Что такое квазары

Загадочные гиганты космоса: современные исследования квазаров

Что такое квазары?

Квазары — это яркие точечные объекты, расположенные на огромных расстояниях от нашей планеты. Они относятся к классу активных ядер галактик (AGN) и представляют собой мощные излучатели электромагнитного спектра, включая видимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны. Название «квазар» произошло от англоязычного термина "quasi-stellar object" («квазизвездный объект»), поскольку первые открытые представители этого класса выглядели похожими на звезды, хотя имели совершенно иной характер излучения.

Исторический экскурс

Начало истории квазаров: программа радиообсерватории «Джодрелл-Бэнк»

Радиообсерватория «Джодрелл-Бэнк» стала стартовой площадкой для начала исследований загадочных объектов, впоследствии получивших название квазаров. Эта обсерватория запустила программу, направленную на определение видимых угловых размеров радиоисточников. Результаты оказались сенсационными: первый квазар, известный ныне как 3C 48, был обнаружен Алланом Сэндиджом и Томасом Метьюзом в конце 1950-х годов.

Однако настоящий прорыв произошёл чуть позже, в 1963 году, когда список известных квазаров пополнился пятью новыми объектами. Уже тогда стало ясно, что перед исследователями нечто особенное. Объекты демонстрировали ряд необычных характеристик, которые долгое время оставались необъяснимыми.

Открытия 1963 года: начало понимания феномена

Осенью 1963 года выдающийся голландский астроном Мартен Шмидт сделал революционное открытие: он доказал, что линии в спектрах квазаров смещаются в красную сторону. Ранее считавшиеся непонятными спектральные линии 3C 48 вскоре были успешно интерпретированы как линии водорода и магния, резко сдвинутые в красную часть спектра. Красное смещение означало, что 3C 273 находился гораздо дальше, чем считалось раньше, и обладал невероятной энергией, превышавшей яркость обычной галактики.

Параллельно Юрий Ефремов и Александр Шаров сделали важное наблюдение: они зафиксировали переменчивость блеска квазаров с периодичностью всего в несколько дней. Такие резкие изменения подтвердили предположения о малых размерах областей, генерирующих столь сильное излучение.

Особенности строения и поведения квазаров

Одним из ключевых факторов, привлекавших внимание учёных, оказалась высокая степень компактичности квазаров. Несмотря на свою яркость, сравнимую с целыми галактиками, размеры областей, откуда исходит основное излучение, ограничивались областью порядка размера Солнечной системы. Это свойство подчеркивало уникальность и значимость этих объектов для науки.

Сегодня ученые располагают обширной базой данных о квазарах. Ближайший и самый яркий представитель этого типа объектов — 3C 273, обладающий красным смещением z = 0,158, соответствующим расстоянию около трех миллиардов световых лет. Однако известны и гораздо более отдалённые квазары, располагающиеся на расстоянии свыше двенадцати миллиардов световых лет от Земли.

Определение точного числа открытых квазаров затруднено рядом обстоятельств. Во-первых, регулярно открываются новые объекты подобного рода. Во-вторых, четкого разделения между квазарами и иными типами активных галактик пока не существует. Поэтому разные списки квазаров отличаются друг от друга. Так, опубликованный в 1987 году каталог Хьюитта и Бэрбриджа включал 3594 квазара, а к 2005 году группа исследователей сообщила о наличии базы данных с 195 тысячами зарегистрированных квазаров.

Эти цифры свидетельствуют о постоянном прогрессе в понимании природы квазаров и росте научного интереса к этим уникальным объектам Вселенной.

Механизм свечения квазаров

Основной причиной яркости квазаров является наличие массивных чёрных дыр в центрах родительских галактик. Когда материя падает на такую чёрную дыру, образуется акреционный диск — вращающийся слой горячего газа и плазмы вокруг горизонта событий. Именно в этом диске происходит выделение колоссального количества энергии, которое мы наблюдаем как квазар.

Кроме того, некоторые квазары испускают релятивистские струи — узконаправленные потоки частиц, движущиеся почти со скоростью света. Эти струи создают мощное радиоизлучение и часто наблюдаются в области вне плоскости диска аккреции.

Современные методы изучения квазаров

1. Изучение свойств центральной чёрной дыры

Исследуя поведение фотонов и частиц вблизи квазаров, учёные получают представление о массе, заряде и скорости вращения центральных чёрных дыр. Одним из способов оценки массы является измерение ширины спектральных линий излучения водорода и гелия, возникающих в горячих областях аккреционного диска.

2. Наблюдение релятивистских струй

Наблюдения в диапазоне микроволновой длины позволяют увидеть образование и эволюцию джетов, изучая движение отдельных компонент в масштабе долей секунды угла (arcsecond). Это даёт понимание процессов ускорения частиц и динамики магнитных полей.

3. Анализ межгалактического пространства

Поскольку квазары располагаются далеко от нас, их свет проходит огромные расстояния сквозь пространство-время, сталкиваясь с газовыми облаками и пылевыми структурами вдоль пути. Изучение спектров поглощения, вызванных этими столкновениями, позволяет выяснить химический состав и плотность среды на разных этапах эволюции Вселенной.

4. Модели структуры активного ядра

Современная теория предполагает, что активное ядро состоит из центрального тела (чёрной дыры), аккреционного диска, тора (кольцеобразного облака плотного газа и пыли), джета и горячей короны. Точное моделирование всех компонентов требует сложных вычислений и численных симуляций, однако прогресс технологий продолжает приносить новые результаты.

Будущее квазарных исследований

Развитие техники наблюдения продолжается быстрыми темпами. Новый класс гигантских телескопов, таких как E-ELT (European Extremely Large Telescope) и LSST (Large Synoptic Survey Telescope), позволит наблюдать ещё более слабые и дальние квазары, обеспечивая новую информацию о ранних стадиях существования Вселенной.

Кроме того, дальнейшее развитие теоретических моделей должно привести к созданию реалистичных трёхмерных симуляций активности ядра галактики, позволяя предсказывать физические параметры квазаров и тестировать гипотезы о природе гравитации и квантовой физики.

Квазары играют важную роль в изучении крупномасштабной структуры Вселенной и её происхождения. Благодаря своим мощным источникам излучения, они служат маяками в пространстве, позволяющими картографировать распределения тёмной материи и газов на протяжении миллиардов световых лет. Например, исследователи используют квазары для измерения эффекта гравитационной линзы, который возникает, когда свет от далекого квазара искривляется близлежащей массой (обычно галактикой).

Также изучение вариаций красного смещения квазаров помогает учёным проверять модели расширения Вселенной и выявлять возможные отклонения от общепринятых представлений о тёмной энергии и постоянной Хаббла.

Подводя итог, можно сказать, что квазары остаются важнейшими элементами современной астрофизики. Эти удивительные объекты открывают нам окно в прошлое Вселенной, позволяя взглянуть на ранние этапы её развития и углубляя наше понимание фундаментальных законов природы. Исследования продолжаются, и каждый новый наблюдательный цикл приносит всё больше интересных открытий, приближающих человечество к разгадкам тайн нашего космического дома.