|
| |||
Реферат: КвазарыСодержание: |Загадка сверхзвезд |2 | Загадка сверхзвезд До недавнего времени в звездной астрономии считалось, что масса звезд не может превосходить массу Солнца более чем в 100 раз. В противном случае звезда окажется неустойчивой и распадется. Однако, Хойл и Фаулер предположили, что временами внутри ядер галактик, вследствие сгущения межзвездного газа, могут возникать «сверхзвезды» с массами, превосходящими солнечную в сотни тысяч и даже сотни миллионов раз. Такие сверхзвезды (ибо подобный объект не является звездой в обычном смысле этого слова), как показывают расчеты, должны постепенно сжиматься, что ведет к выделению огромного количества энергии, по сравнению с которым вспышка обычной сверхновой все равно, что вспышка спички по сравнению со взрывом водородной бомбы. Одна такая вспышка может породить вполне достаточное количество быстрых частиц, чтобы целая галактика стала радиогалактикой При фотографировании на обычную фотопластинку многие радиогалактики выглядят как слабые звезды. В 1963 г. голландский астрофизик Шмидт, работающий в США, исследовал одну из таких звезд ЗС 48, расположенную в созвездии Треугольника. Он обнаружил, что она находится на расстоянии полутора миллиардов световых лет от Земли и удаляется с колоссальной скоростью, составляющей около одной шестой скорости света. Вскоре еще один аналогичный объект — ЗС 273, который является
своеобразным рекордсменом по количеству излучаемого света, заинтересовал
советских астрономов А. С. Шарова и Ю. Н. Ефремова. Они изучили ряд
фотографий соответствующего участка звездного неба, выполненных в разное
время, и обнаружили, что таинственный объект то и дело менял свою яркость в
течение коротких промежутков времени. Аналогичные наблюдения были сделаны и
американскими астрономами. Казалось бы, на огромном расстоянии,
превосходящем миллиард световых лет, обнаружить отдельную звезду вообще
невозможно. Можно наблюдать только большую совокупность звезд—звездную
систему—галактику. Однако яркость целой галактики не может испытывать столь
быстрых одновременных изменений. Это позволило астрономам сделать
заключение, что объект ЗС273 является единым телом — сверхзвездой. Уже одно это говорит о том, что сверхзвезда не может быть скоплением звезд. Чтобы обеспечить такую мощность излучения, надо было бы сосредоточить в каждом кубическом парсеке 108 звезд. Между тем в среднем на один кубический парсек приходится 1/10 звезды. Что же касается полной энергии, выделяющейся в момент образования сверхзвезды, то она достигает 1060 эрг. Чтобы выделить такую энергию с помощью ядерных реакций, пришлось бы переработать массу вещества, сравнимую с массой галактики средних размеров. Интересно отметить, что, вообще говоря, открытие сверхзвезд не было абсолютной неожиданностью. Как мы видели, изучение радиогалактик с необходимостью приводило к выводу о том, что во Вселенной должны существовать какие-то источники энергии, намного превосходящие по своей мощности все, что нам было известно. В дальнейшем сверхзвезды получили название квазизвездных объектов (т. е. объекты, похожие на звезды, но все же не звезды), или квазаров. В настоящее время обнаружено свыше ста квазаров. Более чем для пятидесяти из них удалось получить оптические спектры, позволяющие достаточно уверенно определить смещение спектральных линий и тем самым измерить ту скорость, с которой загадочные объекты перемещаются в пространстве. Скорости эти оказались чрезвычайно большими (один из квазаров, например, движется со скоростью, достигающей 80% скорости света). Как мы уже знаем, картина расширения нашей области Вселенной такова, что более далекие объекты удаляются с большими скоростями. Это позволяет по величине красного смещения определять расстояние до далеких космических объектов. Подобным методом удалось выяснить, что квазары находятся от нас на колоссальных расстояниях в несколько миллиардов световых лет. Но это означает, что наблюдая квазары, мы наблюдаем объекты, которые относятся к той самой эпохе, к которой, согласно современным представлениям, относится начальная стадия образования Метагалактики. Уже одно это делает квазары необычайно интересными объектами научного исследования. Наблюдение за движением и распределением квазаров в пространстве может
также дать известные указания на то, какая модель Метагалактики ближе к
реальному положению вещей: «неограниченно расширяющаяся» или Правда, справедливость требует отметить, что существует и другая точка зрения, согласно которой красное смещение в спектрах квазаров объясняется не космологическими причинами (т. е. участием этих объектов в общем расширении Метагалактики), а какими-то другими. Так, например, некоторые исследователи считают, что квазары—это объекты, которые выбрасываются со скоростями, близкими к скорости света (релятивистскими скоростями), из многих центров взрывов, более или менее равномерно распределенных в пространстве. Однако в подобном случае хотя бы некоторые квазары должны были бы к нам приближаться, в результате чего в их спектрах должно было бы наблюдаться не красное, а синее смещение. Однако до сих пор ни одного квазара с синим смещением не обнаружено. Другие ученые в связи с этим высказывают мысль о том, что квазары были выброшены из ядра нашей собственной галактики и поэтому удаляются от нас в различных направлениях. Однако трудно представить себе физическую природу таких взрывов, при которых возможно ускорение больших плотных тел до скоростей, сравнимых со скоростью света. Поэтому большинство астрономов все же придерживается мнения, что квазары—далекие объекты. В пользу такого предположения говорит и очень интересное исследование, выполненное молодым бюракан-ским астрономом М. Аракеляном. Ему впервые в результате изучения 60 ближайших квазаров удалось показать, что частоты распределения их красных смещений как раз таковы, какими они должны быть при условии, что эти красные смещения связаны с участием квазаров в расширении Метагалактики. Недавно было сделано еще одно открытие, воспринятое многими астрономами как сенсация. Оно связано с наблюдениями квазара ЗС 297, который, если судить по красному смещению, расположен на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Земли. В 1965 г. этот квазар наблюдался как обособленное образование. Однако уже в 1966 г. астрономы обнаружили, что вокруг пего появилась светящаяся туманность, угловые размеры которой составляют около 2 секунд дуги. Почему же ее не наблюдали раньше? На этот вопрос может быть два ответа: либо вещество туманности выброшено квазаром в самое последнее время, либо оно существовало и раньше, но находилось в тени, а теперь излучение квазара заставило ее светиться. Как нетрудно сообразить, «цена» каждой секунды дуги, если перевести ее в
линейные меры, растет с увеличением расстояния. С другой стороны, процесс
расширения или освещения туманности не мог происходить со скоростью,
превосходящей скорость света. Отсюда путем несложных подсчетов получается,
что квазар ЗС287 должен находиться от нас не дальше чем 100000 световых лет Согласно первоначальной идее Хойла и Фаулера сверхзвезды образуются в результате сгущения межзвездного газа. Но дело в том, что сжатие очень больших газовых масс, происходящее под действием собственной гравитации, как показал советский академик Я. Б. Зельдович, может при определенных условиях происходить без задержки. Повышение температуры и давления внутренней зоны такого сгустка оказывается недостаточным, чтобы воспрепятствовать дальнейшему сжатию. Происходит так называемый гравитационный коллапс—неудержимое сжатие всей массы газа. Любопытно, что масса вещества, принимающего участие в гравитационном коллапсе, должна составлять 107—108 солнечных масс. Таким образом, источник колоссальной энергии квазаров как будто бы ясен. С другой стороны, если выделение энергии сверхзвезд осуществляется за счет коллапса, то, как показывают расчеты, излучение света сверхзвездами будет происходить лишь в течение очень короткого времени. Вскоре силы тяготения сжавшегося вещества сделаются настолько мощными, что перестанут выпускать световые лучи. Между тем квазары, обнаруженные астрономами, излучают на наших глазах свет в течение длительного времени. В связи с этим высказывается предположение, что со временем коллапс может смениться антиколлапсом,т.е. катастрофическим расширением, и что именно эту стадию в жизни квазаров мы и наблюдаем. Другие астрономы считают, что у квазаров имеются особые источники энергии, о которых мы пока еще просто не можем судить из-за трудности наблюдений и недостаточности имеющихся данных. Но как бы там ни было, открытие квазаров—бесспорно, одно из самых замечательных достижений астрономии начала второй половины двадцатого столетия, которое может привести к пересмотру многих привычных представлений. Во всяком случае, построить удовлетворительную теоретическую картину этого явления, оставаясь в рамках современных физических теорий, до сих пор не удается. Разумеется, это вовсе не означает, что встретившись с каким-либо непонятным явлением, следует немедленно отказаться от попыток объяснить его с точки зрения уже известных представлений. Но, с другой стороны, нельзя забывать и о том, что всякая довая теория берет свое начало именно с таких фактов, которые не укладываются в рамки прежних представлений. Поскольку выяснение физической природы квазаров наталкивается на
существенные трудности, мы вправе уже сейчас задуматься над вопросом: а
что, если такого объяснения в рамках современных представлении получить не
удастся? Очевидно, это будет означать, что переход энергии сжатия в энергию
электромагнитного излучения в квазарах совершается какими-то еще не
известными нам путями либо наши представления о самой природе квазаров и
источниках их собственной энергии не вполне соответствуют действительности. Во всяком случае, не исключена возможность того, что обнаружение квазаров относится к числу такого рода фактов, которыми открываются новые страницы истории науки. Квазары и радиогалактики Прежде всего необходимо установить, являются ли квазары самостоятельными, обособленными объектами или они связаны с процессами, протекающими в так называемых галактических ядрах, т. е. центральных сгущениях вещества, имеющихся в целом ряде звездных островов Вселенной. Чтобы решить эту задачу, нужно самым тщательнейшим образом проанализировать существующие в настоящее время данные астрономических и радиоастрономических наблюдений с тем, чтобы постараться выяснить физическую сущность процессов, происходящих в квазизвездных объектах. Не так давно было обнаружено, что один из первых открытых астрономами
квазаров, ЗС 273, обладает довольно сильным инфракрасным излучением. Как уже упоминалось выше, мощность, которая генерируется у ЗС 273 в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, чрезвычайно велика, а размеры центрального ядра весьма незначительны. Но это означает, что исключительно велика и плотность излучения. При такой плотности должно иметь место особое явление, называемое обратным эффектом Комптона. Оно состоит в том, что фотоны невидимых электромагнитных излучений, взаимодействуя с электронами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света (релятивистские электроны), рассеиваются с изменением длины волны. В результате получается электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. Таким образом, согласно выводам Шкловского инфракрасное и оптическое излучения квазара ЗС273 тесно связаны между cобой. Подобное заключение позволяет сделать одно любопытное предсказание. Дело в том, что согласно наблюдениям оптическое излучение ЗС 273 носит переменный характер. Но если оптическое излучение порождается более длинноволновым, невидимым инфракрасным излучением, то это последнее, очевидно, также должно быть переменным. Дальнейшие наблюдения покажут, справедливо ли подобное предсказание. Анализ электромагнитного излучения квазаров позволяет установить явную
аналогию между этими удивительными объектами и ядрами галактик, находящихся
в активном состоянии—так называемых сейфертовских галактик. Ядра таких
галактик имеют весьма малые размеры, сравнимые с размерами квазизвездных
объектов, и подобно им обладают чрезвычайно мощным электромагнитным
излучением. Правда, это излучение главным образом сосредоточено в
инфракрасном диапазоне, но точно такое же явление, как мы уже видели,
наблюдается и у типичного квазара ЗС 273. Это дает все основания
предполагать, что в ядрах сейфертовских галактик, например, галактики NGC Астрономические наблюдения показывают, что ядра сейфертовских галактик содержат большое количество возбужденного и ионизованного газа, т. е. такого газа, частицы которого потеряли часть своих электронов и приобрели благодаря этому электрический заряд. Но какова причина подобной ионизации, что ее вызывает? Эта проблема, весьма важная для понимания физических явлений, происходящих в радиогалактиках, до недавнего времени была довольно далека от своего решения. Однако наличие квазаров в ядрах сейфертовских галактик проливает определенный свет на этот вопрос. Как мы уже знаем, благодаря высокой плотности излучения квазаров в них
действует обратный комптон-эффект. Подсчеты, проведенные Шкловским для
галактики NGC 1275, показывают, что в результате рассеяния инфракрасных и
субмиллиметровых фотонов здесь должно возникать весьма мощное рентгеновское
излучение. Этого жесткого излучения вполне достаточно для ионизации газов в
ядре любой сейфертовской галактики. Можно предполагать, что аналогичные
явления должны иметь место также и в ядрах других сейфертовских галактик,
например NGC 1068, NGC7469 и NGC 3227. В связи с этим, по мнению В связи с этим Б. Е. Маркарян пришел к заключению, что ультрафиолетовое излучение ядер этого типа имеет незвездное происхождение. Другими словами, подтверждается гипотеза академика Амбарцумяна о наличии в ядрах некоторых галактик активных тел незвездной природы. Подобный вывод хорошо согласуется с результатами радионаблюдений галактик Но из центральных областей галактик Маркаряна исходит и необычное ультрафиолетовое излучение. Это дает основание предполагать, что и то и другое излучения непосредственно связаны с какими-то процессами, протекающими внутри ядер. Видимо, такие процессы представляют собой одну из форм активной деятельности ядер, характерную для определенной стадии эволюции галактик, форму внешне менее заметную, но.более распространенную, чем взрывы, выбросы и деление ядер. Возможно, что именно эта форма деятельности приводит к образованию в галактиках спиральных рукавов. В свете полученных данных особенно большой интерес. приобретает сходство излучения ядер галактикМар-каряна с излучением квазаров. Кстати сказать, объекты, о которых идет речь, обладают и другими сходными признаками: высокой светимостью, большими массами, способностью создавать вокруг себя обширные газовые облака, а также облака частиц высокой энергии, которые являются источниками мощного радиоизлучения. Исследования Б. Маркаряна были продолжены другим бюраканским астрономом Активные процессы, происходящие в ядрах сейфертовских галактик, согласно точке зрения, развиваемой бюраканскими астрономами, указывают на молодость этих космических объектов. Квазары, видимо, еще более молоды. Таким образом, есть все основания предполагать, что «галактики Хачикяна» по своим физическим свойствам являются промежуточным эволюционным звеном между . квазизвездными источниками радиоизлучения и обычными сейфертовскими галактиками. Чрезвычайно интересные радионаблюдения квазаров были проведены в последние годы. До недавнего времени радиотелескопы по своей разрешающей способности значительно уступали оптическим инструментам. Так, например, при оптических наблюдениях Солнца разрешающая способность достигала долей секунды дуги, в то время как даже самые крупные радиотелескопы давали в лучшем случае доли минуты. Чтобы преодолеть это затруднение, радиофизики пошли по пути создания так называемых радиоинтерферометров, т. е. системы радиотелескопов, разнесенных на некоторое расстояние. Важный шаг в этом направлении сделали английские ученые. Они построили интерферометр с базой в несколько сотен километров. Телескопы были связаны специальным кабелем и их одновременные показания непосредственно сопоставлялись с помощью телевизионных устройств. Затем был осуществлен следующий шаг: создан интерферометр с гигантской базой около 8 тыс. километров. Один из радиотелескопов находился в Англии, а другой в США в Калифорнии. При таком расстоянии прямая связь по кабелю оказалась невозможной. Поэтому каждая обсерватория в условленное время наблюдала определенный объект самостоятельно. Результаты измерений фиксировались на магнитной пленке вместе с сигналами точного времени. Затем производилась совместная обработка обеих записей. Наблюдения показали, что многие квазары обладают весьма малыми угловыми размерами, меньшими 0,5 секунды дуги. А у некоторых угловые размеры предположительно составляют около 0,1 секунды дуги. Эти данные подтверждают точку зрения, согласно которой квазары не являются галактиками, а представляют собой сравнительно небольшие образования, напоминающие ядра галактик, находящихся в особо возбужденном состоянии. Мы уже говорили о том, что многие гипотезы связывают образование квазаров с концентрацией межгалактического газа. Однако Шкловский считает, что подобная возможность совершенно исключена. Дело в том, что химический состав оболочек квазаров существенно отличается от химического состава межгалактической среды. Эта среда бедна тяжелыми элементами, а в оболочках квазаров они присутствуют. Такой вывод подтверждается, в частности, наличием квазара в ядре уже упоминавшейся 'галактики NGC 1275. Галактика, о которой идет речь, заведомо относится к числу весьма «старых» объектов, сформировавшихся в отдаленные времена. Квазар здесь намного моложе самой галактики. Таким образом, возникновение квазизвездных объектов, существование радиогалактик и процессы, происходящие в сейфертовских галактиках, по мнению Шкловского, представляют собой проявления различной степени активности галактических ядер. Это обстоятельство еще раз подтверждает, что проблема галактических ядер становится в настоящее время одним из центральных вопросов изучения Вселенной. В самое последнее время излучение спектров квазаров привело И. С. Квазары и незвездная материя Что же могут представлять собой квазары и какова физическая природа
активности галактических ядер? [pic] Рис. 58. Взрыв в ядре галактики М 82. образования космических тел не путем сгущения (или не только путем
сгущения) разреженной среды, а путем распада первичных сверхтвердых тел. В 1963 г. американский астрофизик А. Сандейдж завершил работу по изучению движения газа в сравнительно близкой к нам галактике М82. Сандейдж пришел к выводу, что характер этого движения указывает на то, что приблизительно 1,5 млрд. лет назад из ядра М 82 произошел выброс газовых масс, более чем в миллион раз превосходящих массу Солнца. Эти и другие подобные им факты и привели академика Ам-барцумяна к мысли, что в состав галактических ядер входят сверхплотные тела из незвезднои материи. До последнего времени о наличии в природе подобных материальных
образований можно было судить только чисто теоретически, поскольку в
устойчивом состоянии незвездная материя практически не излучает и,
следовательно, не может быть обнаружена при обычных наблюдениях. Но вполне
вероятно, что с открытием сверхзвезд мы впервые получили возможность
наблюдать незвездную материю в таком состоянии, когда она бурно излучает Были сделаны попытки связать эту точку зрения с гипотезой «расширяющейся Высказывается также предположение, что в кваза-рах происходит аннигиляция вещества и антивещества. Имеются интересные предположения также и относительно механизма радиоизлучения квазаров, основанные на результатах радиоастрономических наблюдений. Некоторые ученые считают, что в центральной части квазара располагается сравнительно небольшой источник излучения, обладающий сильным магнитным полем, в котором движутся электроны высоких энергий. Этот источник дает уже знакомое нам синхротронное излучение. Отмеченные наблюдателями колебания яркости центральной области квазаров, возможно, объясняются пульсациями и образованием ударных волн. Во всех направлениях от центрального источника разлетается газовая оболочка, состоящая из сравнительно плотных волокон. На еще больших расстояниях от центра движутся релятивистские электроны, т. е. электроны, обладающие скоростями, близкими к скорости света. Они тоже дают синхротронное излучение, но уже в слабых полях. Многие астрономы в настоящее время придерживаются мнения, что квазар - это газовая масса, внутри которой происходят крупномасштабные движения вещества со скоростями, достигающими одной десятой скорости света. Как показывают расчеты, такие движения должны повышать устойчивость. По той же причине должно происходить и общее вращение квазара, причем внутренние слои должны вращаться быстрее, а внешние медленнее. Только при таком условии не будет происходить центробежное сбрасывание вещества. Видимо, современная астрономия стоит на пороге открытий величайшей важности, открытий, которые явятся дальнейшим и притом весьма существенным шагом на пути познания Вселенной в целом. В одном из своих выступлений президент Академии наук СССР академик М. В. Литература: «Увлекательная астрономия», Комаров В.Н., «Наука», 1968. |
|