Радиогалактики и квазары

Доклад 

По астрономии 

Ученицы 11 «В» класса 

Курниковой  Елены 
 
 

 
 

Тема: Радиогалактики и  квазары.

 

 

 
 
 
 
 
 

РАДИОГАЛАКТИКИ.

Радиогалактиками называют галактики с мощным радиоизлучением, которое в тысячу и более раз превышает мощность радиоизлучения таких галактик как наша (см. ГАЛАКТИКИ). Причиной мощного радиоизлучения является выброс высокоэнергичных частиц (протонов и электронов) из активного ядра галактики, где они получают большую энергию и разгоняются до околосветовых скоростей. Радиоизлучение возникает при движении быстрых электронов в слабых магнитных полях. Основной поток радиоволн в некоторых случаях исходит из центральной части галактики, а в некоторых — из гигантских по объему областей за пределами галактики, которые обычно расположены симметрично относительно ее ядра. Радиогалактики почти всегда относятся к числу массивных эллиптических галактик. Ближайшая к нам радиогалактика — яркая пекулярная галактика NGC 5128 известная как радиоисточник Центавр А (эллиптическая галактика с протяженным газопылевым диском вдоль ее малой оси, который наблюдается с ребра). Более мощной радиогалактикой является ярчайшая эллиптическая галактика М87 в скоплении Девы. Наиболее мощные из известных радиогалактик излучают (в форме радиоволн) энергию, которая сопоставима с энергией оптического излучения всех звезд галактики вместе взятых. Примером таких объектов является радиогалактика Лебедь А, которая, находясь на расстоянии более миллиарда св. лет от нас, тем не менее, является одним из самых ярких радиоисточников на небе.

 

Квазары - самая поразительная загадка астрофизики

В 1963 г. американский астроном голландского происхождения М. Шмидт сделал одно из величайших открытий в астрономии ХХ в. Это открытие, однако имеет свою предысторию. Около 1960 г. небольшое количество радиоисточников было очень надежно отождествлено со звездами, что было полной неожиданностью. Ведь до сих пор космические радиоисточники отождествлялись либо с галактиками, либо с туманностями . Ожидаемые потоки радиоизлучении даже от самых близких звезд должны быть крайне незначительны. А между тем отождествленные со звездами радиоисточники были довольно интенсивны. Вполне естественно, что астрономы-оптики сразу же заинтересовались этими звездами. М. Шмидт получил и исследовал спектр такой довольно яркой звезды 13-й величины, отождествленной с интенсивным радиоисточником 3С 273. Этот спектр содержал линии излучения, которые поначалу ни с какими лабораторными линиями отождествить не удавалось. Велико же было изумление астрономов, когда Шмидт с полной достоверностью отождествил эти линии с основными линиями водорода серии Бальмера, длины волн которых смещены в красную сторону на неслыханную в те времена величину, соответствующую скорости удаления источника 42000 км/с! Такая скорость удаления с большой вероятностью означает, что объект 3С 273 находится в Метагалактике, а наблюдаемое красное смещение спектральных линий обусловлено расширением Вселенной. Применяя закон Хаббла получим расстояние до этого источника около двух миллиардов световых лет. С такими расстояниями астрономы еще тогда не встречались. Тем более удивительно, что, несмотря на громадность расстояния, объект 3С 273 довольно ярок. Отсюда следует, что светимость 3С 273 приблизительно в сто раз превышает светимость нашей Галактики, считающейся гигантской звездной системой. С объектами такой высокой светимости астрономы тогда еще не встречались. Следует заметить, что удивительные свойства объекта 3С 273 были открыты только благодаря тому, что он оказался радиоисточником. На небе имеется много тысяч звездочек 13-й величины, и среди них объект 3С 273, многократно попадавший в поле зрения оптических телескопов и долгие годы решительно ничем не привлекавший к себе внимания. Сразу же после выяснения метагалактической природы 3С 273 автор этой статьи пришел к парадоксальному выводу, что блеск 3С 273 может меняться со временем. Советские астрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов тщательно исследовали старые фотографии неба, на которые случайно попадал этот объект. Эти фотографии хранились в "стеклянной библиотеке" Государственного Астрономического института им. Штернберга. Результаты превзошли самые смелые ожидания: 3С 273 менял свой блеск за несколько лет почти на целую звездную величину, т.е. примерно в 2.5 раза! Вскоре это открытие советских ученых было подтверждено на более богатом наблюдательном материале в США.

Открытие переменности 3С 273 действительно было парадоксальным. До этого времени переменность астрономы  обнаруживали и изучали у звезд  разных типов. Но ведь, казалось, 3С 373 - это галактика, состоящая из триллионов звезд, каждая из которых, конечно, должна излучать независимо. Так что о  переменности "сглаженного" и  усредненного по времени излучения  такого огромного количества звезд  не могло быть и речи! И все  же переменность, и притом значительная, была налицо! Из того простого факта, что  характерное время изменения  потока (а, следовательно, светимости) было около 1 года, с очевидностью следовало, что линейные размеры излучающей области не превышают 1 световой год - величина, ничтожно малая для галактик. Отсюда следовал вывод, что излучают не звезды, а что-то другое. В отношении  этого "другого" можно было только сказать, что это объект, в известной  степени близкий по своей природе  ядрам сейфертовских галактик, но только в тысячи раз мощнее и активнее. Кстати, заметим, что исторически  переменность блеска ядер сейфертовских  галактик была открыта позднее, а  само исследование этих галактик в  значительной степени стимулировалось  исследованием объектов, родственных  по своей природе 3С 273 и получивших название "квазаров" “квазизвездные радиоисточники” ("квази-звездные" объекты).

Расстояние  до квазаров

По мере накопления данных наблюдений большинство астрономов пришли к выводу, что квазары дальше от нас, чем любые другие объекты, доступные наблюдениям. Но небольшая  часть астрономов утверждала, что  наиболее убедительные данные наблюдений говорят о пространственной близости квазаров и не очень далеких галактик.

Красное смещение

Большинство квазаров интенсивно излучают радиоволны. Когда астрономы точно определили положения этих радиоисточников на фотографиях, полученных в видимом свете, они обнаружили звездообразные объекты.

Чтобы установить природу  странных небесных тел, сфотографировали их спектр. И увидели совсем неожиданное! Эти “звезды” имели спектр, резко  отличающийся от всех других звезд. Спектры  были совершенно незнакомыми. У большинства  квазаров они не содержали не только хорошо известных и характерных  для обычных звезд линий водорода, в них вообще с первого взгляда  нельзя было обнаружить ни одной линии  даже какого-либо другого химического  элемента. Работавший в США молодой  голландский астрофизик М.Шмидт  выяснил, что линии в спектрах странных источников неузнаваемы лишь потому, что они сильно смещены  в красную область спектра, а  на самом деле это линии хорошо известных химических элементов (прежде всего водорода).

Причина смещения спектральных линий квазаров была предметом больших  научных дискуссий, в итоге которых  подавляющее большинство астрофизиков пришли к выводу, что красное смещение спектральных линий связано с  общим расширением Метагалактики.

В спектре объектов 3С273 и 3С48 красное смещение достигает  небывалой величины. Смещение линий  к красному концу спектра может  быть признаком удаления источника  от наблюдателя. Чем быстрее удаляется  источник света, тем больше красное  смещение в его спектре.

Характерно, что в  спектре практически всех галактик (а для далеких галактик это  правило не имеет ни одного исключения) линии в спектре всегда смещены  к его красному концу. Красное  смещение пропорционально расстоянию до галактики.

Скорость  удаления

У наиболее далеких  из известных до сих  галактик красное  смещение весьма велико. Соответствующие  ему скорости удаления измеряются десятками  тысяч километров в секунду. Но у  объекта 3С48 красное  смещение превзошло  все рекорды. Получилось, что он уносится от Земли со скоростью  только примерно вдвое  меньше скорости света! Если считать, что  этот объект подчиняется  общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 млрд. световых лет! К примеру, за 8 1/3 минут луч света  долетит до Солнца, за 4 года - до ближайшей  звезды. А здесь  почти 4 млрд.лет непрерывного сверхстремительного  полета - время, сравнимое  с продолжительностью жизни нашей планеты.

Для объекта 3С196 расстояние, также найденное по красному смещению, получилось равным 12 млрд. световых лет, т.е. мы уловили луч света, который  был послан к нам еще тогда, когда ни Земли, ни Солнца не существовало! Объект 3С196 очень быстрый - его скорость удаления по лучу зрения достигает 200 тысяч  километров в секунду.

Возраст квазаров

По  современным оценкам, возрасты квазаров измеряются миллиардами лет. За это время каждый квазар излучает огромную энергию. Нам неизвестны процессы, которые  могли бы служить  причиной такого энерговыделения. Если предположить, что перед нами сверхзвезда, в которой  “сгорает” водород, то ее масса должна в миллиард раз  превышать массу  Солнца. Между тем  современная теоретическая  астрофизика доказывает, что при массе  более чем в 100 раз превышающей  солнечную, звезда неизбежно  теряет устойчивость и распадается  на ряд фрагментов.

Из известных ныне квазаров, общее число которых  более 10 000, самый близкий удален на 260 000 000 световых лет, самый далекий - на 15 млрд. световых лет. Квазары, пожалуй, наиболее старые из объектов, наблюдаемых  нами, т.к. с расстояния в миллиарды  световых лет обычные галактики  не видны ни в один телескоп. Однако это “живое прошлое” пока что совершенно непонятно нам. Природа квазаров до сих пор полностью не выяснена.

Необычайная светимость

Подчиняясь тому же закону космологического удаления, что  и галактики, источники 3С273 и 3С48 сами по себе сильно отличаются от обычных  галактик, подобных нашей Галактике. Прежде всего поражает их необычайная  светимость, в сотни раз превышающая  светимость нашей Галактики.

Казалось бы, объекты, столь далекие от Земли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самыми мощными современными телескопами. В действительности, например, объект 3С273 можно найти в созвездии  Волосы Вероники как звездочку 12,6 звездной величины. Такие звезды доступны даже любительским телескопам.

Таинственным является и тот факт, что по своим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они выглядят как точечные источники  света, в то время как даже самые  далекие галактики похожи на размытые светящиеся кляксы.

Источник  энергии

Какими  же чудовищными по мощности излучения  должны быть эти источники  света, если с расстояния в миллиарды световых лет они кажутся  такими яркими!

Самый трудный вопрос, связанный с квазарами, - это объяснение гигантского выделения энергии. Если квазары и в самом деле находятся на космологически больших  расстояниях от нас (т.е. красное  смещение действительно связано  с расширением Вселенной), то нужно  объяснить, как возникает эта  сильнейшая светимость. Остается загадкой, какой же источник энергии поддерживает свечение квазара. Ясно одно, что каков  бы ни был этот источник, сосредоточен он в относительно небольшой области  пространства, т.е достаточно компактен. А это само по себе уже говорит  о том, что механизм выделения  энергии в квазаре весьма необычен.

Многие астрофизики  считают, что квазары связаны  с ядрами галактик, находящимися на определенной ступени эволюции. Например, ядро галактики М87 гораздо ярче ее внешних частей. Но есть галактики  и других типов, так называемые сейфертовские  галактики, у которых контраст яркого ядра со слабосветящейся остальной  частью выражен еще более резко. Возможно, квазары - следующая ступень  этой последовательности. Если они  расположены очень далеко, то мы видим только их яркое ядро, слабая же оболочка (если она вообще есть) просто совсем не видна.

Высказывается также  предположение, что, как и в галактике  М87, выделение энергии в квазарах, возможно, связано с наличием сверхмассивных черных дыр. Начиная с середины 70-х  годов идея о том, что гигантское выделение энергии в квазарах объясняется черными дырами, приобрела  большую популярность.