Эволюция галактик
Согласно принятой иерархической модели формирования галактик первыми структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, являются маленькие протогалактики, массы которых составляют всего несколько тысяч Солнц. Появляется все больше доказательств того, что главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие и столкновение галактик друг с другом. При этом не следует думать,
что столкновение двух галактик будет представлять собой бесчисленные столкновения между входящими в них звездами. На самом деле, вероятность столкновения двух звезд очень мала, потому что размеры их очень малы по сравнению со средним расстоянием между ними. Но межзвездное пространство заполнено газом и пылью, и именно эти компоненты взаимодействуют, когда галактики сталкиваются. Гравитационное взаимодействие приводит к нарушению структуры газопылевой среды и к перекачиванию вещества из одной галактики в другую.
Трение, возникающее между газом в сталкивающихся галактиках, порождает ударные волны, которые могут вызвать образование новых звезд. Новые звезды в первые несколько миллионов лет своей жизни имеют весьма необычную светимость и голубизну, а потому обнаружение таких звезд является наиболее очевидным признаком произошедшего столкновения.
Эти процессы радикально влияют на их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться и сформировать эллиптическую. Большие галактики поглощают маленькие и растут до еще больших размеров. Все эти процессы длятся миллионы лет (не так уж много по астрономическим масштабам времени), но вот человеческой жизни явно не хватит на то, чтобы зафиксировать все их стадии. Для того чтобы увидеть динамику, нужно наблюдать несколько пар взаимодействующих галактик в различные моменты их слияния и затем составить последовательность изображений во времени.
Многие активные галактики, включая квазары, также являются частью взаимодействующих или сливающихся систем. Множество далеких, а следовательно, очень старых галактик носят следы разрушения, что свидетельствует о том, что в ранней Вселенной столкновения галактик были скорее правилом, чем исключением. Проведенные вычисления показывают, что большинство скоплений галактик уже прошло через одно или более таких столкновений. Наш Млечный Путь, очевидно, тоже является результатом слияния небольших галактик. Существует маленькая карликовая галактика, которая вливается в нашу прямо сейчас, а еще восемь близрасположенных карликовых галактик сольются с ней через некоторое время.
Странные танцы
Телескоп «Хаббл» оказался свидетелем медленного «танца» группы галактик, который приведет к их разрушению в течение миллиарда лет. Галактики уже сблизились так сильно, что гравитационные силы отрывают от них звезды. В конечном итоге те же гравитационные силы объединят все эти галактики в одну большую. Название этой группы «Сейфертовский Секстет» подразумевает наличие 6 галактик, хотя маленькая галактика, с «рукавами» из газа и звезд, повернувшаяся к нам «лицом», находится от нас в 5 раз дальше остальных. Шестой член секстета (справа, внизу) вообще не галактика, а всего лишь хвост одной из них. Эта группа названа так в честь астронома Карла Сейферта, открывшего ее в середине прошлого века. «Сейфертовский Секстет» расположен в созвездии Змеи на расстоянии 190 млн. световых лет от Земли. Обычный результат столкновений кластеры молодых звезд в нем отсутствует. По-видимому, это связано с тем, что мы застали лишь начальный этап столкновения и до «серьезного выяснения отношений» дело еще не дошло.
Квазары — Дистанционные огни
Если мы говорим о квазаре, то следует объяснить, что такое пульсар. Это быстро вращающаяся нейтронная звезда. Она создается в процессе разрушения сверхновой, когда остается сильно уплотненное ядро. Его окружает мощное магнитное поле (превышает земное в 1 триллион раз), которое заставляет объект вырабатывать заметные радиоволны и радиоактивные частицы из полюсов. Они вмещают в себя разнообразные типы излучения.
Гамма-пульсары воспроизводят влиятельные гамма-лучи. Когда нейтронный тип поворачивается к нам, мы замечаем радиоволны всякий раз, когда на нас указывает один из полюсов. Это зрелище напоминает маяк. Этот свет будет мелькать с разной скоростью (влияют размер и масса). Иногда случается так, что у пульсара появляется двоичный спутник. Тогда он может вторгаться в материю компаньона и учащать свое вращение. В быстром темпе способен пульсировать 100 раз в секунду.
Немного истории
Давайте мысленно переместимся в 30-е годы прошлого века. Один из основоположников современной астрономии, американский физик и астроном Карл Янский сделал странное открытие. Ученый обнаружил, что источником помех, которые наблюдались в трансатлантических телефонных линиях являлся, ни много, ни мало, Млечный Путь! Это открытие весьма озадачило научный мир. Но лишь в 50-х годах прошлого столетия астрономы начали активно использовать радиотелескопы для сканирования неба. Они сравнивали результаты своей работы с изображениями неба в видимом диапазоне.
И то что они обнаружили, поразило всех. Оказалось, что некоторые из слабых источников излучения в радиодиапазоне не имеют эквивалента в видимом участке спектра. То есть в радиосигналах ученые нашли источник излучения. Однако на фотографиях они не нашли звезды или другого объекта, который мог бы быть источником этой энергии. Астрономы назвали эти объекты «квазизвездными радиоисточниками». Или «квазарами».
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».
Строение и теория происхождения
Квазары и процесс возникновения их мощного излучения все еще не разгаданы до конца. Рассматривается несколько версий, объясняющих чем они являются по сути.
Большинство ученых-астрофизиков склонны предполагать, что это черная дыра гигантского масштаба, поглощающая окружающее вещество. Под воздействием притяжения частицы набирают огромную скорость, натыкаются друг на друга и ударяются, их температура от этого повышается, появляется видимое свечение. Непреодолимое притяжение энергии черной дыры заставляет вещество двигаться к центру по спирали и превращаться в аккреционный диск – структуры, возникающей при падении обращающихся частиц на массивное космическое тело. Магнитная индукция черной дыры посылает часть вещества к полюсам, где создаются джеты – узкие пучки, излучающие радиоволны. На краях аккреционного диска температура понижается, и длина волн возрастает до инфракрасного спектра.
Другая гипотеза считает квазары юными галактиками в период их формирования. Существует вариант, объединяющий две версии, согласно которому, черная дыра поглощает зарождающиеся вещество галактики. Количество найденных квазаров к 2005 году равнялось 195 000, но этот процесс непрерывен, постоянно открываются новые объекты.
Необычные свойства
Изображение с космического телескопа Хаббла показывает самый отдаленный квазар (обведен белым), появившийся менее чем через 1 млрд. лет после Большого Взрыва.
Активность квазара изменяется во всех диапазонах: инфракрасных и ультрафиолетовых волн, видимого света, рентгеновских лучей, радиоволн. Величина его энергии в 1 млн. раз больше, чем у любой открытой звезды. Вариации светимости объекта происходят в разные промежутки времени – от года до недели. Такие колебания характерны для космических тел, размер которых находится в границах светового года.
Интересные факты
Квазар QSO-160 913 + 653 228 расположенный в этом скоплении галактик, снятых телескопом Хаббл, удален от нас на расстоянии 9 млрд. св. лет!
Для обозначения степени «покраснения» света квазаров, используется буква z (красное смещение). В начале 80-х годов были найдены несколько исключительно удаленных небесных объектов, у которых значение z = 4,0. Их радиосигнал стартовал до начала зарождения нашей галактики. Недавно замечен квазар, имеющий смещение z = 6,42, т. е. расстояние до него составляет более 13 млрд. световых лет. Энергия, излучаемая небольшой псевдозвездой, может дать Земле запас электричества на несколько миллиардов лет вперед. Это опасные соседи, а их яркий свет, который мы наблюдаем, это отблески от пропавшей в черной дыре вещества молодой галактики. К счастью, об угрозе для нашей планеты речь не идет – такие явления не замечены в ближайших галактиках. Наблюдение за древнейшими объектами, ставшими ровесниками Вселенной, показало, что она не просто увеличивается, а разлетается с огромной скоростью.
Странные вещи
До недавнего времени считалось, что скорость света (с=299 792 458 м/с) является предельной скоростью распространения любых физических взаимодействий. И выше ее в природе не должно быть. Это вытекает из теории относительности Эйнштейна. Но оказалось, что скорость расширения радиоисточника ЗС 273 составляет около 3с. В радиоисточнике ЗС 120 скорость перемещения отдельных элементов радиоструктуры приближается к 3,7с. А у квазара ЗС 74 она достигает почти 8с! Большими значениями скоростей движения ученые еще не оперировали. Но если скорости действительно столь велики, то это следует считать нарушением одного из самых фундаментальных положений теории относительности, иначе говоря — основ современной физики. Вполне вероятно, что впечатление движения со сверхсветовыми скоростями обманчиво. И существует какое-то иное объяснение этого явления.
Многие астрофизики полагают, что колоссальная энергия квазаров – это гравитационная энергия, которая выделяется за счет катастрофического сжатия (коллапса), происходящего в ядре галактики. Существуют и другие гипотезы относительно этих загадочных объектов: кто-то видит в них остатки погибших галактик; другие же, напротив, считают, что квазары представляют собой объекты начального этапа эволюции галактик, либо что-нибудь совсем иное. Однако ни одна гипотеза, ни одно предположение пока что не дают удовлетворительного решения проблемы. Вселенная поставила перед пытливым умом человека, быть может, самую сложную из своих загадок. Ее решение когда-нибудь обязательно будет получено, и человек познает новые законы превращения материи.
Типичный случай
Размеры галактик простираются от карликовых с какими-нибудь десятками миллионов звезд до массивных с тысячами миллиардов звезд. Хотя, несмотря на их внешнее разнообразие, все они могут быть отнесены к тому или иному типу строения.
Сферические или эллипсоидные галактики имеют красноватый цвет, создаваемый их состарившимися обитателями. Их размеры меняются от гигантских звездных систем диаметром в сотни килопарсек, до карликовых порядка одного килопарсека. И находятся они почти всегда в богатых галактических скоплениях.
Весьма распространены спиральные (или дисковые) галактики. Их плоские диски погружены в разряженное слабосветящееся сферическое облако слабых старых звезд и газа гало. На диске заметен спиральный узор из двух или нескольких закрученных в одну сторону рукавов, выходящих иногда из центра галактики. Эффектные спиральные рукава выделяются за счет сверкающих, молодых голубых звезд. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется почти прямая звездная перемычка, от которой начинаются спиральные рукава. Некоторые спиральные системы, видимые с ребра, похожи на толстое или тонкое веретено, часто пересеченное темной полосой поглощающей материи. В отличие от них линзовидные галактики внешне гораздо менее привлекательны и фотогеничны они хоть и обладают выпуклой центральной частью и тонким диском, как и спиральные галактики, но не имеют их эффектных спиральных рукавов, но иногда в наружных частях «линз» видны некоторые их зачатки, перемычки и наружные кольца.
Во время наблюдений было обнаружено и множество совершенно бесформенных, клочковатых галактик, получивших название неправильных. Около половины вещества в них составляет межзвездный газ.
Полная энергия, которую испускает «нормальная» галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. Но есть такие галактики, которые в радио-, инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра испускают энергии больше, чем следует. Такие галактики называются «активными». В чем же источник этой дополнительной энергии? Ответом на этот вопрос стало открытие черных дыр объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что не выпускает за свои пределы никакого излучения. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «засасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие черных дыр.
Самые удаленные и самые яркие объекты квазары (сокр. от «квазизвездные источники») из области меньшей, чем наша Солнечная система, испускают больше света, чем вся наша Галактика. По-видимому, это сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах галактик, которые преобразуют гравитационную энергию падающей материи в излучение, заставляя его светиться. Возраст самых отдаленных квазаров, обнаруженных астрономами, составляет примерно 12 миллиардов лет, что лишь немногим меньше возраста Вселенной и свидетельствует о «бурной» молодости галактик.
На ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее размеры были в 35 раз меньше современных, квазаров было значительно больше, чем сейчас. В настоящее время считается, что черные дыры есть в центрах почти всех близких галактик и представляют они собой бывшие квазары, собирающие материю значительно медленнее, чем они это делали в пору своей юности. И происходит это совсем не потому, что они «выдохлись», просто в окрестностях черных дыр стало меньше материала для поглощения. Вполне возможно, что квазары это определенный этап развития галактики и что все современные галактики, в том числе и наша собственная, когда-то были квазарами.
Близкими родственниками квазаров, очевидно, являются Сейфертовские галактики и радиогалактики. Сейфертовскими называются галактики, в видимой области излучения похожие на обычные спиральные, но с очень активными ядрами, мощность излучения которых к тому же сильно меняется со временем, указывая на происходящие там грандиозные процессы. Радиогалактики, отличающиеся мощным излучением в радиодиапазоне, являются огромными эллиптическими галактиками. Мощности Сейфертовских и радиогалактик также обеспечиваются сверхмассивными черными дырами, находящимися в их центрах. Не исключено, что все это разнообразие типов просто определенные этапы эволюции галактик, которые наблюдаются во Вселенной сейчас.
Реальность или иллюзия?
Стоит отметить, что лабораторное создание Вселенной отличается от теории моделирования ее существования. В таком случае мы просто живем в цифровой конструкции, созданной программой, находящейся далеко за пределами нашего понимания. Подумайте о Матрице (но не о четвертой части, а о первой). Что, если мы если просто живем в запрограммированной реальности, предназначенной для воспроизведения «реальности», то имеет ли это значение для нашей повседневной жизни?
Вероятно, нет, но подобные размышления полезны. Мы должны позволить себе смиренно смотреть в новые мощные телескопы и искать кого-то разумного в нашем космическом блоке. В противном случае это путешествие может плохо закончиться, подобно опыту динозавров, которые доминировали на Земле до тех пор, пока астероид Чиксулуб не уничтожил все живое.
И все же симуляция или реальность?
Но что делать с информацией о том, что наша Вселенная – не более чем лабораторное творение? Это вполне неплохо для нашей нынешней ситуации. Ведь если кроме нас во Вселенной есть кто-то еще, то сможем ли мы их обнаружить? Вряд ли, ведь мы сильно отстаем от потенциально существующих разумных цивилизаций. И все же Леб полагает, что мы должны быть начеку пока ищем эти технологически продвинутые миры.
Как далеко они от нас?
Каждый квазар испускает просто колоссальное количество энергии. Даже большее, чем свет всех звезд в любой галактике. Квазары являются самыми яркими объектами во Вселенной. Однако это не единственные объекты в космосе с подобными характеристиками. На самом деле квазары являются частью целой группы небесных тел, известных как активные ядра галактик. В эту группу также входят еще так называемые сейфертовские галактики. И еще блазары.
Большинство обнаруженных в космосе квазаров находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас. Поэтому, даже имея скорость света, эти излучения путешествуют к нам очень долго. Но в этом есть и плюсы. Изучение этих сигналов можно использовать в качестве своеобразной машины времени. Используя их, мы можем видеть небесное тело таким, каким оно было миллионы лет назад.
Советуем почитать Путь Земли сквозь Вселенную
Известно, что большинство из более чем двух тысяч найденных квазаров возникло на ранних стадиях развития своих галактик. Вполне возможно, что Млечный Путь тоже имел подобный объект. Но со временем он почему-то замолчал. А в противном случае жизнь на Земле была бы невозможна.
Квазары демонстрируют раннюю структуру галактик
При помощи сканирования древнейших вселенских объектов, ученым удается понять, как выглядел Млечный Путь во времена своей молодости.
Атакамская большая решетка миллиметрового диапазона способна запечатлеть «младенческое» состояние галактик, подобных нашей, отобразив момент, когда звезды только родились. Это удивительно, ведь они возвращаются в период, когда Вселенная по возрасту достигала всего 2 миллиардов лет. То есть, мы буквально смотрим в прошлое.
Наблюдая за двумя древними галактиками в инфракрасных длинах волн, ученые заметили, что в раннем периоде развития присутствуют нечто, напоминающее удлиненные диски водородного газа, превосходящие намного меньшие внутренние области звездообразования. Кроме того, они уже обладали вращающими газовыми и пылевыми дисками, а звезды появлялись в довольно быстрых темпах: 100 солнечных масс в год.
Изучаемые объекты: ALMA J081740.86+135138.2 и ALMA J120110.26+211756.2. В наблюдениях помогли квазары, чей свет поступал с заднего плана. Речь идет о сверхмассивных черных дырах, вокруг которых сосредоточены яркие аккреционные диски. Полагают, что они играют роль центров активных галактик.
Квазар на удаленности в 12.5 миллиардов световых лет сияет возле молодой галактики (12 миллиардов световых лет). Приборы ALMA уловили ионизированный углерод (зеленый) и диск с формированием звезд (синий)
Квазары светят намного ярче галактик, поэтому если они расположены на фоне, то галактика теряется из виду. Но наблюдение ALMA позволяет зафиксировать инфракрасный свет, исходящий от ионизированного углерода, а также водород в сиянии квазаров. Анализ показывает, что углерод создает свечение на длине волны в 158 микрометров и характеризует галактическую структуру. Места рождения звезд можно найти благодаря инфракрасному свету от пыли.
Ученые заметили еще один момент в светящемся углероде – его расположение было смещено по отношению к газообразному водороду. Это намек на то, что галактические газы отходят предельно далеко от углеродного участка, а значит, у каждой галактики можно найти большой водородный ореол.
При осмотре объектов переднего плана, исследователи ожидали запечатлеть слабый выброс над квазаром. Но вместо этого заметили две ярких галактики на большой удаленности от квазара.
Художественная интерпретация «детской» галактики, похожей на Млечный Путь, с ярким квазаром, излучающим сияние в газообразном водороде
Анализ также подтвердил, что молодые галактики уже запустили процесс вращения. А это один из признаков принадлежности к спиральному типу. Этот проект стартовал в 2003 году, когда только разрабатывалась идея использования спектров квазаров для идентификации галактик на переднем плане. Этот механизм именуют демпфированной системой Лайман-альфа, из-за того, что водородный газ не дает определить длину волн света от квазара.
ALMA помогла, наконец, разобраться в процессе формирования галактик. Теперь понятно, что некоторые из ранних обладали ореолами, оказавшиеся намного шире, чем предполагали. Они могут предоставлять материал для галактического роста.
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.
В центрах некоторых близких к Земле галактик отмечены процессы активности, похожие на квазары в меньших масштабах. Например, из центра эллиптической галактики Кентавр А вырываются два луча быстрых частиц, формирующие колоссальные радиооблака по обе стороны от нее. Допустимо, что в ядре этой галактики находится небольшой квазар. Исследуя такие близкие объекты, астрофизики хотят понять загадку квазаров.
Источники
- https://spacegid.com/kvazar.htmlhttps://alivespace.ru/kvazar-dalekij-mayak-vselennoj/https://pikabu.ru/story/kvazar__samyiy_smertonosnyiy_obekt_vo_vselennoy_dlinnopost_1296170