2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ И ПРИРОДЕ КВАЗАРОВ

Исследования Вселенной при помощи радиотелескопов привели к открытию таких удивительных объектов как квазары. Предпосылкой открытия квазаров послужила увеличившаяся разрешающая способность радиотелескопов, что позволило с большей точностью, чем раньше определять координаты и угловые размеры объектов, излучающих радиоволны.

Открытие квазаров

В 1960 г. две 27-метровые антенны Калифорнийского технологического института в долине Оуэнс, составляющие в паре друг с другом радиоинтерферометр, начали измерения координат источников радиоизлучения, внесенных в Третий Кембриджский каталог (3С). Точность определения координат достигла и в результате измерений, было обнаружено, что некоторые источники имеют очень малые угловые размеры.

26 сентября 1960 г. Т. Метьюз и А. Сендидж сфотографировали на 200-дюймовом телескопе область неба, содержащую один из таких источников - 3С 48. В пределах прямоугольника ошибок координат в этой области не было никаких объектов, кроме звезды . Вокруг звезды были следы слабой небольшой туманности, но объект выглядел звездообразным. 22 октября 1960 г. А. Сендидж получил спектр обнаруженного объекта, в нем оказалась необычная комбинация широких эмиссионных линий, которая не поддавалась идентификации. В спектре не удалось узнать ни одну из спектральных линий, не удалось отождествить линии ни с одним химическим элементом. Показатели цвета 3С 48 тоже были необычны, они соответствовали очень горячим объектам с ультрафиолетовым избытком.

К 1962 г. Т. Метьюз и А. Сендидж отождествили со звездообразными объектами источники радиоизлучения 3С 196 и 3С 286. Решающим стал 1963 г., к этому времени К. Хазард, М. Маккей и А. Шиминс с рекордной для того времени точностью определили координаты источника радиоизлучения 3С 273. Объект оказался двойным с расстоянием между компонентами в и диаметром каждого источника меньше . Один из компонентов источника совпадал со слабой "звездой" (). Молодой голландский астрофизик Маартен Шмидт на обсерватории Маунт Паломар получил спектр 3С 273, в котором опять оказались непонятные эмиссионные линии. Он-то и предположил, что эти линии можно отождествить с бальмеровской водородной линией, если допустить красное смещение, равное 0,158.

Правильность отождествления линий, предложенного Шмидтом, была доказана Дж. Оуком, который нашел в инфракрасном спектре 3С 273 линию в точности на том месте, где она должна была находиться с предложенным значением красного смещения. После указанного события Т. Метьюз и Дж. Гринстейн отождествили линии в спектре 3C 48, допустив красное смещение .

К концу года стало известно девять объектов такого рода, а затем, когда стало ясно, по каким признакам их можно искать, хлынул поток открытий. К 1967 г. было найдено уже около 150 квазизвездных источников радиоизлучения (quasistellar sourse, QSS), в 1977 г. их стало 370 и очень скоро такие объекты стали называть сокращенно квазарами.

Основные наблюдаемые свойства квазаров

Квазары при наблюдении через телескоп выглядят звездообразными объектами, которые к тому же являются сильными источниками радиоизлучения. Они обладают избытком излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра. Спектр содержит широкие линии излучения, всегда сильно смещенные в красную сторону.

Квазары обладают рядом удивительных свойств:

а) мощность их электромагнитного излучения чрезвычайно велика - от до Вт. Для сравнения укажем, что мощность излучения нашей Галактики составляет примерно Вт. Предполагается, что столь мощное излучение может возникать при гравитационном коллапсе гигантской массы - от до солнечных масс;

б) спектр излучаемого света обнаруживает сильное красное смещение, характеризуемое параметром , где - длина волны наблюдаемого света, а - ее смещение в сторону длинных волн. Это красное смещение настолько велико, что, например, линия серии Лаймана в спектре водорода, при нормальных условиях наблюдаемая в ультрафиолетовой области, оказывается в видимой части спектра;

в) квазары изменяют свой блеск, у некоторых амплитуда колебаний блеска доходит до и больше. Например, у квазара 3C 279 амплитуда составляет почти и в максимуме блеска это один из самых ярких объектов Вселенной, его ;

г) у квазаров были обнаружены окружающие их слабосветящиеся туманности, излучение туманностей настолько слабое, что за эфемерный вид английские и американские астрономы дали им красивое название "fuzz" - пушинка. Так вот в центре такой "пушинки", размеры которой оказались такими же, как и у гигантских галактик, расположен квазар - как плотное, крошечное зернышко тополя в своей пуховой оболочке.

Энерговыделение квазаров огромно. Как уже упоминалось, светимость нашей Галактики составляет около Вт, у квазаров светимость на несколько порядков выше. Общее количество энергии, выделяемой квазарами, оценивается в Дж. Это в 10 триллионов раз больше, чем выделило Солнце за все время своего существования.

Переменность излучения квазаров обнаружена как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Колебания светимости происходят неправильным образом за время порядка одного года и меньше (до нескольких дней). Исходя из этого, можно сделать вывод, что размеры квазаров не превышают пути, проходимого светом за время существенного изменения светимости иначе переменность не наблюдалась бы. Следовательно, косвенно можно оценить размеры квазаров - их диаметры не превышают одного светового года, т.е. квазары гораздо меньше даже одиночных галактик (Для сравнения диаметр нашей Галактики - около 100 тысяч световых лет). Отсюда следует, что вся гигантская энергия квазара генерируется в ничтожно малом объеме.

Исходя из таких наблюдаемых свойств квазаров было сделано ряд предположений:

1) либо данные объекты находятся очень далеко за пределами Галактики, а светимость объектов в 100 и более раз превышают светимость гигантских галактик;

2) либо квазары это объекты, выброшенные из ядра Галактики со следами взрывной активности ядра и движущиеся с огромной скоростью, тогда расстояние до них может оцениваться величиной порядка 10⁶-10⁷ парсек, следовательно, и энергии эти объекты излучают значительно меньше.

Вначале наблюдаемое красное смещение пытались объяснить за счет эффекта Доплера. Для этого квазары должны удаляться от нас с огромной скоростью. Нередко поэтому можно встретить в литературе отождествление параметра с релятивистским доплеровским смещением , которое приходит на смену нерелятивистскому доплеровскому смещению , когда относительная скорость становится близкой к скорости света в вакууме . Таким образом, квазары должны были бы удаляться от нас со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Такое объяснение, однако, выглядит довольно сомнительным. Кроме того, выдвигаемое в связи с этим предположение, что квазары представляют собой объекты, выбрасываемые ядрами галактик Местного галактического скопления с почти световой скоростью, удаленные от нас не более чем на 10 миллионов парсек (1 парсек = 3,26 светового года = м), ставит много новых загадок.

Сегодня почти все признают, что сдвиг спектров квазаров в сторону длинных волн объясняется не доплеровским смещением, а космологическим красным смещением. Согласно этому объяснению, чем дальше находится от нас квазар, тем сильнее смещен его спектр - в полном соответствии с космологическим "эффектом Хаббла".

Космологические модели Вселенной

Любые гипотезы и предположения, объясняющие наблюдаемые свойства Вселенной всегда строятся на основе определенной космологической модели. В настоящее время в космологии существуют две главных модели. Первая модель основана на общей теории относительности (ОТО) и получила название - модель наблюдаемой Вселенной Энштейна-Фридмана. Вторая модель была предложена такими учеными как Г. Бонди, Т. Голд, Ф. Хойл и получила название - модель стационарной Вселенной.

В обеих моделях исходят из того, что крупномасштабная структура Вселенной одинакова везде и во всех направлениях, т.е. Вселенная является однородной и изотропной. Но "Совершенный космологический принцип" теории стационарной Вселенной гласит, кроме того, что Вселенная одинакова не только везде, но и всегда. В теории наблюдаемой Вселенной Энштейна-Фридмана существуют решения двух типов. Согласно первому, Вселенная является динамической и непрерывно расширяется после так называемого Большого Взрыва (момента рождения Вселенной). Во втором варианте расширение замедляется все больше и больше, а затем сменится сжатием и Вселенная будет сжиматься до состояния предельно большой плотности (состояние сингулярности), а затем снова начнется расширение.

На сегодняшний день традиционной и общепризнанной считается космологическая модель Энштейна-Фридмана и все объяснения наблюдаемых свойств Вселенной строят, как правило, на основе указанной модели.

Гипотезы о природе квазаров в рамках традиционной космологической модели

Квазары как определенная стадия развития вселенной

Статистический анализ красных смещений квазаров показал, что значения в основном не превышают определенного значения и проявляют тенденцию концентрироваться в интервале от до . Вначале это объясняли тем, что из-за поглощения света в межзвездном газе более далекие объекты оказываются недоступными для современных телескопов. Однако в дальнейшем было выдвинуто другое объяснение.

В соответствии с ним даже с помощью более совершенных телескопов, расширяющих горизонты наблюдаемой Вселенной, а значит и позволяющих заглянуть в более далекое ее прошлое, не удается открыть новых, более удаленных квазаров, поскольку раньше определенного момента их попросту не было. И этот момент уже сейчас находится в пределах досягаемости наших телескопов. Так как принимаемое нами сегодня излучение квазаров, согласно этому космологическому истолкованию, идет до нас около 10 миллиардов лет то наблюдая квазары, мы заглядываем в прошлое Вселенной на 10 миллиардов лет назад. Вселенная тогда находилась на более ранней стадии развития, и происходившие в ней процессы отличались огромными энергиями. Этим объясняется и необыкновенная мощность излучения квазаров.

Исходя из такого предположения, можно считать, что квазары соответствуют определенному этапу развития Вселенной в целом, и характерны для ее далекого прошлого. Соответственно, до квазаров существовавших на ранних этапах развития Вселенной должны быть огромные расстояния, что и подтверждают наблюдения.

Слияние галактик как причина феномена квазаров

Наблюдения и исследования изображений "пушинок" вокруг квазаров привели к новому открытию. Обнаружилось, что многие из "квазарных" галактик взаимодействуют с другой галактикой. Процент таких пар довольно высок и у систем с небольшим красным смещением он достигает 30 %. Такие наблюдательные факты позволяют предположить, что само явление квазара во многих случаях может быть вызвано взаимодействием галактик.

Указанная гипотеза состоит в том, что взаимодействие галактик сильно возмущает движение газа в системе, и он попадает в центр галактики. Там его "пожирает" сверхмассивная черная дыра и этот процесс сопровождается выделением гигантского количества энергии, которое мы наблюдаем как феномен квазара.

Современные исследования показывают, что процессы слияния галактик и процессы активности галактических ядер коррелируют между собой. В связи с этим можно предположить, что эпоха образования квазаров может являться одновременно и эпохой формирования массивных галактик за счет слияния менее массивных блоков (карликовых галактик). Прямые наблюдения хозяйских галактик (галактик, которые поглощают другую галактику) ближайших квазаров при помощи телескопа Хаббла дали подтверждения прямой связи активности с взаимодействием и слиянием галактик. В частности, в случае хозяйской галактики квазара PKS 2349 обнаружена погружающаяся в нее галактика-спутник масштаба БМО.

В соответствии с вышеизложенным квазары представляют собой весьма сложно устроенную аккрецирующую систему вокруг сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре хозяйской галактики. Это так называемый аккреционный диск - затеняющий тор или толстый диск, по оси которого направлен радиовыброс в случае радиогромких объектов, система быстро летящих облаков, которые формируют широкие оптические эмиссионные линии, а на больших расстояниях за тором - узкие оптические эмиссионные линии.

Подобная "сборка" галактик наблюдается с помощью телескопа Хаббла на красных смещениях порядка 2-3. Такой процесс может объяснить как быстрое убывание числа квазаров от прошлого к настоящему, так и известный обрыв в их распределении на больших красных смещениях. Радиогромкие квазары в модели слияний связываются с вращением черной дыры, которое инициируется либо недавним "сильным" слиянием с галактикой сравнимой массы, либо относительно небольшим количеством "слабых" слияний массивной галактики с карликами. Кроме того, считается, что слияния приводят к возникновению активности галактических ядер.

Квазары как определенный этап жизни галактики

Многие характеристики квазаров наблюдаются и у галактик, т.е. между квазарами и галактиками существует непрерывный переход. Такие галактики обнаруживают в своем спектре сильный ультрафиолетовый избыток, некоторые обладают заметным красным смещением и не являются источниками радиоизлучения. Светимости галактик существенно меньше чем у квазаров. У ряда галактик было найдено и радиоизлучение, они получили название N-галактик.

Спектры квазаров похожи на спектры ядер сейфертовских галактик, у которых наблюдаются в области ядра широкие эмиссионные линии, указывающие на движение больших масс газа. Подобным является и распределение энергии в спектре. Характеристики радиоизлучения и поляризации света квазаров и галактик мало отличаются друг от друга. Мощные потоки инфракрасного излучения наблюдаются как от квазаров, так и от ядер сейфертовских и радиогалактик. Поэтому выдвигались гипотезы о том, что квазары представляют собой активные сверхмощные ядра удаленных, молодых галактик.

Особенно важным и убедительным указанием на единство природы квазаров и галактик явилось обнаружение в 1967 г. Дж. Оуком переменности блеска компактной радиогалактики 3C 371 с амплитудой около . Вскоре также были обнаружены переменность блеска нескольких N-галактик и галактик Сейферта. Оказалось, что переменность блеска - не уникальное свойство квазаров, а свойство, присущее и галактикам с активным ядром.

Сходство свойств квазаров со свойствами ядер сейфертовских галактик дало основание предположить, что квазары являются ядрами молодых галактик.

Более поздние наблюдения в начале 70-х и в 80-х годах ХХ века показали, что выявленные слабые туманности вокруг квазаров по цвету похожи на поздние голубые спиральные галактики, а иногда бывают еще более голубыми. Голубой цвет галактики указывает на большое количество молодых массивных звезд. Это может означать, что туманность представляет собой молодую галактику, в которой происходит мощный процесс звездообразования.

В 1982 г. американские астрономы Т. Боросон, Дж. Оук, К. Грин смогли получить хороший спектр туманности вокруг квазара 3С 48 и нашли в нем узкую типично звездную линию поглощения магния. Это явилось первым прямым доказательством того, что квазары окружены звездной компонентой и их можно считать ядрами рождающихся галактик.

Традиционные представления о распределении квазаров в пространстве

Хронология обнаружения новых квазаров и способы их поиска

Начиная с момента открытия, количество обнаруженных квазаров постоянно увеличивается. По мере совершенствования технических и методологических средств поиска и идентификации обнаруживаются все более далекие квазары. Но если проанализировать хронологию обнаружения этих объектов, то выявляется очередная особенность квазаров.

С момента открытия квазаров в 1963 г. процесс обнаружения новых квазаров шел очень быстро, но после достижения красным смещением значения динамика этого процесса значительно замедлилась.

Если анализировать технические способы обнаружения квазаров, то можно увидеть, что сначала в основном обнаруживались радиогромкие квазары, затем начиная с 1965 г. радиотихие квазары. Их открывали как синие объекты, используя критерий "ультрафиолетового избытка". Но такая методика обнаружения квазаров становится неэффективной при значениях красного смещения превышающих 2, чем и можно было объяснить замедление темпов открытия новых квазаров.

В конце 80-х годов ХХ века появились новые более эффективные оптические методики обнаружения квазаров. Это позволило в первое время обнаруживать квазары с большим значением красного смещения. Но, несмотря на широкомасштабные исследования с применением современных критериев обнаружения и идентификации было очень трудно найти квазары с красным смещением превышающим 5,5. Возникает вопрос можно ли обнаружить квазары с большим значением красного смещения. Несмотря на имеющиеся ограничения современных методов обнаружения, квазары в принципе должны были бы обнаруживаться при значениях . Такая ситуация при поиске, привела к предположению о том, что на более далеких расстояниях квазары практически не встречаются. И плотность пространственного распределения квазаров быстро увеличивается в диапазоне значений , а затем резко снижается для больших значений красного смещения (см. Рис. 1).

Рис. 1. Относительная пространственная плотность распределения квазаров.

Периодичности в спектрах квазаров

Исследования квазаров проводились не только при помощи телескопов. Значительный интерес для исследований представляли собой зафиксированные координаты уже открытых квазаров. По мере роста количества обнаруженных квазаров все более интересные результаты давали статистические исследования распределения квазаров в пространстве.

Исследования распределения квазаров проводились по разным параметрам, в том числе и по величине красного смещения . При этом в основном строили гистограммы распределения, исследовали пики в распределении квазаров, особенно вблизи , но дальнейший статистический анализ, как правило, не проводился.

В 1971 г. Карлссоном был проведен корреляционный анализ гистограммы распределения квазаров, который выявил качественно новую особенность распределения квазаров в пространстве - периодичность распределения по аргументу . Расчет автокорреляционной функции подтвердил наличие указанной периодичности. Исследовалась выборка из 166 объектов, и период по аргументу составил 0,205.

Такой факт, в пространственном распределении квазаров по красным смещениям требовал объяснения, и первоначально причину возникновения таких неравномерностей видели в методиках обнаружения квазаров (эффектах селекции). Но в дальнейшем вывод о сильном влиянии эффектов селекции был подвергнут сомнению и возражения против неоднородности в распределении квазаров по были отвергнуты.

Статистические исследования координат открытых квазаров продолжались, строились все более новые выборки, для большего количества объектов, но результат оставался тем же: красные смещения открытых квазаров имели тенденцию избегать некоторых интервалов .

На сегодняшний день исследования периодичностей в пространственном распределении квазаров продолжаются, но четкой физической интерпретации в рамках традиционной космологической модели Вселенной так и не получили.

Заключение

Любые наблюдательные факты подлежат тщательному осмыслению и, каким бы очевидным ни был тот или иной факт, всегда должна оставаться определенная тень сомнения в истинности толкования этого факта.

В рамках традиционной и общепринятой космологической модели Вселенной возникает, как можно было увидеть, достаточно затруднений и противоречий при толковании наблюдаемых свойств реального мира. Поэтому принимать безапелляционно эту модель все-таки еще рано. Следовательно, в наших общих интересах выслушивать нетрадиционные точки зрения на, казалось бы, уже давно решенные проблемы.

Ведь только та модель реального мира сможет претендовать на истинность, в которой будут отсутствовать любые противоречия и нестыковки со всеми наблюдательными фактами реального мира в комплексе. Потому, что "множество путей ведут к заблуждению и только один - к истине".