Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

В некоторый момент у вас могло зародиться сомнение: а верна ли вся эта цепочка рассуждений? Что, если расстояния до квазаров определены неправильно? Тогда светимость квазаров не будет такой большой. Расстояния до квазаров вычислены на основании красного смещения линий в их спектрах и с использованием закона Хаббла. А не может ли быть другой причины для появления красного смещения в спектре, кроме сдвига, обусловленного расширением Вселенной?

Чем больше длина волны излучения, тем меньше частота колебаний. А что, если по какой-то причине колебания атомов в квазарах замедляются и поэтому спектральные линии сдвигаются в длинноволновую сторону? В принципе, это возможно, если пространство-время в области излучения сильно искривлено, например вблизи черной дыры. С точки зрения внешнего наблюдателя, в такой области течение времени и частота колебаний кажутся замедленными. Специально проведенные исследования на предмет возникновения красного смещения в сильных гравитационных полях показали, что другие особенности спектра, помимо красного смещения, не согласуются с таким предположением. Затем исследователи обратились к так называемым механизмам аномального красного смещения. В лабораторных опытах такого не наблюдается, но есть гипотеза, что это может быть в необычных условиях квазаров. Впрочем, до сих пор свидетельства этого в целом не выглядят настолько убедительными, чтобы заставить изменить фундаментальную физическую теорию.

И радиогалактики, и квазары выделяют огромную энергию. Сходство между этими двумя классами объектов стало еще более очевидным, когда обнаружилось, что радиоизлучение может исходить с обеих сторон от квазара, в дополнение к излучению самого квазара. Если квазары и радиогалактики наблюдать только в радиодиапазоне, то они очень похожи. У радиогалактик центр, или галактическое ядро, соответствует квазару. Это наводит на мысль, что квазары — это ядра галактик. От обычных ядер галактик они отличаются своим колоссальным блеском: квазары такие яркие, что в их сиянии не видны окружающие звезды. Это удалось прямо подтвердить, зарегистрировав свет, излучаемый звездами самой галактики, внутри которой находится квазар. Одной из первых стала галактика, содержащая квазар 3С 273 (рис. 26.6).

Рис. 26.6. Квазар 3С 273 и его узкий джет длиной 150 000 световых лет на снимке, полученном телескопом NOT на острове Ла-Пальма. Материнская галактика видна как удлиненное образование вокруг яркого ядра. Рядом заметны и другие галактики. Яркое пятно вблизи верхнего левого угла — это звезда нашей Галактики. С разрешения Leo Takalo и Kari Nilsson.

Мы можем вычислить полное количество энергии, высвобождаемой ядром галактики в течение активного периода. Обычно это соответствует массе в миллион масс Солнца, если использовать соотношение Эйнштейна между массой и энергией. Это огромное количество, если учесть, что в естественных процессах высвобождается лишь малая доля полной энергии массы. Например, Солнце за всю свою жизнь с помощью ядерных реакций превращает в излучение только 0,1 % своей массы. Чтобы произвести энергию, характерную для ядра активной галактики, гипотетическая сверхзвезда при такой же эффективности в 0,1 % должна была бы иметь массу в миллиард масс Солнца. Но расчеты показывают, что такие сверхзвезды не способны жить настолько долго, чтобы обеспечить наблюдаемое количество квазаров.

Однако более эффективным источником энергии, чем ядерные реакции, может быть потенциальная энергия коллапсирующего небесного тела. Вещество, падающее на поверхность плотного небесного тела, приносит с собой огромное количество энергии: в процессе падения вещество достигает большой скорости, и эта энергия при столкновении вещества с поверхностью тела переходит в другие формы энергии. Некоторая ее часть может перейти в излучение. Вычисления показывают, что в этом процессе в виде излучения может высвобождаться до 10 % энергии покоя массы падающего вещества. Для этого небесное тело должно быть очень плотным — черной дырой или звездой на стадии коллапса в черную дыру. Но до коллапса в черную дыру небесное тело может пройти стадию сверхзвезды. На какое-то время, порядка миллиона лет, сверхзвезда может существовать как быстро вращающееся тело с ядерным горением в ядре. В конце концов оно взрывается, а то, что остается в ее центре, вероятно, коллапсирует в черную дыру. Скорее всего, такие процессы повсеместно происходили в молодой Вселенной, внутри протогалактик, а сегодняшние черные дыры в центрах галактик должны расти за счет аккреции газа и слияния с другими черными дырами.

Согласно современным взглядам, в ядрах галактик находятся сверхмассивные черные дыры с массами от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Пока такие черные дыры непосредственно не наблюдались, поэтому их массы точно не измерены. Наилучшее определение массы черной дыры получают из скорости движения звезд вокруг них. Таким способом была определена масса черной дыры в центре нашей Галактики: она оказалась равной 3,7 млн масс Солнца. У крупной галактики М87 в скоплении Дева (Virgo) масса черной дыры в тысячу раз больше, и это обычное значение для масс сверхмассивных черных дыр в квазарах.

Сама черная дыра не излучает, но наблюдаемые в квазарах явления происходят вблизи нее. Черная дыра стремится поглотить газовые облака из своих окрестностей и затянуть их внутрь радиуса Шварцшильда. Большинство газовых облаков не прямо падают в черную дыру, а в течение некоторого времени обращаются вокруг центрального тела. Вращающийся газ образует вокруг черной дыры аккреционный диск, в котором вещество движется в соответствии с законами Кеплера и в то же время постепенно приближается к центру. Когда часть газа достигает внутреннего края аккреционного диска, черная дыра затаскивает его в свою «пасть». Пока неясно, какая часть газа пропадает внутри черной дыры, а какой удается избежать этой участи. Но ясно, что некоторой части газа все же удается убежать от черной дыры, и это проявляется в форме двух противоположно направленных джетов (струй), вытекающих с большой скоростью вдоль оси вращения аккреционного диска. Газ в диске очень горячий и сильно намагничен. Считается, что практически все излучение квазаров так или иначе связано с аккреционным диском. Источником энергии служит гравитационная потенциальная энергия, часть которой прямо превращается в излучение, а некоторая часть высвобождается через джеты.

Размер шварцшильдовского радиуса черной дыры квазара по порядку величины сравним с орбитой планеты во внешней части Солнечной системы. Столь малый размер современные телескопы могли бы разрешить только на расстоянии ближайших звезд. Например, обращающаяся вокруг соседней звезды планета была бы ясно видна, если бы она была достаточно яркой, чтобы заметить ее рядом с гораздо более яркой звездой. Двойные звезды часто бывают разделены таким расстоянием, и все же их можно рассмотреть по отдельности. Но ближайшие звезды расположены на расстояниях несколько световых лет, а расстояния до квазаров составляют миллиарды световых лет. Солнечная система на расстоянии квазаров выглядела бы в миллиарды раз меньше того предела, который доступен современным телескопам. Следовательно, не только сейчас, но и в обозримом будущем прямые наблюдения центров квазаров невозможны. Для изучения сверхмассивных черных дыр в квазарах требуются косвенные методы.

Одним из способов исследования процессов внутри квазаров служат наблюдения за их переменностью. Как мы уже знаем, самое короткое характерное время изменения блеска указывает наибольший размер излучающей области. Вскоре после открытия квазаров было установлено, что большинство из них имеет размер в одни световые сутки (200 расстояний от Земли до Солнца). С тех пор за изменением их блеска следят во многих обсерваториях, в том числе и в радиообсерватории Метсяхови Технического университета г. Хельсинки и в обсерватории Туорла университета г. Турку (Финляндия). Эти наблюдения показали даже изменения в течение суток.

Вариации блеска легли в основу теоретической модели странного объекта OJ 287 (рис. 26.7). Судя по всему, этот источник состоит из двух сверхмассивных черных дыр, обращающихся друг вокруг друга. Большая часть излучения связана с аккреционным диском вокруг большей черной дыры и с ближайшей с нему областью. Радиоизлучение генерируется гораздо дальше — в джетах. Орбитальный период черных дыр составляет 9 лет, а их массы равны 0,1 и 18 млрд масс Солнца.

Еще один способ исследования структуры квазаров связан с увеличением угловой разрешающей способности телескопов. Космический телескоп «Хаббл», не страдающий от искажения изображений в атмосфере, достиг разрешения в 0,1". Новое поколение больших оптических телескопов, таких как «Очень большой телескоп» (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, смог с поверхности Земли достичь примерно такого же разрешения (хотя обычно наша атмосфера размазывает изображение звезды в пятнышко размером в 1" или даже больше).