В 1960 году были обнаружены очень слабые точечные источники радиоизлучения с большими красными смещениями. Многие из них впоследствии оказались радиогалактиками. Но несколько источников при сколь угодно сильном разрешении так и оставались точечными, как звёзды. Поэтому они получили название квазары (квазизвездные радиоисточники). Как оказалось, название "радиоисточники" они получили напрасно. На данный момент известно уже около двухсот тысяч квазаров и лишь у 1% из них выявлено заметное излучение энергии в виде радиоволн. Квазары со слабым излучением радиоволн получили отдельное название "квазаги" (квазизвездные галактики). Но переход от квазаров к квазагам не был резким - доля излучения в радиоволнах по отношению к полному излучению уменьшалась постепенно. Поэтому в настоящее время за этими обоими объектами закрепилось обозначение "QSO" ("quasi-stellar objects - квазизвездные объекты) или QSS (quasi-stellar sources - квазизвездные источники). Но чаще всё же по-прежнему используется термин "квазары". Впрочем, от мысли, что эти объекты являются звёздами, также пришлось отказаться. Началось с того, спектр квазизвездных объектов настолько резко отличался от спектров всех других звезд, что казался нераспознаваемым. Вскоре, однако, выяснилось, что спектр просто сильно смещён в красную сторону. По величине красного смещения по закону Хаббла определили расстояние до квазаров (расстояние, найденное по формуле Хаббла называется космологическим). Получилось, что квазары находятся на краю видимой Вселенной. Сопоставили найденное расстояние с блеском квазара, и получилось, что масса квазара должна превышать массу Солнца в сотни миллионов или даже в миллиарды раз. Согласно законам физики звёзд с такими массами быть не может. Следующий шаг к пониманию природы квазаров был сделан, когда по спектрам сопоставили химический состав излучающих областей квазаров с химическим составом излучающих областей обычных галактик. Химические составы квазаров и обычных галактик оказались одинаковыми. Это свидетельствовало о родстве галактик и квазаров. Однако, отмечается такая особенность спектров квазаров: у разных линий красные смещения различны; в спектре есть как линии излучения, так и линии поглощения; обычно линии поглощения смещены к красному концу спектра меньше, чем линии излучения, но бывает и наоборот. Последнее явление особенно ставит астрономов в тупик. Далее последовал скрупулезный и длительный процесс сопоставления свойств квазаров со свойствами галактик различных типов. И опять выяснилось, что резкого перехода от галактик к квазарам нет. Вместо этого есть цепочка плавного перехода от нормальных галактик к квазарам: нормальные галактики - эллиптические галактики - радиогалактики - "голубые" галактики - компактные галактики - галактики Сейферта - Лацертиды - квазары. В настоящее время большинством астрономов признано, что квазары - это галактики с очень активными ядрами. На самом деле ядра всех галактик активны в большей или меньшей степени. Причём прослеживается закономерность - чем больше космологическое расстояние до галактики (то есть, чем больше красное смещение), тем активнее ядро галактики и тем мощнее её светимость (т.е. полная мощность излучения) галактики. Поэтому, обсуждая свойства квазаров - очень высокая светимость и очень большая амплитуда переменности, некоторые астрономы осторожно добавляют: "если расстояние до квазара определено правильно". Действительно, если квазары в 100 раз ближе к нам, чем определено по красному смещению, то их светимость мы завышаем в 10 000 раз, и при правильном определении расстояния вместо гигантской светимости 1046 - 1048 эрг/с мы бы получили светимость 1042 - 1044 эрг/с, как у нормальных галактик. А о том, что космологические расстояния, найденные по красному смещению, могут быть ошибочными, свидетельствуют примеры взаимодействующих галактик, соединённых отчётливо видным перешейком, и, тем не менее, имеющих сильно отличающиеся красные смещения. Возникает предположение: не является ли квазар явлением оптическим, связанным с завышением расстояния до него. Для проверки этого предположения нужно взять достаточно мощную нормальную галактику, отнести её на достаточно большое расстояние, применить аккреционный механизм красного смещения и посмотреть, что из этого получится. Аккреционный механизм красного смещения обусловлен тем, что излучение аккрецирующего газа из некоторой области галактики пропорционально энергии аккреции газа в этой области. Механизм перехода кинетической энергии аккрецирующего газа в излучение такой. При столкновении нейтрального атома с массивной частицей (ионом или другим нейтральным атомом) он ионизуется - вместо нейтрального атома появляются ион и свободный электрон, к которым перешла кинетическая энергия ионизованного атома. В дальнейшем при столкновении электрона с каким-либо ионом они рекомбинируют, образовывая новый нейтральный атом, а кинетическая энергия захваченного электрона выделяется в виде энергии кванта электромагнитного излучения. Процесс ионизации-рекомбинации идёт с очень большой скоростью, порождая рекомбинационное излучение аккрецирующего газа. Рекомбинационное излучение может возникать двумя путями: при столкновении аккрецирующих частиц с частицами межзвездного газа - излучение Iаг; при столкновении аккрецирующих частиц между собой - излучение Iаа. Таким образом, полное излучение Iизл аккрецирующего газа есть сумма двух составляющих: Iизл= Iаа + Iаг. В зависимости от распределения массы галактики и межзвездного газа, преобладающим может быть любой из этих механизмов. Известно, что плотность межзвездного газа резко немонотонна и колеблется скачками от значений 10-3 до значений 2•10-3 и даже 105см-3. Есть сообщения о наблюдениях газовых облаков ещё большей плотности. Для проведения расчётов возьмём спиральную галактику, аналогичную нашей Галактике, удаленную на такое расстояние, что большая часть спиральных рукавов и ядра будет скрыта флуктуациями фона ночного неба. Если такая галактика будет повернута к наблюдателю ребром, то аккреционный механизм красного смещения будет проявляться весьма слабо, так как газ, аккрецирующий в плоскости галактики, будет замагничиваться в спиральных рукавах, а газ, аккрецирующий по направлению, перпендикулярному к плоскости галактики, имеет малое красное смещение. Если же далекая спиральная галактика будет повернута плоскостью к наблюдателю, то эффект, вызванный аккрецией газа, проявится наиболее отчетливо. Рассмотрим излучение Iаг на плотных газовых облаках. В ядрах спиральных галактик наблюдаются плотные (~105см-3) водородные облака диаметром ~ 0,1 пк. Толщина спиральной галактики в центре составляет 5•1020 ÷ 1021см. Судя по размерам указанных плотных облаков, их наличие следует ожидать на расстояниях R до центра галактики больших, чем 1017см. Допустим, что облако расположено в слое 1017< R <1018см. Для галактики с массой М=1045г. красное смещение z излучения аккрецирующего газа для 1017< R < 1018см. может варьироваться в пределах от 0,2 до 4,5 (в зависимости от распределения массы по объему галактики), а скорость аккреции от 109 до 2•1010см/с. Плотность межгалактического газа равна 10-6 см-3. Если бы газ аккрецировал к центру галактики прямолинейно, то при R ~ 1017см его плотность была бы равна ~30 см-3. В действительности величина плотности, по-видимому, значительно больше (на порядок, или более того), так как межгалактический газ аккрецирует на полюс не прямолинейно, а соскальзывает по магнитным линиям, создавая "эффект воронки". Это проиллюстрировано на рис. 11.1, где в поперечном разрезе показано магнитное поле спиральной галактики квадрупольной конфигурации. Синим цветом изображен конус, в котором находился бы аккрецирующий газ при прямолинейной аккреции. Траектории газа для реально осуществляющейся аккреции показаны чёрным цветом. Как видно, чем ближе к центру галактики, тем сильнее реальная плотность аккрецирующего газа будет превышать плотность, рассчитанную для прямолинейной аккреции.
Рис. 11.3.
С учетом всего сказанного, оценка интенсивности излучения аккрецирующего газа из объема облака с диаметром 0,1пк плотностью nг =105 см-3, расположенного на расстоянии 1017< R <1018см от центра галактики дает Iизл ~ 1042 ÷ 1044эрг/с, что сравнимо с мощностью излучения всей галактики в оптическом диапазоне. Расчет расстояний r до далеких галактик производится по формуле: (с - скорость света, H - постоянная Хаббла). При z =0,74, Н =75 км·с/Мпс расчетное значение r равно 1,1•1028 см. Если реально галактика удалена от наблюдателя на расстояние 1026см., то происходит завышение этого расстояния на два порядка, а следовательно, энергия излучения завышается на четыре порядка. То есть получается Iизл ~ 1046 ÷ 1048 эрг/с - типичная "колоссальная" энергия излучения квазаров. Описанный выше механизм излучения квазаров позволяет совершенно естественно, не привлекая гипотезу о чёрной дыре, объяснить свойства квазаров: 1) Рассчитанная по космологическому расстоянию "колоссальная" энергия излучения квазаров ~ 1046 ÷ 1048эрг/с есть следствие завышения расстояния до квазаров. 2) аномально малые размеры квазара ~ 1012 см., которые вычислили по переменности излучения, наблюдаемой иногда на интервалах порядка минуты, являются следствием сжатия аккрецирующего газа магнитным полем галактики в узкий жгут ("эффект воронки"). 3) Наличие в спектре квазара эмиссионных линий с различными z а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных линий иллюстрирует рис.2. Если на луче зрения расположены три облака газа на разных расстояниях от центра галактики R1>R2>R3, то излучение из этих облаков имеют красные смещения z1< z2 < z3. Таким образом, в спектре квазара могут появиться линии излучения (эмиссионные) с различными красными смещениями z1,em < z2,em < z3,em. Появление линий поглощения (абсорбционных) объясняется аналогично. Если интенсивности излучения из облаков 2 и 3 сравнимы по мощности, то всё излучение из облака 3 поглотится в облаке 2 и в спектре появится абсорбционная линия с z2,abs > z1,em
Рис. 11.4.
Для возникновения явления, наблюдаемого как квазар, не обязательно, чтобы галактика была спиральной. Достаточно, чтобы она обладала собственным магнитным полем и чтобы угол φ между магнитной осью и лучом зрения был невелик. С ослаблением магнитного поля или увеличением угла φ описанные выше эффекты становятся менее отчетливыми (исчезает "эффект воронки", уменьшается z). Сформулируем кратко основные утверждения статьи. 1. Квазар - явление оптическое, обусловленное следующими причинами: 1) Галактика далека от наблюдателя, так что периферийные части её скрыты флуктуациями фона ночного неба; 2) Фиксируемое наблюдателем излучение квазара является излучением аккрецирующего газа, идущим из глубоких слоев галактики; 3) Галактика обладает собственным магнитным полем и угол между магнитной осью и лучом зрения невелик. Вследствие этого межгалактический газ, начиная аккрецию с разных направлений, соскальзывает по магнитным линиям и в глубоких слоях галактики удаляется от наблюдателя почти по параллельным траекториям; 4) Энергия излучения в линиях только за счет столкновения аккрецирующего газа с межзвездными газовыми облаками может быть сравнима с энергией излучения всей галактики в оптическом диапазоне и составляет 1042÷1044 эрг/с.; 5) Расстояние до галактики, найденное по закону Хаббла, завышается на два и более порядка, что приводит к завышению энергии излучения до значений 1046÷1048 эрг/с. 2. Аномально малые размеры квазара, определяемые по переменности излучения, обусловлены излучением аккрецирующего газа, сжатого магнитным полем в узкий жгут. 3. Наличие в спектре квазара эмиссионных линий с различными красными смещениями, а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных линий, объясняется излучением аккрецирующего газа на межзвездных газовых облаках, расположенных на разных расстояниях R от центра галактики.
Квазизвездные радиоисточники (QSO, QSS), или квазары – звездообразные объекты, очень слабые в оптическом диапазоне. Один из наиболее ярких квазаров 3C 273 (z = 0.158) имеет 13-ю визуальную величину. В то же время радиосветимости квазаров, как и радиогалактик, достигают 1045 эрг/с. Согласно существующим представлениям, квазары находятся на больших (космологических) расстояниях. Для наиболее удаленных из них красное смещение z превышает 4. В оптическом спектре квазаров присутствуют эмиссионные линии L, CIII, CIV, MgII, OIII, линии Бальмеровской серии водорода. Оптическое излучение квазаров часто испытывает переменность.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Квазары» з дисципліни «Астрофізика»
