7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Почти сразу после обнаружения КЗО у астрофизи­ков появилась надежда, что с их помощью удастся по­нять природу активности в ядрах галактик, так как в квазизвездных объектах она проявляется, так сказать, в чистом виде. Однако , эти надежды не оправдались. Дело в том, что КЗО находятся гораздо дальше, чем обычные галактики, и, следовательно, изучать их труд­нее. Отдав дань «моде», когда в толстых научных жур­налах исследованию квазаров были посвящены множе­ство статей, астрономы через несколько лет снова вернулись к более планомерному изучению природы актив­ности ядер в близких системах и в первую очередь в ра­дио- и сейфертовских галактиках.

Поставленный к концу 1950-х годов вопрос о приро­де активности ядер галактик оказался «трудным ореш­ком» и до сих пор нет даже общепринятого подхода к его решению. Существует несколько подходов к реше­нию этой проблемы, но большинство астрофизиков счи­тает, что в ядрах галактик происходят, в общем-то, бо­лее или менее обычные процессы (взрывы сверхновых, сопровождающиеся рождением пульсаров, столкновения и разрушение звезд и т. д.). Однако, хотя ядра галак­тик с этой точки зрения представляют собой не что иное, как очень компактные звездные скопления, но из-за необычной малости масштабов и связанной с этим громадной плотности все процессы протекают в них чрезвычайно интенсивно.

Правда, есть астрофизики, которые представляют активное ядро единым, очень массивным быстровраща­ющимся образованием, получившим название сверхмас­сивной звезды, массивного пульсара, ротатора или маг­нитоида. Разновидностью такого подхода служит и пред­положение о существовании в ядрах галактик массив­ных черных дыр, т. е. тел, находящихся под своим гра­витационным радиусом. Излучение идет в таком случае от окрестностей черной дыры, где кинетическая энергия вещества, падающего с большой скоростью к «дыре», может за счет столкновений преобразовываться в дру­гие виды энергии.

Высказывалась также и точка зрения, согласно ко­торой в ядрах галактик происходят какие-то пока еще не известные науке процессы, приводящие к выделению громадного количества энергии, а может быть и веще­ства, из которого впоследствии образуется вся галакти­ка (D-тела Амбарцумяна). Интересно, что о схожем «не­классическом» подходе к природе ядер галактик писал еще в 1928 г. создатель теории гравитационной неустой­чивости Дж. Джинс. По его мнению, ядра галактик могут быть «точками сингулярности, в которых в нашу Вселенную вливается вещество из других, совершенно чуждых нам пространственных измерений».

Прежде чем перейти к краткому изложению сущест­вующих теорий, еще раз перечислим, какие же свойства активных ядер должны быть объяснены в первую оче­редь.

1. Громадное энерговыделение от 1042 до 1047 эрг/с, что соответствует суммарной энергии излучения в 1057— 1062 эрг за характерное время порядка 10 млн. лет. На­помним, что полное превращение массы, заключенной в Солнце, в энергию дало бы «всего» 1054 эрг, а при взры­вах сверхновых выделяется в видимом свете —1050 эрг.

2. Эта энергия должна выделяться в источнике раз­мером не больше 0,1 пс, так как иначе возникают труд­ности с объяснением переменности излучения со време­нем.

3. Энергия, вырабатываемая в ядре, должна за счет того или иного механизма излучаться с высоким КПД и передаваться без больших потерь на громадные рас­стояния в области, где наблюдаются протяженные ра­диокомпоненты. Таким агентом-носителем энергии, ско­рее всего, служат заряженные частицы, ускоренные до очень высоких энергий (миллиарды электрон-вольт).

4. Само выделение энергии и ее распространение происходит, по всей вероятности, не одинаково по раз­ным направлениям. Такая, как говорят, анизотропия не­обходима для объяснения, например, наблюдаемой вы­тянутости радиокомпонентов вдоль одной оси или для существования разного рода «выбросов» из ядер. Нали­чие анизотропии косвенно подтверждается тем, что большинство галактик с сейфертоподобными ядрами ориентированы по отношению к нам плашмя, т. е. как будто основное излучение от ядра идет в направлении, перпендикулярном плоскости этой галактики. Судить об анизотропии излучения квазароподобных объектов более сложно, однако есть некоторые основания счи­тать, что лацертиды, обладающие рядом специфических свойств, являются теми же КЗО, но наблюдаемыми с полюса (направление максимума их излучения совпа­дает с лучом зрения наблюдателя, который как бы заглядывает в этом случае в «жерло вулкана»).

Теперь о существующих моделях и теориях, претен­дующих на объяснение феномена активности ядер.

Компактное звездногазовое скопление. Такое скопле­ние размером в несколько парсек и массой в 106—108 масс Солнца может сформироваться в результате эво­люции звездногазовой системы в центральной области галактики. Газ, теряя момент вращения, постепенно осе­дает к центру и там из-за разного рода неустойчивостей дробится на отдельные холодные облака, из которых мо­гут возникать комплексы массивных звезд. Такие звез­ды, сжимаясь за время 106—107 лет, могут вспыхивать как сверхновые, выделяя при этом колоссальную энер­гию в 1050—1052 эрг. Если даже сначала формировались не очень массивные звезды, из которых не могут возник­нуть сверхновые, то наиболее быстрые из них покидали центр галактики («испарялись» из него). Центральное скопление сжималось, теряя энергию на «испарение» звезд, и пространственная плотность звезд в нем возра­стала.

Расчеты показывают, что при размере скопления около 5•1017 см и числе звезд в нем с массой около сол­нечной примерно 4•107 они часто сталкиваются. При этом может происходить слипание отдельных звезд в сгустки массой около 50 масс Солнца. А дальше сцена­рий повторяется: массивные звезды будут быстро взры­ваться как сверхновые. Если частота таких вспышек до­стигает 100 в год, то их суммарного энерговыделения в принципе хватает, чтобы объяснить феномен КЗО.

Правда, трудно при этом понять, почему перемен­ность блеска ядер галактик носит квазирегулярный, а не случайный «шумовой» характер и почему наблюда­ется разного рода анизотропия в излучении. Так что вряд ли удастся обойтись еще и без предположения о наличии довольно сильного регулярного магнитного по­ля в таком центральном скоплении или о существова­нии плотного ядерного газозвездного диска (а может, того и другого вместе).

Какова может быть дальнейшая судьба такого «аг­регата»?

После эры активного рождения звезд и взрывов сверхновых в скоплении останутся много белых карли­ков и нейтронных звезд. Последние, как известно, явля­ются пульсарами — быстровращающимися объектами диаметром всего 10 км и с очень сильными магнитными полями (порядка 1011—1012 Гс). Один молодой пульсар с периодом вращения в несколько долей секунды обладает запасом энергии в 1053 эрг, расходуя ее в течение миллионов лет в виде электромагнитного излучения и потоков космических лучей. Постепенно тормозясь, пульсары часть своей энергии вращения тратят в виде электромагнитного излучения (до 1039 эрг/с). Поэтому не удивительно, что существуют гипотезы, в которых рассматривается модель активного ядра как скопления пульсаров.

Если в скоплении нейтронных звезд и белых карли­ков остался еще и газ, то даже эти очень компактные звезды постепенно будут в нем тормозиться. Скопление будет все больше сжиматься, и на некотором этапе его члены опять начнут сталкиваться и разрушаться, при этом выделяя свою кинетическую энергию в виде излу­чения и ударных волн.

В конце концов в центре бывшего плотного звездно-газового скопления может образоваться единое массив­ное (106 масс Солнца) образование, получившее назва­ние сверхзвезды.

Массивная сверхзвезда. Такое решение проблемы активности ядер предложили в 1963 г. Ф. Хойл и У. Фаулер. Газовая сверхзвезда массой 106—108 масс Солн­ца и температурой около 106 К удерживается от грави­тационного сжатия уже не газовым давлением (как обычные звезды), а в основном давлением излучения. Как показали расчеты, такое образование быстро высве­тит запасы своей тепловой энергии (за несколько десят­ков лет) и должно начать неудержимо сжиматься, если этому не воспрепятствует вращение сверхзвезды. По мере ее остывания и сжатия вращение будет убыстрять­ся, и через несколько тысяч лет с экватора начнется сильное истечение вещества. Кроме того, в сверхзвезде могут возникнуть внутренние турбулентные движения, которые также мешают сжатию.

Чтобы противостоять силам гравитационного сжатия на протяжении миллионов лет (это время жизни кваза­ров), турбулентные движения газовых сгустков должны за это время не затухнуть при столкновениях. Для это­го надо каким-то образом «сделать» их столкновения более упругими, так как при этом меньше кинетической энергии переходит в тепло. Такой вариант возможен, если предположить наличие в ионизованном газе до­вольно сильных магнитных полей. Такая вращающаяся, намагниченная сверхзвезда с сильными турбулентными движениями получила название магнитоида (но даже и магнитоиду трудно противостоять сжатию в течение миллионов лет).

Если в сверхзвезде есть, вдобавок к хаотическому, еще и сильное регулярное (например, дипольное) маг­нитное иоле, то такой вращающийся массивный «маг­нитный волчок» является, по существу, массивным пуль­саром. Только период вращения такого пульсара будет измеряться уже годами, и запасы энергии вращения в нем могут достигать колоссальной величины — 1063 эрг. Тормозясь, массивный пульсар, так же как и обычные пульсары, будет перерабатывать свою энергию враще­ния в другие виды и, в частности, в энергию ускорен­ных частиц. Скорость потери энергии может достигать 1048 эрг/с.

Однако и для массивного пульсара существует труд­ность с объяснением времени жизни такого образова­ния: под действием силы гравитации внешние слои га­зового тела будут продолжать неудержимо сжиматься но мере уменьшения температуры в его центре и ослаб­ления потока излучения, идущего изнутри и препятст­вующего сжатию. Чтобы противостоять силам тяготе­ния, необходим постоянный подогрев сверхзвезды, кото­рый будет увеличивать в ней внутренние скорости дви­жения газа. И в принципе возможности для этого есть, не надо забывать, что ядро находится не в пустоте, а окружено гигантской газовой (протогалактика) или звездной (галактика) системой. Достаточно плотные об­лака газа или звезды (или и то, и другое вместе), дви­гаясь но сильно вытянутым орбитам вокруг ядра, до­вольно часто будут попадать в центральную сверхзвез­ду. Скорость влета может достигать, по оценкам, не­скольких десятков тысяч километров в секунду (при массе сверхзвезды 108 солнечных и размере около 0,01 пс).

Если звезда с массой порядка солнечной влетает в сверхзвезду с такой скоростью, то при этом может вы­делиться энергия порядка 1052 эрг. Для объяснения излучения квазаров надо, чтобы со сверхзвездой пример­но в одно и то же время столкнулись 100—1000 звезд или газовых облаков. Непрерывно атакуемая такими снарядами сверхзвезда, естественно, не может остыть и поэтому долгое время не сжимается.

Рано или поздно (в зависимости от подогрева) сверх­звезда все же остынет, и силы гравитации снова нач­нут ее сжимать. Общая теория относительности пред­сказывает, что со временем массивная слабовращающаяся и остывшая сверхзвезда превратится в черную ды­ру — уйдет под свой гравитационный радиус. Так что не исключено, как думают некоторые астрофизики, что в ядрах галактик находятся и массивные черные ды­ры — удивительные объекты, обнаружение которых от­крыло бы новую страницу в Великой книге Природы.

Черная дыра. Мы уже говорили, что излучение от черной дыры не может попасть к наблюдателю: оно должно удерживаться под гравитационным радиусом силами тяготения. Как же тогда излучают (да еще так активно!) черные дыры в ядрах галактик?

Дело тут в том, что вокруг такой черной дыры мо­жет находиться много газа и звезд. Если вещество об­ладает определенным моментом вращения, то оно не может упасть на тяготеющий центр прямо, а опускает­ся к нему (при торможении) по спирали. Постепенно вокруг черной дыры может образоваться вращающийся диск, вещество в котором будет нагрето сильными внут­ренними движениями. Такой диск может излучать мно­го энергии в зависимости от того, сколько вещества в него поступает. Оценки показывают, что диск может из­лучать около 1046 эрг/с при «переработке» одной массы Солнца, поступающей в него с периферии.

Турбулентные движения в диске могут вызывать ударные волны в его более разреженных периферийных слоях, и это приведет к сильному нагреву (до десятков миллионов градусов) этих слоев. Если вещества в диск попадает слишком много, то оно не успевает стекать на черную дыру и «прятаться» под гравитационным ради­усом. Тогда периферия диска начинает разрастаться (вспомните запруду на ручье), и диск становится тол­стым, хотя возле самой черной дыры он остается тонким (ручеек после запруды).

Такая конфигурация диска может способствовать возникновению анизотропии излучения. Область пере­хода толстого диска к тонкому служит как бы вогну­тым зеркалом прожектора, излучение которого направ­лено в разные стороны по оси вращения черной дыры. Таким образом, в моделях с черной дырой можно в принципе объяснить направленность излучения.

Энергия может высвобождаться около черной дыры и не только в очень горячем вращающемся диске. Звез­ды, пролетая недалеко от нее, будут разрушаться мощ­ными гравитационными приливными силами или при столкновениях друг с другом. При этих процессах бу­дет выделяться довольно много тепла. Остатки звезд увеличивают массу черной дыры (такой процесс «пита­ния» получил у астрофизиков даже особое название — «питание монстра»). По мере увеличения массы черной дыры возрастает ее гравитационный радиус, который при массе больше 3•108 масс Солнца становится так велик, что пролетающие близко звезды уже не будут так часто сталкиваться друг с другом, да и разрушать­ся за счет приливных сил они не будут так эффективно, как раньше (так сказать, «монстр объелся»). Свети­мость ядра на этом этапе начинает падать. Весь этот процесс происходит, согласно оценкам, за характерное время меньше 109 лет.

Слабовращающаяся и не очень массивная черная дыра является, как видно, мощным накопителем потен­циальной гравитационной энергии (при массе 109 сол­нечных и размере черной дыры 1015 см запасенная в ней гравитационная энергия будет равна 1062 эрг). Окрест­ности такой черной дыры трудно спрятать от наблюда­теля — они всегда оказываются слишком заметными («уши торчат!»), так как активно перерабатывают энергию падающего вещества в конечном итоге в мощ­ное излучение. Поэтому, зная плотность звезд в центре галактики, можно вывести предел на возможную массу черной дыры в ее ядре.

Такие оценки, примененные к ядру ближайшей к нам галактики — Туманности Андромеды привели к выводу, что если там и есть черная дыра, то с массой меньше 1000 солнечных. Схожий вывод был сделан для ядра Туманности Андромеды исходя из определенных по спектрам скоростей вращения газа в пределах 1 пс от центра. Этой маломассивной черной дыры совершенно недостаточно, чтобы обеспечить наблюдаемое энерговы­деление активных ядер. Однако интересно, что как раз в Туманности Андромеды активного (даже по отноше­нию к нашей Галактике) ядра и не существует.

Конечно, кроме перечисленных выше гипотез о при­роде активности в ядрах галактик, выдвигались и дру­гие. Мы на них останавливаться не будем, хотя и не исключено, что именно среди них, может быть, есть и правильная. Вполне возможно также, что активность ядер и квазаров на разных фазах своей эволюции, под­держивается разными способами, и на разных этапах работают различные механизмы. На сегодняшний день можно только, сказать, что предпочтение надо отдавать гипотезам, в которых ядро является продуктом жизне­деятельности всей системы и его активность поддержи­вается опять-таки запасами вещества и потенциальной энергии всей системы. А на вопросы, каким именно об­разом энергия, накопленная во всей системе (протогалактике или галактике), передается ядру, каким спосо­бом .эта энергия трансформируется и за счет какого ме­ханизма превращается в мощное излучение и выбросы вещества, — ответят будущие наблюдения.

Как уже говорилось, КЗО не полностью оправдали надежды астрофизиков, в том числе и в том, что они не помогли нам пока понять природу активности ядер.. Правда, квазизвездные объекты, как и всякое из ряда вон выходящее явление природы, настолько остро, по­ставили перед, астрофизиками ряд проблем активности, что этот «вызов» невозможно было не принять. Кроме того, КЗО сослужили и еще одну службу: в силу своей необычной яркости они позволили заглянуть в недо­ступные ранее глубины пространства и времени — при­рода как бы позаботилась о существовании «маяков» во Вселенной.

Что же нового узнали астрофизики о Метагалакти­ке с помощью квазизвездных объектов? Какова роль последних в создании современных космологических мо­делей?