Квазар

Ако някой среща за първи път наименованието на тези обекти, с които ни предстои да се запознаем, и думата му се стори някак научнофантастична, ще побързаме да го уверим, че може би не е далеч от истината. Вече преодоляваме онези схващания и познания, станали известни през първата половина на настоящия век, и навлизаме в свят, в който науката и фантастиката се преплитат и редуват в новите гледки, изникващи при прякото изследване на космоса и от дръзките, но може би реални интерпретации на учените.

А  квазарите са най - загадъчните сред откритите напоследък необикновени обекти. Те са с такива изключителни характеристики, за каквито човешкото въображение не е и помисляло поради убеждението, че не биха могли да бъдат реалност. Те обаче съществуват и наблюденията ни ги показват.

Откриването им датира от края на 1962 г., когато при съпоставянето на различни явления, наблюдавани няколко години по-рано, и с добавянето на нови наблюдения бе установено, че е открит клас обекти с невероятни характеристики. Толкова невероятни, че отначало, когато бяха известни само няколко малко наблюдавани обекта, все още много астрономи не приемаха тяхната реалност или поне всички нейни страни. Днес са известни над 500 квазара, много от които се следят и през последните години са добре изучени, и макар че тяхното съществуване продължава да бъде загадка, никой повече не се съмнява в достоверността на явленията, които показват. Но да пристъпим към фактите.

Първата открита характеристика е много интензивното и силно концентрирано радиоизлъчване. След като беше открито точното местонахождение на това излъчване върху небесния свод, се установи, че произхожда от обекти със звезден вид.  Изучаването им с традиционните оптични средства показа веднага странни аномалии и по- късните изследвания разкриха, че въпреки вида си те положително не са звезди. Тогава беше измислено названието квазар (съкращение от quasi stellar radio source *), възприето окончателно едва в края на 1970 г. с една поправка, която ще видим след малко. Най-ярките квазари бяха фотографирани и спектрално изследвани с 5-метровия телескоп на обсерваторията Маунт Паломар. Спектрите показаха един непрекъснат фон (по-късно в някои случаи бяха наблюдавани и линии на поглъщане) и малко емисионни линии, които в първия момент не бяха отъждествени с вече наблюдаваните в космическите обекти. Впоследствие обаче беше установено, че те съответствуват на познати линии (основните от Балмеровата серия за водорода и някои други), силно отместени към червената част на спектъра, и то в такава степен, че непосредственото им разпознаване беше невъзможно. Явлението можеше да бъде интерпретирано по три различни начина.

Единият се основаваше на ефекта на Айнщайн. Според теорията на относителността, ако един светлинен източник се намира в силно гравитационно поле, дължината на излъчваната от него светлинна вълна претърпява отместване към по-големите дължини (т.е. към червената част на спектъра) и това отместване е толкова по-голямо, колкото по-голяма е масата на тялото, което го предизвиква. Следователно би могло да се смята, че квазарите са свръхтежки звезди. Но това тълкуване се сблъсква с ред трудности. Преди всичко изчисленията показват, че масите, необходими за обясняване на наблюдаваното отместване, би трябвало да бъдат огромни най-вече по отношение на обема, в който трябва да се побира това вещество. Тогава, ако предположим, че най-тежките обекти са и с най-висока светимост (както става обикновено при звездите), и като приемем, че всички те се намират на едно и също разстояние (трудността, която ще възникне, ако е невалидно това второ допускане, може да се превъзмогне по статистически съображения), би трябвало да се наблюдават по-големи червени премествания при по-ярките обекти и по-малки при по-слабите. В действителност обаче се наблюдава обратното. Но има и друго. Ако това бяха толкова тежки и малко по-големи от звездите тела, веществото в тях би трябвало да е подложено на огромно налягане, което ще предизвиква забележимо разширение на спектралните линии, каквото обаче не се наблюдава. Освен това близките до тях звезди би трябвало да понасят толкова големи смущения, че ще могат да бъдат открити (поне в най-благоприятните случаи) с нашите средства за наблюдение. Тази първа интерпретация следователно направо може да се отхвърли.

Втората хипотеза се състои в предположението, че червеното преместване може да се тълкува като Доплеров ефект и следователно да става дума за звезди с огромна скорост, които са относително близо до нас. В такъв случай обаче трябва да се има предвид, че на наблюдаваните при тях червени премествания съответстват скорости от порядъка на няколко десетки хиляди километра в секунда и при условие, че тези тела не се движат точно в посока на зрителния  лъч, би трябвало да съществува и перпендикулярна на зрителния лъч компонента на скоростта, на която да отговаря чувствително видимо преместване на обекта върху небесния свод. То би могло лесно да се открие, като се сравняват наблюдения, направени в интервал от няколко  десетки години. Тези сравнения, извършени с помощта на стари снимки, на които някои квазари са били регистрирани случайно, имаха отрицателен резултат. Тъй като не може да се смята, че дви- жението на всички наблюдавани квазари става точно по зрителния льч от Земята и, от друга страна, би останал все още необяснен фактът, че всички скорости са на отдалечаване (всички наблюдавани премествания са към червеното), то и втората хипотеза не може да бъде приета.

През 1966 г. тази втора хипотеза беше подета под друга форма от Терел и подкрепена от Ф. Хойл и Дж.Р. Бърбидж. Според тези учени квазарите се премествали действително със свръхвисоки ско- рости, но не били звезди или някакви принадлежащи към Галактиката тела, а фрагменти от извънгалактично вещество, изхвърлени в пространството от колосални експлозии. Те би трябвало да са по-далеч от тридесетина милиона светлинни години. Авторите на тази интерпретация посочват дори като възможно място на началото на експлозията галактиката, означена като NGC 5128.

И тази хипотеза беше критикувана многократно. Най-естественото възражение е все още това, че не се наблюдават квазари със спектър, отместен към синята част на спектъра, т.е. които се при- ближават към нас. Ако едно извънгалактично тяло е избухнало и е изхвърлило агломерати от вещество във всички посоки, някои от тях би трябвало да се движат и към Галактиката. Но има и друго възражение.  Л. Волтиер и Дж. Сети изчислиха, че като се държи сметка за сегашните кинетични енергии на квазарите, т. е. за енергиите, свързани с техните скорости, и като се оценява, че тяхната сума трябва да се дължи на експлозията, стойността на енергията, която е трябвало да има първоначалната експлозия, би се оказала абсолютно неприемлива.                                     

  Третата интерпретация на червеното преместване е, че то има същата природа, както наблюдаваното при галактиките. В такъв случай, като се приложи законът на Хъбъл, разстоянията до квазарите би трябвало да са пропорционални на червените премествания и по този начин биха могли да бъдат определени, ако познаваме последните. Въз основа на тази интерпретация, която остава единствено възможната, квазарите се оказаха крайно далеч от нас - в по-голямата си част те са на повече от милиард светлинни години. Най-далечните наблюдавани досега от човек обекти са именно два квазара: OQ 172 и ОН 471. Техните червени премествания се оказаха съответно Z=3,53 и Z=3,40. Следователно разстоянията до тях би трябвало да са от порядъка на петнадесет милиарда светлинни години. По-голямата част от останалите квазари не са толкова далеч, но все пак обикновено отстоят на няколко милиарда светлинни години. Едно просто изчисление показва, че при тези разстояния яркостта им трябва да е огромна. Например ЗС 273, който е от видима звездна величина 12,5, съобразно разстоянието би трябвало да има абсолютна звездна величина M = -25, което отговаря на хиляда милиарда пъти яркостта на Слънцето. Подобен блясък надвишава блясъка на цяла галактика (дори и на най-големите), която при това е един огромен агрегат от вещество и от стотици милиарди звезди. На снимка, направена от А. Сандейдж, показва ясно една струя, която се проточва на около 150 000 светлинни години от най-яркото ядро. Струята е интензивен източник на paдиовълни и е съставена от йонизирани газове, чиито електрони се движат по спирални Траектории около силовите линии на магнитните полета. Материалът е изхвърлен от ядрото преди около един милион години. На светлината на 3С 273 са били необходими Няколко милиона години, за да достигне до Земята.

Квазарите следователно са и най-ярките познати обекти във Вселената. Това голямо количество енергия, освободена не само в оптичните честоти, но и в диапазона на радиовълните, се отделя от относително малък обем. Наистина, наблюдавани и с най-мощните телескопи, квазарите продължават да изглеждат звездоподобни. На практика се изчислява, че съдържат маси, равни на десетки милиони слънчеви маси в пространство с диаметър, не по-голям от няколко хиляди светлинни години.

Но изненадите не са свършили. Още през 1963 г. астрофизиците от целия свят бяха поразени от новината, че при проследяването на стари плаки, получени за период от около седемдесет години, на които случайно е бил фотографиран квазарът ЗС 273, са били забелязани чувствителни изменения в блясъка му. Внимателни фотоелектрични наблюдения, направени по-късно, потвърдиха при този и при други квазари наличието на малки вариации в кратки интервали от време. Това имаше огромно значение, защото още повече намаляваше размерите на квазарите или поне на онази зона, в която се произвежда по-голямата част от оптичната енергия и се проявява ефектът на колебание в светимостта. Действително, ако един квазар има диаметър например 1000 светлинни години и ако някакво явление, предизвикано от неизвестни за нас причини, изменя блясъка на цялата му повърхност в един и същи момент, ние ще наблюдаваме изменение на блясъка в най-близката до нас част в определен момент, а в 1000 години след това. Естествено през тези хиляда години би трябвало да наблюдаваме същото изменение да се пре- мества последователно през всички междинни зони. За да може изменението да се наблюдава на един път и само веднъж, квазарът (или поне изменящата се негова част) трябва да има относително малки размери.

През 1965 г., наблюдавайки ЗС 273, У.А. Дент откри, че и радио излъчването е променливо. Веднага след това други радиоастрономи наблюдаваха различни квазари и установиха, че явлението се наблюдава и при много други. Следователно и радиоизлъчването е променливо. Но този факт след необикновената новина за оптичната променливост почти се очакваше и направи по-слабо впечатление.

Голям ефект предизвика обаче новината, че един квазар (ЗС 446) увеличил блясъка си с цели 3,2 звездни величини от началото на октомври 1965 г. до края на юни 1966 г. За съжаление за целия този интервал от време липсват наблюдения, но има основания да се твърди, че усилването е било твърде бързо, тъй като още през септември 1965 г. един астроном, който е наблюдавал квазара спектрално, го е оценил с нормален блясък, т. е. в минимум. Следователно ЗС 446, е. бил способен да увеличи своята яркост още цели двадесет пъти и въпреки че е тяло с милиарди пъти по-висока светимост от Слънцето и вероятно почти изведнъж. Естествено, след като показа подобно из- светване, той беше следен непрекъснато от астрономите, които можаха да установят продължаващи, изключително неспокойни колебания около максимума.

Наблюденията на променливостта на квазарите разкриват все по-интересни особености. Най-малко една трета от тях, наблюдавани продължително време, показват явлението променливост. Измененията в светимостта са главно със скромни размери (по-малки от една звездна величина) и неравномерни. Изсветвания като онова при 3С 446 не са наблюдавани при други квазари и следователно трябва да са твърде редки. Едно все пак е сигурно- тяхната променливост e реална и очебийна и тъй като е необяснима, ни заставя да разглеждаме квазарите като относително много малки обекти, т.е. с диаметри от няколко стотици светлинни години. Фактът, че толкова малки обекти могат да произвеждат  такова голямо количество енергия и да бъдат вероятно много тежки, се превръща във все по-неразгадаема тайна.

През 1965 г., т. е. няколко години след откриването на квазарите, астрономът Сандейдж направи друго важно откритие – обекти със сходни оптични характеристики (звездоподобен външен вид, излишък от ултравиолетово излъчване, червено преместване на спектралните линии), но които за разлика от квазарите не изглеждаше да излъчват радиовълни. Той ги нарече QSG (Quasi stellar galaxies)*. Тези обекти бяха много по-многобройни от квазарите, а освен това при техните оптични характеристики трябваше да се приеме, че вероятно са и от същото семейство. Едно потвърждение в този смисъл беше дадено още в края на същата година от болонските радиоастрономи, които откриха и в някои от тях радиоизлъчване, но много по-слабо от наблюдаваното при квазарите. Днес това слабо радиоизлъчване вече е установено и за голяма част от останалите. Във всеки случай названието квазар сега вече беше предложено от М. Шмит за означаване на обектите от този тип независимо от това, дали са радиоизлъчващи, или не и така бе официално прието от „The Astrophysical Journal" (ноември 1970 г.) - едно от най-авторитетните периодични издания по астрофизика в света.

-

Смята се, че броят на тези обекти е твърде голям. Ако не бъдат открити по радиоизлъчването, тяхното разкриване е продължително и трудоемко, тъй като е трудно да бъдат отличени от звездите с бързи средства за наблюдение. Все пак въз основа на броя на откритите в досега изследваните зони може да се заключи, че общият им брой до тези, които се виждат от 22 звездна величина, трябва да е около десет милиона. Десет милиона обекта, тежки колкото галактики и по-ярки от тях, но точковидни, т.е. без съмнение много по- малки може би дори от ядрата на галактиките на Сифърт, на които приличат. Каква е тяхната природа и преди всичко какво представляват те в цялостното устройство на Вселената? Не знаем. Но все пак можем да се опитаме да си представим тяхната структура поне в най-общи линии. Астрофизиците теоретици поне се опитват да го сторят, като изхождат от основните наблюдаеми и надеждно установени характеристики, които ще припомним накратко.

Квазарът е обект със звезден вид, който може да бъде и източник на радиовълни.  Показва непрекъснат спектър, понякога набразден от линии на поглъщане и преди всичко насложен върху първия, отговарящ на спектъра на силно възбудените мъглявини, но силно отместен към червената област. Последният факт стана причина квазарите да се разглеждат като крайно отдалечени извънгалактични обекти. Техният спектър в сравнение със звездния показва излишък от ултравиолетово и инфрачервено лъчение - с други думи, той е по-скоро равен. Най-вече по тази причина и поради огромните разлики в сравнение с линейните спектри на звездите спектърът на един квазар не наподобява, както е при галактичните, този на звездите. Следователно един квазар не може да бъде звезден агрегат, каквито са галактиките, макар и да изглежда като точка поради компактността си и огромното разстояние. И накрая променливостта в блясъка на квазарите потвърждава малките им размери, без обаче да опровергава тяхната природа на извънгалак- тични обекти, тъй като и ядрата на галактиките на Сифърт (както вече видяхме) могат да бъдат променливи.

От тези наблюдения и от радионаблюденията, върху които не се спряхме, изглежда възможно да се заключи, че един квазар се състои преди всичко от три части. Едно централно тяло с диаметър от около два светлинни месеца, т. е. около сто и двадесет пъти по- голям от диаметъра на Слънчевата система. Неговата маса трябва да е сто милиона пъти по-голяма от слънчевата, а видимата му звездна величина -24. Енергията, която излъчва в целия оптичен диапазон, т.е. включващ и ултравиолетовата, и инфрачервената област на спектъра, се оценява, че възлиза на 1039 вата (J/s) и следователно е десет хиляди милиарда пъти по-голяма от излъчваната от Слънцето в същата област.

Централното тяло е обвито в газообразна, много по-лека обвивка, която се разширява със скорост от 1000 до 10000 km/s и се простира до около 3000 светлинни години от центъра. Тази атмосфера с неправилна нишковидна структура би трябвало да има маса, един милион пъти по-голяма от слънчевата. Всичко това е обвито от корона, съставена от частици със свръхвисока енергия. Структурата и също е неправилна, плътността и е извънредно малка, а радиусът й. е от няколко десетки хиляди светлинни години. Именно тази част на квазара е източникът на радиоизлъчването и когато такова не се наблюдава, значи, че короната липсва. В този случай обектът се състои само от другите две части и принадлежи към групата на откритите от Сандейдж. Короната вероятно не представлява някаква стабилна и постоянна част на квазара, а се създава от едно или повече стихийни явления-изключителни, но твърде редки,които ускоряват електроните до скорости, близки до светлинната, и чиито ефекти може би могат да траят от хиляда до милион години. Така би трябвало да изглежда един квазар поне по своята основна структура. Но все още е неизвестно какво представлява той, как възниква, как успява да излъчи огромните количества енергия, която наблюдаваме, и накрая, щом не може да остане вечно такъв, какъвто го наблюдаваме, в какво се превръща.

За това също бяха формулирани различни теории. От тях твърде убедителна изглежда предложената от Л. Грейтън през 1967 г. Този учен на базата на уравненията за механично равновесие на една кълбовидна маса флуид в релативистичния случай и като допусна, че пренасянето на енергия във вътрешността на централното тяло става предимно чрез конвекция, разработи модел на квазистатичен квазар, който излъчва енергия, като се разширява.

Този модел и фактът, че един квазар, макар и много по-малък от галактика, е милиарди пъти по-ярък и стотици милиони пъти по-тежък от Слънцето, внушават една дръзка хипотеза за еволюцията. Може би, като се разширява през серия от равновесни състояния в продължение на десет или сто милиона години, един квазар се превръща в огромен облак от тъмен и студен газ. В определен момент от него биха могли да започнат да се образуват кондензатите, от които се раждат звездите. На това място процесът на разширяване би се прекъснал, а квазарът ще се окаже превърнат в агломерат от газ и звезди. От квазара ще се е родила галактика.

Източник:

Отвъд Луната -Паоло Мафей