Квазары – маяки Вселенной
Изучение Вселенной связано для человечества с двумя большими проблемами. Во-первых, человек пока не способен отправиться в путешествие за пределы Солнечной системы (а на деле пока даже не вышел за пределы системы Земля-Луна). Во-вторых, у нас нет карт, которые позволили бы проложить маршрут подобного путешествия. Во Вселенной, в отличие от нашей планеты, нет выделяющихся особенностей – побережий, рек, горных гряд. Для нас есть лишь далекие точки, но и они могут быть использованы для создания карты мира, если их свойства можно легко идентифицировать. Поэтому для этих целей можно попытаться использовать квазары. Кроме разработок подобных методик, для мыслей в этом направлении стимулом служит ожидание открытия миллионов далеких квазаров в следующим десятилетии. Квазары, которые мы сможем наблюдать, окажутся столь далеко, что позволят проникнуть в самую глубь времен, ко времени через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Поэтому надо быть готовым использовать эту информацию. В этом направлении работают сотрудники Западного резервного университета Кейза, наткнувшиеся на ключ к картографированию при помощи квазаров при изучении оптических свойств небольшой их выборки.
При учете красного смещения квазаров, находящихся на разном расстоянии от нас, удалось выявить аналогичные вариации свечения в оптическом спектре. Коррекция с учетом красного смещения необходима, так как из-за расширения Вселенной более далекие квазары не только краснее ближних, но также в них все изменения происходят медленнее – разумеется, с точки зрения наблюдателя. Обратный процесс также верен. Если мы знаем, с какой частотой изменяются оптические свойства квазара, то, найдя очередной и измерив частоту вариаций для него, можно определить красное смещение, а значит – расстояние до квазара. Это позволяет оценить размер Вселенной, создать ее карту, в которой реперными точками станут миллионы квазаров. «Похоже, мы имеем возможность получить удобное средство для анализа истории расширения Вселенной, –говорит Гленн Сатркман, профессор Университета. – Если мы сможем измерить красное смещение миллионов квазаров, мы также сможем составить представление о структуре Вселенных на еще больших красных смещениях». Заметим, что здесь и далее красное смещение будет обозначать не только свойство излучения, но и расстояние до объекта, однозначно им определяемое.
«Такое ощущение, что на квазарах есть переключатель яркости, и кто-то одновременно им работает, – говорит Старкман. – Общая зависимость оказалась на удивление схожей». Аналогичная зависимость для каждого квазара позволила с их помощью рассчитать красное смешение для каждого. При этом использовались два подхода. Сначала зависимости яркости от времени для каждого квазара были аппроксимированы прямыми линиями. Наклоны этих линий оказались связаны с красным смещением. Затем брался один из квазаров в выборке, для которого было известно красное смещение, и на основе этого значения и наклонов линий других линий вычислялось красное смещение 13 оставшихся квазаров. Но поскольку для них красное смещение также известно, это позволяет проверить методику и затем повторить весь цикло для следующего, таким образом, 14 раз проверив методику. Точность определения красного смещения составила 2% от истинного (известного заранее) значения.
Во втором методе брались значительные отрезки кривых светимости квазаров, и для каждой пары они сравнивались. Разумеется, ни о каком сходстве не могло быть и речи, но учитывая красное смещение, можно привести две кривые к сходству. Таким образом, задавшись одним квазаром с известным красным смещением, можно для каждого другого также подобрать смещение, которое позволило бы совместить кривые светимости. Точность при таком подходе достигла 1.5%.
Применение этой методики позволит измерять расстояния намного дальше, чем это возможно сейчас. Традиционный метод измерения расстояний во Вселенной – сверхновые типа Ia, которые видны при красном смещении до 1.7 (момент, когда Вселенная была в 2.7 раза меньше, чем сегодня). Но квазары – намного более яркие объекты, они видны на современном уровне развития техники при красном смещении до 7.1 – тогда Вселенная была в восемь раз меньше, чем сейчас. Расширение возможностей космологической картографии налицо. Возможно и дальнейшее усовершенствование, если методика окажется верна для квазаров на большем расстоянии. Это позволит намного дальше проникнуть в историю развития Вселенной. «Это позволит нам узнать, как гравитация создала структуру Вселенной, – говорит Старкман. – А скорость роста этой структуры позволит определить, что ответственно на ускоренное расширение Вселенной – темная энергия или измененный закон всемирного тяготения».
Источник
Что такое квазары? Эволюция галактик
В XX веке ученые занялись научным описанием астрофизических объектов с удивительными свойствами. Выяснилось, что, кроме звезд, есть и другие источники радиоизлучения, которые назвали квазизвездными. Подробнее о том, что такое квазар и как он проясняет эволюцию Вселенной, – в материале 24СМИ.
Маяки во Вселенной
В середине XX столетия началось изучение космического радиоизлучения, источниками которого оказались разномастные небесные тела. Ряд из них впервые обнаружили уже давно благодаря их яркому сиянию. Например, Магеллановы облака, галактики-спутники Млечного Пути, или рассеянные звездные скопления, и вовсе в него входящие.
Подобные «светильники» находятся как в пределах галактики, так и вне ее. К галактическим радиоисточникам относят туманности, окружающие пылающие звезды, остаточную энергию, выделившуюся в результате рождения сверхновой. А также пульсары – нейтронные звезды, отличающиеся высокой скоростью вращения и сильным магнитным полем, за счет чего и испускают радиоволны.
А вот галактики и их скопления представляют собой постоянные источники внегалактического радиоизлучения, от мощности которого зависит, отнесут ли их к разряду радиогалактик или нет. Чтобы попасть в этот класс объектов, галактика должна намного превосходить обычные по мощности излучения.
Но в космосе встречаются более загадочные и обладающие в большей степени впечатляющим энергетическим потенциалом объекты – квазизвездные источники, или квазары. Их свет настолько силен, что увидеть их можно даже в любительский телескоп. Поэтому именно эти радиоисточники окрестили маяками Вселенной.
Что собой представляют квазары
Современные ученые считают, что квазары – это галактические ядра, которые временно находятся в состоянии крайне высокой активности. Это источники мощнейшего излучения, значительно удаленные от Земли. Они – за пределами Млечного Пути и имеют древнее происхождение, поэтому способны в прямом смысле пролить свет на происхождение и эволюцию Вселенной.
Схематическое изображение квазара / wikimedia.org
Термин «квазары» был образован от английского quasi-stellar radio sources, что означает «квазизвездные радиоисточники», другими словами, «похожие на звезды источники радиоизлучения».
Особенности излучения радиогалактик и квазаров
Открытие новых объектов датируется 1960 годом – тогда Томас Мэттьюс и Аллан Сэндидж обнаружили некое астрономическое тело, получившее индекс 3C 48. Дальнейшее изучение подобных находок Мартином Шмидтом привело ученого к выводу о том, что на звезды найденные объекты непохожи, ибо находятся на чрезмерно большом расстоянии от Земли – звезды наблюдателям на таком удалении видны быть не должны.
Изначально квазары отождествляли со звездами, ведь как те, так и другие являются видимыми небесными телами. Но все перевернул анализ электромагнитного излучения, показав, что для такой удаленности предполагаемые звезды испускают слишком большое свечение. Уже имея опыт анализа особенностей излучения радиогалактик, обладающего колоссальной мощностью в радиодиапазоне электромагнитного спектра, астрономы сделали первые предположения о природе «псевдозвезд».
Тем самым обнаруженные объекты следовало соотносить не со звездами, а с радиогалактиками, поскольку квазары не уступают им по мощности радиоизлучения.
Характеристики
О квазарах известно, что это активные ядра галактик, высвобождающие фантастические по объему потоки энергии. Этим и объясняется невероятная мощность излучения, посылаемого ими в космическое пространство. Даже целая галактическая система не идет в сравнение с этим «чудовищем» по силе свечения: всего лишь за полчаса квазары выбрасывают энергию, равную той, что выделяется после взрыва сверхновой звезды. Превышая светимость галактик, где находятся миллиарды звезд, при этом квазары имеют компактные размеры, примерно с Солнечную систему.
Такие особенности излучения квазаров, как видимость на дистанции в миллиарды световых лет от наблюдателя, сближает их с радиогалактиками и иногда осложняет поиск.
Красное смещение
Свет, посылаемый галактикой в космос, представляет собой свет входящих в нее звезд. Используя спектральный анализ испускаемого этими астрономическими объектами излучения, узнают о физических параметрах тех или иных удаленных от Земли образований.
Ученые заметили, что линии в спектрах исследуемых галактик смещаются в сторону увеличения длины электромагнитных волн, отчего испускаемый ими в видимом диапазоне свет краснеет. Так появилось понятие «красное смещение». Чтобы получить больше информации о неизвестных звездообразных объектах, квазары тоже подвергли спектральному анализу. Тогда у них и обнаружилось это самое свойство – сильное смещение линий в красную область спектра.
Это явление говорило о том, что источник радиоизлучения стремительно удаляется от наблюдателя. А степень смещения показывает скорость, с которой объект движется в противоположном направлении. Ученые связали эти наблюдения с расширением Вселенной, определив, что квазары преодолевают космическое пространство со скоростью, близкой к световой.
Причем тут черные дыры
Теория квазаров неотделима от теории черных дыр. Между ними прослеживается непосредственная связь, объясняющая особенности как первого, так и второго объекта. Сегодня в астрономии общепринятым считается мнение о том, что модель квазара включает в себя сверхмассивную черную дыру, которая поглощает окружающее галактическое пространство, усеянное звездами.
Притягиваясь к черной дыре, материя начинает вращаться по спирали и образует аккреционный диск, свечение которого мы и принимаем за звездное. Некоторое количество поглощаемого вещества устремляется к полюсам, за счет чего появляются джеты – пучки, излучающие радиоволны, длина которых возрастает до инфракрасного спектра.
Ближайшие к Земле
С 1960 года, когда нашли 3C 48, количество зафиксированных во Вселенной аналогичных радиоисточников перевалило за 200 тысяч. Среди ближайших к нашей галактике объектов, идентифицированных в качестве квазара, первым стало небесное тело 3C 273. Согласно расчетам астрономов, оно находится на расстоянии в 3 млрд световых лет и имеет скорость 44 000 км/сек.
Фото квазара 3C 278, сделанное телескопом «Хаббл» в ноябре 2013 года / ESA/Hubble & NASA
Благодаря телескопу «Хаббл» исследователям космических глубин известен наиболее близкий к нам квазар в галактике UGC 8058, что всего лишь в 600 млн световых лет от Земли. Предположительно, его образовали две сверхмассивные черные дыры, которые в результате слияния галактик оказались рядом и вступили в гравитационное взаимодействие. Их вращение друг около друга вызывает разогрев газопылевого облака и, как следствие, мощное излучение.
Ярчайший квазар
В 2019 году ученые убедились – существуют квазары намного ярче тех, что уже известны науке, которые в среднем выделяют в 10 трлн раз больше энергии, чем Солнце. Примером тому стал объект J043947.08+163415.7, находящийся в 12,8 млрд световых лет от нас. Это ярчайший квазар из тех, о которых сегодня знают ученые. Яркость его равняется 600 трлн солнечных. Такую мощность обеспечивает сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре еще только формирующейся галактики и питающая этот «звездный маяк».
Учитывая колоссальную удаленность от наблюдателей-землян, его сложно заметить. Но случайно сработавший эффект гравитационного линзирования (гравитационное поле расположенной между нашей планетой и квазаром галактики выступило в качестве увеличительного стекла) усилил яркость радиоисточника в десятки раз, сделав его видимым на фоне других космических объектов.
Новые и далекие
Созвездие Эридана – родина самого удаленного и внушительного по массе квазара с именем J0313-1806. Ученые наблюдают его состояние на момент, когда возраст Вселенной равнялся 670 млн лет. Объект J0313-1806 обошел предыдущего обладателя рекорда – ULAS J1342+0928 – по весу в два раза и по возрасту на 20 млн лет.
Звание самого далекого присвоили квазару P172+18, являющемуся источником мощных выбросов излучения – джетов. Свет от него преодолевал космическое пространство в течение 13 млрд лет, и он видим так, как выглядел, когда Вселенная была достаточно молода (780 млн лет). Ценность этой находки заключается в доказательстве того, что и у настолько древнего квазара имеются радиолучи.
Ученые получили сведения о состоянии черной дыры, находящейся рядом и поглощающей достаточное для излучения количество вещества. Исследователи уверены, что нашли связь между наличием джетов и скоростью, с которой черная дыра набирает массу. Вероятно, именно джеты увеличивают объемы газа, поглощаемого черной дырой. С этой информацией легче разобраться в устройстве первичной Вселенной.
Квазаги и блазары
Список типов активных ядер галактик пополнился, помимо квазаров, другими не менее сложными объектами. Среди них блазары и квазаги. Блазаром называют ядро активной галактики, испускаемые которым джеты повернуты в сторону наблюдателя. За счет последнего светимость таких источников гораздо выше для смотрящего с Земли. Примечательно, что расположенный в созвездии Девы объект 3C 278, первый идентифицированный в качестве квазара, на самом деле блазар.
Изучая квазары, ученые нашли источники радиоизлучения, являющиеся родственными для первых. Их объединяют такие характеристики, как схожесть со звездами, красное смещение, однако обнаружить их гораздо сложнее из-за слабости радиоволн. Новые объекты назвали квазизвездными галактиками, или квазагами. Астрофизики допускают, что квазары и квазаги – разные этапы эволюции одного и того же явления.
В Млечном Пути все спокойно
Научный материал, полученный из наблюдений над квазарами, дает ученым основание говорить о том, что каждая галактика имеет в центре черную дыру, прошедшую этап активности и теперь «уснувшую», так как для нее кончилось питание.
Это относится и к Млечному Пути, который когда-то выглядел как квазар, но уже вошел в состояние покоя. Ведь в окружающем центральную черную дыру пространстве больше нет такого объема газа и пыли, чтобы их поглощение вызывало образование сияющего аккреционного диска. Однако астрономы предполагают, что и в нашей галактике еще способен появиться квазар, но только после столкновения Млечного Пути с галактикой Андромеды, которое, согласно прогнозам ученых, произойдет через 4,5 млрд лет.
Симуляция столкновения Млечного Пути с галактикой Андромеды / NASA/ESA & Columbia University
Источник