активность квазаров связана с чем

Активность квазаров связана с чем

Галактики отличаются большим разнообразием. Среди них выделяются галактики с активными ядрами, в которых происходит огромное энерговыделение. К классу активных ядер галактик относятся квазары, сейфертовские галактики, радиогалактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды).

9.2.1 Основные наблюдаемые свойства

Основные феноменологические свойства квазаров следующие.

Схожие свойства (несколько в меньшем масштабе) наблюдается от активных ядер галактик (радиогалактики, Сейфертовские галактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды)). Высокая светимость и компактность излучающей области определяют физическое состояние вещества вблизи центра квазара.

Пример: оценим плотность излучения на характерном расстоянии cм от центра квазара со светимостью эрг/с: эрг/см — на много порядков больше плотности энергии реликтового излучения ( эрг/см) или уф-излучения звезд в Галактике ( эрг/см).

Активные галактики и квазары составляют относительно немногочисленный подкласс объектов (иными словами стадия активности квазара или ядра галактики много меньше хаббловского времени лет). Их пространственная плотность:

По современным представлениям, феномен активности галактического ядра связан с определенной фазой эволюции галактик, у которых в центре образовались сверхмассивные черные дыры. Максимальный темп формирования таких галактик приходился на эпоху, характеризуемую красным смещением .

9.2.2 Механизмы активности галактических ядер

Исторически было предложено три основных механизма генерации энергии в компактной области в центре галактик:

Аккреция (падение, от лат. «accretio», натягиваю) вещества на сверхмассивную черную дыру

Последняя модель наиболее разработана, в ее рамках получено объяснение многим наблюдательным свойствам (высокая светимость, компактность, спектр). Рассмотрим ее более подробно, так как на ее примере видна важная роль аккреции вещества на гравитирующий центр в астрофизике вообще.

9.2.3 Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.

Возникновение массивных черных дыр в центрах галактик следует из общих эволюционных соображений, которые мы за отстутствием места не обсуждаем. В 1997 г. в центрах примерно 10 галактик наблюдаются сверхмассивные черные дыры:

Массы черных дыр определены из наблюдений движения звезд и газа в центре галактик с помощью космического телескопа им. Хаббла (движения звезд вблизи черной дыры подчиняются теореме вириала , , откуда дисперсия скоростей звезд или круговая скорость вращения газа на расстоянии от центра галактики . Определяя по эффекту Допплера скорости на угловом расстоянии от центра галактики и зная расстояние до галактики, получаем оценку массы центральной черной дыры.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики порядка также определена по прецизионному измерению движения звезд (т.к. центр Галактики непрозрачен в оптических лучах, измерения проводились в ИК-диапазоне).

9.2.3.1 Эффективность аккреции вещества на черные дыры

Как известно, черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой (Шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса (Керровская черная дыра) и элкектрическим зарядом (черная дыра Керра-Ньюмана). Горизонт событий Шварцшильдовской черной дыры (т.н. гравитационный или Шварцшильдовский радиус)

Из-за малости гравитационного радиуса даже для массы Солнца черные дыры относятся к компактным звездам (хотя конечно буквально звездами-то они и не являются, поэтому правильнее говорить о компактных релятивистских объектах).

В Ньютоновском приближении при падении вещества на тяготеющее тело массы M с радиусом R на грамм вещества выделяется гравитационная энергия

(здесь мы пренебрегли начальной потенциальной и кинетической энергией на удаленном расстоянии от тяготеющего центра). Если темп аккреции (грамм в секунду) , то мощность выделяемой энергии

где — эффективность энерговыделения на грамм вещества.

Таким образом, при наличии вязкости момент импульса передается вязкими напряжениями по радиусу вдоль диска наружу, при этом вещество начинает медленно приближаться к центральному телу. Из-за сил трения газ разогревается до высоких температур, и освобождаемая гравитационная энергия перерабатывается в электромагнитное излучение. Такие диски (с вязкостью, в отличие, например, от колец Сатурна) называются аккреционными. Они возникают в двойных звездных системах при перетекании вещества с одной звезды на другую (такие явления возможны при эволюционном расширении одной из звезд). Аккреционые диски также могут образоваться вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики или квазара. Вещество для диска поставляется звездами, разрушающимися приливными силами при пролетах вблизи черной дыры. Поскольку момент импульса звезд относительно черной дыры ненулевой (особенно в спиральных галактиках), вещество образует диск (в настоящее время газо-пылевые диски малых размеров в ядрах галактик непосредственно наблюдаются в оптическом и ИК-диапазонах с борта космического телескопа им. Хаббла и крупными наземными телескопами).

Энерговыделение в диске часто записывают в виде

9.2.4 Приливное разрушение звезд в окрестностях сверхмассивной черной дыры

эти радиусы сравниваются, а значит звезды будут пересекать горизонт событий черной дыры не разрушаясь, лишая аккреционный диск подпитки газом (хотя конечно, остаются иные механизмы подпитки). Таким образом, если звезды являются основными поставщиками вещества для активного галактического ядра, рост черной дыры значительно замедляется при массе около . Для характерных темпов аккреции около 1 в год (см. ниже) время существования максимальной активности ядра галактики т.о. может быть около 100 млн. лет.

Источник

Квазары и гамма-всплески задают новые загадки

Спектры от квазаров и гамма-всплесков — наиболее ярких объектов во Вселенной — несут в себе массу информации об этих небесных «фонарях». Астрономы из Калифорнийского университета в Санта-Круз, изучая такие спектры, пришли к интересному выводу, что в направлении гамма-всплесков находится в 4 раза больше галактик, чем перед квазарами. Это соотношение никак не может быть связано с различной природой квазаров и гамма-всплесков, поэтому заинтригованные ученые пытаются найти объяснение этому странному космическому феномену.

Квазары (квазизвездные объекты) были впервые обнаружены в 1960 году. Ученые обратили внимание на звезды, которые отождествлялись с сильными радиоисточниками. Анализ спектров таких звезд показал, что они находятся на расстоянии, измеряемом миллиардами световых лет. При дальнейшем их изучении оказалось, что это не звезды, а ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности. Мощность излучения квазаров превышает мощность Солнца в триллион раз, а связано это с поглощением вещества черными дырами в центрах отдаленных галактик. Гамма-всплески (gamma ray burst, GRB), или гамма-взрывы, имеют другую природу. Они образуются при превращении массивных звезд в нейтронные звезды и черные дыры и являются наиболее мощными взрывами во Вселенной.

Ученые не видели никакой связи между этими двумя объектами разной природы, пока не был сделан вывод о странном соотношении между ними. Результаты нового исследования, проведенного при помощи телескопа имени Уильяма Кека (W. M. Keck), и данные, полученные космической обсерваторией «Свифт» (Swift), говорят о том, что перед каждым из 4-х хаотично выбранных гамма-всплесков с большой вероятностью будет находиться по одной галактике, тогда как при наблюдении четырех различных квазаров галактика окажется только перед одним из них. Полученный результат не поддается объяснению, более того — противоречит основным понятиям космологии.

Конечно, с некоторой долей вероятности можно было ожидать, что галактики могут изредка появляться перед далекими космическими объектами, но чтобы при этом проявлялась закономерность по отношению к квазарам и гамма-всплескам — такого не ожидал никто. Но наблюдательные данные — упрямая вещь, а спектральный анализ — лучший метод доказать очевидное.

Когда свет от GRB или квазара проходит через галактику, расположенную по лучу зрения, то поглощение определенных длин световых волн газом, имеющимся в галактике, создает характерную сигнатуру в спектре более отдаленного объекта. Это и выдает присутствие галактики перед объектом, даже если сама галактика слишком слаба, чтобы наблюдать ее непосредственно.

Проанализировав таким образом пятнадцать GRB, зафиксированных космическим телескопом «Свифт», ученые обнаружили в их спектре характерные линии поглощения, указывающие на присутствие галактик перед 14 гамма-всплесками. Для определения количества галактик вдоль линии наблюдатель—квазар, астрономы использовали данные Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS). Анализ спектров 50 000 квазаров дал усредненное количество «заслоняющих» галактик, равное 3,8, против 14-ти для гамма-всплесков.

На сегодняшний день ученые предлагают три возможных объяснения этому странному расхождению. Первое гласит, что некоторые квазары полностью заслоняются галактиками с большим количество пыли. А если мы видим не все квазары, то это вносит ошибки в результаты исследований. Но на этот счет имеется встречный аргумент, что с огромной базой данных по квазарам этот эффект был бы выявлен, учтен и сведен к минимуму.

Другое объяснение состоит в том, что линии поглощения в спектрах GRB появляются от газа, извергнутого самими GRB, а не от газа в составе галактик. Но почти в каждом наблюдении, когда астрономы подробно исследовали пространство в направлении GRB, они обнаруживали галактику в том месте, где должен был находиться поглощающий газ.

Третья идея заключается в проявлении галактики в качестве гравитационной линзы, увеличивающей яркость объекта, и этот эффект оказывает на гамма-всплески совершенно иное влияние, чем на излучение квазаров. Такое объяснение считается самым предпочтительным, но возникает много вопросов с гравитационной линзой у GRB, которых пока не наблюдалось.

И, конечно же, для полноты исследований нужно изучить спектры у гораздо большего количества гамма-всплесков. Необходимо получить по крайней мере в три-четыре раза больше спектров GRB. Их может дать космический телескоп «Свифт», но это потребует довольно много времени. Ученые согласны ждать, так как лучше узнать истину позже, чем никогда.

Источник

Что из себя представляют квазары?

Просторы Вселенной не прекращают удивлять земных наблюдателей разнообразием загадочных объектов, а одним из невероятных открытий космологии ушедшего столетия стали квазары.

Общие сведения

Гравитационное линзирование квазара HE 1104-1805

Эти сверкающие объекты излучают самое значительное количество энергии, обнаруженное во Вселенной. Находясь на колоссальном расстоянии от Земли, они демонстрируют большую яркость, чем космические тела, расположенные в 1000 раз ближе. Согласно современному определению, квазар – это активное ядро галактики, где протекают процессы, освобождающие огромную массу энергии. Сам термин означает «похожий на звезду радиоисточник». Именно по причине электромагнитного излучения и значительного красного смещения, открытые объекты были определены как новые, находящиеся на границах вселенной.

Инфракрасный снимок Квазара в тандеме с зарождающейся галактикой со вспышкой звездообразования

Квазары выделяют в 100 раз больше энергии, чем совокупность всех светил в нашей галактике. Большинство квазаров и нас разделяют 10 млрд. световых лет, а дошедший до Земли их свет послан еще до процесса его формирования. Первоначально предполагалось, что все псевдозвезды являются мощными источниками радиоизлучения, но к 2004 году стало известно, что, оказывается, таких совсем немного – порядка 10%, остальные же – считаются радиоспокойными.

История открытия

3C 273 — квазар в созвездии Дева. Считается первым астрономическим объектом идентифицированным в качестве квазара.

Первый квазар был замечен американскими астрономами А. Сендиджем и Т. Метьюзом, проводившими наблюдение за звездами в калифорнийской обсерватории. В 1963 году М. Шмидт с помощью рефлекторного телескопа, собирающего в одну точку электромагнитное излучение, обнаружил отклонение в спектре наблюдаемого объекта в красную сторону, определяющее, что его источник удаляется от нашей системы. Последующие исследования показали, что небесное тело, записанное как 3C 273, находится на отдалении в 3 млрд. св. лет и отдаляется с огромной скоростью – 240 000 км/с. Московские ученые Шаров и Ефремов изучили имевшиеся ранние фотографии объекта и выяснили, что он неоднократно менял свою яркость. Нерегулярная смена интенсивности блеска предполагает маленький размер источника.

Строение и теория происхождения

Квазары и процесс возникновения их мощного излучения все еще не разгаданы до конца. Рассматривается несколько версий, объясняющих чем они являются по сути.

Материалы по теме

Можно ли увидеть черную дыру?

Большинство ученых-астрофизиков склонны предполагать, что это черная дыра гигантского масштаба, поглощающая окружающее вещество. Под воздействием притяжения частицы набирают огромную скорость, натыкаются друг на друга и ударяются, их температура от этого повышается, появляется видимое свечение. Непреодолимое притяжение энергии черной дыры заставляет вещество двигаться к центру по спирали и превращаться в аккреционный диск – структуры, возникающей при падении обращающихся частиц на массивное космическое тело. Магнитная индукция черной дыры посылает часть вещества к полюсам, где создаются джеты – узкие пучки, излучающие радиоволны. На краях аккреционного диска температура понижается, и длина волн возрастает до инфракрасного спектра.

Другая гипотеза считает квазары юными галактиками в период их формирования. Существует вариант, объединяющий две версии, согласно которому, черная дыра поглощает зарождающиеся вещество галактики. Количество найденных квазаров к 2005 году равнялось 195 000, но этот процесс непрерывен, постоянно открываются новые объекты.

Необычные свойства

Изображение с космического телескопа Хаббла показывает самый отдаленный квазар (обведен белым), появившийся менее чем через 1 млрд. лет после Большого Взрыва.

Активность квазара изменяется во всех диапазонах: инфракрасных и ультрафиолетовых волн, видимого света, рентгеновских лучей, радиоволн. Величина его энергии в 1 млн. раз больше, чем у любой открытой звезды. Вариации светимости объекта происходят в разные промежутки времени – от года до недели. Такие колебания характерны для космических тел, размер которых находится в границах светового года.

Интересные факты

Квазар QSO-160 913 + 653 228 расположенный в этом скоплении галактик, снятых телескопом Хаббл, удален от нас на расстоянии 9 млрд. св. лет!

Для обозначения степени «покраснения» света квазаров, используется буква z (красное смещение). В начале 80-х годов были найдены несколько исключительно удаленных небесных объектов, у которых значение z = 4,0. Их радиосигнал стартовал до начала зарождения нашей галактики. Недавно замечен квазар, имеющий смещение z = 6,42, т. е. расстояние до него составляет более 13 млрд. световых лет. Энергия, излучаемая небольшой псевдозвездой, может дать Земле запас электричества на несколько миллиардов лет вперед. Это опасные соседи, а их яркий свет, который мы наблюдаем, это отблески от пропавшей в черной дыре вещества молодой галактики. К счастью, об угрозе для нашей планеты речь не идет – такие явления не замечены в ближайших галактиках. Наблюдение за древнейшими объектами, ставшими ровесниками Вселенной, показало, что она не просто увеличивается, а разлетается с огромной скоростью.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Активность квазаров связана с чем

Галактики отличаются большим разнообразием. Среди них выделяются галактики с активными ядрами, в которых происходит огромное энерговыделение. К классу активных ядер галактик относятся квазары, сейфертовские галактики, радиогалактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды).

9.2.1 Основные наблюдаемые свойства

Основные феноменологические свойства квазаров следующие.

Схожие свойства (несколько в меньшем масштабе) наблюдается от активных ядер галактик (радиогалактики, Сейфертовские галактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды)). Высокая светимость и компактность излучающей области определяют физическое состояние вещества вблизи центра квазара.

Пример: оценим плотность излучения на характерном расстоянии cм от центра квазара со светимостью эрг/с: эрг/см — на много порядков больше плотности энергии реликтового излучения ( эрг/см) или уф-излучения звезд в Галактике ( эрг/см).

Активные галактики и квазары составляют относительно немногочисленный подкласс объектов (иными словами стадия активности квазара или ядра галактики много меньше хаббловского времени лет). Их пространственная плотность:

По современным представлениям, феномен активности галактического ядра связан с определенной фазой эволюции галактик, у которых в центре образовались сверхмассивные черные дыры. Максимальный темп формирования таких галактик приходился на эпоху, характеризуемую красным смещением . По-видимому: именно на этих красных смещениях происходило наиболее активное взаимодействие галактик друг с другом, что инициировало активное звездообразование и как результат обогащало центральные области галактик газом, «питающим» сверхмассивную черную дыру в центре.

9.2.2 Механизмы активности галактических ядер

Исторически было предложено три основных механизма генерации энергии в компактной области в центре галактик:

Аккреция (падение, от лат. «accretio», натягиваю) вещества на сверхмассивную черную дыру

Последняя модель наиболее разработана, в ее рамках получено объяснение многим наблюдательным свойствам (высокая светимость, компактность, спектр). Рассмотрим ее более подробно, так как на ее примере видна важная роль аккреции вещества на гравитирующий центр в астрофизике вообще.

9.2.3 Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.

Возникновение массивных черных дыр в центрах галактик следует из общих эволюционных соображений, которые мы за отстутствием места не обсуждаем. К 1997 г. в центрах примерно 10 галактик по движению звезд и газа были обнаружены сверхмассивные черные дыры:

Этот список постоянно пополняется и к 2002 году число галактик с измерреной массой центральной черной дыры свыше 50 (см. также последний параграф этой лекции).

Массы черных дыр определены из наблюдений движения звезд и газа в центре галактик с помощью космического телескопа им. Хаббла. Действительно, установившиеся (стационарные) движения звезд вблизи черной дыры должны подчиняться теореме вириала , , откуда дисперсия скоростей звезд или круговая скорость вращения газа на расстоянии от центра галактики . Определяя по эффекту Допплера скорости на угловом расстоянии от центра галактики и зная расстояние до галактики, получаем оценку массы центральной черной дыры.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики порядка также определена по прецизионному измерению собственного движения отдельных звезд (т.к. центр Галактики непрозрачен в оптических лучах, измерения проводились в ИК-диапазоне).

9.2.4 Эффективность аккреции вещества на черные дыры

Как известно, черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой (Шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса (Керровская черная дыра) и элкектрическим зарядом (черная дыра Керра-Ньюмана). Горизонт событий Шварцшильдовской черной дыры (т.н. гравитационный или Шварцшильдовский радиус)

Из-за малости гравитационного радиуса даже для массы Солнца черные дыры относятся к компактным звездам (хотя конечно буквально звездами-то они и не являются, поэтому правильнее говорить о компактных релятивистских объектах).

В Ньютоновском приближении при падении вещества на тяготеющее тело массы M с радиусом R на грамм вещества выделяется гравитационная энергия

(здесь мы пренебрегли начальной потенциальной и кинетической энергией на удаленном расстоянии от тяготеющего центра). Если темп аккреции (грамм в секунду) , то мощность выделяемой энергии

где — эффективность энерговыделения на грамм вещества.

Таким образом, при наличии вязкости момент импульса передается вязкими напряжениями по радиусу вдоль диска наружу, при этом вещество начинает медленно приближаться к центральному телу. Этот процесс носит диффузионный характер, Из-за сил трения газ разогревается до высоких температур, и освобождаемая гравитационная энергия перерабатывается в электромагнитное излучение. Такие диски (с вязкостью, в отличие, например, от колец Сатурна) называются аккреционными. Они возникают в двойных звездных системах при перетекании вещества с одной звезды на другую (такие явления возможны при эволюционном расширении одной из звезд). Аккреционые диски также могут образоваться вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики или квазара. Вещество для диска поставляется звездами, разрушающимися приливными силами при пролетах вблизи черной дыры. Поскольку момент импульса звезд относительно черной дыры ненулевой (особенно в спиральных галактиках), вещество образует диск (в настоящее время газо-пылевые диски малых размеров в ядрах галактик непосредственно наблюдаются в оптическом и ИК-диапазонах с борта космического телескопа им. Хаббла и крупными наземными телескопами).

Энерговыделение в диске часто записывают в виде

где — угловая скорость вращения черной дыры, — напряженность магнитного поля вблизи горизонта, — характерный размер задачи. Поскольку — размер светового цилиндра (отделяющего ближнюю и волновую зоны), то при угловом моменте черной дыры близком к предельно возможному имеем и

что очень близко к наблюдаемой энергетике джетов от активных ядер галактик и квазаров. Отличительным свойством джета, формируемого механизмом Блэндфорда-Знаека, должна быть генерация электронно-позитронной плазмы. Пока не найдено возможности различить эти механизмы.

9.2.5 Приливное разрушение звезд в окрестностях сверхмассивной черной дыры

эти радиусы сравниваются, а значит звезды будут пересекать горизонт событий черной дыры не разрушаясь, лишая аккреционный диск подпитки газом (хотя конечно, остаются иные механизмы подпитки). Таким образом, если звезды являются основными поставщиками вещества для активного галактического ядра, рост черной дыры значительно замедляется при массе около . Для характерных темпов аккреции около 1 в год (см. ниже) время существования максимальной активности ядра галактики т.о. может быть около 100 млн. лет.

Источник