Дьявол скрыт в деталях

"Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной. … Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени".

Описанная ситуация как-то очень напоминает ситуацию в физике конца 19-го века - здание физики было прочно и гармонично за исключением нескольких деталей. Попытка прояснить эти детали привела к крушению здания классической физики и возведению на его руинах здания неклассического. Ибо давно замечено, что дьявол скрыт в деталях. Посмотрим, что в случае с квазарами представляет собой "ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может".

В 1960 году были обнаружены очень слабые точечные источники радиоизлучения с большими красными смещениями. Многие из них впоследствии оказались радиогалактиками. Но несколько источников при сколь угодно сильном разрешении так и оставались точечными, как звёзды. Поэтому они получили название квазары (квази-звездные радиоисточники). Как оказалось, название "радиоисточники" они получили напрасно. На данный момент известно уже около двухсот тысяч квазаров и лишь у 1% из них выявлено заметное излучение энергии в виде радиоволн. Квазары со слабым излучением радиоволн получили отдельное название "квазаги" (квази-звёздные галактики). Но переход от квазаров к квазагам не был резким - доля излучения в радиоволнах по отношению к полному излучению уменьшалась постепенно. Поэтому в настоящее время за этими обоими объектами закрепилось обозначение "QSO" ("quasi-stellar objects - квази-звездные объекты) или QSS (quasi-stellar sources - квази-звездные источники). Но чаще, всё же, по-прежнему используется термин "квазары".

Впрочем, от мысли, что эти объекты являются звёздами, также пришлось отказаться. Началось с того, что спектр квази-звездных объектов настолько резко отличался от спектров всех других звезд, что казался нераспознаваемым. Вскоре, однако, выяснилось, что спектр просто сильно смещён в красную сторону. По величине красного смещения по закону Хаббла определили расстояние до квазаров. Получилось, что квазары находятся на краю видимой Вселенной. Сопоставили найденное расстояние с блеском квазара, и получилось, что масса квазара должна превышать массу Солнца в сотни миллионов или даже в миллиарды раз. Согласно законам физики звёзд с такими массами быть не может.

Следующий шаг к пониманию природы квазаров был сделан, когда по спектрам сопоставили химический состав излучающих областей квазаров с химическим составом излучающих областей обычных галактик. Химические составы квазаров и обычных галактик оказались одинаковыми. Это свидетельствовало о родстве галактик и квазаров. Были отмечены такие особенности спектров квазаров:

Эти три свойства спектров квазаров расшифровке не поддавались.

В теории Большого взрыва наличие нескольких серий излучения с разными красными смещениями означает, что объект удаляется от наблюдателя с несколькими разными скоростями. Это такая бессмыслица, что одного этого достаточно, чтобы на теории Большого взрыва поставить крест. Но последователи теории поступили иначе - они "забыли" об этом наблюдении и нигде о нём не упоминают. По крайней мере, в последнее время.

Что касается второй особенности спектров, то здесь дело обстояло так. Соотношение (z_abs < z_em) объяснили тем, что абсорбционные линии возникают в промежуточных галактиках, лежащих на луче зрения между квазаром и наблюдателем. Соотношения (z_abs ~ z_em) и (z_abs > z_em) так объяснить нельзя, поэтому о них тоже "забыли".

А теперь о том, как свойства 1 и 2 объясняются в аккреционной теории красного смещения. В далёкой галактике может быть несколько эмиссионных слоёв. Если на луче зрения расположены три эмиссионных слоя (рис.1) на разных расстояниях от центра галактики R1 > R2 > R3, то излучение из этих слоёв имеют разные красные смещения z₁ < z₂ < z₃. Так в спектре квазара могут появиться серии линий излучения с различными красными смещениями z_1,em < z_2,em < z_3,em. Появление линий поглощения объясняется аналогично. Если, например, линии излучения из слоёв 2 и 3 сравнимы по мощности, то излучение из глубокого слоя поглотится в промежуточном слое всё или частично и в спектре появится абсорбционная линия со смещением z_2,abs > z_1,em.

Пример расчёта красных смещений и глубины залегания эмиссионных слоёв приведен в работе "О влиянии "размазанности" массы по объему галактики". В глубоких слоях исследуемой галактики выявлены два эмиссионных слоя с красными смещениями z₁ = 2,50 и z₂ = 2,09. Расчёт проводился от края галактики до глубины 10^-6 радиуса галактики. Возможно, что исследование для более глубоких областей позволило бы обнаружить еще один, третий, эмиссионный слой.

Была отмечена такая закономерность: чем ближе эмиссионный слой к центру галактики, тем больше красное смещение и тем сильнее уширение эмиссионных линий. При этом линии многих серий эмиссионного излучения могут перекрывать друг друга. Тогда обнаружить линии в спектре либо не удается совсем, либо удается, но только для очень немногих наиболее ярких линий, для которых велика объемная плотность излучения. В таких условиях возникает явление избытков инфракрасного и ультрафиолетового излучений, что отмечается в спектрах квазаров.

При сопоставлении свойств квазаров со свойствами галактик различных типов выяснилось, что резкого перехода от галактик к квазарам нет. Вместо этого есть цепочка плавного перехода от нормальных галактик к квазарам (нормальные галактики - это сравнительно близкие к нам галактики, в непрерывных спектрах которых нет смещённых линий излучения, а есть только тёмные линии поглощения с небольшим красным смещением). Вот эта цепочка: нормальные галактики - эллиптические галактики - радиогалактики- "голубые" галактики - компактные галактики - галактики Сейферта - Лацертиды - квазары.

В настоящее время уже признано, что квазары - это галактики с очень активными ядрами. На самом деле ядра всех галактик активны. Их активность определяется аккрецией на ядро галактики межгалактического газа, ускорившегося до релятивистских значений. В 1981 г. в ежемесячнике королевского астрономического общества был опубликован расчёт, согласно которому для объяснения наблюдаемой светимости сейфертовских галактик (галактики с активными ядрами) достаточно скорости аккреции в одну солнечную массу в год.

Прослеживается закономерность - чем больше космологическое расстояние до галактики (то есть расстояние, найденное по красному смещению), тем более активным оказывается ядро галактики и тем более мощной кажется её светимость. Поэтому, обсуждая свойства квазаров (очень высокая светимость и очень большая амплитуда переменности), некоторые астрономы осторожно добавляют: "если расстояние до квазара определено правильно". Действительно, если квазар в 100 раз ближе к нам, чем определено по красному смещению, то его светимость завышается в 10 000 раз, и при правильном определении расстояния вместо гигантской светимости 10⁴⁶-10⁴⁸ эрг/с мы получили бы светимость 10⁴² - 10⁴⁴ эрг/с, как у нормальных галактик.

Возникает предположение: не является ли квазар явлением оптическим, связанным с завышением расстояния до него. Для проверки этого предположения нужно взять обычные галактики, отнести их на достаточно большое расстояние, применить аккреционный механизм для нахождения красных смещений и посмотреть, что из этого получится.

А получится объяснение всех необъяснённых до настоящего времени свойств квазаров.

Во-первых, квазар, действительно, есть явление оптическое. Во-вторых, квазар может быть не слишком удалённой компактной галактикой, космологическое расстояние до которой сильно завышено из-за её малой массы М и малого диаметра D. При этом на несколько порядков окажутся завышенными энергетическая мощность и амплитуда колебания излучения. Разумеется, квазар может быть и очень далёкой массивной галактикой большого диаметра, тогда значительного завышения расстояния и мощности не происходит. В-третьих, как уже отмечено выше, объяснение получают удаление квазара от наблюдателя с несколькими разными скоростями и любое из соотношений z_abs < z_em, z_abs ~ z_em, z_abs > z_em.

И наконец, третье свойство излучения квазаров, не поддающееся расшифровке в теории Большого взрыва - зависимость числа квазаров от величины их красного смещения. К настоящему моменту установлено, что вначале с ростом красного смещения z число квазаров растет, достигая максимума при значении красного смещения z ~ 2, после чего с ростом z начинает убывать. Для этого явления предложено множество всевозможных объяснений, по большей части фантастических - квазар представляет собой колоссальное скопление нейтрино, квазар - центр катастрофически сжимающейся галактики, и ряд других. Хотя природа квазаров остаётся не выясненной, было сделано заключение, что срок жизни квазаров невелик. Квазары, которые мы видим, стали квазарами лишь недавно, а основная масса квазаров уже угасла. Но такому представлению противоречат наблюдения квазаров с большими красными смещениями. Недавно открытый квазар ULAS J1120 +0641, имеет красное смещение 7,085. Согласно теории Большого взрыва он образовался через 770 миллионов лет после Большого Взрыва. Попытка объяснить образование квазара в столь ранний период приводит к противоречию со стандартной моделью.

А теперь перейдём к объяснению наблюдаемой зависимости числа квазаров от величины их красного смещения в рамках аккреционной модели. Для установления этой зависимости в качестве типовых были взяты галактики, подобные тем, которые встречаются в местной группе галактик. Их характеристики приведены в табл. 1.

Если на расстоянии r₀ = 10²⁴см число квазаров в некотором объеме принять за единицу, то в предположении, что в мировом пространстве галактики указанного типа будут рассеяны равномерно, можно рассчитать условное число N квазаров для любого интервала значений красного смещения z на расстоянии от 10²⁴см до бесконечности. Результаты таких расчётов даны в табл. 2.

При расчётах подтвердилось, что квазары представляют собой обычные галактики, периферийная часть которых скрыта фоном ночного неба. Причем квазары - это радиогалактики, а квазаги - нормальные галактики. Статистика наблюдаемых квазаров обусловлена, в основном, удаленными массивными галактиками (см. третий столбец таблицы 2). Пекулярные (необычные) явления в галактиках (сейфертовские, голубые, лацертиды, Маркеряна и др.) связаны с компактными галактиками малой массы, красные смещения которых велики, что ведет к завышению расстояний до них на несколько порядков и соответственно к искаженной интерпретации явлений.

Заключение. Красное смещение галактик и квазаров полностью объясняется аккреционно-фоновым механизмом. При этом не возникает никаких парадоксов, чего не скажешь о теории Большого взрыва. Исторически теория Большого взрыва и все её модификации проистекают из найденного А.А. Фридманом нестационарного решения гравитационных уравнений Эйнштейна. Но Фридман не устанавливал скорость расширения Вселенной. Возможно, что Вселенная расширяется. Однако скорость её расширения такова, что это никак не сказывается на величинах красных смещений галактик, подобно тому, как поднятие земного континента в геологических масштабах времени не сказывается на скорости градостроительства. Красное смещение излучения галактик вызывается сочетанием двух факторов - аккрецией межгалактического газа на ядра галактик и фоном ночного неба.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 8 ноября 2012 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'