32. Активные галактики и квазары

Определения и обозначения

Активная галактика — галактика, у которой ядро излучает необычно много энергии по сравнению с остальной частью. Это определение помогает отличить активность ядра от обычного света звёзд, распределённого по галактике.

Активное ядро галактики — компактная центральная область, где выделяется основная энергия активной галактики. Оно занимает малую часть галактики, но может влиять на вещество и излучение далеко за её пределами.

Квазар — очень далёкий и яркий источник излучения, связанный с активным ядром галактики. Понятие нужно, чтобы описать случаи, когда ядро настолько яркое, что его излучение преобладает над светом галактики-хозяина.

Релятивистская струя — узкий поток вещества, выбрасываемый из окрестностей активного ядра со скоростью, близкой к скорости света. По струям астрономы исследуют процессы около чёрной дыры и выделяют галактики с мощными выбросами.

Как это устроено

Обычные звёзды получают энергию в результате термоядерных реакций, при которых лёгкие ядра превращаются в более тяжёлые. Но наблюдаемая мощность некоторых активных ядер настолько велика, что для её объяснения потребовалось бы чрезмерно много звёзд и топлива. При падении вещества в сильном гравитационном поле часть его энергии движения и положения превращается в тепло и излучение. Поэтому гравитационное высвобождение энергии может быть эффективнее термоядерного процесса.

Газ и пыль не падают прямо в чёрную дыру: у вещества есть движение вокруг неё, и оно образует вращающийся аккреционный диск. Внутри диска соседние слои движутся с разной скоростью, взаимодействуют и нагреваются. Горячее вещество испускает излучение разных диапазонов, а его яркость зависит от количества поступающего газа. Так энергия выделяется ещё до того, как вещество пересечёт горизонт событий — границу, из-за которой свет уже не может выйти.

Сама чёрная дыра не выпускает наружу свет из-за горизонта событий, однако её окружение может быть очень ярким. Вблизи диска действуют сильные магнитные поля, связанные с движением заряженных частиц и вещества. Они способны направлять часть частиц и газа вдоль оси вращения системы, перпендикулярно диску. Так возникают струи, которые переносят энергию на большие расстояния и могут излучать, в частности, радиоволны.

Одна и та же система выглядит по-разному для наблюдателей, потому что её диск и струи имеют определённое направление в пространстве. Если струя направлена почти на Землю, её излучение может казаться усиленным; если мы видим систему сбоку, заметнее могут быть диск и области вокруг него. Пыль и газ также могут закрывать часть ядра. Поэтому различия наблюдаемых активных галактик не всегда означают, что источники устроены совершенно по-разному.

Квазары выглядят почти точечными, потому что их ядра очень малы по сравнению с расстоянием до них. Но их исключительная светимость позволяет заметить их даже на огромных расстояниях. Свет далёкого квазара растягивается вместе с расширением Вселенной: длина волны увеличивается, а спектральные линии смещаются к красному краю. Красное смещение помогает оценить удалённость источника и показывает, что мы видим его таким, каким он был в раннюю эпоху Вселенной.

Основные типы активных галактик и их наблюдаемые признаки

Таблица сопоставляет классы по месту, где заметнее всего излучение, и по характерным наблюдениям. Она показывает, что яркое ядро, радиоизлучение и струи могут сочетаться по-разному. Границы между классами не всегда резкие, а внешний вид зависит в том числе от ориентации системы.

Разбор задач

Задача 1. В спектре далёкого квазара линия с лабораторной длиной волны 500 нм наблюдается на длине волны 600 нм. Найдём красное смещение по формуле z = (λнабл − λист)/λист.

1. Лабораторная длина волны λист = 500 нм — исходная длина, а наблюдаемая λнабл = 600 нм.
2. Подставим значения: z = (600 − 500)/500.
3. Вычислим: z = 100/500 = 0,2. Положительное значение согласуется с тем, что линия сместилась к большей длине волны.

Ответ: красное смещение равно 0,2.

Задача 2. У двух галактик одинаковая видимая яркость, но одна находится значительно дальше. Какая должна иметь большую светимость? Светимость — это полная энергия, излучаемая объектом за единицу времени, а видимая яркость показывает, сколько излучения достигает наблюдателя.

1. Представим, что обе галактики испускают свет равномерно во все стороны.
2. По мере удаления свет распределяется по всё большей поверхности, поэтому до нас от более далёкой галактики приходит меньшая доля её излучения.
3. Чтобы далёкая галактика выглядела так же ярко, как близкая, она должна изначально излучать больше энергии.

Ответ: большей светимостью должна обладать более далёкая галактика. Одинаковая видимая яркость не означает одинаковую мощность источников.

Задача 3. У активной галактики наблюдаются компактное яркое ядро, сильное радиоизлучение и струи вещества. Нужно связать эти признаки и объяснить роль направления наблюдения.

1. Компактное ядро указывает на область, где выделяется основная энергия; вероятный источник энергии — вещество, нагревающееся при падении к сверхмассивной чёрной дыре.
2. Магнитные поля в окрестностях диска могут направлять часть вещества вдоль оси системы. Быстрые заряженные частицы в струях и радиооблаках создают радиоизлучение.
3. Если струя направлена ближе к наблюдателю, её излучение может казаться усиленным. При другом угле струя и ядро выглядят иначе, поэтому наблюдаемая картина зависит от ориентации.

Ответ: аккреция объясняет яркость ядра, а процессы в окрестностях чёрной дыры могут формировать струи и связанное с ними радиоизлучение. Направление струй относительно наблюдателя меняет видимые свойства системы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что чёрная дыра сама излучает яркий свет. Такое представление возникает, потому что чёрную дыру называют источником активности, но основное излучение создаёт нагретое вещество вокруг неё. Проверьте себя: свет может выйти из области до пересечения горизонта событий, а не изнутри него.

Ошибка: путать активное ядро со всей галактикой. Ядро компактно, поэтому слово «галактика» в названии может создать впечатление, что одинаково ярко светится весь объект. Уточните, где сосредоточено основное излучение: в центральной области или равномерно по звёздной системе.

Ошибка: считать квазар отдельным от галактик типом объекта. Его необычная яркость скрывает галактику-хозяина, поэтому связь бывает неочевидна. Для проверки вспомните, что квазар связан с активным ядром галактики.

Ошибка: принимать красное смещение за покраснение света пылью. Пыль может менять спектр, но линии в спектре далёкого квазара смещаются прежде всего из-за расширения Вселенной. Проверьте, сравнив наблюдаемую и лабораторную длины волны спектральной линии.

Связь с другими темами

Для понимания активных галактик нужны знания о строении галактик, спектре излучения и красном смещении: они помогают распознать источник и исследовать его свет. Тема связана с чёрными дырами, гравитацией и аккрецией, то есть падением вещества на массивный объект. Изучение квазаров позволяет узнавать, какими были галактики и чёрные дыры на ранних этапах развития Вселенной.

Что запомнить

• Активность галактики проявляется прежде всего в её ядре.
• Главный источник энергии активного ядра — падение вещества к сверхмассивной чёрной дыре.
• Аккреционный диск нагревается и интенсивно излучает.
• У некоторых активных галактик наблюдаются мощные струи вещества.
• Квазары — чрезвычайно яркие и далёкие активные ядра.
• Красное смещение спектра квазара позволяет судить о его удалённости и эпохе наблюдения.