Астрофизика и ее понятия. Так что же такое квазар?

Так что же такое квазар?

В настоящее время к квазаром причисляется любой объект со следующими свойствами:
значительное красное смещение (z > 0,1),
при любом увеличении объект так и остаётся точечным подобно звезде.

Посмотрим, как квазар определяют в научной литературе.
Физический энциклопедический словарь:
Квазары - мощные внегалактич. источники эл.-магн. излучения; представляют собой активные ядра далёких галактик. С учётом расстояния до К. мощность излучения типичного К. в 10³-10⁴ раз превышает излучение всех звёзд крупной галактики. Природа активности К. ещё до конца не раскрыта. Существует предположение, что мощное излучение К. может быть обусловлено аккрецией вещества на массивную чёрную дыру, находящуюся в центре К.
Физическая энциклопедия:
Квазары - внегалактич. объекты малого угл. размера, характеризующиеся значит. красным смещением спектральных линий (z > 0,1). Полагают, что наиб. вероятный механизм, обеспечивающий светимость К. связан с выделением энергии при аккреции газа на чёрную дыру. Интегральная светимость К. составляет 10⁴⁵-10⁴⁸ эрг/с, т. е. на неск. Порядков превосходит оптич. светимость звёздной составляющей наиб. ярких галактик.

Есть много фотографий космических объектов, свидетельствующих о том, что красное смещение, вообще говоря, не характеризует расстояние до объекта. Наиболее выразительная из них - это фотография, полученная Х.Арпом более полувека тому назад: квазар, видимый на фоне галактики NGC 7319 (рис.1). Красные смещения галактики и квазара такие: z_гал = 0.0225, z_кв = 2.11. Анализ пяти перечисленных выше пунктов начнём с рассмотрения этой фотографии.

Во-первых, снимок сделан со стороны Земли. То, что галактика не заслонила своим диском квазар, означает, что он расположен к Земле ближе, чем галактика. Это аннулирует первое из пяти утверждений: "Все квазары - далёкие объекты, так как у них большое кр. см.". То есть квазары могут быть как далёкими, так и сравнительно близкими объектами.

Во вторых, поскольку квазар ближе галактики, то его вид, скорее всего, свидетельствует о его маломощности. Тем самым аннулируется второе утверждение: "Все квазары - сверхмощные объекты". То есть квазары могут быть как очень мощными, так и маломощными объектами.

В-третьих, утверждение "Все квазары - это активные ядра галактик" также неверно. Типичные признаки активности ядра галактики (быстрая переменность блеска, джеты и т.п.) в рассматриваемом случае отсутствуют.

В-четвёртых, утверждение "В центре квазара находится массивная чёрная дыра" не может быть верным просто потому, что объект "чёрная дыра" в природе не существует. Существование чёрных дыр звёздных масс следовало из общей тории относительности Эйнштейна (ОТО). Но в 1988 году было опубликовано исследование, в котором было показано, что ОТО содержит серьёзные ошибки. Следствием этого является невозможность существования звёздных чёрных дыр. Что же касается свехмассивных чёрных дыр в миллионы солнечных масс, то это более позднее "изобретение", сделанное от отчаяния. Поскольку расстояния до квазаров, найденные по красному смещению, могут завышаться на 2 порядка, как в примере Х.Арпа, то мощность квазаров может завышаться уже на 4 порядка. Для объяснения таких чудовищных мощностей и потребовалась сверхмассивная чёрная дыра. Однако сами изобретатели сверхмассивной дыры так до сих пор и не понимают ни то, как она могла возникнуть, ни то, за счёт чего она продолжает существовать. Достаточно почитать хотя бы то, что написано по этому поводу в Википедии.

В-пятых, утверждение "Сверхмощное излучение квазара может быть связано с выделением энергии при аккреции газа на чёрную дыру" неверно только потому, что в нём упомянута чёрная дыра. Но это утверждение становится верным в такой формулировке: "Сверхмощное излучение квазара может быть связано с выделением энергии при аккреции газа на ядро галактики". Ядро галактики - объект реально существующий. Другое дело, что это пока ещё очень плохо изученный объект.

Так всё же, что такое квазар?

Покажем, что, основываясь на гипотезе Большого взрыва и общей теории относительноси, для квазара на рис.1 ни расстояние, ни скорость найти невозможно. Закон Хаббла в простейшей форме z=Hr/c (H - постоянная Хаббла) применим только при z < 0,5. Действительно, по этой простейшей формуле Хаббла расстояние до квазара получается в 94 раза больше, чем до галактики. Это, разумеется, бессмыслица, так как квазар к нам ближе, чем галактика. Причина ошибки понятна: для квазара z=2,11. и условие z < 0,5 не выполняется. Вычислить правильное расстояние, исходя из гипотезы Большого взрыва, в данном случае вообще невозможно: в общей теории относительности нет алгоритма для определение расстояния r по красному смещению для больших z. Для расчёта скорости по красному смещению в ОТО формула есть:

По этой формуле скорость удаления квазара равна v = 243 610 км/с. Получается, что квазар с почти световой скоростью движется от нас в сторону галактики. Очевидная бессмыслица. Ведь судя по красному смещению, галактика NGC 7319 находится в ближайшей окрестности нашей Галактики, а квазар ещё ближе. Следовательно, релятивистская скорость невозможна. Таким образом, ни расстояние, ни скорость для данного квазара в рамках гипотезы Большого взрыва не определяются. В таких затруднительных случаях ОТО даёт малоутешительное указание: при больших z расстояния зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. Понятия единого однозначного расстояния нет. Следовательно, в рамках ОТО ответы на вопросы, связанные с квазарами, искать не стоит.

Чтобы дать ответ на вопрос, что представляет собой квазар на рис.1, следует учесть, что галактика NGC 7319 - это спиральная галактика типа SBbc, то есть галактика того же типа, что и Млечный Путь. Спиральные галактики, как правило, массивны. Поэтому есть основание полагать, что масса NGC 7319 сравнима с массой нашей Галактики. В таком случае, стоит поискать среди спутников нашей Галактики такой, который на фотографии из космоса выглядел бы на фоне нашей галактики так же, как квазар на рис.1. Такой спутник нашёлся. Это крупное шаровое скопление М22. Его масса составляет 7·10⁶ солнечных масс. Масса нашей Галактики оценивается в 5·10¹¹ масс Солнца. В этом случае М_скопл / М_гал ~ 10^-4. Следовательно, есть основание утверждать, что квазар на рис.1 является галактикой малой массы, составляющей одну десятитысячную от массы галактики NGC 7319.

Вот теперь, пожалуй, можно дать ответ на вопрос "Что же такое квазар?".

Квазар - это обычная галактика, которая может иметь как малую, так и очень большую массу. Излучение галактики может быть и незначительным и очень мощным. Ядро галактики может быть как активным, так и спокойным.

Но в таком случае возникают вопросы. Во-первых, почему некоторые галактики мы видим как квазары, а некоторые - как галактики. И во-вторых, почему в качестве "водораздела" между галактиками и квазарами выступает красное смещение z ~ 0,1.

Ответ на эти два вопроса такой. Красное смещение излучения галактики вызывается сочетанием аккреции (падения) межгалактического газа на ядро галактики и влияния фона ночного неба на результаты фотометрии (измерение поверхностной яркости галактики по фотографии). Здесь подробно описано, как это происходит.

Спектр галактики находят фотометрически. Величина красного смещения определяется по смещению тёмных и светлых линий в спектре галактики (рис.2)

Аккреция межгалактического газа начинается с расстояния в полтора-два раза превышающего радиус звёздной составляющей галактики. Межгалактический газ нагрет до десятков миллионов градусов и, следовательно, излучает. Но по сравнению с излучением близких галактик его излучение слабое и на фотографии проявляется только в том, что на непрерывном спектре галактики появляются тёмные линии поглощения (рис.3). Эти тёмные линии смещены в красную сторону, но их смещение слабое, поскольку скорость аккреции газа за пределами галактики ещё мала.

С увеличением расстояния до галактики ситуация изменяется. Если бы не было фона ночного неба, то для далёкой галактики можно было бы зафиксировать излучение из любой области диска. Для этого нужно было бы сделать достаточно длительную экспозицию. Но наличие хаотического мерцания неба ограничивает длительность экспозиции. При слишком большой экспозиции пластинка просто засветится. Поэтому излучение с краёв далёкой галактики, которые светятся слабее, чем центр, в спектр не попадает. На рис рис.4 показано, как по мере увеличения расстояния r до галактики в спектр попадает излучение из всё более глубоких её слоёв (на рисунке r1< r2< r3< r4). Значит, для близких галактик в спектр попадает в основном излучение из внешних слоёв галактики, т.е. излучение звёзд. Для очень далёких галактик в спектр попадает в основном излучение из очень глубоких слоёв, т.е. рекомбинационное излучение аккрецирующего газа. Для галактик, находящихся на промежуточных расстояниях, в спектре будут представлены оба излучения - и звёздное и рекомбинационное.

Первые эмиссионные линии в спектрах появляются при красном смещении z = 0,1. Потому это красное смещение и выбрано в качестве "водораздела". Спектры квазаров всегда содержат эмиссионные линии. Но эмиссионные линии могут содержаться и в спектрах галактик, не являющихся точечными объектами. Наличие в спектре эмиссионных линий означает, что в спектр кроме излучения звёзд идёт также излучение аккрецирующего газа. Поэтому квазар можно определить так: точечный объект, содержащий в спектре эмиссионные линии (в отличие от звёзд, которые тоже точечные, но эмиссионных линий в спектре не имеют).

Эмиссионные линии в спектре квазаров всегда выглядят размытыми. Это свидетельство того, что излучающий газ имеет большие скорость и ускорение. Линии спектра создаются излучением из эмиссионного слоя (рис.6). Ошибка гипотезы Большого взрыва состоит в том, что скорость аккрецирующего газа в эмиссионном слое была истолкована, как скорость всей галактики.

Теперь понятно, что в ближайшей окрестности нашей Галактики квазары найти невозможно. В спектрах ближайших галактик преобладает спектр звёзд. Скорость аккрецирующего газа ещё мала и для тёмных линий в спектре, вызванных поглощением света звёзд аккрецирующим газом, z < 0,1.

Точка зрения, что квазар - это обычная галактика, позволяет объяснить особенность распределения квазаров по величине красного смещения z. Статистическая обработка зависимости количества квазаров от величины их красного смещения показала следующее. Начиная с z = 0,1 количество казаров быстро увеличивается с увеличением z. Максимум числа квазаров приходится на промежуток 1,8 < z < 2,5. А при z > 2,5 с ростом z количество квазаров, соответствующих данному z, быстро убывает (рис.7).

Причём рост происходит в основном за счёт галактик малых масс, потому что таких галактик 98% и они первыми с увеличением расстояния r приобретают большОе красное смещение. Но зато такие малые галактики с увеличением r быстро переходят в ненаблюдаемое состояние, так как их блеск становится слабее флуктуаций фона ночного неба. При z ~ 2 происходит полное исчерпание слабых галактик как источника квазаров и в качестве квазаров начинают выступать галактики бОльших масс. Причём, чем больше масса, тем такие галактики реже встречаются. Этим объясняется резкий спад кривой при z > 2 на рис.8.

Таким образом отказ от гипотезы Большого взрыва в пользу объяснения красного смещения излучением аккрецирующего газа позволяет объяснить все свойства квазаров, которые до настоящего времени считаются загадочными:
чудовищная мощность,
наблюдаемые иногда сверхсветовые движения,
очень малые размеры, определяемые по периоду переменности блеска.
Перечисленные свойства объясняются завышением расстояния до квазаров здесь и здесь.
Наличие серий линий излучения с разными красными смещениями объясняются здесь и здесь.
И, наконец, в данной статье объяснено последнее необъяснённое свойство - почему основная масса квазаров имеет красное смещение z ~ 2.

Осталось недостаточно объяснённым взаимное расположение тёмных и светлых линий в спектре квазара, но это предмет будущего обсуждения.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 31 мая 2015 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'

Главная страница раздела