Книга Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикорпи

Пока в Америке Сэндидж и Мэтьюз размышляли о природе 3С 48, Сирил Хазард из Манчестерской группы разработал метод очень точного определения положения радиоисточников и вместе со своими австралийскими коллегами применил его. Когда Луна проходит перед радиоисточником, его излучение исчезает, как только край Луны закрывает радиолуч. Движение Луны по небу известно очень точно, следовательно, момент исчезновения радиоисточника, как и момент его последующего появления, позволяют точно определить его положение.

Этим способом определили положение радиоисточника 3С 273 и послали данные в Паломарскую обсерваторию. Мэтьюз обнаружил, что этот источник точно совпадает со звездой в созвездии Дева. Голландский астроном Мартен Шмидт, работавший в Паломарской обсерватории, сфотографировал спектр этой звезды и нашел в нем семь линий. Ни он сам и никто другой в обсерватории не могли сказать, какому элементу принадлежат эти линии. Чтобы выяснить это, Шмидт начал измерять точные длины волн спектральных линий, используя ближайшую бальмеровскую линию водорода как стандарт.

Длина волны первой линии оказалась в 1,16 раза больше, чем длина волны ближайшей бальмеровской линии. Длина волны второй линии тоже была в 1,16 раза больше, чем у следующей бальмеровской линии. И у третьей линии выявилась та же закономерность. Шмидт понял: эти неизвестные линии сами являются бальмеровскими линиями, но все они сдвинуты на 16 % по отношению к обычным длинам волн. Иными словами, красное смещение в спектре источника 3С 273 равнялось z = 0,16. Если обычным образом использовать красное смещение как индикатор расстояния, то получается, что 3С 273 удален на 2400 млн световых лет (в тысячу раз дальше галактики Андромеда!).

Теперь стало ясно, почему так трудно было интерпретировать спектры радиозвезд. У звезд нашей Галактики линии не могут быть сдвинуты так сильно! Никто не предполагал, что смещение линий в этих спектрах может быть таким большим, характерным для далеких галактик. Тем же способом разгадали загадку спектра 3С 48. В этом случае красное смещение оказалось равным z = 0,37, а расстояние около 6000 млн световых лет. Несмотря на такие колоссальные расстояния, 3С 273 и 3С 48 хорошо видны в телескоп. Легко посчитать, что каждая из этих «звезд» светит в сотню раз мощнее крупной галактики.

Вскоре обнаружились новые радиозвезды. Их назвали квазарами (quasi-stellar objects), поскольку выглядят они как звезды, но в действительности эквивалентны миллионам звезд. Кроме того, их блеск часто меняется за короткое время, например от одной ночи к другой. А скорость изменения говорит нам о размере источника. За сутки свет проходит расстояние в одни световые сутки, что составляет около 200 астрономических единиц, или чуть больше размера Солнечной системы. Источник, который становится значительно ярче за одни сутки, не может быть больше этого размера. Ведь чтобы он смог изменить свой блеск всего за сутки, он должен за это время перестроить все излучающие поверхности на новый уровень блеска. А такую перестройку невозможно произвести со скоростью выше скорости света. Если же перестройка происходит медленнее, то квазар может быть существенно меньше Солнечной системы. Таким образом, в квазаре размером не больше Солнечной системы выделяется больше энергии, чем во всей галактике диаметром 100 000 световых лет!

Аллан Сэндидж открыл также множество объектов, похожих на квазары, но не испускающих заметного радиоизлучения. Фактически таких «радиотихих» квазаров примерно в десять раз больше, чем «радиогромких». Сегодня в каталогах числятся десятки тысяч квазаров; на небе их значительно больше, чем видимых звезд, но все они слишком тусклые для невооруженного глаза. А полное число квазаров превышает миллионы.

Проблема красного смещения.

В некоторый момент у вас могло зародиться сомнение: а верна ли вся эта цепочка рассуждений? Что, если расстояния до квазаров определены неправильно? Тогда светимость квазаров не будет такой большой. Расстояния до квазаров вычислены на основании красного смещения линий в их спектрах и с использованием закона Хаббла. А не может ли быть другой причины для появления красного смещения в спектре, кроме сдвига, обусловленного расширением Вселенной?

Чем больше длина волны излучения, тем меньше частота колебаний. А что, если по какой-то причине колебания атомов в квазарах замедляются и поэтому спектральные линии сдвигаются в длинноволновую сторону? В принципе, это возможно, если пространство-время в области излучения сильно искривлено, например вблизи черной дыры. С точки зрения внешнего наблюдателя, в такой области течение времени и частота колебаний кажутся замедленными. Специально проведенные исследования на предмет возникновения красного смещения в сильных гравитационных полях показали, что другие особенности спектра, помимо красного смещения, не согласуются с таким предположением. Затем исследователи обратились к так называемым механизмам аномального красного смещения. В лабораторных опытах такого не наблюдается, но есть гипотеза, что это может быть в необычных условиях квазаров. Впрочем, до сих пор свидетельства этого в целом не выглядят настолько убедительными, чтобы заставить изменить фундаментальную физическую теорию.

И радиогалактики, и квазары выделяют огромную энергию. Сходство между этими двумя классами объектов стало еще более очевидным, когда обнаружилось, что радиоизлучение может исходить с обеих сторон от квазара, в дополнение к излучению самого квазара. Если квазары и радиогалактики наблюдать только в радиодиапазоне, то они очень похожи. У радиогалактик центр, или галактическое ядро, соответствует квазару. Это наводит на мысль, что квазары — это ядра галактик. От обычных ядер галактик они отличаются своим колоссальным блеском: квазары такие яркие, что в их сиянии не видны окружающие звезды. Это удалось прямо подтвердить, зарегистрировав свет, излучаемый звездами самой галактики, внутри которой находится квазар. Одной из первых стала галактика, содержащая квазар 3С 273 (рис. 26.6).

Рис. 26.6. Квазар 3С 273 и его узкий джет длиной 150 000 световых лет на снимке, полученном телескопом NOT на острове Ла-Пальма. Материнская галактика видна как удлиненное образование вокруг яркого ядра. Рядом заметны и другие галактики. Яркое пятно вблизи верхнего левого угла — это звезда нашей Галактики. С разрешения Leo Takalo и Kari Nilsson.

Где источник невероятной мощности квазаров?

Мы можем вычислить полное количество энергии, высвобождаемой ядром галактики в течение активного периода. Обычно это соответствует массе в миллион масс Солнца, если использовать соотношение Эйнштейна между массой и энергией. Это огромное количество, если учесть, что в естественных процессах высвобождается лишь малая доля полной энергии массы. Например, Солнце за всю свою жизнь с помощью ядерных реакций превращает в излучение только 0,1 % своей массы. Чтобы произвести энергию, характерную для ядра активной галактики, гипотетическая сверхзвезда при такой же эффективности в 0,1 % должна была бы иметь массу в миллиард масс Солнца. Но расчеты показывают, что такие сверхзвезды не способны жить настолько долго, чтобы обеспечить наблюдаемое количество квазаров.