В далеком космосе, за миллиарды световых лет от нас, есть объекты, которые светятся ярче, чем триллион солнц. Их энергия доходит до нас через невообразимо огромное пространство и – время – т.к. на таком расстоянии мы видим прошлое, видим то, что происходило на заре формирования нашей Вселенной. Они могут уничтожать целые галактики, но могут и спасать их.
Это – квазары.
Один из этих необычных объектов, который назвали 3C 273 находится в галактическом скоплении Девы. Он похож на окружающие его звезды:
Но астрономы, изучавшие его, установили, что до него – более миллиарда световых лет. И при такой удаленности – с Земли он выглядит, как яркая звезда, при этом излучающая мощные волны невидимого глазу диапазона, но улавливаемые радиотелескопами - потому квазары и стали открывать в 60-е годы XX века, с развитием радиоастрономии.
Так их и назвали «квазизвездные радиоисточники», или сокращенно – квазары.
Как же удалось понять, что это именно квазар, а не звезда? И что представляют собой квазары?
Дело в том, что на достаточно больших пространственных масштабах скорость взаимного удаления двух объектов в ней пропорциональна расстоянию между ними. Скорость «разлетания» можно измерить спектральными методами — по сдвигу спектра источника света в красную сторону (подробнее об этом и об эффекте Доплера – читайте в предыдущей статье о черных дырах) – и оказалось, что В спектре 3C 27З этот сдвиг оказался настолько большим, что линии излучения водорода, обычно находящиеся в ультрафиолетовом диапазоне, «переползли» в его видимую часть – это соответствует расстоянию в 2,4 млрд световых лет!!
Чтобы на таком невообразимо огромном расстоянии быть хорошо видимым с Земли, объект должен обладать совершенно исключительной светимостью и огромной энергией.
Тогда все усилия ученых были направлены на то, чтобы изучить области космоса, откуда улавливалось повышенное радиоизлучение, и совместить оптические и радионаблюдения. В 1962 году задача была решена: один из источников оказался перекрытым Луной, что позволило с высокой точностью определить его местоположение – это и был 3C 273. После этого квазары стали открывать один за другим; все их объединяло две особенности: это очень далекие объекты с невероятно мощной энергией.
Более пристальное наблюдение за ними позволило определить, что квазары - это сверхяркие ядра очень далеких галактик. Мы видим их благодаря их необычайной мощности: один квазар светится ярче, чем целая галактика!!
Как известно, в центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая притягивает окружающее вещество. Под воздействием гравитации частицы набирают огромную скорость, натыкаются друг на друга и ударяются – происходит разогрев, 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.
В маленький объем - аккреционный диск вокруг черной дыры в центре галактики - «упакован» один сверхмощный источник энергии - квазар. Ежесекундно он выделяет энергию, эквивалентную врыву триллиона триллионов самых мощных атомных бомб.
Сопоставляя оптические и рентгеновские снимки, можно увидеть и высокую мощность рентгеновского излучения квазаров. Например:
Откуда берется энергия?
Как же квазар может выделять такое невероятное количество энергии, что его видно с расстояния в миллиарды световых лет? Что служит источником такой мощи при столь малом размере?
Во Вселенной есть лишь один объект. достаточно массивный и плотный для того, чтобы питать квазар - это черная дыра.
Гравитация самых массивных черных дыр, в миллиард раз массивнее нашего Солнца - разогревает вещество аккреционного диска до сотен миллиардов градусов. Частицы газа и космической пыли в аккреционном диске такой дыры движутся почти со скоростью света, и вся энергия трения перерастает в тепловую. Она и служит источником «питания» квазаров, свет и энергия которых достигает нас с расстояния в миллиарды световых лет.
В ноябре 2015 года с помощью больших радиотелескопов в Атакаме ученым удалось заглянуть внутрь самой яркой галактики известной нам Вселенной.
Квазар в её центре испускает в 350 триллионов (!!) раз больше света, чем наше Солнце, но для наших глаз он невидим. Весь свет находится в инфракрасном спектре, а сама галактика окружена облаками межзвездной пыли. Ученые называют такие галактики «хот-догами».
Весь видимый свет поглощает толстый слой пыли, через который проходит лишь инфракрасная часть часть спектра. Примерно половина открытых астрономами квазаров – именно такие «хот-доги».
Как образовались квазары на заре эволюции Вселенной?
Некоторые квазары находятся от нас на расстоянии более 13 млрд световых лет. Это значит, что они возникли спустя менее чем миллиард лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную.
Но как это могло произойти?
Ведь черная дыра – это закончившая свой жизненный цикл массивная звезда, которая должна была еще сформироваться, затем «перегореть», вспыхнуть сверхновой, превратиться в сверхмассивную черную дыру – и всё это – менее, чем за миллиард лет.
Но для образования сверхмассивной черной дыры нужна сверхмассивная звезда. А миллиард лет - слишком маленький срок для её образования и жизни до момента взрыва сверхновой.
Значит, должен быть какой-то другой процесс. Какой же?
Согласно одной из теорий, ранние квазары могли образоваться в результате одного большого коллапса, так называемого прямого коллапса. Огромные сверхплотные скопления водорода соединяются вместе. Гравитация возрастает и притягивает еще больше газа:
Он становится всё плотнее и, наконец, коллапсирует. Вместо звезды сразу появляется огромная черная дыра:
Затем вокруг нее начинает формироваться галактика. Газ устремляется к центру. Нагревается все сильнее и возникает квазар. Настолько яркий, что мы видим его сегодня с расстояния 13 млрд световых лет:
Исходящие потоки квазаров: разрушительные и созидательные
Самые мощные квазары – с исходящими потоками. Таких – около 10%
Они переносят невероятное количество энергии. Ветры сверх-заряженных частиц толкают материал, эквивалентный сотням солнечных масс, разгоняя их до скорости, близкой к скорости света, распространяя в космосе на огромные расстояния. Энергетичность таких потоков выше энергии светимости всего Млечного пути в сотни раз!
Энергия миллиардов или триллионов звезд. Сконцентрированная в узких потоках, она пронизывает Вселенную смертоносными лучами. Всё, что попадется на пути этих потоков – обречено на уничтожение. Планеты, звезды, целые звездные системы. Именно это наблюдается в системе 3С321:
В видимом спектре – просто две галактики:
Но если смотреть на разной длине волны, то видно, как мощный луч,исходящий от большей галактики, пробивает меньшую и уходит далеко в космос.
Самый большой из известных исходящих от квазаров потоков имеет в длину около 5 млн световых лет.
Обнаружить «квазарные ветры» удалось с помощью «Хаббла», наблюдая за активностью квазаров. Эти ветры буквально выносят из галактики газопылевой материал, который мог бы участвовать в звездообразовании. Выдувая вещество из галактики, квазар приводит к прекращению процесса образования новых звезд.
Это объясняет, почему наблюдается так мало больших галактик во Вселенной, и почему существует связь между массой галактики и массой центральной черной дыры. Подобные ветры от квазаров должны были быть распространенными в ранней Вселенной, что приводило к своеобразной саморегуляции роста галактик через звездообразование – оно тормозилось.
Как же получаются эти потоки?
Конечно же, их источником служит аккреционный диск: газ, вращаясь все быстрее, при определенной температуре превращается в плазму, наполненную заряженными электромагнитными частицами. Они генерируют мощное магнитное поле, которое окружает черную дыру:
В результате все заряженные частицы начинают двигаться вдоль силовых линий. А там, где есть силовые магнитные линии, есть и магнитные полюса. Из них частицы и выбрасываются наружу, разгоняясь почти до световой скорости:
Квазары можно назвать гигантскими генераторами Вселенной. Они превращают энергию гравитации в магнитную, а магнитная энергия превращается в кинетическую и тепловую, проявляясь в виде этих потоков.
От чего в центре обычной галактики может вспыхнуть квазар? Для вспышки нужны определенные условия: сверхмассивная черная дыра и большое количество материи. Эти условия может обеспечить, например, столкновение галактик.
Часто люди, далекие от астрономии, представляют столкновение галактик как катастрофу, в которой все подряд планеты и звезды сталкиваются и гибнут, взрываясь:
Но в реальности этого не происходит: из-за огромных расстояний между объектами в космосе слияние галактик происходит спокойно: их основу составляют не звезды и планеты, а межзвездный газ, и вероятность того, что может поменяться положение какой-либо планеты или что-то вдруг случится с отдельной звездой – ничтожно мала.
Другое дело, что черные дыры в их центрах сближаются и, наконец, сливаются в одну. Газ из обеих галактик устремляется к новой сверхмассивной черной дыре, нагреваясь до миллиардов градусов, и галактическое ядро вспыхивает. Так рождается квазар. И если он «зажигается» в ядре галактики, то его мощные выбросы энергии способны уничтожить атмосферу и жизнь на планетах, если таковые имеются относительно близко.
Наша галактика - Млечный Путь - постепенно сближается с Туманностью Андромеды, и через 4 млрд лет две галактики должны столкнуться. Есть вероятность, что Солнечная система мигрирует ближе к центру Млечного Пути – и тогда, если после соединения двух массивных черных дыр в центрах вспыхнет мощный квазар, Земля окажется в опасности.
Но это – лишь возможное и очень отдаленное – на миллиарды лет - будущее.
Слияние галактик – длительный процесс, занимающий миллионы лет. Но в 2016 году ученые обнаружили квазар, который вспыхнул всего за 500 дней. Что может породить квазары так быстро?
Ученые предполагают, что это может быть, например, взрыв сверхновой в самом аккреционном диске. Тогда на черную дыру обрушивается огромное количество новой материи, энергия которой и может «запустить» этот огромный космический генератор.
Какова положительная роль квазаров в жизни галактик?
У квазаров существует и созидательная сторона. Если в галактике образуется слишком много звезд, она становится нестабильной: светила взрываются сверхновыми, мощное излучение которых уничтожает планеты, появляются новые черные дыры, потоки энергии проходят по газовым облакам ударными волнами – всё это в конце концов убивает галактику. Квазар может служить защитником, «выдувая» лишний газ прочь в космос – и тогда в галактике возникает спокойная среда, которая создает условия для появления жизни.
Возможно, в далеком прошлом, ядро Млечного Пути было мощным квазаром, и именно ему мы обязаны нашим существованием сегодня. Квазары контролируют количество звезд в галактике, не позволяя, чтобы их появлялось чересчур много, и делают среду более спокойной и стабильной.
Кроме того,исходящие энергетические потоки, испускаемые квазарами, способны порождать новые звезды. Газовые скопления постепенно остывают, и звезды начинают формироваться – именно так происходит, например, в скоплении Феникс:
Очень может быть, что именно квазары поддерживают равновесие во Вселенной.
Но если бы они продолжали выталкивать газ бесконечно, то, в конце концов, галактики погибли бы. К счастью, квазары, как и всё на свете, не вечны.
В какой-то момент газа в центре галактики становится очень мало, и это действует как выключатель – квазар гаснет. Газовые скопления, разогретые квазаром, постепенно остывает, и звезды близ центра галактики вновь начинают формироваться. Остывающий газ, материя от вспышек сверхновых – падают на сверхмассивную черную дыру, давая квазару топливо для новой вспышки.
Этот процесс похоже на работу термостата в электронагревателе: если в комнате слишком холодно, он включается и нагревает воздух, а если слишком жарко – выключается.
Квазар, включаясь – прекращает образование звезд, а, выключаясь – возобновляет. Так, можно сказать, «регулируется рождаемость звезд». Квазары в определенном смысле поддерживают равновесие во Вселенной, позволяя галактикам развиваться более равномерно и продлевая им жизнь, играя ключевую роль в их эволюции.
Благодарю за внимание! Ставьте лайк, если понравилась статья, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!