Спектроскопия квазаров
АЛЕКСАНДР ИВАНЧИК
Физик Александр Иванчик об определении первичного состава вещества, космологических эпохах и измерении фундаментальных констант.
В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем лекцию доктора физико-математических наук Александра Иванчика, посвященную наблюдению и изучению внутреннего устройства квазаров.
Квазары — это уникальные объекты, самые мощные квазистационарные источники энерговыделения во Вселенной. Они представляют собой активные ядра галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Масса таких черных дыр может достигать от миллиона до миллиардов, нескольких десятков миллиардов масс Солнца. Поэтому, когда вокруг черной дыры организуется аккреционный диск, он разогревается до гигантских температур, в результате чего начинает светиться практически во всех диапазонах электромагнитного излучения. При этом из области галактики, которая в сто тысяч раз меньше размеров самой галактики, идет излучение, превышающее излучение всей родительской галактики в десятки, сотни, а иногда в тысячи раз. Поэтому, во-первых, такие объекты сами по себе представляют интерес для изучения. А во-вторых, они видны с огромных расстояний и фактически представляют собой рентген для Вселенной. Они просвечивают всю Вселенную насквозь. При этом спектры, которые формируются в результате такой просветки из-за конечной скорости распространения света, представляют собой не только пространственную часть, прошедшую светом, но еще и временную. Это в некотором смысле пространственно-временные фотографии Вселенной.
Свет от квазара до нас идет около 10–13 миллиардов лет. При этом, проходя через различные области межгалактического вещества, межзвездного вещества формирующихся галактик, это вещество оставляет в квазаре отпечатки в виде абсорбционных линий, и исследование подобных абсорбционных линий позволяет исследовать физическое состояние вещества и его химический состав в различные этапы эволюции Вселенной, то есть пока свет идет к нам. Практически от края видимой Вселенной до нас мы можем видеть, как эволюционировало вещество, как эволюционировали физические условия в этом веществе, как эволюционировал его химический состав.
Одна из ключевых задач, которые решались с помощью спектроскопии квазаров, — это задача по определению первичного состава вещества, а именно определение первичного дейтерия. Поскольку первичный дейтерий — это тот самый элемент, который характеризует соотношение между дейтерием и водородом, характеризует первичный состав вещества и который образовался в первичном нуклеосинтезе, и от его отношения зависит количество барионов во Вселенной. То есть, измеряя отношение первичного состава вещества, первичного водорода к первичному дейтерию, можно определить, каково же количество барионов во Вселенной. На сегодняшний день мы ответ этот знаем. Он заключается в том, что привычное барионное вещество (вещество, которое представляет собой все частицы Стандартной модели) составляет всего лишь 4% от всего вещества во Вселенной, а 96% составляют какие-то неведомые нам формы материи. Часть из них представляет собой темную материю, часть — темную энергию. При этом определение этого первичного состава дейтерия — это не очень простая задача, но тем не менее сейчас она решается с довольно большим успехом.
Свет проходит через межгалактические облака атомарного водорода, в этот спектр квазара впечатываются мощные абсорбционные линии атомарного водорода. То есть атомарный водород выедает в этом спектре глубокие абсорбционные линии. При этом рядом с атомарным водородом имеются линии дейтерия, которые тоже выедаются, и, получается, можно померить относительное их содержание и сказать, сколько дейтерия по отношению к водороду мы наблюдаем. И мы это видим в разные космологические эпохи. То есть мы видим, какое соотношение было 10 миллиардов лет назад, какое соотношение было 8 миллиардов лет назад, какое соотношение было 5–6 миллиардов лет назад. При этом исследование этих облаков не ограничивается исследованием только водорода и дейтерия. Нужно понять, до какой степени этот состав вещества первичный. И индикатором первичности или, наоборот, непервичности этого вещества являются более тяжелые элементы. То есть, наблюдая наряду с дейтерием и водородом элементы типа углерода и кислорода, а также другие более тяжелые элементы, мы можем сказать, сколько вещества прошло уже стадию звездной эволюции и какое количество дейтерия могло выгореть в результате эволюции звезд. Поэтому для анализа первичного состава дейтерия обычно используются именно малометалличные облака атомарного водорода.
Еще одной интересной задачей, которая решается с помощью исследований спектров квазаров, является исследование физических условий в межзвездных и межгалактических облаках, существовавших на ранних стадиях, то есть 10 миллиардов лет назад. Например, 10 миллиардов лет назад реликтовое излучение, температура которого сегодня составляет около 3 К, было в 3 раза больше, то есть оно составляло около 10 К. Спектр квазаров позволяет непосредственно измерять температуру реликтового излучения в те далекие области. Это нечасто можно сделать. То есть наблюдательными методами мы можем что-то мерить здесь и сейчас, а спектры квазаров позволяют нам измерять физические условия не только очень далеко от нас, но и очень далеко по времени от нас, несколько миллиардов лет назад.
Так, например, наблюдая тонкое расщепление линий углерода, мы наблюдаем и можем померить температуру реликтового излучения в те эпохи, и она согласуется с тем, что предсказывают космологические модели. Наблюдая молекулярные облака, мы тоже можем мерить и температуры внутри них, и радиационный фон, и температуру реликтового излучения. То есть, помимо атомарного углерода, молекулы CO используются для того, чтобы мерить физические условия в областях молекулярных облаков, которые существовали на ранних этапах эволюции Вселенной.
При этом еще мы можем измерять фундаментальные константы. С точки зрения современных теорий физики фундаментальных частиц константы могут быть динамическими. Фундаментальные константы могут быть динамическими переменными. Их значение определяется компактификацией пространств большего количества измерений и в принципе может эволюционировать с ходом развития Вселенной. Одна из первых моделей эволюции физических констант была предложена Дираком еще в 1937 году. Спектры квазаров позволяют измерять константы в далеком прошлом, то есть 12 миллиардов лет назад. И, сравнивая значения их тогда и сравнивая их значения сейчас, мы можем либо зафиксировать изменение таких констант, либо поставить очень жесткие ограничения на их возможные изменения, что приведет к отбору различных вариантов теорий, которые предсказывают такие изменения.
То, что я сейчас рассказывал, относится к теоретической спектроскопии квазаров. Теперь несколько слов о том, как наблюдают эти квазары. Поскольку излучение квазаров происходит во всем электромагнитном диапазоне волн, квазары можно наблюдать, используя все оптические телескопы, радиотелескопы, инфракрасные телескопы, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-телескопы. В России мы начали наблюдать квазары на шестиметровом телескопе специальной астрофизической обсерватории. А потом, начиная с 1994 года, «Кеки», американские десятиметровые телескопы, стали наблюдать квазары. Это стало одной из задач, которая решалась там. Восьмиметровые оптические телескопы европейского агентства наблюдают их, Хаббл наблюдает эти квазары. Необходимость использования самой современной наблюдательной техники, самых больших оптических телескопов, внеземных орбитальных станций обусловлена тем, что, несмотря на то что квазары являются одними из самых ярких источников во Вселенной, они находятся чрезвычайно далеко от нас, и поэтому чем дальше находится квазар, тем сложнее его наблюдать, и для этого требуются как раз самые современные наблюдательные возможности. Они позволяют как наблюдать и изучать внутреннее устройство квазаров, так и получать спектры этих квазаров различного качества. Спектроскопия высокого разрешения сейчас требует предельных мощностей от этих телескопов, и для спектроскопии высокого разрешения сейчас планируются уже более крупные проекты, более крупные телескопы, для того чтобы все глубже и глубже проникать в тайны далекой Вселенной.