Радиогалактики и загадочные квазары

Нормальные спиральные и неправильные галактики испускают радиоизлучение, сравнимое с радиоизлучением нашей Галактики. Это радиоизлучение усиливается при переходе от галактик Sa к галактикам Sc и к неправильным, вместе с увеличением содержания в них горячего водорода. На это тепловое излучение, непрерывное по спектру, накладывается еще излучение нейтрального водорода на длине волны 21 см и непрерывное нетепловое излучение, обусловленное торможением космических лучей в магнитном поле галактики.

Рис. 193. Галактика M 87 со скоплениями.

Были обнаружены, кроме того, радиогалактики, посылающие необыкновенно много нетеплового радиоизлучения. Оно объясняется магнитным торможением чрезвычайно большого числа электронов и протонов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, и называемых релятивистскими.

Между светимостью галактики в оптических лучах и в радиодиапазоне нет пропорциональности. Ближайшими к нам радиогалактиками являются NGC 5128, или Центавр А, и M 87 (NGC 4486), или Дева А. Их видимый блеск и оптическая светимость велики. Расстояние до них равно 30 млн. световых лет.

Между тем самой мощной из известных радиогалактик и даже самым мощным внегалактическим видимым источником является очень далекая галактика Лебедь А. Она имеет звездную величину 16^m, т. е. в полторы тысячи раз слабее предыдущих по видимому блеску и отстоит от нас в 20 раз дальше, чем Центавр А. Поток радиоизлучения от нее на Земле в 10 раз больше, чем от Центавра А, а радиосветимость больше примерно в 4000 раз.

Рис. 194. Фотография центральной части радиогалактики M 87.

Сейчас с каждым годом открывают все новые и новые, все более слабые источники радиоизлучения, которые постепенно отождествляются со все более слабыми, т. е. со все более далекими галактиками. Число известных радиогалактик быстро возрастает.

Вначале предполагали, что колоссальное радиоизлучение возникает, когда сталкиваются газовые массы, которыми начинены две соударяющиеся галактики. Но автор этой книги еще в 1957 г. показал, что этого не может быть по ряду соображений. Постепенно всеми было признано, что мощное радиоизлучение свойственно одиночным галактикам, а не является следствием столкновения двух галактик. Однако, с другой стороны, оказалось, что большинство внегалактических источников являются двойными. Радиоизлучающие компоненты в среднем отстоят друг от друга на 600000 световых лет, а оптически видимая галактика находится между ними и излучает радиоволны более слабо. Вообще, как правило, радиоизлучающая область оказывается гораздо большей, чем оптически видимая галактика. Например, галактика NGC 5128 имеет размер около 90×70 тыс. световых лет, почти круглая, а связанный с нею радиоисточник Центавр А сильно вытянут и длина его свыше полутора миллионов световых лет! В случае Лебедя А две ее части имеют диаметр по 200000 световых лет, а расстояние между их центрами 300000 световых лет. Находящаяся между ними оптически видимая галактика гораздо меньше. В 1966 г. вблизи нее были открыты еще четыре симметрично расположенных, почти точечных радиоисточника, чем ее радиоструктура осложняется еще больше.

У радиогалактик NGC 5128 и M 87 обнаружены в оптических лучах две особенности. Обе они по форме и структуре обычные эллиптические галактики, почти сферические, но первая из них пересечена необычайно мощной и клочковатой темной полосой, а вторая имеет отходящий от ее центра узловатый отросток, считаемый выбросом. Большинство радиогалактик имеет в спектре яркие, иногда очень широкие полосы. Много усилий было затрачено на то, чтобы обнаружить у радиогалактик какие-либо общие особенности в их форме или в виде их спектра. Однако их не нашлось. Мы никогда не знаем, какая из галактик окажется радиогалактикой. Более того, автор этой книги показал, что среди обычных, не радиоизлучающих галактик многие при тщательном излучении обнаруживают такие же особенности, как и радиогалактики. В частности, он указал, что так называемые радиогалактики Сейферта также имеют очень широкие яркие полосы в спектре, говорящие о растекании газов со скоростями почти до 5000 км/с. Позднее оказалось, что одна из таких галактик (NGC 1068), противопоставлявшихся радиогалактикам, является тоже радиогалактикой, что подтвердило внешнюю неразличимость обычных галактик от радиогалактик. Известны также галактики с очень сильными, но узкими линиями излучения в спектре, которые, однако, не являются радиогалактиками. Их открыл мексиканский астроном Аро.

Теперь известно уже много радиоизлучающих галактик Сейферта. Вероятно, радиоизлучение у них возникает по временам, так же как и мощные выбросы и истечение газов из ядра. Они-то и являются причиной появления широких ярких полос в их спектре. Голубоватый цвет этих галактик обусловлен не звездным, а синхротронным свечением их маленьких, но очень ярких ядер. Такой же аномально яркий конец спектра имеют далекие галактики, во множестве обнаруженные Б.Е. Маркаряном. Некоторые из них принадлежат к типу галактик Сейферта.

Самым удивительным открытием последних лет было обнаружение Сандейджем и Шмидтом (США) необычных источников радиоизлучения. После уточнения координат мощных источников радиоизлучения некоторые из них пришлось отождествить с очень слабыми точечными объектами, не отличимыми от звезд даже в самые сильные телескопы. Сомнения в правильности их отождествления отпали, когда удалось получить и расшифровать спектры этих голубоватых «звездочек» — они явно оказались не звездами. Эти объекты назвали квазизвездными («подобными звездам») источниками радиоизлучения или, сокращенно (на английском языке), квазарами. В их спектрах, как правило, видны яркие линии, которые долго не могли отождествить. Не могли их отождествить долго потому, что это были линии, находящиеся нормально в далекой ультрафиолетовой области спектра, которая в спектрах небесных тел недоступна для наблюдений из-за ее поглощения в земной атмосфере. Чудовищное красное смещение в спектре квазаров сместило эти линии в наблюдаемую область спектра. Красное смещение квазаров в большинстве случаев оказалось гораздо больше, чем у самых далеких галактик, у которых его удалось измерить. Например, линия водорода серии Лаймана L_α с длиной волны 1216 Å, которую в спектре Солнца удалось сфотографировать только с высотных ракет, стала линией видимого спектра. Для таких объектов красное смещение выражают величиной Δz=Δλ : λ. Наибольшее измеренное сейчас у квазаров красное смещение превышает Δz=3,5. По закону Хаббла таким смещениям соответствуют расстояния в миллиарды световых лет. Однако точный перевод их в расстояние требует знания модели устройства нашей Вселенной.

Это происходит потому, что в теоретически мыслимых моделях разного типа красное смещение на больших расстояниях может меняться не пропорционально расстоянию, как для меньших расстояний. То же надо сказать и о переводе величины z в скорость по лучу зрения по формуле принципа Доплера.

Большинство квазаров обозначается номерами по третьему Кэмбриджскому каталогу источников радиоизлучения, обозначаемому сокращенно 3C. Ближайший и самый яркий квазар выглядит как звезда около 1^m,7. Его красное смещение 2=0,16 и скорость 48000 км/с. Открытие квазаров происходит с потрясающей быстротой. К 1976 г. стало известно уже более 200 квазаров, самые слабые из которых имеют звездную величину почти 19^m. У одного из самых далеких квазаров, 3C 9 (z=2,012), лучевая скорость порядка 240000 км/с, т. е. очень близка к скорости света. Его расстояние (напоминаем, что это ориентировочно) порядка 9 млрд. световых лет (9 млрд. лет — это вдвое больше, чем возраст Земли). 3C 9 был одним из самых далеких объектов Вселенной. А сколько нового будет выяснено к тому времени, когда эта книга попадет вам в руки!

Если красное смещение в спектрах квазаров той же природы, что у галактик, то, значит, расстояния до них громадны и, оказывается, что их оптическая светимость раз в 100 больше, чем у ярчайших галактик и радиогалактик! А их радиоизлучение почти такое же и не меньше, чем у радиогалактик, 10⁴⁵—10⁴⁶ эрг/с, отчего их и назвали квази- (т. е. «как бы») звездными радиогалактиками или звездными источниками радиоизлучения. Природа их излучения, как и у радиогалактик, должна быть синхротронной, т. е. объясняться магнитно-тормозным излучением релятивистских электронов.

Быстро возросшая точность измерения угловых размеров источников радиоизлучения показала к 1976 г., что многие квазары имеют диаметры радио-излучающей области в доли секунды дуги, часто менее 0″,1. И оптически они не отличимы от звезд. (Оптически диаметры менее 0″,5 невозможно измерить из-за неспокойствия земной атмосферы.) Следовательно, оптические размеры квазаров не превышают нескольких сотен световых лет. Однако, смущая нас, около 3C 273 и 3C 48 имеются крайне слабо светящиеся полоски длиной около 200000 световых лет. Точнее говоря, оптически видимое звездное изображение у 3C 273 окружено в радиолучах слабым ореолом, а на расстоянии 19″,5 от него видна слабая полоска, дающая в девять раз более сильное радиоизлучение. В 3C 48 «звездочка» 16^m окружена пятью туманностями на расстояниях до 12″. Итак, вид квазаров различен, но ни один из них не похож на обычные галактики, а размеры в сравнении с последними крайне малы. Возможно, что в оптическом излучении квазаров преобладает синхротронное излучение.

Новую неожиданность принесло открытие, что и видимый блеск, и радиоизлучение квазаров меняются очень заметно. Оказались меняющимися и профили ярких линий, принадлежащих горячим газам.

В 1965 г. Сандейдж в США сделал еще одно сенсационное открытие. Он обнаружил в направлении на полюс Галактики множество очень слабых голубых звездообразных объектов, по цвету сходных с квазарами. Он получил фотографии спектров шести из них. Один спектр принадлежал обычной, сравнительно близкой звезде, два спектра были без всяких линий, а в трех случаях обнаружились яркие линии с огромными красными смещениями, как у квазаров, хотя радиоизлучение от них пока не обнаружено.

Такие объекты Сандейдж назвал «квазизвездными галактиками» или, сокращенно, квазагами и из измерения числа голубых объектов заключил, что их должно быть в сотни раз больше, чем квазаров. (Этим объектам давали и другие названия, которыми лучше не пользоваться.) Последующие исследования показали, что большинство голубых объектов у полюса Галактики — это голубоватые звезды разных типов, принадлежащие к окраинам нашей Галактики, а квазагов в действительности раз в 10 меньше, но все же много больше в единице объема, чем квазаров. Цвикки считает, что квазаги Сандейджа тождественны тем его крайне компактным галактикам, которые голубоваты и имеют яркие линии в спектре. (Речь идет о тождестве типов, а не индивидуальных объектов.)

Полагают, что, может быть, квазары являются кратковременной фазой бурного развития квазагов, отчего мощное радиоизлучение наблюдается только у немногих из них, когда мы их и регистрируем как квазары. Во всяком случае, открытие квазаров и квазагов явилось самым волнующим открытием в астрономии не только за последнее время. Ведь это какие-то совершенно новые виды небесных светил с загадочными свойствами, быть может, подводящими нас к открытию величайших законов природы.