Ядра галактик

Все изменения в галактиках, о которых шла речь выше, происходят для нас очень медленно — за десят­ки и сотни миллионов, а то и за миллиарды лет. Одна­ко изучение галактик не перестает преподносить сюр­призы. Оказалось, что в некоторых галактиках проис­ходят ощутимые изменения не только за короткую че­ловеческую жизнь, но и за время, меньше года! Изме­нениям могут быть подвержены цвет, светимость, спектр… Какие же грандиозные процессы в галактиках приводят к этому? «Виновниками» оказались ядра га­лактик.

Дать строгое определение ядра, опирающееся на наблюдения галактик, к сожалению, нельзя. Обычно яд­ром галактики называют ее самую центральную об­ласть, отчетливо выделяющуюся по своей яркости. Но в зависимости от расстояния до галактики эта область будет иметь и различный размер. Если галактика близка, мы можем выделить (и назвать ядром) ма­ленький яркий участок с размером в несколько десят­ков световых лет, а в далеких галактиках, имеющих, скажем, красное смещение дельта y/y₀=0,1, вся центральная область размером в 10—20 тыс. св. лет будет едва от­личима от точки. В этом случае ядро, по определению, включает в себя большую часть звездного населения галактик. У ядер галактик нет резко очерченных гра­ниц и поэтому нет и общепринятой договоренности от­носительно размера той части галактики, которую мож­но считать ядром (всю ее яркую центральную часть или похожую на звезду яркую точку в центре, если та­ковая имеется). Иногда эта неопределенность порож­дает путаницу и недоразумения.

Яркость почти у всех галактик увеличивается к центру. Не означает ли это, что центральная яркая об­ласть — ядро — существует у любой галактики? Наблю­дения близких галактик показали, что это не так. Если у одних увеличение яркости происходит плавно до са­мого центра (например, в карликовых эллиптических галактиках), то у других выделяется резкая яркая об­ласть размером в сотни световых лет. В некоторых слу­чаях в центре видна словно маленькая звездочка чуть расплывчатых очертаний. Одни называют ее ядром, другие — ядрышком («керном»).

Вот в пределах этих небольших образований, в ты­сячи раз меньших по размеру, чем сами галактики, по-видимому, и разворачиваются грандиозные процессы, которые могут влиять на галактику в целом. Первым ученым, который пришел к такому выводу, был совет­ский астрофизик, академик В. А. Амбарцумян.

Спектр центральных областей галактик показывает, что ядра в основном состоят из звезд. И тем не ме­нее поскольку ядра занимают привилегированное ме­сто, часто являясь центром спиральной структуры, можно было заподозрить в них нечто особенное. Англий­ский астрофизик Дж. Джинс еще в 1928 г., на заре внегалактической астрономии, писал: «Настойчиво за­являет о себе предположение, что центры туманностей имеют природу особенных точек, в которых в нашу Все­ленную вливается вещество из каких-то совершенно неиз­вестных нам пространственных измерений…»

Конечно, представление о «вливании» вещества и сейчас представляется невероятным и несовместимым с существующими физическими представлениями, одна­ко выделение из ядер колоссального количества энер­гии стало непреложным фактом.

Начиная с 1908 г., в научной литературе стали по­являться все новые и новые сообщения о странных га­лактиках, в спектрах которых наблюдались нетипичные яркие линии излучения, напоминающие те; которые воз­никают в планетарных туманностях — разлетающих­ся газовых оболочек вокруг чрезвычайно горячих звезд.

К 1943 г. американский астроном К. Сейферт на­считал таких галактик двенадцать и, подробно исследо­вав половину, наглядно показал необычность их струк­туры и спектров: они имеют очень яркое ядро, выгля­дящее как звезда в центре галактики, и, что очень важно, яркие и чрезвычайно широкие линии излучения в спектре. Ни Сейферт, ни его предшественники не мог­ли дать сколько-нибудь обоснованного объяснения на­блюдаемым особенностям. Открытие таких галактик — их назвали сейфертовскими — было несколько прежде­временным, и в течение 15 лет после выхода работы Сейферта ими никто не занимался.

Интерес возобновился лишь в конце 1950-х годов, когда оказалось, что одна из галактик Сейферта — NGC 1275 — является довольно мощным радиоисточни­ком,. Тогда наблюдениями этих галактик занялись всерьез. В конце 1960-х годов число исследованных сей­фертовских галактик еще ограничивалось десятью спи­ральными (две из наблюдавшихся Сейфертом оказа­лись обычными галактиками, зато было найдено четы­ре новых). Но ко второй половине 70-х годов их число составило уже около 200.

Столь бурный рост числа известных галактик с не­обычайными свойствами ядер обязан главным обра­зом наблюдениям советского астронома Б. Е. Маркаряна, а также других советских ученых глазным обра­зом, из Бюраканской обсерватории, Государственного Астрономического института им. П. К. Штернберга, Крымской астрофизической обсерватории.

Необычные ядра этих галактик оказались центрами выделения колоссального количества энергии, по сравнению с которой энергия вспышек Сверхновых вы­глядит просто жалкой. Яркое ядро сейфертовской га­лактики говорит о потоке света гигантской мощности, выводящем из крошечной области в центре. Широкие спектральные линии указывают на движение газа в яд­ре галактики с относительными скоростями э несколь­ко тысяч километров в секунду (до 13 тыс. км/с — та­кая скорость обнаружена в одной из галактик в созвез­дии, Центавра в 1973 г.). Полная кинетическая энергия движущегося газа в ядре (не считая энергии, излучае­мой ядром) составляет для сейфертовских галактик 10⁵²—10⁵⁴ эрг. Это в тысячи раз больше энергии, выде­ляемой при вспышках Сверхновых. При этом следует отметить, что на долю межзвездного газа, в ядрах сей­фертовских галактик приходится сравнительно неболь­шая часть полной энергии. Основная энергия,, как вы­яснилось, выделяется при излучении инфракрасного света. Оказалось, что крошечное ядро в инфракрасных лучах часто имеет в 5—10 раз большую светимость, чем вся остальная галактика во всем спектральном диа­пазоне — от самых длинных до самых коротких волн.

Каждую секунду ядра некоторых сейфертовских га­лактик излучают энергию более 10⁴⁵ эрг. Для сравне­ния укажем, что Солнце излучает такую энергию лишь за 10 тыс. лет!

Есть предположение, что причиной подобной свети­мости в инфракрасном диапазоне служит межзвездная пыль в ядре сейфертовской галактики или вокруг него, которая, перехватывая энергию центрального источни­ка, переизлучает ее в инфракрасном диапазоне.

Самое интересное то, что центральный источник, какова бы ни была его природа, очень мал по сравнению с галактикой. Об этом говорит открытие переменности радио- и оптического излучений ядер. Заметное изме­нение блеска, как оказалось, может произойти за не­сколько недель, а то и дней. Это говорит о том, что за это время свет успевает пройти расстояние, равное размеру источника. В противном случае из-за конечно­сти скорости света потоки излучения, возникающие в различных местах источника, приходили бы к нам в разное время и гасили бы тем самым колебания бле­ска. Исследование спектров ядер показали, что цент­ральный источник окружен клочковатой оболочкой га­за размером уже в десятки или сотни световых лет. Плотность газа в ней сравнительно высокая — от не­скольких миллионов атомов в 1 см³ вблизи централь­ного источника до нескольких тысяч атомов в 1 см³ вдали от него. Эта газовая среда находится в состоя­нии быстрого расширения или вращения.

Не менее удивительные примеры активности ядер некоторых галактик стали известны благодаря разви­тию радиоастрономии.

В 1950-х годах, когда радиоастрономия еще только делала свои первые шаги, а оптическая астрономия имела в своем распоряжении недавно введенный в строй 5-метровый телескоп обсерватории Маунт-Паломар, удалось надежно установить, что некоторые яркие ра­диоисточники совпадают по своему положению на небе с довольно далекими галактиками. Их назвали радио­галактиками. Были основания заподозрить, что их ха­рактерная черта — двойственность. Так, галактика, отождествляемая с радиоисточником Лебедь А (очень далекий объект, в 100 тыс. раз более слабый, чем са­мые слабые звезды, заметные невооруженным глазом), на фотографии выглядит как два почти слившихся пят­на (см. рис. 3). Другой радиоисточник — Персей А— оказался сейфертовской галактикой NGC 1275, в спект­ре которой линии излучения говорят о том, что часть газа удаляется от нас со скоростью, на 3000 км/с боль­шей, чем скорость самой галактики.

Первое время считалось, что радиоизлучение возни­кает при столкновении отдельных галактик, точнее — их газовых масс. Советский астрофизик В. А. Амбар­цумян показал необоснованность этой гипотезы и пер­вым усмотрел в радиоизлучении галактик следствие ак­тивности их ядер.

Дальнейшие исследования подтвердили, что радио­излучение действительно связано с потоками быстрых электронов, выбрасываемых вместе с плазмой в меж­звездное и даже межгалактическое пространство из центра галактик (обычно одиночной, а не двойной). Двигаясь в магнитных полях, электроны постепенно тормозятся, или, как говорят, «высвечиваются», гене­рируя радиоволны. Очень часто области радиоизлуче­ния располагаются не только в галактике, но и по бо­кам от нее, на довольно большом расстоянии от ядра — в десятки и сотни тысяч световых лет. Размеры этих областей часто во много раз превосходят размеры га­лактик, достигая несколько мегапарсек. Поражает ко­лоссальная энергия, уносимая радиоволнами. Напри­мер, одна из самых мощных известных радиогалактик — Лебедь А — излучает в радиодиапазоне в несколько раз больше энергии, чем все ее звезды, вместе взятые, из­лучают в оптической области спектра. Эта галактика удаляется от нас со скоростью около 16 800 км/с. При постоянной Хаббла, равной 50 км/с-Мпс, такая скорость соответствует расстоянию около 340 Мпс, или немногим более 1 млрд. св. лет! И с такого колоссального рас­стояния от Лебедя А на Землю непрерывно идет по­ток радиоволн, который в диапазоне метровых волн лишь в несколько раз уступает потоку от Солнца. Трудно представить, какую фантастическую энергию аккумулирует в себе ядро такой галактики.

Сейчас известно много десятков радиогалактик. Сре­ди них почти нет спиральных и неправильных, но мно­го эллиптических с очень большой массой и свети­мостью. Почему это так? Возможно, как предложил со­ветский астрофизик И. С. Шкловский, активные ядра галактик энергетически «подпитываются» газом, сбра­сываемым старыми звездами сфероидальной составля­ющей и падающим на галактический центр.

Вскоре после того как началось изучение радиога­лактик, в 1958 г. на международной конференции в Брюсселе В. А. Амбарцумян сформулировал и обосно­вал идеи об особой, космогонической роли ядер галактик и выбросов вещества из них. Правда, некоторые сде­ланные им выводы представляются спорными и сей­час — например, о том, что целые галактики могут об­разовываться из ядер путем их деления. Но вывод об активности ядер галактик, о выбросе больших масс ве­щества из них — не только быстрых частиц, но и газа (а может быть, и сравнительно плотных образова­ний) — оказался правильным. Исключительно важное значение имели наблюдения небольшой и сравнительно близкой к. нам галактики М 82, обратившей на себя вни­мание потому, что она оказалась заметным радиоисточ­ником. Американские астрономы А. Сендидж и Б. Линдс, анализируя полученные особым образом фо­тографии галактики, запечатлевшие излучение горяче­го газа в ней, и получив спектр этого газа, пришли к выводу о том, что несколько миллионов лет назад (если не учитывать время распространения света от галак­тики) в ядре М 82 произошел мощный взрыв. В ре­зультате этого взрыва, по их мнению, большие массы газа приобрели такую энергию, что вылетели или выле­тают из галактики со скоростью до 1500 км/с. Правда, в настоящее время существует и другое объяснение, которое не требует наличия большого взрыва в ядре галактики. Однако ядро в ней бесспорно находится в очень активном состоянии — об этом говорит хотя бы мощное инфракрасное излучение, выходящее из малень­кой области в центре. Изучение М 82 способствовало открытию большого числа галактик, в которых можно было заподозрить активность ядра.

Оказалось, что активность ядер галактик может иметь много проявлений. Это выбросы вещества и быст­рых электронов, это мощное «незвездное» излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, это, наконец, и рентгеновское излучение ядра (часто также очень мощное). Причем нет резкой грани­цы, между активными и «спокойными» ядрами галак­тик — мы наблюдаем не только разнообразие форм активности, но и разнообразие энергетических масшта­бов. Типичным примером галактик со «спокойными» яд­рами можно считать туманность Андромеды и нашу Галактику. В последней, правда, мы ядра не видим — оно закрыто от нас непроницаемой завесой пылевых облаков. Но инфракрасные лучи и радиоволны проби­ваются к нам через пыль, и мы наблюдаем в этих диа­пазонах волн сложную структуру ядра, маленький ком­пактный источник в центре и быстродвижущие газовые облака вблизи него. Так, радиоастрономические наблю­дения в линии 21 см показали, что в центральной части Галактики наблюдаются радиальные скорости движения газа с полной массой около 10⁷ масс Солнца, говорящие о том, что он выбрасывается из ядра. Полная энергия, сообщенная газу, составляет более 10⁵⁴ эрг!.

Несравненно большие масштабы выделения энергии у квазизвездных объектов. С их открытием важность и актуальность изучения природы ядер галактик стала особенно очевидной. Эти чрезвычайно далекие и мощ­ные источники инфракрасных лучей, видимого света, радиоволн и коротковолновой радиации напоминают по всем своим свойствам изолированные активные яд­ра галактик только с масштабом выделения энергии, в сотни раз большим, чем в последних.

Массы ядер галактик не велики. Это можно уста­новить, наблюдая скорости движений звезд вокруг центра галактики. В туманности Андромеды, например, в пределах 25 св. лет от центра содержится не более тысячной доли массы всей галактики. Никаких новых галактик из таких ядер не создать. Но удивительная способность аккумулировать и выделять чудовищную энергию настойчиво требует своего объяснения.

Что же собой представляют источники колоссальной энергии ядер? Каков механизм ее генерации? Как эво­люционируют ядра? Достаточен ли объем наших физи­ческих знаний, чтобы понять, что в них происходит? Нет пока такого человека, который мог бы ответить на эти вопросы.

Секрет хранит маленький яркий источник в центре ядра, окруженный обычным газом, — именно там в небольшом объеме аккумулирована колоссальная энер­гия, иногда превышающая 10⁵⁹—10⁶⁰ эрг. Большинство Исследователей сходятся на том, что запасы ядерной энергии вещества недостаточны для объяснения такого энерговыделения в ядрах галактик. Единственный из­вестный источник энергии, который может «работать» в галактических ядрах, — гравитационное сжатие или падение вещества в гравитационном поле. По энерге­тической эффективности эти процессы могут в десятки раз превзойти любые ядерные реакции.

Было предложено много моделей источника. Соглас­но одним предположениям это очень компактное звезд­ное скопление, где происходят частые вспышки Сверх­новых, или столкновения отдельных звезд, или падение газа на компактные звезды. Согласно другим источ­ник — единое тело, в качестве которого предлагалось и гигантское образование из намагниченной плазмы или очень массивная «черная дыра», захватывающая меж­звездный газ.

Но, однако, от построения модели или моделей источника до объяснения всех проявлений активности ядер галактик — дистанция большого размера и она еще далеко не пройдена. Нет даже полной уверенности, что мы на правильном пути. Ясно одно: в ядрах галак­тик могут существовать необычные, «экзотические» объекты, изучение которых крайне важно не только для объяснения активности ядер, но и для понимания более широкого круга астрофизических проблем. И кто знает, какой толчок развитию физики и астрофизики дадут исследования галактик — систем, в которых отра­жено настоящее и прошлое Вселенной.

• ← Де шукати молоді галактики?
• Висновки →