Из наблюдений следует, что, кроме радиоизлучения от отдельных галактик, к нам приходит радиоизлучение от всей Метагалактики. Характерная черта этого излучения — независимость его интенсивности от направления: Упомянутое излучение было открыто случайно в 1965 г., хотя существование его предсказывалось двадцатью годами раньше. Наблюдения, выполненные на разных длинах волн, показали, что данное излучение хорошо описывается планковской кривой с температурой около 3 K. Интенсивность его максимальна на длине волны 0,15 см. Обычно это излучение называют реликтовым, так как считается, что оно сохранилось от той стадии развития Вселенной, когда она была плотнее и горячее. По мере же расширения Вселенной температура её излучения уменьшалась, достигнув трёх градусов к настоящему времени.
7. Квазары.
В 1963 г. среди источников космического радиоизлучения были обнаружены объекты, которые в визуальных лучах оказались похожими на звёзды. Их назвали квазизвёздными объектами или сокращённо — квазарами. Наблюдения квазаров в видимой области спектра и в радиодиапазоне привели к чрезвычайно интересным результатам (см. [10], [11] и др.).
Особенно неожиданными оказались оптические спектры квазаров, состоящие из ярких линий на непрерывном фоне. В течение некоторого времени эти линии не удавалось отождествить, но потом М. Шмидт показал, что они принадлежат известным атомам (𝙷, 𝙼𝚐 II, 𝙾 III и др.), однако сильно смещены в красную сторону спектра. Если λ₀ — длина волны линии в лабораторной системе, а Δλ, — смещение линии, то величина 𝑧=Δλ/λ₀ получается для квазаров порядка единицы. Для самого яркого квазара 3C 273 (с видимой величиной 12𝑚,8) 𝑧=0,16. Для многих квазаров величина 𝑧 достигает 2 и больше. В спектрах таких квазаров линия Lα с длиной волны λ₀=1216 Å переходит в визуальную область.
Как известно, в спектрах галактик линии также смещены в красную сторону и это смещение объясняется удалением галактик от нас с огромными скоростями. Такое же объяснение смещения линий естественно принять и для квазаров. Поскольку смещение очень велико, то для определения скорости удаления 𝑣 необходимо пользоваться следующей формулой, даваемой теорией относительности:
Δλ
λ₀
=
⎛
⎜
⎝
𝑐+𝑣
𝑐-𝑣
⎞½
⎟
⎠
-1
,
(34.32)
где 𝑐 — скорость света. Для квазара 3C 273 по этой формуле находим, что 𝑣=45 000 км/с. Для квазара с 𝑧=2 получаем 𝑣=240 000 км/с.
Согласно закону Хаббла, скорости удаления галактик пропорциональны их расстояниям. Считая, что этот закон справедлив и для квазаров, мы получаем возможность определить расстояние до квазаров по смещениям линий в их спектрах. К настоящему времени таким способом найдены расстояния приблизительно до тысячи квазаров. Эти расстояния (называемые космологическими) очень велики — свет от квазаров идёт к нам миллиарды лет. В среднем квазары находятся от нас дальше галактик.
Знание расстояний до квазаров и их видимых звёздных величин позволяет определить светимости квазаров. Для этих величин получаются громадные значения — порядка 10⁴⁵—10⁴⁷ эрг/с, т.е. на несколько порядков превосходящие светимости галактик.
По известным расстояниям до квазаров и их угловым диаметрам можно найти линейные размеры квазаров. Для многих квазаров были измерены угловые диаметры в радиочастотах. Это дало возможность установить, что поперечники областей, от которых идёт радиоизлучение, порядка 100 парсек.
Более сложным путём определяются размеры оболочек, в которых возникают спектральные линии. Так как линейчатые спектры квазаров похожи на спектры газовых туманностей, то для выяснения физических условий в оболочках можно применить методы, изложенные в главе V. По относительным интенсивностям эмиссионных линий было получено, что в оболочках квазаров 𝑇𝑒≈20 000 K и 𝑛𝑒≈10⁷ см⁻³. Найденные значения 𝑇𝑒 и 𝑛𝑒 можно подставить в формулу (24.14), выражающую энергию, излучаемую оболочкой в бальмеровских линиях. Так как эта энергия известна из наблюдений, то с помощью указанной формулы определяется объём оболочки 𝑉. Для поперечника оболочки таким путём были получены значения порядка нескольких парсек.
Некоторое представление о размерах квазаров дало открытие очень важного явления — переменности их блеска. Как показал анализ старых наблюдений, блеск квазара 3C 273 заметно меняется с приблизительным периодом в 10 лет. Это означает, что размеры квазара не могут быть больше 10 световых лет. Такое заключение следует из того, что излучение, выходящее из разных частей протяжённого объекта одновременно, до нас доходит в разные моменты времени, т.е. оно «размазывается». Наблюдениями также обнаружены кратковременные изменения блеска квазаров (как в оптическом, так и в радиодиапазоне). По-видимому, их можно объяснить взрывами в отдельных частях квазаров.
На основании сказанного считается, что квазар состоит из небольшого ядра, окружённого оболочкой (с поперечником порядка 10¹⁸ см), в которой возникают эмиссионные линии, и протяжённой областью (с поперечником порядка 10²¹ см), излучающей энергию в радиочастотах. Механизмами возникновения эмиссионных линий являются фотоионизация и столкновения, а радиоизлучение вызывается движением релятивистских частиц в магнитном поле. Из наблюдений следует, что распределение радиоизлучения по спектру даётся формулой (34.9), где в среднем 𝑛≈0,7.
Масса оболочки квазара определяется весьма просто, поскольку нам известен объём оболочки 𝑉 и электронная концентрация 𝑛𝑒 Эта масса оказывается порядка 10⁶—10⁷ масс Солнца. Гораздо труднее найти массу ядра квазара. Согласно различным физическим соображениям, она должна быть на два-три порядка больше массы оболочки.
Если считать, что масса квазара порядка 10⁸ массы Солнца, то энергия, соответствующая этой массе (т.е. найденная по формуле 𝐸=𝑀𝑐² будет порядка 10⁶² эрг. Интересно сравнить эту величину с энергией, излучаемой квазаром за время его жизни. Продолжительность существования квазаров может быть оценена на основании наличия вблизи некоторых из квазаров сгустков вещества, выброшенных когда-то из них. Если даже допустить, что сгусток удаляется от квазара со скоростью света, то время, прошедшее от момента выброса, оказывается не менее миллиона лет. Этот промежуток времени и можно принять в качестве возраста квазара. Так как светимость квазара порядка 10⁴⁷ эрг/с, то за время своей жизни квазар должен излучать энергию порядка 10⁶⁰ эрг. Мы видим, что эта величина является не очень малой долей энергии, эквивалентной массе покоя квазара.
Попытки объяснить строение квазаров и происхождение источников их огромной энергии делалось в многочисленных работах. В некоторых из них предполагалось, что квазар представляет собой компактное звёздное скопление, в котором энергия выделяется либо при столкновениях звёзд между собой, либо при вспышках сверхновых звёзд. Однако такая точка зрения не может быть принята хотя бы потому, что она не может объяснить квазипериодические изменения блеска квазаров.