РЕФЕРАТ
На тему: «Квазары»
Выполнил:
Обучающийся 9-В класса
Мацюк Алексей
Евпатория
Квазар — космическое тело сравнительно малых размеров, один из самых сильных источников радиоизлучения. Сам термин представляет собой транслитерацию английской аббревиатуры (quasar — quasi-stellar radio sources), что переводится как «радиоисточники, подобные звездам».
По современным представлениям, квазары представляют собой активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество, формируя аккреационный диск. Он и является источником излучения, исключительно мощного (иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша) и имеющего, помимо космологического, гравитационное красное смещение.
В первую очередь квазары были определены как объекты с большим красным смещением, имеющие электромагнитное излучение (включая радиоволны и видимый свет) и настолько малые угловые размеры, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд (напротив, протяжённые источники больше соответствуют галактикам; звёздная величина самого яркого +12,6, в то время как, для сравнения, звёздная величина самой яркой звезды −1,46). Следы родительских галактик вокруг квазаров (причём далеко не всех) были обнаружены лишь позднее.
Квазары называют маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний (вплоть до красного смещения, превышающего z = 7,5), по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения: сильные спектральные линии поглощения водорода разворачиваются в лес линий по красному смещению поглощающих облаков. Ввиду большой удалённости, квазары, в отличие от звёзд, выглядят практически неподвижными (не имеют параллакса), поэтому радиоизлучение квазара используется для высокоточного определения с Земли параметров траектории автоматической межпланетной станции.
Обнаружение квазаров
Впервые излучение от квазаров было зафиксировано в середине XX века, но сам источник в течение некоторого времени оставался неизвестным. Была выдвинута гипотеза, что потоки радиоволн исходят от объектов, похожих на звезды. Вскоре она была опровергнута, так как собственно звезды не могут излучать настолько мощные радиоволны. Тогда предположили, что источником является одна из галактик. Благодаря постоянной смене оптического блеска ученые смогли установить, что квазары обладают маленьким размером. На основе этих данных было доказано, что источник излучения не может быть больше световых суток, так как в противном случае свет, исходящий из разных его точек, поступал бы в разное время, а переменность блеска была не столь очевидна. Соответственно, существовавшая гипотеза о галактике как источнике радиоволн не могла больше считаться истинной.
Как это обычно и бывает, сразу после обнаружения квазаров начались попытки введения новых законов физики, хотя поначалу непонятно было даже, из какого же именно вещества они состоят, столь необычным был спектр излучения квазаров. Впрочем, прошло совсем немного времени, и химический состав излучающих областей квазаров был опознан по спектральным линиям известных химических элементов. Водород и гелий на квазарах идентичны земным, вот только спектры их излучения сильно смещены в красную сторону из-за большой скорости убегания.
На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой квазар — это сверхмассивная черная дыра, втягивающая в себя окружающее вещество (аккреация вещества). По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Если черная дыра при этом имеет мощное магнитное поле, то оно дополнительно закручивает падающие частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов.
Под действием мощных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям — спиралям. При этом закон сохранения момента импульса заставляет вращающиеся частицы двигаться все быстрее по мере приближения к центру черной дыры, одновременно собирая их в аккреационный диск, так что вся «конструкция» квазара чем-то напоминает Сатурн с его кольцами. В аккреационном диске скорости частиц очень велики, и их столкновения порождают не только энергичные фотоны (рентгеновское излучение), но и другие длины волн электромагнитного излучения. При столкновениях энергия частиц и скорость кругового движения уменьшаются, они потихоньку приближаются к черной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам черной дыры и вылетает оттуда с огромной скоростью. Так образуются наблюдаемые учеными джеты, длина которых достигает 1 млн. световых лет. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом, излучая радиоволны.
В центре аккреационного диска(структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело) температура относительно невысокая, она достигает 100 000К. Эта область излучает рентгеновские лучи. Чуть дальше от центра температура еще немного ниже — примерно 50 000К, там излучается ультрафиолет. С приближением же к границе аккреационного диска температура падает и в этой области происходит излучение электромагнитных волн все большей длины, вплоть до инфракрасного диапазона.
Не надо забывать и о том, что свет от далеких квазаров приходит к нам сильно «покрасневшим». Для количественного определения степени покраснения астрономы используют букву z. Именно выражение z+1 показывает, во сколько раз увеличилась длина волны электромагнитного излучения, долетевшего от источника (квазара) до Земли. Так, если появляется сообщение, что обнаружен квазар с z=4, то это означает, что его ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нанометров превращается в инфракрасное излучение с длиной волны 1 500 нанометров. Кстати, для исследователей на Земле это большая удача, ведь ультрафиолетовая часть спектра поглощается атмосферой, и эти линии никогда бы не наблюдались. Здесь же длина волны за счет красного смещения увеличилась, как будто специально для того, чтобы пройти сквозь земную атмосферу и быть зарегистрированной в приборах.
Согласно другой точке зрения квазары — это первые молодые галактики, и мы просто наблюдаем процесс их зарождения. Впрочем, существует и промежуточный, хотя вернее было бы сказать «объединенный» вариант гипотезы, согласно которому квазар — это черная дыра, поглощающая вещество формирующейся галактики. Так или иначе, но предположение о сверхмассивной черной дыре в центре галактики оказалось плодотворным и способным объяснить многие свойства квазаров.
Так, например, масса черной дыры, находящейся в центре типичной галактики, составляет 106—1010 солнечных масс и, следовательно, ее гравитационный радиус варьируется в пределах 3х106—3х1010 км, что согласуется с предыдущей оценкой размеров квазаров.
Новейшие данные также подтверждают компактность тех областей, из которых исходит свечение. Например, 5-летние наблюдения позволили определить орбиты шести звезд, вращающихся около похожего центра излучения, находящегося в нашей галактике. Одна из них недавно пролетела от черной дыры на расстоянии, составляющем всего 8 световых часов, двигаясь со скоростью 9 000 км/с.
Версии ученых о квазарах
Существует и другая схема. Квазар, по мнению некоторых ученых, - это формирующаяся молодая галактика. Эволюция галактик мало изучена, так как человечество намного моложе, чем они. Возможно, квазары – это раннее состояние образования галактик. Можно предположить, что выброс их энергии происходит из самых молодых ядер активных новых галактик.
Другие астрономы и вовсе считают квазары точками пространства, в которых новая материя Вселенной берет свое начало. Их гипотеза доказывает полную противоположность черной дыре. Человечеству понадобится немало времени, чтобы изучить стигматы квазаров.
Динамика поглощения
Как только вокруг черной дыры появляется материя в любой форме, черная дыра начинает излучать энергию, поглощая вещество. На начальной стадии, когда формировались первые галактики, вокруг черных дыр было много вещества, являющегося для них своеобразной «пищей», и черные дыры светились очень ярко — вот они, квазары! Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен с номером S50014+81 излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного пути с его сотней миллиардов звезд!
Когда вещества в окрестности центра становится меньше, свечение ослабевает, но тем не менее ядро галактики продолжает оставаться самой яркой ее областью (это явление, называемое «Активное галактическое ядро», астрономам известно давно). Наконец, настает момент, когда черная дыра поглощает из окружающего пространства основную часть вещества, после чего излучение почти прекращается и черная дыра становится тусклым объектом. Но она ждет своего часа! Как только в окрестностях появится новое вещество (например, при столкновении двух галактик), черная дыра засияет с новой силой, с жадностью поглощая звезды и частицы окружающего межзвездного газа. Так что, стать заметным квазару удается только за счет своего окружения. Современная техника уже позволяет различить вокруг далеких квазаров отдельные звездные структуры, являющиеся питательной средой для ненасытных черных дыр.
Впрочем, в наше время, когда столкновения галактик редки, квазары возникать не могут. И судя по всему, это действительно так — почти все наблюдаемые квазары находятся на очень существенном удалении, а значит, прилетающий от них свет был испущен очень давно, еще в те времена, когда рождались первые галактики. Именно поэтому квазары иногда называют «динозаврами Вселенной», намекая не только на их крайне почтенный возраст, но и на то, что они, образно говоря, «вымерли».
Размер
Учитывая тот факт, что яркость квазара может значительно измениться всего за пару дней, астрофизики сделали вывод, что это весьма небольшие объекты, по размеру примерно равные Солнечной системе. Несмотря на это квазары достаточно активные объекты, их активность длится не менее нескольких миллионов лет, и использует для этого огромные массы вещества – многие миллионы солнечных масс. Получается, что квазары – это достаточно компактные объекты, которые, как следует из исследования ближайших из них, находятся в ядрах крупных галактик.
Среда обитания
Столь мощные источники лучистой энергии, как квазары, — опасные соседи, поэтому нам, землянам, можно только радоваться тому обстоятельству, что в нашей Галактике и в ближайшем скоплении галактик они отсутствуют. Их обнаруживают в основном на самом краю видимой части нашей Вселенной, в тысячах мегапарсек от Земли. Но тут волей-неволей возникает естественный вопрос — а не противоречит ли это наблюдение распространенному мнению об однородности Вселенной? Как получилось, что в одних галактиках квазары существуют, а в других нет? Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить, что свет от наблюдаемых нами квазаров летел миллиарды лет. А это означает, что взору землян квазары предстают в «первозданном» виде, такими, какими они были миллиарды лет назад, и сегодня они скорее всего уже утратили свою былую силу. Следовательно, те галактики, которые расположены недалеко от квазаров, «видят» гораздо более слабые источники света. Но тогда, если Вселенная однородна, то же самое должно относиться и к нашей Галактике! И тут остается повнимательнее присмотреться к ближайшим к нам космическим структурам, в попытке отыскать объекты, напоминающие остывшие квазары, эдакие квазары-призраки. Оказывается, такие объекты действительно существуют. Квазары, являющиеся одними из самых древних образований, родились почти одновременно с Вселенной, то есть примерно 13 млрд. лет назад. Причем они не только крайне отдалены от нашей Галактики — согласно закону расширения Хаббла (чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется), расстояние между нами продолжает неуклонно увеличиваться. Так вот, наиболее далекие квазары «убегают» от нас со скоростью всего на 5% меньшей скорости света.
Модель квазара
Наиболее вероятная модель, которая смогла бы описать его наблюдаемые свойства, можно представить следующим образом: в центре вращающегося газового диска располагается массивный компактный объект (скорее всего черная дыра). Его центральная горячая часть представляет из себя источник электромагнитного излучения и быстрых космических частиц, которые могут распространятся только вдоль оси диска в следствии чего образуют два противоположно направленных «рукава».
Источник энергии
Эта теория, хотя и не единственная, но наиболее известна в настоящее время. Согласно ей квазар получает свою энергию за счёт гравитационного поля массивной черной дыры. Благодаря своему притяжению черная дыра разрушает пролетающие мимо звезды а, возможно, и целые галактики. Появившийся при этом процессе газ формируется в диск, окружающий черную дыру и со временем стягивается к ней. Из-за сжатия и быстрого вращения центральной части диска, он разогревается и даёт достаточно мощное излучение. Вещество диска отчасти «впитывается» черной дырой, увеличивая при этом ее массу, и частично покидает квазар в виде узко направленных потоков газа и космических лучей. Эта модель квазара изучается все более досконально, но всё же пока не может разъяснить все наблюдаемые свойства. По-прежнему неразгаданными являются формирование и эволюция квазаров.
Расстояния до квазаров
Расстояния до удалённых объектов Вселенной определяются с помощью эффекта Доплера. Для всех наблюдаемых квазаров характерно сильное красное смещение, то есть, они удаляются. И скорость их удаления просто фантастическая. Для сравнения, галактики летят с максимальными скоростями «всего» в десятки тысяч км/сек.
Некоторые астрономы считают, что и потоки энергии от квазаров, и расстояния до них несколько преувеличены. Дело в том, что нет уверенности в методах изучения сверхдалёких объектов, за всё время интенсивных наблюдений не удалось достаточно определённо установить расстояния до квазаров.
Переменная яркость
Наиболее яркие квазары испускают ежесекундно столько же световой энергии, сколько сотня обычных галактик типа нашего Млечного пути (это примерно 1042 ватт). Чтобы обеспечить выход такого количества энергии, черная дыра каждую секунду поглощает массу, равную массе Земли, за год же «съедается» около 200 солнечных масс. Подобный процесс не может проходить бесконечно долго — когда-нибудь окружающее вещество иссякнет, и квазар либо перестанет функционировать, либо же станет излучать относительно слабо.
Итак, свечение квазара со временем уменьшается, но что же может заставить его время от времени увеличивать яркость? Чтобы понять механизм этого процесса, вспомним, что черная дыра поглощает любую материю, а не только элементарные частицы. В галактике же, центр которой занят черной дырой, особого порядка нет. Конечно, в целом звезды вращаются вокруг центра, но всегда есть те звезды-одиночки или их небольшие скопления, которые нарушают заведенный порядок. Они-то и бывают наказаны — их захватывает и поглощает черная дыра. При этом если звезда «проглатывается» целиком, без предварительного разрушения, то света выделяется мало. Причина состоит в том, что как бы звезда ни была велика, ее электрический заряд равен нулю. Поэтому она не излучает активно свет и не теряет быстро энергию и момент импульса, испуская в окружающее пространство в основном гравитационные волны. А значит, она вращается вокруг черной дыры достаточно долго, потихоньку падая на нее. Но если звезда при подходе к так называемому Шварцшильдовскому горизонту черной дыры — гравитационному радиусу, прохождение которого закрывает путь обратно навсегда — разрушается приливными силами, то дополнительное излучение может быть очень заметно. После поглощения нарушителя порядка, свечение квазара возвращается к норме.
Еще совсем недавно считалось, что черные дыры являются одной из конечных стадий существования звезд, а затем, с течением времени, эти черные дыры сливаются в сверхмассивные. Но тогда откуда же взялись массивные черные дыры в период формирования первых галактик? Проблема легко разрешается в рамках моделей первичных, то есть появившихся до начала звездообразования, черных дыр. Возможна и другая точка зрения — черные дыры и звезды образуются практически одновременно и по одному и тому же сценарию. Облака водорода и темной материи сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие — массивные черные дыры.
Роль квазаров
Разобравшись в общих чертах с устройством квазаров, ученые пытаются использовать их в качестве инструмента для исследования Космоса. Например, наблюдая эффект микролинзирования, можно обнаружить темные объекты с массой, примерно равной массе Юпитера. Они выдают себя, отклоняя свет квазара так, что мы видим как бы кратковременное увеличение его блеска. Если такие тела будут обнаружены, то, возможно, будет решена проблема темной материи. Сейчас для многих ученых открытие нового квазара обозначает открытие новой черной дыры. Так, изучение недавно открытого квазара с красным смещением z=6.43 указывает на то, что черная дыра, сердце этого квазара, очень массивна — примерно миллиард масс Солнца. Следовательно, массивные черные дыры появились очень рано. Этот вывод крайне важен для космологии. Ученым не так давно стало понятно, что энергия вакуума, хоть и чрезвычайно мала, но отлична от нуля. Этот революционный для науки вывод был впервые сделан на основе исследования скорости удаления квазаров. Оказалось, что красное смещение, а значит, и скорость космических объектов по мере удаления от Земли растут даже быстрее, чем того требует закон Хаббла. Затем другие наблюдения, в том числе за реликтовым излучением, еще более утвердили научную общественность в правильности этого вывода. Так что получается, что наша Вселенная не просто степенно расширяется, а разлетается со все увеличивающейся скоростью. Открытие квазаров очень сильно повлияло на космологию, породив множество новых моделей зарождения и развития Вселенной. И сегодня ученые почти уверены в том, что черные дыры играют существенную роль в формировании галактик и их последующей судьбе.
Список использованной литературы:
https://v-kosmose.com/kvazaryi/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Квазар
https://indicator.ru/tags/kvazar/
https://galspace.spb.ru/index60-3.html
https://pikabu.ru/story/kvazar__samyiy_smertonosnyiy_obekt_vo_vselennoy_dlinnopost_1296170