Космические квазары: у границ Вселенной

Самое, может быть, замечательное достижение современной астрономии — открытие квазаров, или, как их еще называют, квазизвездных объектов. Их строение, происхождение, их уникальные свойства, их роль в эволюции Вселенной — все это вопросы, над которыми еще не одному поколению астрономов и астрофизиков придется поломать голову.

Квазары были обнаружены вскоре после окончания второй мировой войны, когда начала развиваться радиоастрономия. Радиотелескопы обладали тогда малой чувствительностью, их разрешающая способность тоже оставляла желать лучшего, однако и с их помощью удалось определить несколько сотен областей небесной сферы с повышенной интенсивностью радиоизлучения. Все усилия ученых были направлены тогда на отождествление этих областей с оптическими объектами.

В 1962 году задача была наконец разрешена. Один из радиоисточников был перекрыт Луной, и по моменту прекращения сигнала удалось с хорошей точностью определить его местоположение. Это был источник ЗС27Э. Ему соответствовала парная звезда.

После этого квазары стали открывать один за другим. К 1968 году их было известно уже около двухсот, а сейчас их не так-то легко подсчитать, введено даже понятие плотности квазаров на квадратный градус небесной поверхности.

В оптической астрономии фотографирование объекта лишь предшествует его изучению. Основную информацию — о температуре, строении, удаленности от нас — ищут в его спектре. И вот спектры квазаров вызвали поначалу всеобщее недоумение — они не поддавались расшифровке. Ни одна из спектральных линий не соответствовала ранее известным.

Загадка оставалась неразрешенной до 1963 года, когда Мартин Шмидт предположил, что спектры квазаров смещены в сторону длинных волн, то есть перед нами — знаменитое красное смещение. Такое смещение объясняют эффектом Доплера: оно появляется, если источник излучения удаляется от нас. Как известно, метагалактика расширяется, то есть космические тела удаляются друг от друга.

Догадка Шмидта подтвердилась — спектры квазаров действительно были сдвинуты в красную сторону. Но чрезвычайно сильно, гораздо сильнее, чем спектры галактик.

Две гипотезы

Для объяснения аномально большого смещения квазаров были предложены две гипотезы. Первая, так называемая «космологическая», гипотеза объясняет смещение квазаров так же, как и в случае галактик,— эффектом Доплера. Но так как смещения велики, то и скорости квазаров должны быть большими. Например, квазар ЗС9 удаляется от нас со скоростью 0,8 С, где С — скорость света. Используя закон Хаббла, который связывает скорость удаления космического тела и расстояние до него, можно вычислить расстояние до этого квазара. Оно равно 2400 мегапарсекам — 7 миллиардам световых лет! А самая удаленная галактика находится от нас на расстоянии «всего» в 400 мегапарсеков.

Далее. Расчеты показывают, что квазары, если они действительно так далеки от нас, должны быть в сотни миллиардов раз ярче Солнца, иначе мы бы их не увидели. Средняя галактика выделяет примерно в сто раз меньше энергии. Судя по спектрам, можно считать, что состоят квазары из сильно разреженных газов.

Массы их, к сожалению, неизвестны. Самые грубые оценки дают нам не более 100 миллионов солнечных масс. Отсюда получается, что темп выделения энергии у квазаров, то есть количество энергии, выделяющейся в единицу времени на единицу массы, также очень велик — в миллионы раз больше, чем у Солнца, и в тысячи раз больше, чем у самой горячей звезды. Очевидно, что объект, так бурно растрачивающий себя на излучение, проживет недолго. Квазар должен полностью превратиться в излучение в течение сотни тысяч лет, а то и меньше. Но, с другой стороны, согласно космологической гипотезе, квазары стары, как Метагалактика. Тогда им 20 миллиардов лет…

Еще труднее объяснить изменение яркости квазаров. Астрономы нередко наблюдали, как за несколько дней, а иногда и часов, их яркость менялась в несколько раз. Такое поведение плохо согласуется с представлением о квазарах как о космических объектах огромных размеров, намного превышающих размеры звезд.

Излучение квазаров меняется хаотически. Из всех небесных тел так ведут себя только сверхновые звезды. Поэтому наибольшее распространение получила гипотеза, предложенная И. С. Шкловским. Он предположил, что переменная яркость квазаров обусловлена частыми вспышками находящихся внутри них сверхновых звезд. Внешне это проявляется в хаотических изменениях яркости квазара. Гипотеза сверхновых дает достаточно убедительное объяснение переменности квазаров, однако она до сих пор не получила достаточных подтверждений.

Итак, попытки объяснить красное смещение квазаров космологическими причинами приводят к серьезным затруднениям. Это побудило некоторых астрономов искать другие гипотезы. По их мнению, квазары находятся сравнительно недалеко от нашей Галактики. Внутри Галактики квазары находиться не могут — об этом говорит хотя бы расположение квазаров на небе. Подобно всем внегалактическим объектам, они старательно «избегают» полосы Млечного Пути на нашем небе, где расположено большинство космических тел, принадлежащих к нашей Галактике. Здесь ведь сконцентрированы и облака газа и межзвездной пыли, которые не пропускают свет далеких объектов.

Гипотеза, согласно которой квазары находятся недалеко от нашей Галактики, получила название локальной. Она объясняет красное смещение квазаров тем, что у них очень сильное гравитационное поле. Чтобы покинуть область такого поля, каждый квант должен совершить определенную работу и, следовательно, потерять при этом часть своей энергии. Соответственно уменьшится его частота, а значит, весь спектр будет смещен. Но гравитационное смещение может стать заметным только в очень сильных гравитационных полях. Даже у белых карликов, где величина смещения наибольшая, оно не превышает одного процента, то есть сравнимо с красными смещениями галактик. У квазаров, как уже говорилось, эта величина значительно больше. Соответственно и плотность квазаров должна быть больше. Например, квазар ЗС9 в рамках локальной гипотезы должен иметь плотность порядка 1018 кг/см3. Это по современным представлениям неправдоподобно, особенно если вспомнить, что спектр квазара указывает на наличие разреженных газов.

Для того чтобы обойти это противоречие, некоторые сторонники локальной гипотезы утверждают, что квазары возникают вследствие стремительного сжатия (коллапса) огромных облаков газа. В сжимающемся газовом облаке могут образовываться сгустки газа, настолько сконденсированные, что их гравитационные поля вызовут очень большие смещения в спектрах.

Существует еще одно обстоятельство, которое ставит под сомнение гравитационную природу красного смещения. Поскольку поле тяготения внутри каждого космического тела меняется с глубиной, кванты излучения, вылетающие с разной глубины, должны совершить разные количества работы для выхода из квазара. Это должно привести к тому, что каждая линия спектра будет смещаться по-своему, а сами линии станут очень широкими. Но ведь этого нет.

«Сверхсветовое» расширение квазаров

А в начале семидесятых годов к списку вопросов, связанных с квазарами, прибавилась и проблема, их «сверхсветового» расширения. Этот в высшей степени поразительный эффект замечен у квазаров ЗС27Э, ЗС279 и ЗС345 (а также у так называемой сейфертовской галактики ЗС120). Каждый из этих квазаров — двойной, состоит из двух частей, удаляющихся друг от друга. Длительные наблюдения позволили установить, что наблюдаемая скорость такого удаления в несколько раз больше скорости света. Но как же так?

Ведь известно, что сама скорость света есть предел, которого не может достичь ни одно тело с массой покоя, не равной нулю. Когда исследователь сталкивается с чем-то, чего, по его мнению, быть не может, первым делом он грешит на приборы. Однако на этот раз приборы выдержали самые серьезные и придирчивые испытания. Когда аппаратура оказалась вне подозрений, астрономы стали говорить: «Это нам так кажется». «Нам так только кажется» — потому что скорость света действительно предел, это хорошо проверено. Стали появляться самые различные гипотезы, основанные на мысли «Это нам кажется».

Существует, например, модель «рождественской елки». Здесь, как и в гипотезе И. С. Шкловского, квазары рассматриваются как скопление сверхновых звезд. Сверхновые совершенно случайно вспыхивают подобно лампочкам на праздничной елке (или на рекламной витрине), одна за другой, создавая иллюзию движущихся тел. Это самое простое предположение. Среди множества остальных гипотез можно найти более изящные и менее вычурные модели.

Например, если у квазара есть магнитное поле, то при некоторых конфигурациях его силовых линий возможны явления, при которых земной наблюдатель увидит два световых пятна, удаляющихся друг от друга со сверхсветовой скоростью. Для этого достаточно, чтобы из центра квазара произошел мощный выброс электронов, движущихся с околосветовой скоростью и потому излучающих свет. Такое излучение узконаправленно, и поэтому сгустки электронов, движущиеся вдоль магнитных силовых линий квазара, будут для нас невидимы вплоть до того момента, когда их лучи «наткнутся» на Землю.

Помимо гипотез типа «Это нам кажется», есть еще две, которые говорят: «Это так и есть». По одной из них — разбегающиеся объекты состоят из тахионов, гипотетических частиц, которые могут двигаться только со скоростями, большими световой. Ведь теория относительности не утверждает, что не может быть сверхсветовых скоростей, она говорит только, что скорости света нельзя достичь. Тахионы, тоже не могут ее достичь — их скорость всегда выше.

Вторая гипотеза несколько интереснее и, пожалуй, правдоподобнее первой. Она тоже говорит, что скорость света — предел скоростей, но сам этот предел может меняться. Идея о непостоянстве фундаментальных мировых констант была впервые высказана Дираком. Здесь эта идея выглядит так.

По современным взглядам Метагалактика возникла в результате взрыва из некоего первояйца бесконечной массы, умещавшейся в точечном объеме. До взрыва, по этой гипотезе, скорость света в веществе равнялась нулю. Как только начался разлет вещества, скорость света стала расти, но для разных космических тел — по-разному, от чего зависела и скорость их удаления. В нашем районе Метагалактики скорость света одна, а у квазаров, так сказать «на другом конце мира», она может быть и другой. Скорость света для квазара ЗС27Э, рассчитанная по этой гипотезе, равна уже не 300 000, а 1200 000 километров в секунду.

Как ни фантастично такое предположение, в нем нет ничего противоречащего известным сегодня фактам. Его можно проверить, если вынести приборы за пределы земной атмосферы и провести наблюдения, связанные со скоростью фотонов, приходящих от квазаров.

Что такое квазар

Один английский журналист остроумно заметил, что астрономы, говоря о квазарах, не знают ни что такое квазары, ни где находятся, ни каким образом излучают. Чем больше данных о квазарах мы получаем, тем больше у нас поводов для недоумения. Мы не можем сказать пока ничего определенного ни о строении квазаров, ни об их возникновении, ни об их роли в эволюции Вселенной.

Что такое квазары? В свое время Шмидт описал совокупность признаков, характерных для квазара. Квазар это:

• звездообразный объект, отождествленный с радиоисточником;
• с переменным блеском, дающий мощный поток ультрафиолетового излучения, «ультрафиолетовый излишек»,
• с широкими эмиссионными линиями в спектре,
• с большим красным смещением спектральных линий.

На конференции Тихоокеанского астрономического общества обсуждались вопросы, связанные с квазарами. Выступая на конференции, американский ученый П. Осмер перечислил вышеприведенные свойства квазаров и сказал, что не каждый квазар обладает полным их набором. Большинство имеет один, может быть, два признака. Долгое время считалось, что квазары — мощные радиоисточники. В нынешнем списке девяносто пять процентов квазаров «радиоспокойны» (оптические квазары). Даже широкие эмиссионные линии в спектре больше не являются решающими — есть квазары, «обходящиеся без них».

Существует очень много мнений о том, что представляют собой квазары. О некоторых гипотезах уже говорилось. Отдельные ученые находят связь между квазарами и «черными дырами». Одна из гипотез трактует квазар как массовые столкновения звезд в ядре галактики. Ведь если ядро галактики состоит из множества звезд, движущихся с резко различными скоростями (но это само по себе — гипотеза), то с большой вероятностью найдутся звезды настолько быстрые, что они будут вылетать из ядра. Общая кинетическая энергия ядра должна при этом уменьшаться, и ядро начнет сжиматься, как воздушный шар при резком понижении температуры. Когда ядро галактики сожмется, звезды в нем станут часто сталкиваться между собой. Результат — яркие вспышки.

По другой модели квазары — результат аннигиляции при столкновении больших масс вещества и антивещества.

Вот еще одна гипотеза, довольно искусственная, но остроумная. По этой гипотезе квазары представляют собой обычные галактики, только между Землей и такой галактикой находится массивное тело большой плотности. Гравитационное поле этого тела, действуя как собирательная линза, искривляет лучи, идущие от галактики. Кажущаяся яркость в результате в несколько раз превышает реальную. А само изображение сильно искажается, именно по этой причине квазары так не похожи на галактики.

Гипотеза гравитационной линзы встречает много возражений. Она не объясняет красного смещения и некоторых других особенностей спектра квазаров. Главное же, что согласно гипотезе гравитационных линз наше галактика должна быть окружена множеством сверхмассивных невидимых тел, а это не слишком согласуется с современными космологическими теориями. Гипотеза вызвала к себе так мало доверия, что никто, в том числе и ее автор — Дж. П. Барнотти, итальянский астрофизик, не взял на себя труд подробно ее разработать.

Но вот совсем недавно эта гипотеза получила неожиданное подтверждение. О существовании гравитационных линз вновь заговорили после того, как были обнаружены квазары-двойники 0957 + 561 А, В. Эти два квазара, во-первых, располагаются очень близко друг от друга и, во-вторых, кажутся точными копиями один другого. Шансы на то, что два абсолютно подобных квазара могут находиться рядом, очень малы, поэтому сразу возникло подозрение, что мы имеем дело просто с двумя изображениями одного и того же объекта.

В настоящее время большинство астрономов склоняются к мысли, что квазары каким- то образом связаны с галактиками. То ли это выбросы из галактик (часто еще не открытых), то ли ядра, которые по какой-то причине галактиками не стали (или еще не стали), то ли они уже были галактиками…

Кончу вопросом, который задал уже упоминавшийся в статье П. Осмер. Квазары сегодня — самые дальние объекты Вселенной. Но ведь и самый далекий от нас квазар находится (в рамках «космологической гипотезы») на расстоянии в 20 миллиардов световых лет. А что дальше? Где астрономические объекты (те же квазары?), которые лежат на еще большем расстоянии от нас? Или… дальше ничего нет?

Итак, мы почти ничего о квазарах не знаем. Мы можем строить предположения, можем эти предположения проверять и медленно, ангстрем за ангстремом, подбираться к истине, которая может ошеломить нас, но может оказаться и тривиальной. И не нужно спрашивать: «А зачем все это узнавать?» Так мы устроены и по-другому не можем. По-другому просто не получается.

Автор: В. Покровский.