Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Уоллер Уильям

Стоит посмотреть на них чуть ближе, и мы получим еще одну подсказку к разгадке их странности. На снимках, сделанных космическим телескопом «Хаббл» и другими телескопами мирового класса, видны мощные струи газа, вырывающиеся из центров некоторых гигантских эллиптических галактик. Хороший пример — галактика-сверхгигант М87 в созвездии Девы. В оптическом диапазоне за ее потоком можно следить на расстоянии 1500 световых лет, а в радиоволновом — на невероятном протяжении, составляющем 250 000 световых лет. Разрывы в потоке указывают на вспышки активности, за которыми следуют относительно спокойные периоды. Всю эту эруптивную активность можно проследить до галактического ядра, где, как полагают, находится черная дыра, масса которой составляет 5 млрд масс Солнца.

Последний важный ключ к пониманию природы гигантских эллиптических галактик мы получили благодаря снимкам с очень длинной выдержкой, на которых можно различить едва

заметные окраины этих галактик. С 1980-х годов, сначала на фотографиях с эффектом глубины, а затем — на цифровых изображениях, где этот эффект проявился еще ярче, астрономы обнаружили концентрические оболочки рассеянного звездного света. Более того, можно было увидеть, что узор оболочки на одной стороне галактики перемежался с узором оболочки на противоположной стороне. Астрофизики успешно смоделировали эти едва заметные узоры как следы траекторий галактик, захваченных и поглощенных гигантской эллиптической галактикой. Когда галактики- жертвы по спирали шли навстречу исполинскому «хищнику», они оставляли за собой остатки, похожие на оболочки, — везде, где достигали окраины своих эксцентрических эллиптических орбит. Чередование звездных оболочек согласуется с закручиванием этих несчастных галактик по спирали внутрь.

Галактики со вспышкой звездообразования

В то время как гигантские эллиптические галактики, как полагают, стали такими огромными, поглощая своих меньших «сестер», галактики со вспышкой звездообразования, по всей видимости, чаще всего возникают при взаимодействии двух галактик сходного размера. Другое важное отличие заключается в том, что по крайней мере в одной из таких галактик, вступающих во взаимодействие, должны иметься обильные запасы газа. Именно газ, некогда загнанный в плотные облака, вызывает и «вспышки ярости» у новорожденных звезд, и энергетические последствия этих вспышек, столь характерные для звездообразования. Рассмотрим галактику Сигара (М82), ближайшую к нам из тех, в чьих плотных центрах сейчас активно рождаются новые звезды. Под провоцирующим воздействием гравитации со стороны ее гораздо более крупной соседки — галактики Боде (М81) — М82 полыхает массивными скоплениями горячих голубых звезд, бесчисленными остатками сверхновых, видимых в радиодиапазоне, и огромным биполярным истечением ионизированного газа. Сейчас она формирует новые звезды в таком темпе, что поддерживать его на протяжении долгого времени она просто не сможет, и либо очень скоро она успокоится, либо у нее менее чем за несколько сотен миллионов лет закончится звездообразующий газ.

Другие галактики со вспышкой звездообразования связаны в пары теснее и находятся в процессе слияния (рис. 8.4). Астрономы полагают, что они представляют собой ценные прототипы галактик, возможно, характерные для более густонаселенной ранней Вселенной, в которой только начинали формироваться гигантские эллиптические галактики и балджи будущих гигантских спиральных галактик.

Рис. 8.4. Схема двух галактик в процессе слияния. Многие галактики со вспышкой звездообразования находятся в таких тесно взаимодействующих системах. (Материалы любезно предоставлены F. Zwicky, Physics Today, vol. 6 [1953], p. 7.)

Галактики с активными ядрами

Мы закончим эту главу описанием самых странных объектов в видимой Вселенной — галактик с активными ядрами, которые в текущую эпоху составляют примерно 1 % от всех гигантских галактик. Начиная с 1950-х годов, когда были открыты странно светящиеся источники космического радиоизлучения, астрономы начали сопоставлять их с видимыми галактиками и выявили целый «бродячий цирк» галактик с аномальной активностью. По мере того как угловое разрешение и чувствительность радиотелескопов становились все лучше, на полученных картах обнаружились огромные области биполярного истечения газа, охватившие область протяженностью в несколько сотен тысяч световых лет. Часто видимая галактика, расположенная в центре, кажется в несколько десятков раз меньше, чем эти удивительные потоки. Многие из таких галактик оказались гигантскими эллиптическими галактиками или странно искаженными слияниями ранее неповрежденных галактик.

Тем временем астрономы выяснили, что некоторые спиральные галактики, которые на первый взгляд казались совершенно обычными, содержали яркие ядра, излучавшие в основном в оптическом и инфракрасном диапазонах. Такие галактики были названы сейфертовскими — в честь Карла Сейферта, впервые описавшего их в 1943 году. В спектрах этих источников присутствовали широкие эмиссионные линии высокоионизированных атомов. Состояние высокой ионизации

указывало на газовые облака, рядом с которыми находился некий невероятно горячий источник энергии. Кроме того, широкие профили спектральных эмиссионных линий указывали на экстремальное доплеровское смещение, заметное в длине волны излучения, исходящего от газовых облаков; причиной тому были их высокие скорости. Наконец, было замечено, что светимость источника излучения колеблется во временных масштабах от нескольких часов до нескольких дней.

Собрав все это воедино, астрономы со временем пришли к выводу, что эти наблюдения в совокупности согласуются с сейфертовскими галактиками, в которых присутствуют сверхмассивные черные дыры, окруженные дисками прирастающего горячего вещества. Каждый аккреционный диск подобен «эпицентру взрыва», в котором газовые облака, идущие под влиянием притяжения к массивному астрономическому телу, сталкиваются с другим веществом, присутствующим в диске. Вихрь, возникающий в результате ударного нагрева, ярко светится на всех длинах волн, ионизируя и подпитывая энергией любые газовые облака, окружающие диск. Изменения в скорости аккреции объясняют наблюдаемые колебания в светимости как аккреционного диска, так и реагирующих газовых облаков.

Иногда свет от блестящего аккреционного диска не виден, а вместо него наблюдается сильное инфракрасное излучение. Астрономы называют такие системы сейфертовскими галактиками 2-го типа и строят модели, в которых ядра этих галактик окружены толстыми кольцами темной пыли. Пыль поглощает свет, исходящий от аккреционного диска, тем самым скрывая его от нашего взгляда, и повторно излучает этот свет на длинах волн среднего инфракрасного диапазона. Лучшим примером станет ближайшая к нам спиральная галактика с баром М77 (NGC 1068) в созвездии Кита, центральная область которой обильно излучает в инфракрасном диапазоне. Считается, что эмиссионные линии ее спектра исходят из облаков высокоионизированного газа, находящихся не более чем в световом году от черной дыры, расположенной в ядре, а также от аккреционного диска.

Если посмотреть на область ядра плашмя, а не с ребра, мы сможем увидеть прямое излучение аккреционного диска — и станем свидетелями самого высокоэнергетического излучения и самых широких эмиссионных спектральных линий. Такие системы называются сейфертовскими галактиками 1-го типа и служат относительно близкими аналогами квазаров, светящихся еще сильнее и заметных на гораздо больших расстояниях.

Нам нужно зайти довольно далеко, чтобы найти настоящий квазар — активную галактику, излучение ядра которой превосходит все остальные. Один из ближайших примеров — и первый объект, опознанный как квазар, — это 3С 273 в созвездии Девы. Значительное красное смещение эмиссионных линий его спектра указывает на то, что с тех пор, как свет этого квазара был впервые испущен, космос расширился в 1,16 раза. Это означает, что мы видим его таким, каким он испускал свое излучение примерно 2,4 млрд лет назад, когда находился примерно в 5 млрд световых лет от нас. Несмотря на невероятную удаленность квазара 3С 273, астрономы-любители могут наблюдать его в телескопы с апертурой 350 мм и более. Видимая звездная величина квазара, равная 12,9, в сочетании с огромным расстоянием до него дает просто невероятную абсолютную светимость — около 4 трлн солнц, или в 100 с лишним раз больше, чем у обычной галактики, и все это из области размером не больше нашей Солнечной системы. Недавние снимки, сделанные космическим телескопом «Хаббл» и космической рентгеновской обсерваторией «Чандра», позволили получить намеки на строение 3С 273, в том числе увидеть мощную струю и рассеянный звездный свет. Изображения других квазаров показывают большое разнообразие форм — от спиральных галактик, на первый взгляд совершенно обычных, до множества сливающихся галактик. Мы вернемся к квазарам в девятой главе, поскольку в расширяющейся Вселенной они, как кажется, занимают особый временной период.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Красное смещение спектральной эмиссионной линии, исходящей от галактики, определяется как (z = ?? / ? _o ), где ?? — наблюдаемое увеличение длины волны эмиссионной линии, а ? _o — длина волны, измеренная в лаборатории. Эта величина отражает степень расширения Вселенной с тех пор, как свет был впервые испущен. У квазара 3С 273 наблюдаемое красное смещение составляет z = 0,158. Это означает, что с тех пор, как он впервые излучил наблюдаемый нами свет, Вселенная расширилась на 16 %, или в 1,16 раза. Принимая как данность то, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд лет (и, по существу, она свободно расширяется), мы видим свет таким, каким он был испущен около 2,4 млрд лет назад.