Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://xray.sai.msu.ru/~polar/html/publications/astronet/00007.txt Дата изменения: Sun Mar 5 14:00:27 2000 Дата индексирования: Sat Dec 22 05:05:52 2007 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: ядра галактик

АКТИВНЫЕ ЯДРА ГАЛАКТИК

До середины ХХ века считалось, что основным источником излучения в
галактиках являются звезды, т.е. большая часть энергии, излучаемой
галактикой, вырабатывается в результате реакций термоядерного синтеза в
звездах (этот механизм энерговыделения был теоретически открыт Х.Бете и др. в 1938
г., за что была вручена Нобелевская премия по физике).

Однако, начиная с 1943 г. были открыты многие типы галактик, активность
которых связана не со звездами, а с мощным выделением энергии в относительно
небольшой (R<1 пк, напомним, что 1пк=3.26 светового года, а 1 Мпк=10^6 пк)
ядерной части галактики.

Признаками активности галактических ядер считаются следующие свойства:

1. Нетепловой вид спектра от радио до гамма диапазона электромагнитного
спектра. Что это означает? Всем хорошо известно, что если мы нагреваем
брусок железа, то он будет светиться все ярче и ярче. Воообще, любые
нагретые тела будут излучать энергию, причем количество энергии и вид
спектра будут зависить от температуры. Такое излучение называется тепловым.

Возможны и другие механизмы излучения энергии. При этом вид спектра будет
совсем другим, его нельзя объяснить тем, что излучает какое-то нагретое
тело, например, газ. Этот тип излучения называется нетепловым. Одним из
самых важных для астрофизики вообще и для физики активных ядер в частности
является т.н.синхротронное излучение. Оно образуется при движении электронов
в магнитном поле и имеет характерный нетепловой спектр.

2. Переменность, т.е. изменение видимого блеска, с периодом от 10 минут (в
рентгеновском диапазоне) до 10 лет в оптическом и радио диапазонах.

3. Наличие широких эмиссионных линий в спектре, говорящих о
движениях горячего газа с большими скоростями.

4. Морфологические особенности (выбросы, "горячие пятна"). Необычный внешний
вид часто является следствием активности ядра, из которого может
выбрасываться большое количество вещества.

5. Спектральные и поляризационные особенности. Последние могут говорить,
например, о наличии магнитного поля и его структуре.

Конечно не обязательно наличие одновременно всех этих свойств.

Есть и некоторые требования к самим галактикам. Обычно пекулярность, т.е.
необычность, отсутствует в маломассивных галактиках. Кроме того, галактика
должна быть конденсирована к центру, поэтому ядерная активность чаще
встречается у эллиптических галактик. Также практически всегда необходимо
наличие большого количества газа в центральных областях галактики, поскольку
в ряде моделей активности именно с газом так или иначе связывается
энерговыделение в активном ядре.

Первыми из галактик с активными ядрами (АЯ) были открыты сейфертовские
галактики, названные так в честь их первооткрывателя К.Сейферта (1911-1960).
Он обнаружил в спектрах 12 галактик широкие линии водорода, гелия и
ионизованного железа, полуширина которых, в соответствии с эффектом Доплера,
соответствовала скоростям до нескольких тысяч км/сек.

Сейчас известно около тысячи таких объектов, причем в некоторых из них
эмиссионные спектральные линии имеют ширины, соответствующую скорости около
30 000 км/сек (0.1 скорости света!).

Эти скорости связаны с движением облаков газа в центральных частях
сейфертовских галактик. Т.е. существует большое количество газа, вылетающего
из ядра со скоростью до десятков тысяч км/сек.

Сейфертовские галактики относятся к гигантским спиральным галактикам. Среди
них особенно велика доля пересеченных спиралей (около 70%). Сейферты, как
часто называют этот тип галактик, чаще, чем обычные галактики, входят в
число пар и групп, но избегают богатых скоплений (как мы увидим в дальнейшем
примерно те же свойства демонстрируют другие активные внегалактические
объекты - квазары). Для них свойственна сильная сферическая составляющая.
Сейферты составляют примерно 1% от общего числа спиральных галактик, и их
пространственная концентрация равна 1 галактика на 10^4 кубических Мпк.

Спектры сейфертов имеют нетепловой характер в широком диапазоне волн. Для
блеска этих галактик свойственна переменность с амплитудой порядка одной
звездной величины и периодом от нескольких дней до нескольких недель. Также
иногда происходят мощные вспышки, блеск резко увеличивается. Вцелом спектр
похож на спектр квазаров и это является еще одним аргументом в пользу
наличия генетической связи между этими двумя типами объектов.

АЯ всех типов характеризуются очень большой светимостью и для сейфертовских
галактик эта величина составляет примерно 10^44 эрг/сек, что равно светимости
нашей Галактики, но у сейфертов вся эта энергия выделяется в области
диаметром около 1 пк (это меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей
звезды)! Оптическая светимость достигает 10^42 эрг/сек, а основная часть
энергии обычно излучается в инфракрасном диапазоне и для галактики NGC 1068,
которая входила в число первых открытых сейфертовских галактик, составляет
2*10^44 эрг/сек.

Прежде чем переходить к другим активным внегалактическим объектам попробуем,
вначале кратко, ответить на естественно возникающий вопрос. Что же является
источником энергии для столь бурной активности? Что за "двигатель",
занимающий менее 1 пк, вырыбатывает столько энергии?

Окончательного ответа пока не знает никто, но в результате длительной работы
теоретиков и наблюдателей было выделено пять наиболее вероятных моделей,
которые мы сейчас и перечислим, чтобы в дальнейших описаниях различных типов
активности в ядрах внегалактических объектов мы могли ссылаться на эти
модели, а затем нам было бы удобнее рассматривать их более подробно.

Исторически первой была выдвинута модель, предполагающая наличие в центре
галактики плотного массивного звездного скопления,в котором много молодых
звезд с большой светимостью.

Вторая модель была предложена отчасти по аналогии с тогда только открытыми
пульсарами. Согласно этой версии источником ядерной активности служит
свермассивный звездоподобный объект с мощным магнитным полем.

Третья и четвертая модели связаны с таким загадочным и многообещающим
объектом, как черная дыра. В одной модели предполагается наличие одиночной
черной дыры в центре галактики, а в другой вводится спутник черной дыры, и
система становится похожей на хорошо известный источник SS 433. В результате
аккреции, т.е.падения, вещества на черную дыру и выделяется все это огромное
количество энергии. Возможно также существование сразу двух черных дыр в
ядре галактики.

Последняя пятая модель является как бы составной и включает в себя последние
достижения физики (прежде всего теоретической), которые применяются к
объяснению процессов в АЯ. Среди этих безусловно интересных идей
присутствуют "белые дыры", аксионы, магнитные монополи, струны, кварки,
гамма-пушки и многое другое.

Таковы в кратце основные идеи, пытающиеся объяснить активность галактических
ядер, а мы пока продолжим описание различных типов этой активности, отложив
более подробное описание наиболее многообещающих моделей до главы о
квазарах.

Другим типом галактик с АЯ являются радиогалактики. Они определяются как
галактики, у которых светимость в радиодиапазоне превышает 10^40 эрг/сек.
Обычно это большие эллиптические галактики, расположенные в центрах групп и
скоплений.

Из них выделяются D-галактики, cD-галактики и N-галактики. Первые из них это
галактики с протяженными газовыми оболочками и мощной радиосветимостью
(порядка 10^43 эрг/сек). cD-галактики - гигантские эллиптические
ралиогалактики. Обычно они располагаются в центрах богатых скоплений. Масса
этих гигантов достигает 10^13 масс солнца, абсолютная звездная величина
М=-24, а светимость в радиодиапазоне 10^45 эрг/сек. N-галактики (от слова
nuclear-ядерный) являются галактиками с очень ярким ядром и туманной
оболочкой. Они были открыты в 1958 г. Б.А.Воронцовым-Вельяминовым. Сейчас их
известно около 100 объектов. Для них свойственна большая светимость в радио
диапазоне (порядка 10^43 эрг/сек) и наличие широких эмиссионных линий,
соответствующих скоростям до десяти тысяч км/сек. В оптическом диапазоне они
имеют абсолютную звездную величину около -21 (светимость порядка 10^44
эрг/сек). Оптическое излучение имеет нетепловой характер с избытком в
голубой части спектра и переменно с периодом в несколько лет. Самая близкая
галактика этого типа расположена на расстоянии 100 Мпк от Земли, самая
далекая - 1000 Мпк (более трех миллиардов световых лет!). Это чрезвычайно
редкие объекты. Они встречаются в миллион раз реже нормальных галактик.

Для понимания природы радиогалактик в первую очередь важна необычная
структура их изображений в радио диапазоне. Галактика, которая в оптике
видна как более-менее обычный объект, в радио лучах предстает перед нами в
виде трех источников. Центральный совпадает с ядром галактики, а два других
расположены симметрично по обе стороны от центрального, и расстояние между
ними составляет обычно от 0.1 Мпк до 1 Мпк. Эти два "радиоуха" часто гораздо
мощнее источника, совпадающего с ядром, и могут иметь яркие "горячие пятна".
Эта особенность связана с такой характерной чертой радиогалактик, как джеты
(или струи), которые бьют из ядра галактики.

Примерно симметричные биполярные (т.е. двухсторонние) истечения вещества
наблюдаются и в мире звезд у молодых объектов в плотных молекулярных облаках
и у двойных систем с релятивистским компонентом. В двойных звездных системах
джеты объясняются как результат сверхкритической дисковой аккреции на
компактный объект, а поскольку наиболее популярной моделью АЯ является
массивная черная дыра, то и внегалактические джеты обычно объясняют теми же
причинами (хотя возможны и другие объяснения).

Для построения модели выброса нужно прежде всего объяснить две вещи: высокую
степень коллимации (т.е. фокусировки) струи и механизм передачи энергии
вдоль струи, размер которой может быть больше 1 Мпк, в этом случае электроны
в джете успеют высветить всю свою энергию, которую т.о. нужно будет как то
восполнять (энергия может излучаться в виде синхротронного излучения,
поэтому наблюдаемый спектр будет как раз нетепловым).

Предложено много теорий гидродинамического образования струй, а в последнее
время большое внимание привлекает электро-магнитный механизм образования
джетов из-за разности потенциалов поперек диска, пронизываемого открытыми
силовыми линиями магнитного поля. Разность потенциалов может превышать 1020
В и частицы будут ускоряться до релятивистских скоростей.

Строгая аналитическая модель струй еще не создана, поэтому большая часть
результатов пока получается с помощью компьютерного моделирования, которое в
последние 20-30 лет приобрело огромное значение для астрономии, и много
новейших крайне интересных результатов в современной астрофизике были
получены благодаря использованию самых современных многопроцессорных
суперкомпьютеров.

Физика галактик с АЯ - передний край астрофизики, где используются и
проверяются новейшие физические теории, и есть большой простор для новых
фундаментальных идей, для использования современных приборов и методов
наблюдения и компьютерного моделирования.

Попов С.Б.

(см. также статью автора в Энциклопедии Аванта +)