Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

• Название: Занимательная астрофизика
• Автор: Виктор Комаров
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Научпоп
• Год: 1984

Книга в популярной и занимательной форме знакомит читателей с наиболее интересными проблемами современной астрофизики, с не обычными физическими объектами в космосе: пульсарами, квазарами, радиогалактиками, черными: дырами, источниками: рентгеновского и гамма-излучения, а также с наиболее интересными вопросами современной космологии. В книге рассказывается о новых методах познания Вселенной, об открытиях, сделанных в последние годы. Специальный раздел посвящен проблеме поиска разумной жизни во Вселенной.

Для иллюстрации вопросов астрофизики авторы в ряде случаев прибегают к помощи научной фантастики.

Под редакцией В, М. Чаругина.

---

К этому следует добавить, что оптическое излучение многих, квазаров является переменным. И в максимуме оно может достигать фантастической величины. Так, например, квазар ЗС 279 несколько десятков лет тому назад обладал светимостью, в 10 тысяч раз превосходящей светимость нашей Галактики! Когда же были определены размеры компактных, радиоисточников, связанных с квазарами, астрономы удивились еще больше. Выяснилось, что эти объекты гораздо меньше даже одиночных галактик. Их диаметры не превышают одного светового года. Напомним, что поперечник нашей Галактики — около 100 тыс. световых лет.

Тем не менее имеются серьезные основания предполагать, что квазары и галактики эволюционно связаны. Во всяком случае есть одно очень весомое соображение в пользу того, что квазары — объекты, которые характерны для более ранних стадий истории нашей астрономической Вселенной, чем галактики. В самом деле, все квазары находятся от нас на огромных расстояниях в миллиарды световых лет. Следовательно мы видим их такими, какими они были много миллиардов лет назад. На этом основании можно сделать вывод, что квазары — образования, которые были характерны для Вселенной много миллиардов лет тому назад и не свойственны ее современному состоянию.

Однако, по вопросу о характере связи между квазарами и ядрами галактик существуют две точки зрения. Согласно одной из них, в центре галактики, в совокупности большого количества звезд и газа образуется сравнительно не-1 большое (размером 1016-1017 см), но гигантское по масса (порядка 108-109 масс Солнца) ядро. Если галактика медленно вращается, то формирование такого ядра представляется довольно естественным: газ и звезды как бы «стекают» в «потенциальную яму», т. е. в ограниченную область, расположенную в центральной части галактики, в которой потенциальная энергия частиц меньше, чем вне ее. С точки зрения подобной гипотезы колоссальная светимость квазаров объясняется выделением при гравитационном сжатии огромного количества энергии.

Согласно другой гипотезе, квазары могут быть ранней стадией эволюции звездных систем — «голыми ядрами» еще не родившихся активных галактик. Они образовались раньше, чем галактики, и уже затем «обрастали» звездами.

Космические выбросы

Астрономические наблюдения в радиодиапазоне, проведенные в последние годы с помощью радиоинтерферометров, позволили значительно уточнить наши представления о характере активных процессов, происходящих в центральных частях некоторых галактик.

Как выяснилось, эта активность в очень многих случаях проявляется в форме узких выбросов плазмы — ионизованного газа, исходящих из центра галактики и являющихся источниками радиоизлучения.

Еще при изучении радиогалактики в созвездии Лебедя (радиоисточник Лебедь А) было установлено, что источником ее радиоизлучения является не сама эта галактика, а две диффузные области, расположенные по обе ее стороны.

В дальнейшем оказалось, что такую же двойную структуру имеет и большинство известных нам внегалактических источников радиоизлучения (см. рис. 6).

Рис. 8. Выброс в галактике NGC 4486 в созвездии Девы.

Протяженность выбросов может быть весьма велика. Так, например, в галактике М 87 (NGC 4486) протяженность выброса в проекции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, составляет около 5 тыс. световых лет (радиоисточник Дева А — рис. 8). Как показывают наблюдения и теоретические исследования, яркое оптическое излучение этого выброса порождается релятивистскими электронами, движущимися в магнитных полях со скоростями, близкими к скорости света. Таким образом, и это излучение имеет синхротронную природу. Очевидно, в ядре галактики М 87 происходят какие-то мощные физические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии.

Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных «радиооблаках», расположенных за пределами изображения галактики, наблюдаемого в оптическом диапазоне (рис. 9). В таких радиооблаках заключена колоссальная энергия — до 1063 Дж и даже выше. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для ее выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд.

А у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет.

Рис. 9. Зеркально симметричные выбросы в галактике ЗС 449.

Высказывается предположение, что радиоизлучающая субстанция выбрасывается из ядра радиогалактики в двух диаметрально противоположных направлениях вдоль оси вращения ядра. Особого внимания заслуживает тот факт, что выброшенное вещество на протяжении многих миллионов лет не рассеивается. Видимо, это объясняется тем, что сгустки выброшенной намагниченной плазмы проходят со сверхзвуковой скоростью через межгалактическую среду. Поэтому расширение сгустка за счет внутреннего давления происходит лишь до тех пор, пока это давление не будет уравновешено внешним давлением. При этом внутреннее давление складывается из обычного газового давления, пропорционального температуре, и плотности сгустка, магнитного давления и давления космических лучей, а внешнее равно половине произведения плотности окружающей среды ρcp на квадрат скорости Vсг движения сгустка:

Однако после того, как движение сгустков оказывается заторможенным внешней средой, они постепенно начинают рассеиваться.

Вообще же семейство космических выбросов довольно разнообразно. Они бывают мощными и мелкомасштабными, двойными и односторонними, прямолинейными и искривленными, зеркально-симметричными и обладающими обращенной симметрией (т. е. изгибу в одну сторону у одного из выбросов соответствует изгиб в противоположную сторону у другого).

Из числа известных в настоящее время двойных радиоисточников более 70 имеют крупномасштабные выбросы. И вот что особенно любопытно: как правило, такие выбросы наблюдаются у слабых двойных радиоисточников. В какой-то мере это, возможно, связано с условиями наблюдения. Дело в том, что большинство мощных радиоисточников — это объекты сравнительно молодой Вселенной, и поэтому находятся на столь больших расстояниях от нас, что связанные с ними выбросы трудно обнаружить.

Но дело, по-видимому, не только в этом. Возможно, явление, о котором, идет речь, связано с различной ориентацией магнитных полей в слабых и сильных выбросах. Однако эта проблема требует дальнейшего исследования.

Что же представляют собой космические выбросы? Какова их физическая природа? Имеющиеся в распоряжении современных астрономов данные говорят о том, что это струи газа, которые, подобно струям воды из шланга, выбрасываются из центра галактики. Они пронизывают межзвездную, а затем и межгалактическую среду, неся с собой массу, энергию, импульс и магнитный поток. Преодолевая сопротивление среды., головная часть выброса постепенно теряет скорость и движется медленнее, чем газ в средней его части. Благодаря этому в головной части выброса накапливается энергия.

Не исключено, что движение газа в выбросах происходит со сверхзвуковой скоростью. В этом случае должна возникать ударная волна, которая распространяется по поперечному сечению выброса. Когда газ проходит через фронт этой волны, кинетическая энергия его движения переходит в энергию магнитного поля — и энергию движения электронов, которые разгоняются до околосветовых скоростей. Благодаря этому складываются благоприятные условия для генерации синхротронного радиоизлучения. При этом наибольшей интенсивности оно достигает как раз в местах торможения выброса. В этих местах возникают так называемые горячие пятна.

Испытав торможение, вещество выброса поворачивает вспять и растекается в большие облака, унося с собой релятивистские электроны и силовые линии магнитного поля.

Основываясь на результатах наблюдений, астрономы пришли к выводу, что в горячих пятнах газ с электронами и магнитным полем находится от десяти тысяч до миллиона лет — срок по космическим масштабам сравнительно небольшой. А в облаках этот срок достигает ста миллионов лет. За это время в них накапливается чудовищная энергия. Например, в источнике Лебедь А она эквивалентна полной энергии, заключенной в массе ста миллионов звезд.

У некоторых галактик в радиодиапазоне интенсивно излучает центральная часть звездной системы — ядро. Вокруг такой компактной области может располагаться гало — гигантский радиоореол. А если наряду с компактным источником в центре имеются и «боковые» радиокомпоненты, то мы наблюдаем тройной радиоисточник на небе. В настоящее время методы радиоинтерферометрии позволяют с необыкновенной точностью исследовать структуру многих внегалактических радиоисточников.