Квазары для чайников: что такое квазар?

26.01.2023
0
9 мин
761
Квазары для чайников: что такое квазар?

Здравствуйте, уважаемые посетители моего сайта!

Сегодня я бы хотел рассказать вам что такое квазары.

Слово квазар означает квазизвездный радиоисточник.

Квазары получили такое название, потому что они выглядели как звезды, когда астрономы впервые начали замечать их в конце 1950-х и начале 60-х годов.

Но квазары не звезды.

Ученые теперь знают, что это молодые галактики, расположенные на огромных расстояниях от нас, и их число увеличивается к краю видимой Вселенной.

Как они могут быть так далеко и все же видны?

Ответ заключается в том, что квазары чрезвычайно яркие, в 1000 раз ярче нашей галактики Млечный Путь.

Поэтому мы знаем, что они очень активны, испуская ошеломляющее количество излучения во всем электромагнитном спектре.

Поскольку они находятся далеко, мы видим эти объекты такими, какими они были, когда наша Вселенная была молода.

На данный момент самым старым квазаром является «J0313-1806».

Расстояние до нее составляет примерно 13,03 миллиарда световых лет, и поэтому мы видим его таким, каким он был всего через 670 миллионов лет после Большого взрыва.

Что происходило в нашей Вселенной в то время, что сделало квазары такими поразительно яркими?

Вот 100 квазаров, идентифицированных по данным Hyper Suprime-Cam, установленного на телескопе Subaru.

Вот 100 квазаров, идентифицированных по данным Hyper Suprime-Cam, установленного на телескопе Subaru. Верхние 7 строк представляют 83 новых открытия. Нижние 2 строки представляют 17 ранее известных квазаров в области обзора.

Квазары как центры галактик

Астрономы теперь считают, что квазары являются чрезвычайно яркими центрами галактик в их зачаточном состоянии.

После десятилетий интенсивных исследований у нас появился другой термин для этих объектов: квазар — тип активного галактического ядра, или AGN.

На самом деле существует много различных типов AGN (active galactic nucleus), каждый из которых может рассказать свою историю.

Теоретически интенсивное излучение, испускаемое AGN, питает сверхмассивную черную дыру в ее центре.

Излучение исходит от материала в аккреционном диске, окружающем черную дыру, когда он перегревается до миллионов градусов из-за интенсивного трения, создаваемого частицами пыли, газа и другого вещества в диске, бесчисленное количество раз сталкивающимися друг с другом.

Внутренняя спираль материи в аккреционном диске сверхмассивной черной дыры, то есть в центре квазара, является результатом столкновения и отскока частиц друг от друга и потери импульса.

Этот материал произошел из огромных газовых облаков, состоящих в основном из молекулярного водорода, которые заполнили Вселенную в эпоху вскоре после Большого взрыва.

Таким образом, квазары, расположенные в ранней Вселенной, имели огромный запас материи, которой можно было питаться.

Когда материя в аккреционном диске квазара/черной дыры нагревается, она генерирует радиоволны, рентгеновские лучи, ультрафиолетовый и видимый свет.

Квазар становится настолько ярким, что способен затмить целые галактики.

Но помните… квазары очень далеко.

Они так далеко от нас, что мы наблюдаем только активное ядро или ядро галактики, в которой они находятся.

Мы ничего не видим в галактике, кроме его яркого центра.

Это все равно, что увидеть дальнюю фару автомобиля ночью: вы понятия не имеете, на какой тип автомобиля вы смотрите, поскольку все, кроме фары, находится в темноте.

Квазар: крошечная черная точка в центре светящегося диска, струя выходит перпендикулярно диску.

Представление художника о квазаре «J0313-1806», самом далеком известном квазаре. Квазары — это очень яркие объекты в ранней Вселенной, которые, как считается, питались сверхмассивными черными дырами. На этой иллюстрации показан широкий аккреционный диск вокруг черной дыры и изображен чрезвычайно высокоскоростной ветер, дующий со скоростью около 20% скорости света, обнаруженный вблизи «J0313-1806».

Сейфертовские галактики

С другой стороны, есть галактики, которые не классифицируются как квазары, но все же имеют яркие активные центры, где мы можем видеть остальную часть галактики.

Примером этого типа AGN является сейфертовская галактика, названная в честь покойного астронома Карла Кинана Сейферта (Carl Keenan Seyfert), который первым их идентифицировал.

Спиральная галактика, обращенная лицом к лицу, с ярким желтоватым центром и розовыми пятнами вдоль рукавов.

NGC 1068 (Messier 77) была одной из первых классифицированных сейфертовских галактик. Это самая яркая и одна из самых близких и наиболее изученных сейфертовских галактик типа 2, и она является прототипом этого класса. Это изображение 2013 года получено космическим телескопом Хаббл.

Сейфертовские галактики составляют примерно 10% всех галактик во Вселенной.

Они не классифицируются как квазары, потому что они намного моложе и имеют четко определенную структуру.

Галактики, содержащие квазары, молоды и бесформенны.

Но только представьте себе количество энергии, необходимое для достаточного освещения объекта, чтобы он стал видимым в радиоволнах из самых дальних уголков Вселенной.

Это похоже на то, как моряк может увидеть отдаленный маяк через весь океан.

Квазары могут излучать в тысячу раз больше энергии, чем суммарная светимость примерно 200 миллиардов звезд в нашей собственной галактике Млечный Путь.

Типичный квазар в 27 триллионов раз ярче нашего Солнца!

Замените солнце в небе квазаром, и его невероятная яркость мгновенно ослепит вас, если вы будете достаточно безрассудны, чтобы посмотреть на него прямо.

Если бы вы поместили квазар на расстоянии Плутона, он испарил бы все земные океаны в пар за одну пятую секунды.

Галактическая эволюция

Астрономы считают, что большинство, если не все, крупные галактики прошли так называемую «квазарную фазу» в молодости, вскоре после своего образования.

Если это так, то их яркость уменьшилась, когда у них закончилось вещество, чтобы питать аккреционный диск, окружающий их сверхмассивные черные дыры.

После этой эпохи галактики погрузились в состояние покоя, их центральные черные дыры лишились материала, которым можно было бы питаться.

Однако было замечено, что черная дыра в центре нашей собственной галактики ненадолго вспыхивает, когда проходящий материал попадает в нее, испуская радиоволны и рентгеновские лучи.

Вполне возможно, что черная дыра может разорвать на части целые звезды и поглотить их, когда они пересекают ее горизонт событий, точку невозврата.

Имейте в виду, однако, что наши знания об эволюции галактик — от молодого квазара до покоящейся галактики среднего возраста — далеко не полны.

Галактики часто дают нам исключения, и в качестве примера нам не нужно смотреть дальше нашего Млечного Пути.

Теперь мы знаем, например, что 3,5 миллиона лет назад в центре нашей галактики произошел гигантский взрыв, известный как сейфертовская вспышка.

По-видимому, он был сосредоточен в Стрельце A*, сверхмассивной черной дыре Млечного Пути, производящей два огромных лепестка перегретой плазмы, простирающихся примерно на 25 000 световых лет от северного и южного галактических полюсов.

Ученые называют эти огромные доли пузырьками Ферми, и сегодня они видны в гамма- и рентгеновском диапазонах (очень высокочастотное электромагнитное излучение).

Так что астрономы все еще изучают особенности эволюции галактик.

Галактика с ребра, гигантские красные и синие сферы над и под серединой, врезка.

Художественная концепция ошеломляющих пузырей Ферми, обнаруженных в 2010 году. Эти огромные доли простираются выше и ниже плоскости нашей галактики Млечный Путь. Они светятся в гамма- и рентгеновских лучах и поэтому невидимы для человеческого глаза. На графике показано, как космический телескоп Хаббла использовался для исследования света от далекого квазара для анализа пузырей Ферми. Свет квазара прошел через один из этих пузырей. На этом свете запечатлена информация о скорости истечения, составе и, в конечном счете, массе. Таким образом, квазары не только загадочны, но и могут быть полезны!

История открытия квазара

Действительно, история квазаров не была легкой дорогой для астрономов.

Первые открытия в конце 1950-х годов были сделаны астрономами с помощью радиотелескопов.

Они видели звездообразные объекты, излучающие радиоволны (отсюда и квазизвездные радиообъекты), но не видимые в оптические телескопы.

Их сходство со звездами, их яркость и небольшой угловой диаметр по понятным причинам заставили астрономов того времени предположить, что они смотрели на объекты в нашей собственной галактике.

Однако изучение радиоспектров этих объектов показало, что они более загадочны, чем кто-либо ожидал.

Многие ранние наблюдения квазаров, в том числе «3C48» и «3C273», первых двух открытых квазаров, были проведены в начале 1960-х годов британско-австралийским астрономом Джоном Болтоном (John Bolton).

Его и его коллег озадачило, что квазары не видны в оптические телескопы.

Они хотели найти так называемые «оптические аналоги» квазаров, то есть квазар, который был бы виден их глазам в телескоп, а не только с помощью радиоинструментов.

Астрономы просто не знали в то время, что квазары были очень далекими, слишком далекими для того, чтобы их оптические аналоги были видны с Земли в то время, несмотря на то, что они по своей природе были блестящими объектами.

Но затем, в 1963 году, астрономы Аллан Сэндидж (Allan Sandage) и Томас А. Мэтьюз (Thomas A. Matthews) нашли то, что искали: тусклую голубую звезду на месте известного квазара.

Его спектр озадачил их.

Это было похоже на то, чего они никогда раньше не видели.

Они ничего не могли с этим поделать.

Затем, используя 200-дюймовый (5-метровый) телескоп Хейла, Болтон и его команда наблюдали за квазаром «3C273», когда он проходил позади Луны.

Эти наблюдения также позволили им получить спектры.

И снова спектры выглядели странно, показывая неузнаваемые эмиссионные линии.

Эти линии сообщают астрономам, какие химические элементы присутствуют в изучаемом ими объекте.

Но спектральные линии квазара были бессмысленными и, казалось, указывали на элементы, которых не должно было быть.

График с синей линией поперек спектра с пиками в инфракрасном диапазоне.

Спектр водорода квазара «3C273». Линии излучения падают дальше вправо, в сторону более длинных волн, по сравнению с тем, где в спектре обычно располагаются линии излучения водорода. Они смещены в красную сторону, что указывает на то, что квазар находится на крайнем расстоянии от нас.

Астроном Маартен Шмидт (Maarten Schmidt), изучив странные эмиссионные линии в спектрах квазаров, предположил, что астрономы видели нормальные эмиссионные линии, сильно сдвинутые в красную сторону электромагнитного спектра!

И поэтому они получили свой ответ.

Красное смещение было связано с большим расстоянием до квазара.

Свет, растянутый расширением Вселенной во время своего долгого пути к нам от края видимого космоса, кажется гораздо краснее.

Как далеко они?

Но если бы квазары действительно находились так далеко, как на краю видимой Вселенной, как они могли генерировать такое большое количество энергии?

Еще в 1964 году даже существование черных дыр вызывало горячие споры.

Многие ученые считали их не более чем математическими уродами, потому что в реальной вселенной они точно не могли существовать.

Таким образом, дебаты о природе квазаров бушевали до 1970-х годов, когда новое поколение наземных и космических телескопов установило без разумных сомнений, что квазары действительно находятся на огромных расстояниях, что мы видим галактики, когда они были молодыми, что стадия квазара является естественной фазой их роста.

Теперь, когда к черным дырам тоже стали относиться серьезно, астрономы наконец-то смогли смоделировать сущность почти непостижимой электростанции, стоящей за квазарами: сверхмассивные черные дыры, потребляющие колоссальное количество газа и в результате излучающие огромное количество энергии по всему спектру.

Эта модель объясняет, почему квазары располагаются ближе к краю видимой Вселенной и почему мы не видим их ближе: потому что квазары — молодые галактики, наблюдаемые вскоре после их образования в ранней Вселенной.

Квазар: все еще загадка

Изучение квазаров и вообще активных галактических ядер продвинулось далеко, но мы еще многого не понимаем.

Однако я считаю, что часть нашего непонимания связана с недостатком воображения.

Практически невозможно понять количество энергии, генерируемой двигателями черных дыр в сердцах квазаров, этих монстров в темноте.

Столь же трудно оценить, насколько они далеки от нас.

Но вряд ли это наша вина: наш бедный обезьяний мозг просто не приспособлен для работы с такими понятиями.

Квазары — всего лишь один пример животного в космическом зоопарке, о котором нужно просто принять факты, а не пытаться их понять.

Вращающийся диск с большим черным шаром в центре и струями, исходящими от обоих полюсов черного шара.

Представление художника о квазаре Пониуаэна (Poniua’ena), первом квазаре, получившем коренное гавайское имя.

Итог: квазары — чрезвычайно яркие и чрезвычайно далекие объекты.

Считается, что их огромный выход энергии связан с активностью вокруг центральной сверхмассивной черной дыры в молодых галактиках, недалеко от края наблюдаемой Вселенной.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 5