2014-04-29

Космічні джерела радіовипромінювання

4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 голос)

Джерела радіовипромінювання

Коли вперше були виявлені космічні радіохвилі, вчені не могли навіть уявити ту дивовижну ситуацію, до якої це відкриття приведе приблизно через 30 років. Навіть у 40-х роках, коли нова наука, радіоастрономія, поступово набирала сили, всі думали лише про найпростіші процеси випромінювання, що виникають в гарячих хмарах газу, розташованих у площині нашої Галактики. Щоправда випромінювання здавалося занадто сильним для цього процесу, і було висловлено багато здогадок щодо причин розбіжності між розрахунками і спостереженнями, проте ніхто не мав ані найменших здогадок, до чого це відкриття приведе в найближчі роки.

Одне з найбільших відкриттів в радіоастрономії зробили Хей, Парсонс і Філліпс. Вони виявили незвичайно потужне радіовипромінювання з невеликої ділянки неба в сузір’ї Лебедя. Це було перше дискретне джерело радіовипромінювання. За ним швидко були відкриті й інші. У наші дні складені каталоги розташування більше тисячі таких джерел. Зрештою, такі каталоги, ймовірно, стануть порівнянні з Каталогом зірок Генрі Дрепера, який вміщує кілька сотень тисяч зірок.

Ототожнення джерел космічного радіовипромінювання

Навіть до сьогодні лише сотня радіоджерел впевнено ототожнена з оптично спостережуваними об’єктами. Перше ототожнення було зроблене Болтоном, який виявив, що положення на небі одного з недавно відкритих джерел радіовипромінювання збігається з Крабовидною туманністю.

Коли було виявлено близько 100 джерел (поки ще ні з чим не ототожнені), з’ясувалося, що ці джерела не розподілені по небу рівномірно. Було запропоновано розділити джерела на два класи. Джерела першого класу сильно концентруються до галактичної площини, а інші розподілені по небу рівномірно. Очевидно, що перший клас пов’язаний з Галактикою. Але з чого складається другий, ізотропний клас? Існувало дві можливості. Ізотропність означає, що джерела – це виключно місцеве явище, за розмірами набагато менше від Галактики; або що вони дуже далекі і за розмірами набагато більші від Галактики. Загальна думка схилялася на користь місцевої інтерпретації, і саме тоді для цих джерел радіовипромінювання була введена помилкова назва «радіозірки».

Перша вказівка на помилку з’явилася, коли Болтон ототожнив одне з джерел з галактикою М87 – великою галактикою типу Е0. Хенбері Браун і Газард виявили радіохвилі від туманності Андромеди, і стало ясно, що принаймні частина ізотропних джерел повинна бути позагалактичного походження. Однак було важко зрозуміти, яким чином всі вони можуть бути позагалактичними. Їх було занадто багато, щоб їх можна було ототожнити з галактиками зі слабким випромінюванням, подібними до М31, хоча труднощі зменшувалися, якщо припускати, що всі джерела схожі на М87, яка має набагато сильніше випромінювання, ніж М31. Т. Голд наводив докази на користь того, що ізотропна складова є позагалактичного походження. Він висловлював думку, що окремі Галактики можуть володіють набагато сильнішим випромінюванням, ніж інші. Але 15 років тому така точка зору не була популярною. У той час позиції утримували «радіозірки».

Переворот відбувся після оптичного ототожнення першого виявленого джерела Лебідь А. Грехем Сміт в Кембриджі вперше визначив точне положення цього радіоджерела і переслав свої результати Вальтеру Бааде на обсерваторію Маунт Вілсон і Паломар. Бааде негайно ж здійснив нині знамените ототожнення цього радіоджерела з віддаленим на півмільярда світлових років об’єктом, який виглядав як пара Галактик, що зіштовхуються. Вражаючим було те, що у вигляді радіохвиль випромінювалося стільки ж енергії, скільки у формі видимого світла. Значна частина оптичного випромінювання зосереджена в емісійних лініях, які вказували на те, що система містить величезну кількість вельми гарячого газу. У той час думали, що нагрівання викликане зіткненням двох спостережуваних галактик. Наступні ототожнення радіоджерел, зокрема з галактиками NGC 5128 в Центаврі і NGC 1275 в Персеї, здавалось, теж свідчили на користь гіпотези зіткнення. Обидва цих об’єкти вважалися місцями зіткнень еліптичних галактик зі спіральними. У випадку NGC 1275 було виявлено, що газ з величезною швидкістю, до 3000 км/с, рухається відносно зоряного фону, що належить до еліптичної галактики. Це здавалося прямим підтвердженням думки про зіткнення з великою швидкістю.

Який процес міг змусити галактику або пару галактик випромінювати таку фантастичну кількість енергії у вигляді радіохвиль? Вчені США і Західної Європи протягом декількох років дотримувались думки, що енергія повинна виникати через зіткнення і що найбільш вірогідним процесом є плазмові коливання в гарячому газі. Альвена і Герлофсон ще в 1950 році дійшли до правильної думки, що випромінювання виникає при русі електронів дуже високих енергій у магнітному полі. Вони застосували результати Швінгера, який розрахував подібний же процес, що відбувається в лабораторії в синхротроні. Так виникла назва «синхротронне випромінювання», яка стала широко розповсюдженою. Однак Альвена і Герлофсон застосували результати Швінгера до зірок, а не до галактик. Першими до думки про застосовність синхротронного механізму до галактик прийшли радянські вчені І. С. Шкловський та В. Л. Гінзбург.

Електрони, відповідальні за синхротронне випромінювання, повинні мати дуже високі енергії, що перевищують 1 Гев. В кінці 50-х років виникло питання, яким чином електрони можуть набути настільки великої енергії, а також яка повна енергія всіх електронів, необхідна для створення спостережуваної інтенсивності випромінювання? В результаті перших же розрахунків Бербіджа з’ясувалася вражаюча ситуація. Необхідна повна енергія в ряді випадків була порівнянна з енергією зіткнення двох галактик. Так теоретики опинилися віч-на-віч з фантастичною проблемою: пояснити, яким чином енергія зіткнення може перетворитися з ефективністю майже 100% в енергію електронів, порівнянну з їх енергією в космічних променях. У кращих лабораторних прискорювачах ефективність становить усього 1%. Яким чином в більш-менш хаотичних умовах міжзоряного простору ефективність може бути набагато більшою, ніж у контрольованому лабораторному пристрої?

Ця дилема була вирішена принаймні частково, коли стало зрозуміло, що зіткнення тут ні при чому. Подружжя Бербідж виміряли рух хмар газу в NGC 5128 і визначили, що швидкості хмар відносно зоряного фону занадто малі, щоб можна було говорити про зіткнення двох галактик. А тепер уявімо собі, як би виглядала NGC 5128, якби вона не була близька до нас, а спостерігалася з відстані в півмільярда світлових років, як радіоджерело в Лебеді. Смугу пилу вже не було б чітко видно, і ми вважали б, що це дві галактики, які наближаються одна до одної і зіштовхуються. Таке дуже ймовірне пояснення видимої подвійності джерела в Лебеді.

Смертельний удар гіпотезі зіткнення був нанесений подальшими ототожненнями, зробленими за останні 2-3 роки Метьюзом і Шмідтом в Каліфорнійському технологічному інституті. Більшість радіоджерел виявилися явно пов’язаними з поодинокими галактиками. З’ясувалося, що в багатьох випадках подвійними є тільки радіоджерела, а не пов’язані з ними оптичні галактики. Спектри володіють тими ж властивостями, що і спектр джерела в Лебеді. Ці спектри настільки характерні для радіоджерел, що галактика з таким спектром напевно повинна виявитися джерелом радіовипромінювання. Однак оскільки отримання спектрів слабких об’єктів – довга і нелегка робота, шукати радіоджерела таким способом важко. Спочатку повинні бути отримані відомості про радіовипромінювання. Для «оптичного» астронома такі дані відіграють роль гарної мисливської собаки.

Чи є щось спільне у всіх галактик, пов’язаних з потужними джерелами радіовипромінювання? Відомо, що такі галактики надзвичайно яскраві, проте також з’ясувалося, що вони досягають верхньої межі світності. Це найяскравіші і найбільш масивні об’єкти серед усіх галактик. Вони мають практично сферичну форму і відносяться до типу Е0. Досить часто у цих галактик спостерігаються гігантські смуги пилу, абсолютно невластиві звичайним еліптичним галактикам. Очевидно, пил якось повязаний з процесами, які спричиняють виникнення радіовипромінювання цих галактик.

Очевидно радіовипромінювання виходить з самого центру галактики. Це явище, якою б не була його природа, буває різної потужності. З ядер окремих галактик помітне витікання речовини з невеликою швидкістю: від однієї до ста сонячних мас в рік. Речовина витікає з центру нашої Галактики, з центру М31 і добре відомої галактики М51. Більш потужне витікання, зі швидкостями близько 500 км/с, відбувається з ядер особливого класу спіралей Sc– сейфертовських галактик, названих за іменем Сейферта, який першим виділив цей клас. Мабуть, найбільш примітний випадок витікання з ядра туманності М 82, яка вважається спіральною галактикою. Вона була докладно вивчена Ліндсом і Сендейджем, які побачили, що потоки газу виходить за напрямками полярної осі. Очевидно, що вони викликані величезним вибухом, який охопив масу речовини щонайменше в мільйон сонячних мас.

Галактика М 82 – слабке джерело радіовипромінювання. Вона має неяскраві петлеподібні виступи, які помітно на знімках в безперервному спектрі. Як відзначили Ліндс і Сендейдж, їх випромінювання також поляризоване.

Це свідчить про те, що світло утворюється за допомогою того ж самого синхротронного механізму, що і радіохвилі. Частота електромагнітного випромінювання, що випускається при цьому процесі, пропорційна напруженості магнітного поля й квадрату енергії електрона. Отже, для випромінювання видимого світла потрібні або значно більш високі енергії електронів, ніж для радіохвиль, або значно більш сильні поля.

Найбільш примітний випадок поляризації світла виявлений у струменя, що виходить з центру Галактики М 87. Це ще один приклад процесу синхротронного випромінювання, і саме він зміцнив синхротронну теорію. Шкловський передбачив, що випромінювання має бути поляризованим, а Бааде підтвердив, що це саме так. Згідно синхротронної теорії, поляризація повинна спостерігатися також і в діапазоні радіохвиль, але вона залишалася невиявленою протягом декількох років через одну несприятливу обставину. Виявляється поляризація радіохвиль дійсно існує, але вона зникає у джерел, що лежать в площині Галактики. Знамените джерело в Лебеді, найбільш потужне з усіх позагалактичних джерел, лежить якраз в галактичній площині. Природно було спочатку зайнятися цим джерелом лише через те, що воно таке потужне. Коли поляризації у цього джерела не було виявлено, спостерігачі були збентежені. Якщо вже поляризацію не вдалося виявити у найпотужнішого джерела, то здавалося малоймовірним знайти її у більш слабких джерел. Потім було задієно новий великий радіотелескоп в Парксі (Австралія) і можливим стало проведення систематичних вимірювань поляризації. Радіохвилі дійсно виявилися поляризованими, правда не в такій мірі, як видиме світло, але все ж поляризованими, як це і передбачала теорія.

Дослідження космічних джерел радіовипромінювання: квазари

Дослідження космічних джерел радіовипромінюванняпродовжувалося. Радіообсерваторією Джодрелл Бенк (Англія) була проведена програма вимірювань кутових розмірів радіоджерел, тобто визначення розмірів на небі області, яку займає радіоджерело. При першому огляді було досліджено близько 300 джерел. В результаті дослідники встановили, що їх середній розмір близько 30". Багато джерел були кратними, часто подвійними, і їх індивідуальні розміри були набагато меншими. Розміри всіх джерел лежали між 5" і кількома хвилинами дуги, за винятком приблизно десятка об’єктів, які мали розмір 1"дуги або навіть ще менше. Іншими словами, з’ясувалося, що існує тип джерел незвично малих розмірів, і це, природно, викликало загальний інтерес. Спочатку вважали, що це зіркоподібні об’єкти, розташовані в нашій Галактиці, і ця точка зору протрималася до кінця 1962 року. Зрештою Сендейдж виявив, що один з цих об’єктів, ЗС 48, має надзвичайно дивний спектр, а Сендейдж і Метьюз встановили, що світлове випромінювання ЗС 48 змінне. Здавалося, що це справді вказує на невеликий компактний об’єкт зоряної природи.

Тим часом до цієї проблеми підійшли з двох сторін. Перш за все було ясно, що тут доводиться говорити про щось більше, ніж вибух одиночної зірки. Шкловський припустив, що тут спостерігається одночасно велике число спалахів наднових, але чому ж тоді в нашій Галактиці наднових так мало? Бербідж висунув гіпотезу про ланцюгову реакцію вибухів багатьох зірок, але чим може бути викликаний такий тісний зв’язок між зірками? Врешті решт вчені дійшли до думки зібрати всі зорі разом в одне надтіло, з масою, що в мільйони разів перевищує масу Сонце. Однак незабаром виникли труднощі. Такі масивні об’єкти в певних обставинах повинні були бути яскравішими, ніж ціла галактика, і спочатку це здавалось щонайменше вельми неприємним.

Зовсім з іншого боку підійшов до цього питання Газард, що запропонував наступну ідею визначення положень радіоджерел. Іноді Місяць, рухаючись по небу, проходить перед радіоджерелом і закриває його. Оскільки ми більш-менш точно знаємо, де в даний момент знаходиться Місяць, все, що залишається зробити – це точно відзначити моменти, коли джерело зникає за місячним диском і потім з’являється знову. Працюючи спочатку на Джодрелл Бенк над джерелом ЗС 212, Газард визначив його положення з точністю до 2-3", що було безпрецедентним досягненням. Потім, переїхавши до Австралії і працюючи спільно з Маккі і Шіммінсом, він здійснив подібне визначення для джерела ЗС 273. При спостереженнях вони зробили неймовірні запобіжні заходи. Згадка про них може виявитися цікавою. З телескопу було знято кілька тонн металу, щоб зробити можливими спостереження при менших кутах піднесення, ніж звичайний робочий діапазон. За кілька годин до моменту закриття джерела Місяцем всі місцеві широкомовні радіостанції повторювали заклик: ніхто не повинен включати радіопередавачі під час періоду спостережень. Всі дороги, що проходили поблизу телескопа, патрулювали, щоб бути впевненими, що по сусідству немає автомобілів, що рухаються. І останній штрих: після спостережень Газард і Болтон відвезли два дубліката записів в Сідней на окремих літаках.

Обережність коштували витрачених зусиль: ЗС 273 виявився подвійним джерелом, з двома дуже маленькими компонентами, віддаленими один від одного приблизно на 20". Положення компонент було визначено з точністю до 1".

Ясно, що наступний крок повинен був складатися в отриманні спектру передбачуваної зірки. І спектр було отримано. Він складався з чотирьох ліній, але всі чотири лінії були зміщеними в червону сторону на 16%. Якщо червоне зміщення розглядати як космологічне, то зірка тринадцятої видимої величини – це взагалі не зірка, а об’єкт, в сотні разів більш яскравий, ніж найяскравіші Галактики. Очевидно, що, перш ніж прийти до такого фантастичного висновку, потрібна була величезна обережність. Грінстейн і Шмідт за допомогою непрямих міркувань прийшли до висновку, що якби виявлене зміщення було гравітаційним, то об’єкт повинен був бути ще більш дивним за своєю природою, ніж якщо воно космологічне. Відповідно більш ймовірним є те, що ми маємо справу з об’єктом значно більш яскравим, ніж ціла галактика.

Відразу ж стало зрозуміло, що джерело ЗС 48 із його дивним спектром повинно бути об’єктом того ж роду. Як Ви пам’ятаєте, було виявлено, що блиск ЗС 48 змінюється. Здавалося абсурдним, що світло від чогось більш яскравого, ніж ціла галактика, може помітно змінюватися за один рік. Сміт і Хоффлейт спробували переглянути гарвардську фототеку. Оскільки ЗС 273 пов’язаний з порівняно яскравим об’єктом, він до цього багаторазово фотографувався. У фототеці було знайдено безліч платівок, отриманих майже за сто років. При їх аналізі виявилися коливання блиску. Звичайно, деякі неточності викликані неоднорідністю фотографічних матеріалів, виготовлених в різний час, але помилки навряд чи можуть зрівнятися за величиною з виявленими змінами. Зараз немає сумнівів, що блиск ЗС 273 змінюється за кілька років приблизно на 50%. Це означає, що наш зореподібний об’єкт за розмірами не може бути більший декількох світлових років. Очевидно, ми маємо справу з компактним об’єктом, що виділяє енергію в масштабах, значно більших, ніж випромінювання енергії Сонцем. Ясно, що це не звичайна зірка, і важко уникнути висновку, що маса цього об’єкта перевищує сонячну у мільйон, а можливо, і в 100 мільйонів разів.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus