Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Этот феномен хорошо заметен на снимках квазаров, сделанных при помощи космического телескопа «Хаббл»: на этих четких изображениях просматривается свет, идущий от квазара, а также тусклое размытое свечение самой галактики, в которой он находится. Эти снимки сделала моя жена София Кирхакос совместно с коллегами Джоном Бакалом и Доном Шнайдером, так что мне особенно приятно публиковать их в этой книге (рис. 16.3). В центре каждого изображения – очень яркий точечный источник света; это сам квазар. Его окружает галактика (а в одном из случаев – даже пара галактик, которые, по-видимому, сталкиваются); заметны спиральные рукава. Подобные изображения снимают все вопросы относительно расстояний: квазары действительно удалены от нас настолько, насколько позволяет судить их красное смещение (это совсем не какие-то экзотические звезды в Млечном Пути), и, следовательно, квазары обладают невероятной светимостью.

Чтобы понять, что представляет собой феномен квазара, вернемся к спектру 3C 273. Эмиссионные линии у этого объекта широкие, они захватывают большие волновые диапазоны, хотя в главе 6 мы и говорили о том, что атомные переходы соответствуют конкретным, абсолютно точным энергиям и, соответственно, длинам волн. Это явление считается одним из эффектов доплеровского смещения: внутри квазара находится газ, движущийся одновременно с разными скоростями. Сам квазар удаляется от нас примерно на 16 % скорости света, но относительно этого общего движения некоторые газовые области движутся навстречу нам (голубое смещение эмиссионных линий относительно среднего значения), а некоторые – от нас (и эти области характеризуются даже большим красным смещением, чем сам квазар). Поэтому эмиссионная линия расширяется. Допустим, эмиссионная линия соответствует излучению газа, вращающегося вокруг массивного центра: газ распределен по всей круговой орбите, есть в каждой ее точке, и каждая из этих точек обладает своим компонентом движения вдоль луча зрения и, соответственно, собственным доплеровским смещением. Такая широкая эмиссионная линия соответствует целому диапазону доплеровских смещений.

Рис. 16.3. Квазары и галактики, в которых они находятся. Снимки космического телескопа «Хаббл». Снимки предоставлены: J. Bahcall и M. Disney, NASA

Можно развить эту картину. Ширина эмиссионной линии позволяет судить, как быстро движется газ; типичное значение для квазара – 6000 км/c. Что-то заставляет газ вращаться с такой чудовищной скоростью. Предположим, что эти движения обусловлены гравитацией: то есть газ движется по орбите вокруг центрального объекта, и хотелось бы понять, что это за объект.

Каков радиус этой орбиты? Если бы удалось его определить, то можно было бы воспользоваться законами Ньютона и нашими знаниями о скорости, чтобы вычислить, насколько массивен должен быть этот центральный объект. Мы уже знаем, что квазары кажутся точечными (напоминают звезды) и, следовательно, они слишком малы, что не позволяет рассмотреть их в наши телескопы. Судить об их истинном размере стало проще после следующего открытия: оказалось, что квазары переменные; их яркость значительно меняется за период около месяца.

Допустим, что свет от квазара поступает из области, имеющей один световой год в поперечнике. Свет, прилетающий с «лицевой» (обращенной к нам) стороны квазара, прибудет к нам на год раньше, чем свет с его тыльной стороны. Даже если бы светимость всего этого тела каким-то образом мгновенно удвоилась, то фиксируемая нами яркость постепенно нарастала бы в течение года, пока нас достигал бы свет сначала с лицевой и, наконец, с тыльной стороны квазара. Следовательно, тот факт, что яркость квазара периодически меняется примерно за месяц, говорит о следующем: диаметр квазара вряд ли значительно превышает один световой месяц. Это поразительно небольшой размер: как вы помните, расстояния между звездами в нашем Млечном Пути составляют по несколько световых лет, а этот объект диаметром один световой месяц (или даже меньше) излучает столько энергии, сколько несколько сотен обычных галактик.

Теперь нам известно, с какой скоростью движется газ в квазаре, а также насколько этот газ удален от источника гравитации, приводящего его в движение. Можно повторить те же расчеты, которыми мы занимались в главе 12, когда определяли массу Млечного Пути по параметрам галактической орбиты Солнца: масса пропорциональна квадрату скорости, умноженному на радиус. Выполнив такие вычисления для квазара, находим, что масса его ошеломляюще велика и составляет 2 × 108 солнечных масс.

Резюмируем: квазары располагаются в центрах галактик, их диаметр составляет не более одного светового месяца, их светимость – в сотни или тысячи раз выше, чем у целых галактик, а массы – в сотни миллионов раз больше, чем у Солнца. Огромная масса в миниатюрном объеме: похоже на черную дыру? Но черные дыры потому и называются черными, что из них не может улететь даже свет, а квазары – одни из рекордсменов по светимости среди всех небесных тел. Кроме того, известен лишь один способ образования черной дыры: коллапс массивной звезды. Самые массивные из известных нам звезд примерно в сотню раз тяжелее Солнца; но черная дыра в 200 миллионов солнечных масс таким образом не сформируется. Что же происходит?

Да, черные дыры могут постепенно наращивать массу. Допустим, газ стекается к черной дыре. Если он поступает прямиком в дыру, то дыра попросту будет его поглощать, и он исчезнет без следа. Масса черной дыры увеличится, но больше никаких эффектов не возникнет. Однако гораздо вероятнее, что газ течет к черной дыре под некоторым углом, то есть обладает моментом импульса относительно черной дыры. Именно из-за этого момента импульса он не будет сливаться прямо в дыру, а станет вращаться вокруг черной дыры. Проводя аналогию со звездами, вращающимися по Млечному Пути, мы предполагаем, что газ образует вокруг черной дыры сплюснутый вращающийся диск. У черной дыры сильное тяготение; тот газ, что расположен в непосредственной близости от нее, вращается с бешеной скоростью, составляющей существенную долю скорости света. Между этой ближайшей к дыре областью газа и более отдаленными газовыми областями будет возникать трение. Под действием такого трения газ может невероятно сильно разогреваться, достигая температуры в сотни миллионов градусов. А горячие объекты, как мы неоднократно убеждались, излучают энергию.

Итак, сама черная дыра невидима, а окружающий газ, который еще не успел в нее упасть, может обладать колоссальной светимостью. Квазар – это сверхмассивная черная дыра, окруженная диском из газообразной материи, которая сияет так жарко, что квазар перекрывает свечение целой галактики, в которой находится. На самом деле, именно материя, падающая в черную дыру, может спровоцировать ее рост; исходно такая черная дыра может быть небольшой и возникнуть, например, в результате гибели массивной звезды при сверхновом взрыве. Вещество, падающее в черную дыру, образует диск и сияет; это и есть квазар, постоянно увеличивающий массу черной дыры. Квазар подпитывается гравитационной энергией, превращающейся в кинетическую по мере того, как газ все глубже и глубже засасывается по спирали в гравитационный колодец черной дыры. Масса черной дыры постепенно увеличивается за счет окончательно тонущего в ней газа. Такой аккреционный процесс продолжительностью в сотни миллионов лет может порождать черные дыры в миллионы или даже в миллиарды раз тяжелее Солнца.