляет собой квазары. Необъяснимым остается только тот факт, что в настоящее время две группы источников дают плавную кривую без изломов или разрывов.

Насколько однозначной является картина эволюции, предложенная Лонгейром? Если предположить, что эволюционируют все источники, т. е. вся кривая смещается вправо или вверх без изменения формы, нельзя получить резкий завал при малых Его нельзя получить ни за счет выбора z, выше которого нет источников, ни за счет учета рассеяния.

В самом деле, если при увеличении чувствительности приемной аппаратуры (т. е. при уменьшении мы не видим более далеких источников (потому что их нет за пределами определенного или они скрыты пеленой рассеяния), то зато мы видим новые, более слабые источники. Лишь при немонотонной кривой вида рис. 16 или рис. 17 можно добиться того, чтобы прекращался быстрый рост

Лонгейр не учитывает рассеяния света электронами. Предполагая, что ионизованный газ составляет долю а средней плотности, и используя соотношения для оптической толщи (а — сечение рассеяния, молекулярный вес на один электрон)

и для плотности газа ргаз получим формулу для оптической толщи рассеяния (считаем ):

При формула (3.8.1) дает

Для эволюционных моделей Лонгейра на границе образования источников (при Следовательно, необходимо предположить дополнительное ничтожное изменение мощности источников, чтобы компенсировать влияние рассеяния. Напомним, что эволюционное изменение мощности по Лонгейру составляет т. е. при достигает 100 раз!.

Вопрос о статистической точности кривой осложняется тем, что в с малым входит как слагаемое с большим потоком т. е. два значения не являются независимыми.

В связи с этим Джонси (1970) предложил пользоваться дифференциальной кривой в зависимости от Практически целесообразно находить число источников с мощностью в интервале меняющемся в геометрической прогрессии -При степенной функции получится линейная зависимость от Преимущество дифференциального или разностного представления результатов подсчета радиоисточников заключается в том, что случайная флуктуация количества близких источников при этом не влияет на последующий ход кривой.

Против работ Лонгейра выдвигались возражения: в частности, Келлерман (1972) утверждал, что на самом деле в нашей окрестности не хватает мощных источников, что и приводит к кажущемуся эффекту эволюции. По нашему мнению, статья Лонгейра и Риса (1972) содержит убедительную защиту эволюционной картины.

Рассмотрим теперь соотношение между подсчетами радиоисточников и общим фоном радиоизлучения.

Особенно интересны данные о суммарной интенсивности радиоизлучения на частоте Измерения показывают, что эффективная температура равна (в направлении на полюс Галактики); предполагается, что из этого излучения на внегалактические источники приходится или, по другим данным, (см. § 2

гл. 5). Отсюда следует еще вычесть 3° реликтового излучения. Таким образом, на все, в том числе и неразрешенные, источники излучения приходится от 15 до 30°. Важная особенность суммарного излучения состоит в том, что на него не влияет рассеяние, способное изменить лишь направление, но не частоту и интенсивность излучения.

Обозначим общую радиомощность единицы сопутствующего объема через

С учетом эволюционного эффекта удобнее, зная связь перейти к Светимость в единице физического объема равна Для степенного спектра закон изменения плотности энергии на данной частоте в ходе расширения имеет вид

Используя зависимость (3.4.7):

получим для плотности излучения в настоящее время выражение

Удобно от плотности излучения перейти к эффективной температуре. Для радиочастот эти величины связаны формулой Рэлея — Джинса:

поэтому формула для эффективной температуры будет иметь вид

где

Если выделить эволюционный фактор, т. е. записать где радиомощность в настоящее время, последнее выражение приобретает вид

Предположим степенной закон эволюции от некоторого до положим, далее, Для найдем при было бы

Если же взять более крутой рост который необходим для описания роста при Предположение об общей эволюции всех источников, и сильных и слабых, с обрезанием при противоречит измеренной температуре.

Любопытно (Ценить вклад в температуру, который дают только идентифицированные источники. Принято характеризовать их функцией числом источников в одном стерадиане, у которых поток превышает 5. Число источников с потоком в интервале от до равно следовательно, полный поток

В широком интервале от до наблюдательные данные описываются степенной формулой

При таком показателе полный поток определяется нижним пределом интегрирования в единицах т. е. в основном зависит от многочисленных слабых источников и оказывается равным

Если же выражать его через эффективную температуру (для ), то

Вследствие того, что при рост резко замедляется, все источники с дают, согласно Лонгейру, более поздние данные до незначительно увеличивают это значение. Однако если бы замедление роста было связано с рассеянием, то источники, которые без рассеяния давали бы поток дали бы что выходит за допустимый предел

Следовательно, если в принципе замедленный рост можно описать как влияние рассеяния, то наблюдаемую температуру описать нельзя, не предполагая, что где-то при (или, соответственно ) источников нет или по крайней мере закон эволюции таков, что излучение источников не столь резко нарастает в прошлое.

После опубликования работы Лонгейра последующие измерения подтвердили его предсказания для малых

Число источников при 5 меньше определенной величины не растет так быстро, как прежде. Лонгейр предполагал резкое обрезание при Как показано позже Дорошкевичем, Лонгейром и Зельдовичем (1970), нельзя исключить, что при Даже функция совершенно иного типа, без какого-либо обрезания также достаточно хорошо объясняет измерения. Необходимость обрезания характерна только для степенного закона такой закон нельзя экстраполировать неограниченно Имеются физические причины полагать, что при больших z, скажем нет радиоисточников, так как достаточно рано во Вселенной вообще не было отдельных объектов. Но здесь утверждается только, что измерения не дают определенных указаний о величине максимально возможного для радиоисточников.

Непосредственные наблюдения дают картину, внешне напоминающую островную Вселенную с нашей Галактикой в центре. При удалении от центра плотность источников вначале нарастает, но затем, на определенном расстоянии, резко падает. Однако вся совокупность теоретических взглядов заставляет нас эту кажущуюся пространственную неоднородность истолковывать как эволюционный эффект в пространственно-однородном мире.

Все расчеты в статье Лонгейра были сделаны в предположении . Насколько они чувствительны к этим предположениям? Определение было основано на счете идентифицированных источников с для которых известен поток Пересчет этой величины на плотность на единицу объема выражается через рассчитано для случая

от пересчет не зависит.

Однако вид эволюционных кривых не зависит от но зависит от Иначе говоря, данная функция дает одинаковый результат при любом но для получения одних и тех же наблюдательных результатов при различных нужно менять закон эволюции.

Чтобы выяснить, как велики эти изменения, можно сравнить данные для при Легко вычислить величины на момент Оказывается, что изменения при переходе от одной модели к другой отнюдь не малы и достигают одного порядка. Однако их надо сравнивать с предполагаемыми эволюционными эффектами. Согласно Лонгейру, эволюционные эффекты, как показано выше, составляют в разных вариантах от двух до четырех порядков. По сравнению с такой эволюцией изменения при переходе от одной модели к другой малы; малое изменение

показателей эволюции, не меняющее качественной картины, позволяет согласовать наблюдения с любой космологической моделью.

Отсюда следует вывод: наблюдения свидетельствуют об эволюции радиоисточников, но они не помогают в определении параметров космологической модели. Способу определения этих параметров посвящен следующий параграф. Одна из «космологических» целей подсчета радиоисточников была все же достигнута: результаты подтвердили направленную эволюцию мира как целого, а значит, опровергли теорию «стационарного состояния» Вселенной. Критический разбор этой теории будет дан в разделе