Квазары
И релятивистские струи
ЮРИЙ КОВАЛЕВ
Астрофизик Юрий Ковалев об истории изучения квазаров, излучении релятивистских струй и эффекте селекции.
По моему мнению, квазары являются одними из самых интересных объектов Вселенной. Около полувека назад они были одним из космических чудес. Это было связано с тем, что астрономы понимали: на небе есть звезды и большие галактики. Они ожидали, что галактика как целое может изменять уровень своего излучения в несколько раз. Этот уровень может изменяться за очень большой период времени, миллионы лет, потому что галактики громадные, и из соображений причинности максимальная скорость, с которой может двигаться материя во Вселенной, ограничена скоростью света. Поэтому, чтобы оба края галактики одновременно изменили уровень своего излучения, нужны миллионы лет.
Однако мы увидели объекты, которые по красному смещению находятся очень далеко, и это другие галактики. При этом уровень их излучения меняется быстро: за дни, недели, месяцы. Это означает, что эти объекты должны быть очень маленькими. Возникло такое противоречие. Объяснение пришло со словом «квазары» — квазизвездные объекты. Это галактики, но выглядят они как звезды, уровень их излучения меняется во времени очень быстро. Как это возможно?
Мы разобрались, что квазары или ядра активных галактик представляют собой далекие галактики, в центрах которых находятся, как мы считаем, сверхмассивные черные дыры. В центре нашей Галактики находится объект массой несколько миллионов масс Солнца. А в центрах других далеких активных галактик, до которых свет будет идти миллиарды лет, находятся сверхмассивные черные дыры массой миллиарды масс Солнца. Они подпитываются веществом, падающим на них из окружающих центральный объект аккреционных дисков. Примерно 10% этой материи выбрасывается наружу в виде узких (иногда мы используем красивое слово «коллимированных») джетов горячего релятивистского вещества. Релятивистское вещество — это вещество, которое двигается со скоростью, очень близкой к скорости света.
Астрофизики около полувека назад задались вопросом, как излучают эти узкие релятивистские струи. Быстро стал понятен механизм излучения на длинных электромагнитных волнах, к которым относятся радиоволны, инфракрасное излучение, оптическое излучение, видимый свет. Это синхротронное излучение, которое так называется, потому что мы его увидели на синхротроне, то есть ускорителе. Взяли заряженную частицу, электрон, разогнали ее до скорости, близкой к скорости света, наложили магнитное поле и получили синхротронное излучение. Любая заряженная частица, которая двигается со скоростью, близкой к скорости света, в магнитном поле, будет навиваться на силовую линию магнитного поля и в результате этого движения излучать фотоны света.
На коротких длинах волн мы видим релятивистские струи, которые излучаются механизмом обратного комптоновского рассеяния. Что собой представляет этот механизм? Представьте, что у вас вырвалось из центральной машины — областей, близких к черной дыре, — какое-то количество электронов, они летят внутри этой горячей струи и излучают фотоны света. Если у вас много электронов и вокруг них летает много фотонов света, то они обязательно будут соударяться друг с другом. В результате электроны одновременно излучают фотоны, а при соударении передают фотонам свою энергию. Дальше электроны будут терять свою энергию, а фотоны — прыгать из одного диапазона излучения в другой.
Представьте, что у вас летел радиофотон, с ним соударился электрон, передал ему часть энергии. Все помнят формулу E=hv: энергия равна постоянной Планка, умноженной на частоту. Итак, у нас энергия увеличилась, с постоянной Планка ничего не произошло, поэтому должна увеличиться частота. В результате этого механизма, который называется обратным комптоновским рассеянием, радиофотоны становятся оптическими, из оптических становятся рентгеновскими, из рентгеновских — гамма-фотонами. И благодаря этому механизму у нас производится большое количество высокоэнергичных фотонов, которые мы видим в рентгеновском свете, ультрафиолете и гамма-диапазоне электромагнитного спектра.
Механизм обратного комптоновского рассеяния является причиной предсказания того, что ядра квазаров не могут излучать выше определенного теоретического предела. Это связано с тем, что если вы сможете ускорить облако плазмы в центральной машине до очень высоких энергий, то вы его вбросите в начало релятивистской струи, и оно начнет излучать на уровне выше теоретического предела. А благодаря обратному комптоновскому рассеянию электроны лавинообразно потеряют свою энергию примерно за несколько часов. Поэтому существует предсказание, что мы не должны наблюдать квазары ярче определенного предела. Так ли это на самом деле — невозможно проверить с помощью наземных телескопов. Это было одной из задач, которую успешно решил наземно-космический интерферометр «Радиоастрон».
Второй важный астрофизический эффект, который влияет на то, как выглядят квазары, называется «эффект релятивистской аберрации». Он приводит к одной странности: если мы отберем тысячу самых ярких активных галактик на небе, измерим и оценим угол направления этих релятивистских струй, джетов, то окажется, что большинство из них смотрят в глаз наблюдателя, то есть наш глаз. Откуда-то релятивистские струи квазаров знают, где находится планета Земля, и направлены на нее. Это странное ощущение.
Это хорошо известный в астрофизике эффект селекции. Представим, что у вас есть облако плазмы, которое излучает тот самый синхротронный механизм излучения. Если эта плазма стоит на месте и не двигается, она будет излучать во все стороны одинаково. Если же этот сгусток плазмы начинает двигаться со скоростью, близкой к скорости света, что и происходит в струях квазаров, произойдет релятивистская аберрация. В результате этого эффекта луч света, который исходит от плазмы, будет становиться все уже — в зависимости от того, насколько близко к скорости света окажется скорость движения этого сгустка. Кроме того, весь свет собирается в узкий пучок, и для вас излучение будет выглядеть намного ярче. Таким образом, если вы будете наблюдать Вселенную, то вы селективно будете отбирать те релятивистские струи, которые смотрят на вас. Вам будет казаться, что большинство струй на небе смотрят вам в глаз и кто-то решил направить их именно на Землю. В результате эффекта релятивистской аберрации типичная струя от квазара будет выглядеть примерно в десять раз ярче, чем она на самом деле излучает.
Остаются важные вопросы, которые до сих пор не решены. На сегодняшний день в вопросе формирования релятивистских струй помог разобраться «Радиоастрон». Нам до сих пор сложно разглядеть, что происходит близко к центральной машине. Раньше мы считали, что струи в квазарах формируются за счет уноса крутящего момента, закрутки, которая происходит благодаря центральной сверхмассивной черной дыре. Была идея, что аккреционный диск, который находится вокруг центральной машины, может играть значительную роль в этом процессе.
«Радиоастрон» помог нам в этом разобраться. Однако это все еще открытый вопрос. В ближайшие годы мы надеемся, что сможем разглядеть центральные области далеких квазаров лучше, сможем лучше понять, как работает центральный объект и является ли он сверхмассивной черной дырой, как считает большинство ученых, или это что-то другое.