Очерки о Вселенной

Введение

       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.

Глава 1. Квазары – самая  поразительная загадка астрофизики

1.1 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. Красное смещение пропорционально расстоянию до галактики.

1.2 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.

1.3 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.

       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.

1.4 Источник энергии

          Еще одна загадка квазаров заключается в том, что некоторые из них меняют свою яркость с периодом в несколько суток, недель или лет, тогда как обычные галактики не обнаруживают таких вариаций.

       Московские астрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов решили выяснить, как вели себя в прошлом “странные звезды”. Они внимательно просмотрели 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 г. был запечатлен объект 3С273. Вывод, к которому пришли советские ученые, можно считать вполне достоверным. А он поразителен. Оказалось, что 3С273 менял свою яркость! И не чуть-чуть, а очень заметно - от 12,0 до 12,7 звездной величины, т.е. почти в два раза. Бывали случаи (например, в период с 1927 по 1929 г.), когда за непродолжительное время поток излучения от 3С273 возрастал в 3 - 4 раза! Иногда за несколько суток объект менялся на 0,2 - 0,3 звездной величины. При этом внешне, оптически, не происходило никаких других существенных изменений - “странная звезда” неизменно казалась звездой, хотя и переменной. Подобное явление позже было обнаружено и у объекта 3С48.

       Известны тысячи переменных звезд, по разным причинам изменяющихся. Но среди обычных галактик не было зарегистрировано ни одной переменной. Хотя многие из них содержат тысячи и миллионы переменных звезд, колебания их светимости происходят в разнобой и столь несущественны для галактики в целом, что общее излучение галактик всегда остается практически неизменным. Ни один оптический инструмент мира не может уловить хотя бы малейшие колебания светимости какой-нибудь из галактик. Остаются три возможности.

Первая из них нелепа: звезды галактики изменяются сразу  и одинаково, как по команде, в  одном ритме. С физической стороны  такое объяснение настолько абсурдно, так противоречит всем нашим знаниям  о космосе, что не заслуживает  серьезного рассмотрения. Вторая возможность - странные объекты, сходные с галактиками  по характеру красного смещения, имеют  физическую природу, совершенно отличную от галактик. Однако, большинство астрономов предполагают, что квазары - активные ядра сверхдалеких галактик.

      Бесспорно, что квазары - это не протяженные, разбросанные на десятки тысяч световых лет звездные системы, а какие-то весьма компактные тела небольших сравнительно размеров и колоссальной массы (миллиарды солнечных масс). Относительно малые размеры могут объяснить быстроту колебаний светимости всего объекта в целом, а огромная масса - единственно возможная причина исключительной яркости, или, точнее светимости небесного тела. Чем массивнее звезда, тем ярче она светит. Эта закономерность следует как из наблюдений, так и из теоретических соображений. Не только по массе, но и по мощности излучения квазары резко отличаются от всех известных небесных тел. Даже сверхновые звезды “бледнеют” в сравнении с ними. Сверхновые звезды излучают света в несколько миллиардов раз больше, чем Солнце только в момент своего мощного взрыва. Рядовой же квазар всегда в десятки тысяч раз излучает больше. 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. Процесс выделения энергии тоже связывают с работой сил тяготения, а радиоизлучение квазара - это синхротронное излучение заряженных частиц в магнитном поле.

     Некоторые астрономы считают, что потоки энергии от квазаров значительно ниже, поскольку расстояния до них сильно преувеличены. Если квазары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мы думаем, то мы завышаем в 10 000 раз их светимость при расчетах мощности излучения по их наблюдаемой яркости. Астрономы, которые придерживаются этой точки зрения, исходят из того факта, что квазары часто видны на небе рядом с пекулярными (необычными) галактиками.

Эти галактики, хотя и несколько  необычны по своей структуре, имеют  обычные красные смещения, которым  соответствуют скорости удаления, равные нескольким процентам от скорости света. А квазары, расположенные на небе поблизости от них, имеют красные смещения в 10 - 20 раз больше! Если квазары находятся по соседству с довольно близкими галактиками, чем объяснить их огромные красные смещения? Единственное разумное объяснение - эффект Доплера, но почему мы всегда наблюдаем лишь красное смещение (удаление) и никогда - фиолетовое (приближение)? И как вещество могло быть выброшено (всегда в направлении от нас!) с такими огромными скоростями и сохранить при этом форму единого объекта? Ответ гласит: это никому неизвестно. За 15 лет не удалось определить ни расстояния до квазаров, ни их природу и источники их колоссальной энергии. Может быть, загадка квазаров таит в себе ключ к какой-то новой области астрофизики, какие-то новые возможности возникновения больших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новые способы генерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко. Будем надеяться, что в последующие годы нам удастся преодолеть эти трудности в объяснении природы удаленных областей Вселенной, в которых расположены квазизвездные объекты.