§12. КВАЗАРЫ [1972 Горбацкий В.Г. - Космические взрывы]

Открытие и исследование квазаров стало возможным благодаря непрерывному совершенствованию с конца сороковых годов техники радиоастрономических наблюдений. При помощи больших телескопов удалось довольно точно определить положение многих источников радиоизлучения на небе. Большинство источников, находящихся вне нашей Галактики, представляет собой радиогалактики; с некоторыми из них мы уже познакомились. Радиогалактики (даже те, которые пока не отождествлены с оптическими объектами) являются протяженными образованиями с вполне измеримыми диаметрами.

В 1963 г. было обнаружено пять интенсивных дискретных источников радиоизлучения, которые нельзя было отнести к радиогалактикам, так как их угловые размеры оказались очень малыми по сравнению с размерами галактик. Поскольку в этом отношении они напоминают звезды, их назвали «квазизвездными» (подобными звездам) источниками радиоизлучения - сокращенно «квазарами».

В настоящее время (1971 г.) известно более двухсот квазаров. Их обозначают теми номерами, под которыми они вошли в каталог дискретных источников радиоизлучения например, ЗС 273 - это источник с номером 273 в Третьем кембриджском каталоге.

При помощи пятиметрового телескопа удалось не только надежно отождествить некоторые квазары с источниками оптического излучения, но и получить их оптический спектр. .Квазары представляются слабыми звездочками, окруженными еле заметными на фотопластинках туманностями. В спектрах квазаров присутствуют широкие эмиссионные линии. Эти линии принадлежат атомам водорода, кислорода, магния и других обычно содержащихся в туманностях элементов, но все они очень сильно смещены в сторону длинных волн. Отношение смещения линий АЯ0 к длине волны ее Яо оказывается одним и тем же для всех линий спектра данного квазара. Для квазара ЗС273 это отношение равно 0,16, а для ЗС 48 равно 0,37, у других же квазаров оно еще больше. Вследствие такого смещения линий спектры квазаров имеют необычный вид. Например, линия водорода Н , которая должна находиться в зеленой области спектра, в спектре источника ЗС48 оказывается в красной области и т. п.

Допустимы две точки зрения относительно расположения квазаров в пространстве и, соответственно, причины «красного смещения» линий в их спектрах. Квазары могут находиться вне Галактики на огромных расстояниях от нее. В этом случае смещение линий в их спектрах имеет, по-видимому, ту же природу, что и «красное смещение» в спектрах далеких галактик. Если же квазары находятся в Галактике, то нельзя приписывать смещение линий в их спектрах действию эффекта Доплера, так как при скоростях квазаров порядка ста тысяч километров в секунду мы бы заметили их движение среди других звезд. Наблюдения же не показывают перемещения этих объектов относительно звезд Галактики. Приняв, что квазары принадлежат нашей Галактике, мы должны приписать смещение их спектральных линий какому-то другому фактору, а не эффекту Доплера. Рассмотрим еще одну из причин, вызывающих «красное смещение» линий, - действие тяготения и выясним, в какой мере она способна объяснить характер спектров квазаров.

Для того чтобы фотон мог улететь с поверхности звезды, он должен преодолеть ее тяготение, т. е. совершить работу против силы тяжести. Если энергия фотона равна hν₀, то согласно формуле (18) она эквивалентна массе Сила F, действующая на поверхности звезды радиуса R_{_*} такую массу, равна

где через M_{_*} обозначена масса звезды. Поскольку при удалении фотона от поверхности звезды действующая на него сила не остается постоянной, точное вычисление работы требует применения методов высшей математики. Но путем рассуждений, аналогичных проводившимся в § 6 при оценке потенциальной энергии звезды, нетрудно понять результат такого вычисления (Мы считаем, что сила остается постоянной на пути, равном R_{_*}, а затем вовсе не действует на фотон. Принимая большее значение силы, мы компенсируем то обстоятельство, что пренебрегли ее работой на расстоянии, большем R_{_*}). Оказывается, работа по удалению фотона с поверхности звезды

Так как фотон, улетая, совершает работу, то его энергия должна уменьшаться на величину A. Долетев до наблюдателя, фотон имеет энергию hν, связанную с его первоначальной энергией hν₀ следующим образом:

Для фотонов, улетающих с поверхности обычной звезды, величина

очень мала. Например, в случае Солнца, у которого масса составляет 2x10³³ г и радиус равен 7x10¹⁰ см., имеем

Такое изменение длин волн линий трудно заметить. Для того же, чтобы величина

была порядка 0,1, звезда с массой, равной солнечной, должна иметь радиус около 10 км. Блеск звезды пропорционален квадрату ее радиуса. Допустим, что звезда с радиусом 10 км и температурой порядка 10000° (о которой можно судить по линиям в спектре квазара) имеет ту же звездную величину, что и наблюдаемая у квазара ЗС 273. Такая звезда должна находиться гораздо ближе к Солнцу, чем все известные звезды, и вследствие движения Солнца смещаться по небу. Отсутствие же заметного смещения квазаров позволило утверждать, что расстояние до них не меньше 60000 световых лет.

Вывод о больших расстояниях до квазаров подтверждается и данными радионаблюдений. Идущее от них радиоизлучение (в длине волны λ=21 см) испытывает такое же поглощение в межзвездной среде Галактики, как и излучение радиогалактик. Следовательно, излучение от квазаров проходит сквозь всю Галактику, что может быть только в том случае, если они находятся на периферии Галактики или же вне ее. Чтобы совместить подобные расстояния с наблюдаемым блеском квазаров и величиной «красного смещения», определяемой по формуле (32), нужно предположить, что радиус квазара порядка 10¹⁵ см, а масса его 10⁹М₀. Но теоретическое исследование приводит к выводу, что звезды с такими значениями радиуса и массы существовать не могут.

Из всех приведенных данных с несомненностью вытекает, что тяготение не в состоянии объяснить «красного смещения» линий в спектрах квазаров(Следует иметь в виду, что для устойчивых сверхплотных звезд формула верна лишь до значений

то, очевидно, их «красное смещение» не может быть тяготением стационарной звезды.). Поэтому не остается ничего иного, как принять, что квазары расположены вне Галактики, а «красное смещение» у них, как и у далеких галактик, вызвано движением, скорость которого тем больше, чем дальше от нас находится квазар. Нам было необходимо достаточно подробно рассмотреть данные, приводящие к такому заключению, потому что оно является чрезвычайно существенным для понимания природы квазаров. Вывод об исключительно большой светимости квазаров (а он и вызвал повышенный интерес к ним со стороны ученых) базируется главным образом на истолковании «красного смещения» линий как обусловленного эффектом Доплера.

Зависимость между величиной смещения линий Δλ, и скоростью движения и определяется формулой (5) только в тех случаях, когда v мало по сравнению со скоростью света (скажем, v≤0,1c). При больших скоростях нужно пользоваться тем выражением для эффекта Доплера, которое дает теория относительности:

Очевидно, что когда v/c мало по сравнению с единицей, более простая формула (5). Если же v/c достаточно близко к единице, то величина λΔ₀ /λ₀ большой.

Принимая теперь не величину смещения линий, а скорость v пропорциональной расстоянию до квазара (с коэффициентом пропорциональности, равным постоянной Хаббла), находим, что квазар ЗС 273, у которого λΔ₀ /λ₀ = 0,16, удален от нас приблизительно на 1,8 миллиарда световых лет. Расстояния до других известных квазаров еще больше. Таким образом, они относятся к самым далеким из наблюдаемых в Метагалактике объектов.

Несмотря на исключительную удаленность квазаров от Земли, некоторые из них являются оптически не очень слабыми объектами. Так, квазар ЗС 273 имеет видимый блеск 12,6 звездной величины. Такой же блеск имело бы Солнце, если его удалить от нас на 1300 световых лет. Поскольку этот квазар находится на расстоянии, в 1,3x10⁶ раз большем, то энергия, излучаемая им в оптической части спектра, в 1,7x10¹² раз превосходит энергию излучения Солнца и составляет около 10⁴⁶ эрг/сек. Излучение источника ЗС273 в инфракрасной области спектра, как следует из наблюдений, в десятки раз превосходит оптическое. Поэтому мощность всего излучения может превышать 3x10⁴⁷ эрг/сек. Из этой энергии на долю радиоизлучения приходится около 10⁴⁴ эрг/сек. Тот же порядок величины получается для мощности излучения квазара ЗС 48, находящегося в два с половиной раза дальше от Земли, чем ЗС 273.

Сравнивая полученное значение мощности оптического излучения квазара с соответствующей величиной для Галактики (около 10⁴⁴ эрг/сек), убеждаемся в том, что в оптическом диапазоне квазары излучают энергии на два порядка больше. Наша звездная система относится к числу гигантских галактик. Обычная же галактика излучает около 10⁴³ эрг/сек, т. е. в тысячу раз меньше, чем квазар. Следовательно, квазары, намного превосходя по своему излучению галактики, являются самыми мощными источниками излучения во Вселенной.

Можно было бы ожидать, что и размеры квазаров соответственно велики, но, как оказалось, они гораздо меньше размеров галактик. Этот очень интересный вывод получен не только на основе непосредственных измерений угловых диаметров, составляющих, как показали радионаблюдения, не более десяти световых лет. Данные о переменности блеска квазаров заставляют считать, что их поперечники еще меньше и не превосходят нескольких световых недель или даже нескольких световых дней, т. е. являются величинами порядка 1016 см. Переменность блеска квазаров является и сама по себе очень любопытным фактом, и мы расскажем о ней подробнее.

Уже более полувека производится периодическое фотографирование различных областей неба для решения тех или иных астрономических проблем. Исследовав несколько тысяч фотоснимков тех участков неба, где находятся самые яркие из квазаров, нашли, что их блеск заметно меняется (приблизительно в полтора раза за 10-15 лет), причем изменения имеют характер колебаний.

Впоследствии появились данные о значительных изменениях блеска некоторых из квазаров за несколько недель, а у одного из них за день блеск изменялся в полтора-два раза. На основе этих фактов пришли к выводу, что поперечники квазаров удивительно малы, принимая во внимание их огромное излучение. Вывод о малости размеров квазаров получается из тех же соображений, что сделанное выше заключение о малых размерах пульсаров. Поскольку передача сигналов со скоростью, превосходящей скорость света с, невозможна, то размеры источника, меняющего свое излучение за время t, не могут превосходить ct. У квазара, показывающего колебания излучения за один день, размеры получаются не более 3x10¹⁰хЗx10⁵≈10¹⁶ см.

Как мы видим, квазары сильно отличаются от всех типов звездных систем, рассматривавшихся нами до сих пор, огромной концентрацией в них энергии. Излучая в сотни раз больше энергии, чем Галактика, квазар имеет объем того же порядка или даже меньший, чем суммарный объем всех звезд Галактики. Недаром сначала квазары называли «сверхзвездами».

Из присутствия эмиссионных линий в спектре квазара сделали вывод о существовании вблизи этих объектов обширных областей, занятых разреженным газом. Туманности вокруг наиболее близких квазаров заметны, как мы уже упоминали, и на фотографиях. Эмиссионные линии представляются наложенными на очень сильный непрерывный спектр. Излучение в непрерывном спектре исходит из самого квазара, и наблюдаемые колебания его блеска вызваны именно изменениями интенсивности непрерывного спектра. Размеры туманностей во много раз превосходят поперечники квазаров - они порядка 10 световых лет. Поэтому объем их очень велик, и, несмотря на разреженность содержащегося в них газа, энергия, излучаемая туманностью в спектральных линиях, всего в 10-100 раз меньше, чем излучение всех звезд Галактики.

Масса газа, составляющего туманность, порядка 10⁶ M. Судя по большой ширине эмиссионных линий, газ движется с огромными скоростями, достигающими 2000-3000 км/сек. Но даже при таких скоростях газ не разлетается в пространство. Может быть, он удерживается силой тяготения самого квазара, масса которого тогда должна быть близкой к 10⁹ M. Однако ширина различных эмиссионных линий в спектре квазара часто бывает неодинаковой, и далеко не всегда удается объяснить расширение линий движениями газа в простой модели туманности. Поэтому приходится предполагать довольно сложное строение той области вблизи квазара, откуда исходит излучение в эмиссионных линиях.

Возможно, что туманности вокруг квазаров имеют сложную структуру и состоят из отдельных более плотных струй или волокон, как Крабовидная туманность. На сходство этих объектов с остатками вспышек сверхновых звезд (конечно, при огромном различии масштабов явлений) указывает и характер радиоизлучения квазаров. По наблюденным свойствам излучения их в радиочастотах и, в частности, по его поляризации сделали вывод о том, что оно создается синхротронным механизмом. Следовательно, в туманностях, окружающих квазары, имеется достаточно много релятивистских электронов, движущихся в магнитных полях. Синхротронным механизмом создается, вероятно, и некоторая доля оптического излучения квазара в непрерывном спектре, так как наблюдаемое излучение частично поляризовано.

По своим размерам излучающая в радиочастотах область значительно превосходит область оптического излучения. Например, у квазара ЗС 273 она простирается более чем на тысячу световых лет. Оценив по свойствам радиоизлучения ЗС 273 напряженность магнитного поля в туманности H, нашли, что H≥2x10^-3эрстед. Следовательно, общее количество магнитной энергии E_магн в туманности, равное произведению H²/8πна объем источника радиоизлучения, порядка 10⁵⁷ эрг или больше. Близкое к этому значение должна иметь энергия релятивистских частиц, содержащихся в туманности.

Судя по структуре некоторых квазаров, возраст их измеряется сотнями тысяч лет. Так, квазар ЗС 273 является двойным источником радиоизлучения. Один более слабый источник (В) по положению совпадает с основным звездообразным источником оптического излучения. Другой источник радиоизлучения (А), слабо излучающий в оптической области, находится на видимом расстоянии 160 000 световых лет от В (Истинная величина расстояния АВ может и превосходить указанное значение, так как ими наблюдается только проекция АВ на небесную сферу.). Он сильно вытянут вдоль направления АВ и представляется струей или выбросом из В (рис. 46). Если имело место отделение А от В, то оно случилось не менее, чем 2x10⁵ лет назад, а по всей вероятности, гораздо раньше, так как вряд ли скорость движения А была близка к скорости света.

Рис. 46. Фотография квазара ЗС 273. Слева внизу заметен выброс. Большой размер 'звезды' объясняется фотографическими эффектами и не соответствует ее истинной величине.

На фотографиях туманности, окружающей квазар ЗС 48, заметны образования, подобные жгутам с длиной не меньше 200 000 световых лет. По-видимому, эти жгуты были выброшены из квазара, и, следовательно, он находится в состоянии активности по крайней мере уже несколько сотен тысяч лет.

В силу сказанного есть основания считать, что излучение квазаров продолжалось с той же мощностью, что и теперь, а может быть, и более высокой, не менее 10¹³сек. За это время квазар излучает 10⁶⁰-10⁶¹ эрг. Конечно, наличная энергия магнитного поля и релятивистских частиц не в состоянии обеспечить столь длительного свечения, даже если бы вся она могла превратиться в излучение. Поэтому здесь встает та же проблема, с которой мы уже встречались, рассматривая взрывы в ядрах галактик, но в еще более острой форме: проблема источников столь огромного количества излучаемой энергии.

В связи с обнаружением необычных свойств квазаров появилось множество гипотез для объяснения природы этих объектов. Однако причины свечения квазаров до сих пор остаются загадочными. Тем не менее имеет смысл коротко сказать о некоторых из предложенных гипотез, поскольку их неудача в конечном счете поможет лучше представить возможные пути для создания в будущем правильной теории квазаров.

Согласно одной из таких гипотез, свечение квазара обусловлено большим числом вспышек сверхновых звезд в каком-то объекте, где концентрация звезд велика и расстояние между ними достаточно мало. Если вспышка одной звезды в состоянии вызвать вспышки в соседних звездах, то возникает своеобразная «цепная реакция». Но вопрос о том, возможна ли такая «цепная реакция» вообще, остается открытым. Кроме того, наблюдаемую структуру квазаров, в частности ЗС 273, трудно согласовать с этой гипотезой. Приведенные соображения, а также и ряд других заставляют отказаться от объяснения свечения квазаров указанным путем. Вообще термоядерные реакции являются сравнительно малоэффективным способом освобождения энергии: в ходе этих реакций может выделиться энергия, соответствующая только 1% всей массы покоя. Не спасает положения и мысль о том, что термоядерные реакции происходят в теле с массой 10⁸ - 10⁹ M, так как тогда наблюдались бы совершенно иные явления, чем те, которые мы видим у квазаров. По-видимому, следует исключить термоядерные реакции как основной источник свечения квазаров.

Гораздо более эффективным средством получения больших количеств энергии является использование потенциальной энергии тяготения. Если масса тела равна М, то при этом процессе, вообще говоря, может освободиться до 0,8 Мс² энергии. Поскольку массы квазаров должны превышать 10⁸М = 2 x 10⁴¹ г, выделение энергии, соответствующее значительной доле этой массы (скажем, одной десятой), дает величину Ю62 эрг, что достаточно для объяснения свечения квазаров. Поэтому в последние годы усиленно разрабатывалась гипотеза об освобождении энергии в квазаре в результате спадания («коллапса») тела гигантской массы, в 10⁸ - 10⁹ Mo, к его центру. Рассмотрим некоторые особенности процесса коллапса.

Тело с достаточно большой массой (превосходящей 10⁶ M) не может находиться в устойчивом состоянии, так как давление внутри него не в силах противостоять тяготению. Поэтому, если такое тело как-то образовалось, оно должно спадаться к своему центру - коллапсировать. При уменьшении радиуса тела освобождается энергия. Допустив для простоты, что вначале радиус тела был очень велик по сравнению с конечным его значением R, получим, согласно (12), что количество энергии, освобождаемой при сжатии тела массы М, приблизительно равно GM²/R. Используя это выражение, нетрудно найти, до какой величины должен уменьшиться радиус, чтобы при сжатии тела с массой 10⁸ M_o освободилась энергия в количестве 10⁶² эрг. Это значение R составляет 3x10¹³ см.

При вычислении энергии мы пользовались законом всемирного тяготения, по которому сила тяготения тела обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. В соответствии с общей теорией относительности, закон Ньютона перестает быть верным на малых расстояниях от тела. Он нуждается в поправках, когда расстояние r невелико по сравнению с величиной

называемой гравитационным радиусом. При М = 10⁸ M величина R_k≈l,5x10¹³ см, что близко к полученному выше значению R. Поэтому при оценке конечного радиуса по освободившейся при сжатии энергии нам нужно было бы учесть поправки к закону Ньютона. Но это не очень сильно изменяет величину R, которая остается близкой к R_k. Следовательно, чтобы в теле с массой 10⁸ M за счет сжатия освободилось количество энергии 10⁶² эрг, оно должно уменьшить свой радиус до значения порядка R_k.

С приближением радиуса коллапсирующего тела к величине R_k сильно меняются свойства излучения тела. В частности, видоизменяется формула (31), определяющая величину гравитационного «красного смещения» фотонов. Вместо (31) теория относительности дает соотношение

которое, как легко видеть, при R, намного большем, чем R_k, превращается в формулу (31). При R=R_k из соотношения (34) получается, что Δν₀= -ν₀, смещение частоты равно самой частоте. Поэтому до удаленного наблюдателя излучение любой частоты ν₀ с поверхности тела не может дойти - вся энергия излучения расходуется на преодоление тяготения. Следовательно, коллапсирующее тело при достижении им размеров, определяемых гравитационным радиусом, перестает быть видимым. Если возможно и дальнейшее сжатие тела, то освобождающаяся при этом энергия не сможет покинуть его. Такое состояние называют гравитационным самозамыканием.

Поверхность коллапсирующего тела движется ускоренно, по закону свободного падения в поле тяжести. С приближением величины радиуса к Rk скорость поверхности приближается к световой. Для наблюдателя, помещенного на поверхность тела, время достижения уровня R_k зависит от плотности тела. При плотности, например, соответствующей средней солнечной, оно составляет менее часа. Наблюдателю же, расположенному далеко от поверхности тела, по мере сокращения радиуса ее скорость будет казаться уменьшающейся и достижение поверхностью радиуса R_k займет, с точки зрения наблюдателя, бесконечное время.

Разница в ходе времени вблизи поверхности коллапсирующего тела и вдали от нее является еще одним интересным эффектом теории относительности. Она, по существу, и вызывает гравитационное «красное смещение». Действительно, если на поверхности тела испускается излучение с частотой ν₀, то время одного колебания

Это же излучение для далекого наблюдателя имеет частоту ν, а соответствующий интервал времени

Следовательно, время, протекшее между последовательными событиями на поверхности коллапсирующего тела, будут меньше для наблюдателя, движущегося с поверхностью, чем для далекого наблюдателя. С приближением R к R_k разница в ходе времени увеличивается.

Хотя на основе гипотезы о коллапсе массивного тела в принципе можно объяснить явление квазаров энергетически и по масштабу времени, эта гипотеза встречается со значительными трудностями. Прежде всего отметим, что существуют ряд обстоятельств, препятствующих образованию тел столь большой массы. Кроме того, при коллапсе должно возникать множество трудно исследуемых эффектов, влияние которых на весь процесс остается неясным. Например, возрастание скорости вращения при сжатии должно приводить к разделению сжимающегося тела на части. Оказывается также, что коллапс сферического тела не сможет дать необходимого выхода энергии вследствие гравитационного самозамыкания. Таким образом, пока не приходится говорить о законченной теории квазаров, основывающейся на гипотезе об их коллапсе.

В подавляющем большинстве исследователи квазаров считают их объектами, находящимися на «космологических расстояниях» от нас, т. е. расстояние до них определяют по красному смещению линий в их спектрах согласно формуле (11). Исходя из этого, как мы знаем, и делают вывод о гигантской светимости квазаров. Однако в связи с трудностями объяснения природы квазаров высказывались и иные точки зрения на их природу.

Согласно одной из подобных гипотез, квазары хотя и лежат вне пределов Галактики, но расположены гораздо ближе, чем получается по красному смещению линий. Большое красное смещение приписывается какому-то пока неизвестному механизму. В подтверждение этой точки зрения привлекаются некоторые, довольно убедительные, соображения. В частности, во многих случаях квазары представляются пространственно связанными с особенными галактиками, о которых можно думать, что в них произошел взрыв. Предполагается, что квазары выбрасываются в результате взрывных процессов из ядер гигантских галактик. Действительно, мы уже видели, что ядра галактик способны в ряде случаев выбрасывать объекты, служащие мощными источниками радиоизлучения. Однако сейчас слишком мало данных для того, чтобы приписывать квазарам такую природу. Тем не менее связь квазаров с взрывными процессами демонстрируется сходством многих квазаров с радиогалактиками, которые, по всей вероятности, возникают в результате взрывов. Существует также сходство во многих отношениях между квазарами и ядрами сейфертовских галактик. Одной из таких общих особенностей является мощное инфракрасное излучение. Исследование всех этих гигантских энергетических процессов и создание общей теории, объясняющей их природу, - дело будущего, возможно, не очень близкого.

В заключение этого параграфа заметим, что в 1965 г. был обнаружен новый класс объектов - так называемые квазизвездные галактики - «квазаги». Эти объекты, гораздо более многочисленные, чем квазары, по своим свойствам, в частности по мощности оптического ил учения, подобны квазарам. Однако радиоизлучение от квазагов обнаружить не удалось, тогда как квазары являются сильными источниками радиоизлучения. Сейчас трудно сказать, в чем причина указанного различия между квазарами и квазагами.