Время прощаться с квазарами

Александр Волков • 21 апреля 2017
Некоторые открытия впору назвать «закрытиями». Одно из последних событий в астрономии к таковым и относится. В течение десятилетий астрономы изучали квазары, и вот объект их научной страсти исчез.

    Растаяли, словно мыльные пузыри, радиогалактики. Развеялись, как дым, сейфертовские галактики. И даже блазары канули в млечную космическую Лету…

    Что же случилось на небесах?

    Млечный Путь глазами иногалактянина

    Большинство галактик не слишком ярки. Они напоминают наш Млечный Путь. Впрочем, около 10 процентов галактик светятся в десятки, а, может быть, в тысячи раз ярче «обычных» галактик, поэтому их называют «активными». Есть настоящие «монстры»: их можно разглядеть в телескоп с расстояния в миллиарды световых лет.

    За последние шестьдесят лет астрономы обнаружили целый «зверинец» так называемых галактик с активными ядрами. Количество их типов перевалило за десяток. Однако их природа оставалась загадкой для ученых.

    Еще в 1989 году астроном Петер Бартел из Гронингенского университета заметил в их разнообразии сходные черты. Внезапно его осенило: быть может, за этими разными объектами скрываются одни и те же галактики, увиденные с разных сторон. Ведь и наш Млечный Путь кому-то из наблюдателей, живущих в другой галактике, кажется плоской полоской, а кому-то — огромным, взвихренным кругом.

    Так родилась универсальная модель активных галактик. Она сводит их разнообразие к строго определенной схеме. В центре любой галактики расположена черная дыра. Ее масса может достигать миллиарда солнечных масс. Она притягивает к себе газ из окружающего ее пространства. Вокруг нее образуется огромный газопылевой диск. Он обращается возле черной дыры, постепенно разогреваясь. Из-за трения поток вещества теряет свою кинетическую энергию, изливаясь в недра черной дыры. Вблизи от нее облако газа и пыли раскаляется до многих миллионов градусов. Оно испускает мощное излучение в оптическом, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. До тридцати процентов поглощаемой материи преобразуется в энергию.

    Ученым пока еще не вполне ясен механизм зарождения подобных черных дыр. Возможно, их зародыши появились уже в первые доли секунды после Большого Взрыва. Быть может, галактики с самого начала формировались вокруг этих неоднородностей. По другой гипотезе, — ее предложил Джереми Острайкер из Принстонского университета, — черные дыры возникли в первые сто миллионов лет из случайных колебаний плотности в первородном газе. К образованию сверхмассивных черных дыр мог привести коллапс крупных звездных скоплений, возникших посреди галактик. Кроме того, в центре галактик собираются огромные газовые массы. Модельный расчет, который проделали Мартин Рис и его коллеги из Кембриджского университета, показал, что при определенной плотности газа его скопления склонны к коллапсу. «Этот процесс длится около миллиарда лет, — отметил Мартин Рис, — то есть достаточно быстро, чтобы объяснить появление самых дальних и, значит, самых старых квазаров».

    Вокруг черной дыры создается мощное магнитное поле. Под действием поля заряженные частицы (электроны) выбрасываются в виде двух огромных струй (джетов), направленных в противоположные стороны. Эти струи перпендикулярны плоскости галактического диска; электроны движутся внутри них почти со световой скоростью.

    Важнейшую роль в этой модели играет плотный пылевой диск. Он начинается всего в нескольких световых годах от центра галактики и простирается на многие десятки световых лет. Диск содержит столько пыли, что скрывает пылающую внутри него галактику, если наблюдатель находится сбоку от нее.

    Известные нам типы активных галактик разнятся именно своим положением относительно Земли, а не структурой. Мы подобны слепцам, застывшим перед стадом слонов и находящим на ощупь то хоботы, то хвостики, то бивни, то необозримые, шершавые бока, думая, что так разнообразны животные, приведенные к нам. Всякий раз виной нашим заблуждениям — лишь особый аспект.

    Если мы глядим на галактику сверху вниз, то видим струю частиц (джет). В этом случае мы напоминаем путника, застигнутого беззвездной ночью в степи; лишь вдали светится огонек, зажженный на хуторе. Если вернуться к нашим галактикам, то мы наблюдаем «блазар». Яркость его меняется, потому что разнится количество выбрасываемых заряженных частиц.

    Если мы смотрим на галактику сбоку, то улавливаем в основном радиоизлучение, исходящее от нее. Тогда нам кажется, что мы наблюдаем радиогалактику или квазар. Если ее центральная часть полностью затянута пылевым диском, это — радиогалактика. Если сквозь слой пыли проникает свет, это — квазар.

    Это мнение, кстати, вызывало резкое неприятие других ученых. Мало кто верил, что квазар, пылающий ярче тысячи галактик, может полностью скрыться из виду под слоем пыли, превратившись в радиогалактику.

    Многим модель Бартела казалась слишком упрощенной. Ведь в ней не учтена эволюция галактик, не принимаются во внимание размеры черных дыр и потоков заряженных частиц.

    Окно в слое пыли

    Правоту гипотезы можно было доказать лишь одним способом: найти что-то общее у этих галактик, что выдавало бы их неоспоримое сходство.

    Вскоре появилась догадка: когда пылевой диск поглощает свет, испускаемый галактикой, его пылинки разогреваются и, в свою очередь, излучают в инфракрасном диапазоне. Чем больше длина волны этого излучения, тем легче оно проникает сквозь пылевой диск. Если длина волны превышает 20 микрометров, то самый плотный диск прозрачен для инфракрасного излучения. Оно равномерно распространяется во всех направлениях. Иными словами, в этой части диапазона все квазары и радиогалактики должны выглядеть одинаково. Если теория Бартела верна, то мы не сумеем их различить, под каким бы углом зрения ни наблюдали.

    Еще в начале 1990-х годов в первый раз попытались проверить эту гипотезу с помощью инфракрасного спутника IRAS. Однако сделать это удалось лишь в 2001 году. Аппаратура, используемая на Европейской инфракрасной обсерватории ISO, позволила вести наблюдение именно в диапазоне, интересовавшем ученых.

    Объектами наблюдения стали десять пар квазаров и радиогалактик. Их выбор был не случаен. В каждой паре радиогалактика и квазар находились на одном расстоянии; их излучение в радиодиапазоне было одинаково мощным. Судя по этому показателю, оба объекта, составивших пары, были одного и того же возраста.

    Эти наблюдения впервые показали, что в каждой из пар радиогалактику в инфракрасном диапазоне нельзя было отличить от квазара, как и предсказывал Петер Бартел. Судя по уровню излучения, температура пыли, окутавшей галактику, колебалась от нескольких десятков до нескольких сотен кельвинов. В инфракрасном диапазоне подобные галактики излучали почти в тысячу раз больше энергии, чем Млечный Путь.

    Дальнейшие наблюдения почти за 60 сейфертовскими галактиками обоих типов, проделанные обсерваторией ISO, показали, что по своему строению они тоже мало чем отличаются от квазаров. Они лишь излучают куда меньше энергии. Причиной тому, как показали расчеты, различная «прожорливость» черной дыры. У квазаров она поглощает каждый год до тысячи солнечных масс материи; у сейфертовских галактик — всего 10 процентов солнечной массы.

    Выявились и другие интересные факты: например, чем дальше находились квазары и радиогалактики, тем ярче они излучали в инфракрасном диапазоне.

    Это легко объяснить. Заглядывая в отдаленные области Вселенной, мы заглядываем в ее далекое прошлое. Тогда Вселенная была меньше, и потому галактики чаще сталкивались. После этих катастроф материя устремлялась к центру галактики, обрушиваясь в черную дыру. Поэтому ядро галактики излучало больше энергии, а пылевой диск, окружавший его, сильнее нагревался.

    По мере расширения Вселенной эти столкновения случались все реже. Активность черных дыр шла на убыль, и пылевой «кожух», скрывший от нас галактику, остывал.

    Жан Клавель и Бернхард Шульц из Центра обработки данных ISO, расположенного в испанской Вильяфранке, впервые проделали спектральный анализ инфракрасного излучения квазаров. В их спектре они заметили полициклические ароматические углеводороды. Эти крупные молекулы возникают лишь в очень запыленных областях космоса. Таким образом, они маркируют пылевые диски в активных галактиках.

    Теперь все больше астрономов убеждены, что «единая модель галактик в принципе верна». Однако вопросы все же остаются. Так, непонятно, почему одни активные галактики выбрасывают потоки заряженных частиц, а другие нет. Известно также, что многие активные галактики содержат куда больше звезд, чем Млечный Путь. Связано ли это с их активностью? Наконец, какую роль в эволюции галактик играют черные дыры? Быть может, галактики зарождаются лишь вокруг черных дыр?

    Возможно, в ближайшие годы мы получим ответы. В 2002 или 2003 году заработает инфракрасный интерферометр Very Large Telescope Европейской южной обсерватории на горе Параналь в Чили. Предположительно в 2007 году будет запущен новый Европейский инфракрасный космический телескоп имени Гершеля.

    Наиболее известные галактики с активными ядрами

    Сейфертовские галактики. Названы так по имени американского астронома Карла Сейферта, открывшего их в 1943 году. Это — спиральные галактики с активными ядрами. Яркость их ядер выше, чем всего Млечного Пути. Вокруг центральной части этих галактик обращаются потоки раскаленного, светящегося газа, развивая скорость до нескольких тысяч километров в секунду. Сейчас насчитывают тысячи подобных галактик.

    Радиогалактики. Их открыл в сороковые годы американский инженер Гроут Ребер. С помощью первого в истории радиотелескопа он зарегистрировал странные сигналы, исходящие из созвездия Лебедя. Впрочем, подлинную природу этой радиогалактики под названием Cygnus A удалось понять лишь много лет спустя. Из ее центральной части выбрасываются два противоположно направленных потока заряженных частиц. На расстоянии 650 тысяч световых лет от галактического ядра образуются огромные газовые пузыри. Отсюда исходит наблюдаемое радиоизлучение. У подобных галактик оно в тысячи и даже в десятки тысяч раз выше, чем у Млечного Пути. Сейчас астрономам известны также радиогалактики, достигающие в поперечнике миллиона световых лет.

    Квазары. Это самые энергетичные объекты Вселенной. Их открыл в шестидесятые годы нидерландский астроном Маартен Шмидт, работавший в то время в Маунт-Паломарской обсерватории. Сегодня мы знаем, что квазары — это точечные, квазизвездные объекты, излучающие неимоверное количество энергии. Так, объект размером с Солнечную систему может излучать энергии в 10 тысяч раз больше, чем Млечный Путь. Одни квазары интенсивно излучают в радиодиапазоне, другие — нет, но оба типа квазаров почти одинаково ярко излучают в оптическом диапазоне.

    Блазары. В телескоп они выглядят почти так же, как звезды, но очень интенсивно излучают в радиодиапазоне. Отличаются от квазаров тем, что их яркость в течение суток, а то и нескольких часов может разительно меняться.