Космічні квазари: біля кордонів Всесвіту

Саме, може бути, чудове досягнення сучасної астрономії – відкриття квазарів, або, як їх ще називають, квазарових об’єктів. Їх будова, походження, їх унікальні властивості, їх роль в еволюції Всесвіту — все це питання, над якими ще не одному поколінню астрономів і астрофізиків доведеться поламати голову.

Квазари були виявлені незабаром після закінчення Другої світової війни, коли почала розвиватися радіоастрономія. Радіотелескопи володіли тоді малою чутливістю, їх роздільна здатність теж залишала бажати кращого, однак і з їх допомогою вдалося визначити кілька сотень областей небесної сфери з підвищеною інтенсивністю радіовипромінювання. Всі зусилля вчених були спрямовані тоді на ототожнення цих областей з оптичними об’єктами.

У 1962 році завдання було нарешті вирішене. Одне з радіоджерел було перекрите Місяцем, і по моменту припинення сигналу вдалося з хорошою точністю визначити його місце розташування. Це було джерело ЗС27Е. Йому відповідала парна зірка.

Після цього квазари стали відкривати один за іншим. До 1968 року їх було відомо вже близько двохсот, а зараз їх не так-то легко підрахувати, введено навіть поняття щільності квазарів на квадратний градус небесної поверхні.

В оптичній астрономії фотографування об’єкта лише передує його вивченню. Основну інформацію – про температуру, будову, віддаленість від нас — шукають в його спектрі. І ось спектри квазарів викликали спочатку загальний подив – вони не піддавалися розшифровці. Жодна з спектральних ліній не відповідала раніше відомим.

Загадка залишалася невирішеною до 1963 року, коли Мартін Шмідт припустив, що спектри квазарів зміщені в бік довгих хвиль, тобто перед нами — знамените червоне зміщення. Таке зміщення пояснюють ефектом Доплера: воно з’являється, якщо джерело випромінювання віддаляється від нас. Як відомо, метагалактика розширюється, тобто космічні тіла віддаляються один від одного.

Здогад Шмідта підтвердився – спектри квазарів дійсно були зрушені в червону сторону. Але надзвичайно сильно, набагато сильніше, ніж спектри галактик.

Дві гіпотези

Для пояснення аномально великого зміщення квазарів були запропоновані дві гіпотези. Перша, так звана «космологічна», гіпотеза пояснює зміщення квазарів так само, як і у випадку галактик,— ефектом Доплера. Але так як зміщення великі, то і швидкості квазарів повинні бути великими. Наприклад, квазар ЗС9 віддаляється від нас зі швидкістю 0,8 С, де С – швидкість світла. Використовуючи закон Хаббла, який пов’язує швидкість віддалення космічного тіла і відстань до нього, можна обчислити відстань до цього квазара. Вона дорівнює 2400 мегапарсекам – 7 мільярдам світлових років! А найвіддаленіша галактика знаходиться від нас на відстані «всього» в 400 мегапарсеків.

Далі. Розрахунки показують, що квазари, якщо вони дійсно такі далекі від нас, повинні бути в сотні мільярдів разів яскравіше Сонця, інакше ми б їх не побачили. Середня галактика виділяє приблизно в сто разів менше енергії. Судячи з спектрів, можна вважати, що складаються квазари з сильно розріджених газів.

Маси їх, на жаль, невідомі. Найбільш грубі оцінки дають нам не більше 100 мільйонів сонячних мас. Звідси виходить, що темп виділення енергії у квазарів, тобто кількість енергії, що виділяється в одиницю часу на одиницю маси, також дуже велика — в мільйони разів більше, ніж у Сонця, і в тисячі разів більше, ніж у найгарячішої зірки. Очевидно, що об’єкт, так бурхливо витрачає себе на випромінювання, проживе недовго. Квазар повинен повністю перетворитися на випромінювання протягом сотні тисяч років, а то й менше. Але, з іншого боку, згідно з космологічною гіпотезою, квазари старі, як Метагалактика. Тоді їм 20 мільярдів років…

Ще важче пояснити зміну яскравості квазарів. Астрономи нерідко спостерігали, як за кілька днів, а іноді і годин, їх яскравість змінювалася в кілька разів. Така поведінка погано узгоджується з уявленням про квазари як про космічні об’єкти величезних розмірів, що набагато перевищують розміри зірок.

Випромінювання квазарів змінюється хаотично. З усіх небесних тіл так поводяться тільки наднові зірки. Тому найбільшого поширення набула гіпотеза, запропонована І. С. Шкловським. Він припустив, що змінна яскравість квазарів обумовлена частими спалахами наднових зірок, що знаходяться всередині них. Зовні це проявляється в хаотичних змінах яскравості квазара. Гіпотеза наднових дає досить переконливе пояснення змінності квазарів, проте вона досі не отримала достатніх підтверджень.

Отже, спроби пояснити червоне зміщення квазарів космологічними причинами призводять до серйозних ускладнень. Це спонукало деяких астрономів шукати інші гіпотези. На їхню думку, квазари знаходяться порівняно недалеко від нашої Галактики. Усередині Галактики квазари перебувати не можуть – про це говорить хоча б розташування квазарів на небі. Подібно до всіх позагалактичних об’єктів, вони старанно «уникають» смуги Чумацького Шляху на нашому небі, де розташована більшість космічних тіл, що належать до нашої Галактики. Адже тут сконцентровані і хмари газу і міжзоряного пилу, які не пропускають світло далеких об’єктів.

Гіпотеза, згідно з якою квазари знаходяться недалеко від нашої Галактики, отримала назву локальної. Вона пояснює червоне зміщення квазарів тим, що у них дуже сильне гравітаційне поле. Щоб покинути область такого поля, кожен квант повинен зробити певну роботу і, отже, втратити при цьому частину своєї енергії. Відповідно зменшиться його частота, а значить, весь спектр буде зміщений. Але гравітаційне зміщення може стати помітним тільки в дуже сильних гравітаційних полях. Навіть у білих карликів, де величина зміщення найбільша, воно не перевищує одного відсотка, тобто можна порівняти з червоними зсувами галактик. У квазарів, як вже говорилося, ця величина значно більше. Відповідно і щільність квазарів повинна бути більше. Наприклад, квазар ЗС9 в рамках локальної гіпотези повинен мати щільність близько 1018 кг/см3. Це за сучасними уявленнями неправдоподібно, особливо якщо згадати, що спектр квазара вказує на наявність розріджених газів.

Для того щоб обійти це протиріччя, деякі прихильники локальної гіпотези стверджують, що квазари виникають внаслідок стрімкого стиснення (колапсу) величезних хмар газу. У стискаючій газовій хмарі можуть утворюватися згустки газу, настільки сконденсовані, що їх гравітаційні поля викличуть дуже великі зміщення в спектрах.

Існує ще одна обставина, яка ставить під сумнів гравітаційну природу червоного зміщення. Оскільки поле тяжіння всередині кожного космічного тіла змінюється з глибиною, кванти випромінювання, що вилітають з різної глибини, повинні зробити різні кількості роботи для виходу з квазара. Це повинно привести до того, що кожна лінія спектра буде зміщуватися по-своєму, а самі лінії стануть дуже широкими. Але ж цього немає.

«Надсвітове» розширення квазарів

А на початку сімдесятих років до списку питань, пов’язаних з квазарами, додалася і проблема, їх «надсвітлового» розширення. Цей надзвичайно вражаючий ефект помічений у квазарів ЗС27Е, ЗС279 і ЗС345 (а також у так званої сейфертовської галактики ЗС120). Кожен з цих квазарів — подвійний, складається з двох частин, що віддаляються один від одного. Тривалі спостереження дозволили встановити, що спостережувана швидкість такого видалення в кілька разів більше швидкості світла. Але як же так?

Адже відомо, що сама швидкість світла є межа, якої не може досягти жодне тіло з масою спокою, що не дорівнює нулю. Коли дослідник стикається з чимось, чого, на його думку, бути не може, насамперед він грішить на прилади. Однак на цей раз прилади витримали найсерйозніші і самі прискіпливі випробування. Коли апаратура опинилася поза підозрами, астрономи стали говорити: «це нам так здається». «Нам так тільки здається» – тому що швидкість світла дійсно межа, це добре перевірено. Стали з’являтися найрізноманітніші гіпотези, засновані на думці «це нам здається».

Існує, наприклад, модель «різдвяної ялинки». Тут, як і в гіпотезі І. С. Шкловського, квазари розглядаються як скупчення наднових зірок. Наднові абсолютно випадково спалахують подібно лампочкам на святковій ялинці (або на рекламній вітрині), одна за одною, створюючи ілюзію рухомих тіл. Це найпростіше припущення. Серед безлічі інших гіпотез можна знайти більш витончені і менш химерні моделі.

Наприклад, якщо у квазара є магнітне поле, то при деяких конфігураціях його силових ліній можливі явища, при яких земний спостерігач побачить дві світлових плями, що віддаляються одна від одної з надсвітловою швидкістю. Для цього достатньо, щоб з центру квазара стався потужний викид електронів, що рухаються з навколосвітньою швидкістю і тому випромінюють світло. Таке випромінювання вузьконаправлено, і тому згустки електронів, що рухаються уздовж магнітних силових ліній квазара, будуть для нас невидимі аж до того моменту, коли їх промені «наткнуться» на Землю.

Крім гіпотез типу «це нам здається», є ще дві, які говорять: «це так і є». За однією з них – об’єкти, що розбігаються складаються з тахіонів, гіпотетичних частинок, які можуть рухатися тільки зі швидкостями, більшими за світлову. Адже теорія відносності не стверджує, що не може бути надсвітлових швидкостей, вона говорить тільки, що швидкості світла не можна досягти. Тахіони, теж не можуть її досягти – їх швидкість завжди вище.

Друга гіпотеза дещо цікавіша і, мабуть, правдоподібніша за першу. Вона теж каже, що швидкість світла – межа швидкостей, але сама ця межа може змінюватися. Ідея про мінливість фундаментальних світових констант була вперше висловлена Діраком. Тут ця ідея виглядає так.

За сучасними поглядами Метагалактика виникла в результаті вибуху з якогось першояйця нескінченної маси, що вміщалася в точковому обсязі. До вибуху, за цією гіпотезою, швидкість світла в речовині дорівнювала нулю. Як тільки почався розліт речовини, швидкість світла стала рости, але для різних космічних тіл — по-різному, від чого залежала і швидкість їх віддалення. У нашому районі Метагалактики швидкість світла одна, а у квазарів, так би мовити «на іншому кінці світу», вона може бути й іншою. Швидкість світла для квазара ЗС27Е, розрахована за цією гіпотезою, дорівнює вже не 300 000, а 1200 000 кілометрів в секунду.

Як не фантастично таке припущення, в ньому немає нічого, що суперечить відомим сьогодні фактам. Його можна перевірити, якщо винести прилади за межі земної атмосфери і провести спостереження, пов’язані зі швидкістю фотонів, що приходять від квазарів.

Що таке квазар

Один англійський журналіст дотепно зауважив, що астрономи, говорячи про квазари, не знають ні що таке квазари, ні де знаходяться, ні яким чином випромінюють. Чим більше даних про квазари ми отримуємо, тим більше у нас приводів для здивування. Ми не можемо сказати поки нічого певного ні про будову квазарів, ні про їх виникнення, ні про їх роль в еволюції Всесвіту.

Що таке квазари? Свого часу Шмідт описав сукупність ознак, характерних для квазара. Квазар це:

• зіркоподібний об’єкт, ототожнений з радіоджерелом;
• зі змінним блиском, що дає потужний потік ультрафіолетового випромінювання « ультрафіолетовий надлишок»,
• з широкими емісійними лініями в спектрі,
• з великим червоним зміщенням спектральних ліній.

На конференції Тихоокеанського астрономічного товариства обговорювалися питання, пов’язані з квазарами. Виступаючи на конференції, американський вчений П. Осмер перерахував вищенаведені властивості квазарів і сказав, що не кожен квазар володіє повним їх набором. Більшість має одну, може бути, дві ознаки. Довгий час вважалося, що квазари — потужні радіоджерела. У нинішньому списку дев’яносто п’ять відсотків квазарів «радіо спокійні» (оптичні квазари). Навіть широкі емісійні лінії в спектрі більше не є вирішальними – є квазари, що «обходяться без них».

Існує дуже багато думок про те, що являють собою квазари. Про деякі гіпотези вже говорилося. Окремі вчені знаходять зв’язок між квазарами і «чорними дірами». Одна з гіпотез трактує квазар як масові зіткнення зірок в ядрі галактики. Адже якщо ядро галактики складається з безлічі зірок, що рухаються з різко різними швидкостями (але це саме по собі — гіпотеза), то з великою ймовірністю знайдуться зірки настільки швидкі, що вони будуть вилітати з ядра. Загальна кінетична енергія ядра повинна при цьому зменшуватися, і ядро почне стискатися, як повітряна куля при різкому зниженні температури. Коли ядро галактики стиснеться, зірки в ньому стануть часто стикатися між собою. Результат – яскраві спалахи.

За іншою моделлю квазари – результат анігіляції при зіткненні великих мас речовини і антиречовини.

Ось ще одна гіпотеза, досить штучна, але дотепна. За цією гіпотезою квазари являють собою звичайні галактики, тільки між Землею і такою галактикою знаходиться масивне тіло великої щільності. Гравітаційне поле цього тіла, діючи як збірна лінза, викривляє промені, що йдуть від галактики. Удавана яскравість в результаті в кілька разів перевищує реальну. А саме зображення сильно спотворюється, саме з цієї причини квазари так не схожі на галактики.

Гіпотеза гравітаційної лінзи зустрічає багато заперечень. Вона не пояснює червоного зміщення і деяких інших особливостей спектра квазарів. Головне ж, що згідно з гіпотезою гравітаційних лінз наша галактика повинна бути оточена безліччю надмасивних невидимих тіл, а це не надто узгоджується з сучасними космологічними теоріями. Гіпотеза викликала до себе так мало довіри, що ніхто, в тому числі і її автор – Дж. П. Барнотті, італійський астрофізик, не взяв на себе працю детально її розробити.

Але ось зовсім недавно ця гіпотеза отримала несподіване підтвердження. Про існування гравітаційних лінз знову заговорили після того, як були виявлені квазари-двійники 0957 + 561 а, в. Ці два квазари, по-перше, розташовуються дуже близько один від одного і, по-друге, здаються точними копіями один одного. Шанси на те, що два абсолютно подібних квазара можуть перебувати поруч, дуже малі, тому відразу виникла підозра, що ми маємо справу просто з двома зображеннями одного і того ж об’єкта.

В даний час більшість астрономів схиляються до думки, що квазари якимось чином пов’язані з галактиками. Чи то це викиди з галактик (часто ще не відкритих), чи то ядра, які з якоїсь причини галактиками не стали (або ще не стали), чи то вони вже були галактиками…

Закінчу питанням, яке поставив вже згадуваний в статті П. Осмер. Квазари сьогодні – найдальші об’єкти Всесвіту. Але ж і самий далекий від нас квазар знаходиться (в рамках «космологічної гіпотези») на відстані в 20 мільярдів світлових років. А що далі? Де астрономічні об’єкти (ті ж квазари ?), які лежать на ще більшій відстані від нас? Або… далі нічого немає?

Отже, ми майже нічого про квазари не знаємо. Ми можемо будувати припущення, можемо ці припущення перевіряти і повільно, ангстрем за ангстремом, підбиратися до істини, яка може приголомшити нас, але може виявитися і тривіальною. І не потрібно питати: «А навіщо все це дізнаватися?» Так ми влаштовані і по-іншому не можемо. По-іншому просто не виходить.

Автор: В. Покровський.