Чи вибухає «вибухова» галактика?

Вибухові процеси зустрічаються у Всесвіті повсюдно. Вони вражають нашу уяву своєю масштабністю – величезною енергією, що виділяється за досить короткі проміжки часу, і розмірами області, яку вони захоплюють.

Вибухові явища відбуваються практично на всіх небесних тілах. Вибухи на поверхні Сонця -хромосферні спалахи – добре вивчені, а їх вплив ми відчуваємо, коли в земну атмосферу проникає потік сонячних заряджених частинок. Потужні вибухи – такі, як спалахи наднових зірок, в безпосередній близькості до нас не спостерігаються. Але в інших галактиках астрономи часто відкривають наднові зірки. За кілька днів блиск раніше, здавалося б, нічим не примітної зірки може зрівнятися з блиском всієї галактики, в якій спалахнула наднова.

Ще більш потужні нестаціонарні процеси протікають в ядрах галактик, на активність яких вперше звернув увагу академік В.А.Амбарцумян. Вивчення ядер галактик Сейферта і квазарів показало, що і для них характерні вибухові явища. У цих об’єктів велика кількість енергії звільняється у всьому діапазоні електромагнітного спектра. Інтерес астрофізиків до нестаціонарних явищ в світі галактик особливо посилився, коли була відкрита «вибухаюча» галактика М 82.

Портрет галактики

М 82 входить в одну з найближчих до нас груп галактик. Відстань до неї 3,2 Мпс, або 1020 км. М 82 – не наймасивніша в групі, її перевершує за масою гігантська спіральна галактика  М 81. Цю групу можна спостерігати практично цілий рік з північної півкулі Землі, так як вона видна на небі в сузір’ї Великої Ведмедиці.

Галактика М 82, що спостерігається майже з «ребра», схожа на тонкий диск. Його північний край ближчий до нас. Вимірювання фотографічних зображень М 82 дали для великої осі величину близько десяти кутових секунд, що на відстані 3,2 Мпс відповідає 3*10¹⁷ км. Таким чином, М 82 менше нашої Галактики приблизно в 3 рази. Маса М 82 становить 10¹⁰ сонячних, що на порядок менше маси Галактики.

Диск М 82 – тонкий, вона не схожа на еліптичні галактики. Не виявлені у неї і спіральні гілки, тому М 82 відносять до неправильного типу галактик. На фотографіях галактики не вдалося виділити окремі зірки, незважаючи на її близькість до нас. Населення галактики      М 82 в середньому складається з зірок спектрального класу А5 (температура поверхні близько 10 000 К). Ці зірки білого кольору, але внаслідок поглинання світла зірок в пилових хмарах галактика М 82 має жовтий колір.

Ще кілька галактик володіють тими ж ознаками, що і М 82 (неправильна, клочкувата структура, велика кількість пилу, відсутність спіралей). Вони виділені в особливу морфологічну групу під назвою неправильних галактик типу М 82.

Спостерігачі «бачать» вибух

Старі фотографії М 82, зроблені ще в 1910 році на 1,5 – метровому телескопі обсерваторії Маунт Вілсон, демонструють на світлому тлі диска галактики темні пилові хмари у вигляді «каналів» і волокон. Після вступу в дію 5-метрового телескопа на обсерваторії Маунт Пал Омар в 1949 році вдалося чіткіше виділити волокнисту структуру М 82.

У 1962 році серію фотографій М 82 отримав на 5-метровому телескопі А.Сендейдж. Він фотографував галактику через фільтр, що пропускає лінію На (довжина хвилі £563 А), яка випромінюється іонізованим воднем. Одночасно К. Лінде отримав спектри М 82 на 3-метровому телескопі Лікійської обсерваторії, причому щілину спектрографа він орієнтував уздовж малої осі галактики. Лінії випромінювання іонізованих газів в спектрі М 82 показали помітний нахил, тобто регулярну зміну доплерівського зсуву лінії. Це може бути викликано зміною променевої швидкості газів уздовж малої осі галактики.

Лінде і Сендейдж пояснили спостережуваний ефект розширенням волокон газу від центру галактики до її краю. Швидкість розширення газу зростає з відстанню від центру галактики. У ста кутових секундах від центру М 82 швидкість розширення газу досягає 1000 км/с. Спостережувана в М 82 картина рухів газу типова для вибухового процесу.

Вибухоподібні явища в ядрах галактик і у спалахах наднових відбуваються в просторі, багато меншому за розміри галактик. У М 82 астрономи вперше побачили вибух, що охопив галактику цілком. Природно, що робота Ліндса і Сендейджа привернула до галактики М 82 увагу багатьох спостерігачів.

У 1964 році М. та Г. Бербіджі разом з В. Рубін ще раз досліджували швидкість газу в М82, але вже на більш великому матеріалі спостережень. На фотографіях М 82 видно конфігурацію волокон, що розходяться від центру уздовж малої осі під кутом близько 40°.

Бербіджі і Рубін припустили, що газ розширюється в протилежних по відношенню один до одного конусах з повним розгортанням у 40° уздовж малої осі галактики. При досить великій щільності газу спостерігач побачить тільки ближню до нас кромку «газового конуса»  аж до його центру, де щільність максимальна. Внаслідок нахилу галактичного диска до променя зору, в північній області М 82, поблизу центру, будуть спостерігатися негативні променеві швидкості (газ наближається до нас), а на краю – позитивні (газ віддаляється від нас). У південній області М 82 повинні бути тільки негативні променеві швидкості. Спостереження добре узгоджуються з цими припущеннями. За розрахунками, вибух в М 82 стався 2-3 млн. років тому.

Найбільш докладно вивчив розподіл променевих швидкостей газу в М 82 Г.Хекаторн в 1972 році. Йому вдалося, використовуючи вдосконалену техніку спостережень, «прив’язати» щілину спектрографа до розмитих обрисів галактики з точністю до однієї кутової секунди (раніше «прив’язку» робили з точністю лише до чотирьох-шести кутових секунд). Це дозволило Хекаторну провести ретельний аналіз променевих швидкостей газу. Він виявив, що газ не тільки розширюється від центру галактики, але і обертається разом з нею. Виявилося, що максимальна зміна променевих швидкостей з відстанню від центру відбувається на лінії південь – північ або під кутом 45° до малої осі галактики.

Л Лінде і Сендейдж по фотографії М 82 в лінії На оцінили потік енергії для всього обсягу іонізованого водню в галактиці. Потік енергії в лінії На вийшов рівним 2*10⁴⁰ Ерг/с, а маса іонізованого водню – близько 6 *10⁶ сонячних. Емісійний лінійчастий спектр іонізованого газу в М 82 схожий на спектр газових туманностей в нашій Галактиці. Який механізм підтримує протягом мільйонів років іонізацію газу в галактиці ?

М 82 – слабке джерело радіовипромінювання. Її радіоспектр такий же, як у нетеплових радіоджерел. Лінде і Сендейдж екстраполювали спостережуваний радіоспектр в видиму і ультрафіолетову області і припустили, що безперервний спектр галактики утворюється в результаті випромінювання релятивістських електронів в магнітному полі (синхротронний механізм). Ультрафіолетові кванти цього випромінювання з довжиною хвилі коротше 912 А повинні підтримувати постійну іонізацію газу в М 82 протягом усього вибуху, інакше іонізований газ висвітиться і перетвориться в нейтральний вже через 1-10 тис. років. Потік енергії по всьому безперервному спектру, який випромінюється релятивістськими електронами за «час вибуху» близько мільйону років, дорівнює 1055 – 1056 Ерг. Електрони втрачають свою енергію через 10 – 100 тис. років. Для збереження спостережуваного рівня синхротронного випромінювання слід безперервно поповнювати енергію електронів, тобто електрони повинні періодично впорскуватися в систему волокон М 82 шляхом послідовних вибухів – близько сотні вибухів за мільйон років.

В. Міллер і А.Сендейдж виявили сильну поляризацію випромінювання в зовнішніх частинах волокнистої структури галактики. Цей факт вони розглядали як додатковий аргумент на користь синхротронної природи випромінювання в М 82.

Пилові хмари в галактиці

У 1963-1966 роках в Лоуеллській обсерваторії А.Ельвіус виконала спостереження колірних показників і поляризації випромінювання М 82 на 1,7 – метровому телескопі з фотоелектричним поляриметром. Вона виявила, що поляризація світла у волокнах галактики досягає 25-30%. Поляризація, на її думку, відбувається при розсіюванні світла, що випускається центральними, досить гарячими джерелами (можливо, зірками ранніх спектральних класів), на пилових хмарах. Ельвіус висловила припущення, що між М 82 і її найближчою сусідкою – гігантською галактикою М 81 знаходяться пилові хмари. Вони рухаються до М 82. Освітлення пилових хмар центральним джерелом створює видиму складну картину розподілу променевих швидкостей в М 82.

По-іншому пояснив поляризацію випромінювання М 82 А. Солінжер. Він припустив, що в центрі галактики має бути ядро, схоже на ядра галактик Сейферта. Ядро М 82 висвітлює околиці галактики, в яких є багато вільних електронів, що утворилися після вибуху. Світло, розсіяне на електронах, повинне бути поляризованим. У видимому діапазоні спектра ядро   М 82 не спостерігається: воно закрите пиловими хмарами, оскільки галактичний диск орієнтований до спостерігача ребром. Дійсно, в ближніх інфрачервоних променях (близько 1 мкм), де поглинання пилом мало, знайшли яскраву пляму в центрі М 82.

У 1971 році Р.Сандерс і Д. Беламор критично розглянули гіпотезу А. Солінжера. Виявилося, що ядро М 82 не підходить під визначення сейфертоподібного, так як ширина лінії На в центрі М 82 і її волокнах не перевищує 10 А, в галактиках Сейферта вона досягає 100 А. Нові спостереження волокон в лінії на виявили поляризацію близько 25%. Згідно Солінжеру, випромінювання в лінії На, що виникає у водні волокнистої області М 82, буде неполяризованим. Воно може стати поляризованим, якщо в галактиці багато вільних електронів. Скільки потрібно електронів, щоб побачити на них розсіяне поляризоване світло?

Нехай світність ядра М 82 така ж, як у ядер сейфертовських галактик. Тоді щільність електронів в галактиці – близько 2*10³см³, а електронна температура — близько 10⁸ К. При такій високій температурі утворюються «гарячі» електрони з великими швидкостями. Ширина поляризованої лінії На, що з’являється, якщо випромінювання центральної області М 82 розсіюється на вільних електронах у волокнах, повинна бути близько 500 А! Але спектральні спостереження галактики не дають такої великої величини. Для «порятунку»  гіпотези Солінжера необхідно збільшити світність ядра М 82 в 1000 разів, щоб знизити електронну щільність в волокнах до 10 см³. Спостережувана світність центру М 82, якщо врахувати поглинання світла пилом, менше на два-три порядки.

Сандерс і Беламор розглянули можливість поляризації лінії На у волокнах при розсіянні випромінювання на пилових частинках. Пізніше І. Метью так вдало підібрав параметри пилинок, що складаються з графіту і кремнію, що зумів пояснити спостережувану дуже слабку залежність величини поляризації від довжини хвилі в волокнах М 82.

Як же будуть рухатися газ і пил в галактиці, якщо лінія На виникає в центрі М 82, а на краю спостерігається розсіяне в пилових хмарах випромінювання цієї лінії? Уявімо, що порошинки рухаються у волокнах від центру галактики зі швидкістю 1000 км/с. Згідно ефекту Доплера, розсіяне ними випромінювання центру галактики буде зміщуватися в червону область спектру, тобто променева швидкість у волокнах повинна бути також 1000 км/с. Однак спостереження волокон М 82 показують величину променевої швидкості близько 100-200 км/с. Значить, швидкість порошинок (при русі від центру) близька до параболічної. Сандерс і Беламор для пояснення спостережуваних променевих швидкостей у волокнах М 82 (на південній стороні галактики – до нас, на північній – від нас) припустили, що пилові частинки викинуті з центру під кутом близько 45° до площини галактики зі швидкістю менше 300 км/с.

У гіпотезі Сандерса і Беламора на порядок зменшена швидкість викиду частинок, в порівнянні з гіпотезою «вибуху» Ліндса і Сендейджа і збільшена тривалість викиду до 10 млн. років. Кінетична енергія газу (газ і пил рухаються разом) дорівнює 4*10⁵³ ерг. Потік енергії випромінювання у видимому діапазоні спектра від центральної області галактики складе через 10 млн. років. Таким чином, гіпотеза Сандерса і Беламора дуже приваблива, оскільки пояснює явища в М 82, не залучаючи екзотичні механізми звільнення енергії в ядрі галактик.

«Надскупчення» гарячих зірок

Спостереження спектрів М 82 з телевізійною апаратурою, встановленою на 5-метровому телескопі, дозволили деталізувати зоряне населення диска галактики. В її центрі знаходяться гарячі В-зірки, а ближче до краю диску – більш холодні зірки спектральних класів А-Р.

С. ван ден Берг отримав цікаві дані, фотографуючи М 82 в інфрачервоному діапазоні. Він виявив 12 плям неправильної структури в центральній частині галактики. Контраст плям збільшується з довжиною хвилі. Отже, плями – це інфрачервоні об’єкти, а не просвіти між поглинаючими хмарами. За спектром центральної плями, розмір якої встановили, що вона складається з В-зірок. Середня світність плями близько 2 * 10⁸ сонячних, тобто кожна пляма – скупчення зірок. Ван ден Берг назвав весь комплекс скупчень В-зірок в центрі  М 82 «надскупченням».

Існування гарячих зірок у М 82 легко пояснює іонізацію газу в центральній області галактики.

За інтенсивностями емісійних ліній визначили, що газ іонізований ультрафіолетовими квантами. В принципі можливі й інші причини іонізації газу, але в М 82 працює саме механізм фотоіонізації. Постачають ці кванти гарячі зірки «надскупчення». Їх випромінювання, окрім того, робить сильний світловий тиск на порошинки і «викидає» їх з центральної області галактики.

У далекому інфрачервоному діапазоні (5-545 мкм) потік енергії від М 82 різний приблизно 2-10й ерг/с. Поки важко пояснити велику величину потоку тепловим випромінюванням пилу, нагрітого гарячими зірками М 82, так як світність «надскупчення» у видимому діапазоні на порядок менша за інфрачервону світність галактики. Можливо, що «надскупчення» оточене потужними пиловими хмарами, які зменшують його світність на один-два порядки.

Картина комплексного дослідження галактики М 82 буде неповною, якщо ми не згадаємо про радіоастрономічні спостереження. Все радіовипромінювання М 82 зосереджено в протяжній області розміром 50×15, витягнутої уздовж великої осі галактики. Назвемо цю область радіодиском М 82, в його межах знаходиться компактне радіоджерело розміром не більше 0,6. З джерела викидаються дуже швидкі (релятивістські) електрони, які проникають в радіодиск. П. Харгрейв припустив, що радіо диск – це центр підвищеної активності наднових зірок. Однак, щоб забезпечити спостережуваний рівень радіовипромінювання, необхідний досить швидкий темп спалахів наднових – один в 30 років.

Можна оцінити і величину рентгенівського випромінювання М 82, знаючи кількість релятивістських електронів і інфрачервоних квантів в радіодиску. Рентгенівське випромінювання виникає при зіткненні електронів з інфрачервоними квантами (зворотний Комптон-ефект). Супутник “Ухуру” зареєстрував потік рентгенівського випромінювання від М 82, рівний 9*10⁴⁰ ерг/с, – величина, добре узгоджується з розрахунковою оцінкою.

Старі і нові питання

Ми познайомилися з результатами спостережень М 82 (і їх інтерпретацією). Але найцікавіше питання, чи вибухає галактика М 82, поки залишилося без відповіді. У галактиці дійсно спостерігається розширення газу і пилу, але відбувається воно з меншими швидкостями, ніж припускає «гіпотеза вибуху».

Вивчення М 82 породило нові питання: чи є в просторі між М 82 і її сусідкою М 81 міжгалактичні хмари пилу і газу, чи можливий рух цих хмар між галактиками ? Радіоастрономічні спостереження М 82 і М 81 в лінії 21 см (її випромінює нейтральний водень) показали, що галактики занурені в загальний комплекс хмар нейтрального водню. Таким чином, є необхідні умови для взаємодії М 82 з міжгалактичними газом і пилом.

Виникають й інші проблеми: чи не спостерігаємо ми в «надскупченні» М 82 процеси утворення зірок з газово-пилового середовища і чи не є викид газово-пилових хмар з центру М 82 наслідком народження гарячих зірок? Не виключена можливість, що «надскупчення» М 82 сформувалося з газово-пилових хмар, які досягли центру М 82, рухаючись з околиць   М 81.

Отже, перед спостерігачами М 82 стоять нові питання, відповіді на які дадуть подальші дослідження галактики.

Автор: Б. П. Артамонов.