---

<< 9.1 Галактики. Общие сведения. | Оглавление | 9.3 Эддингтоновский предел светимости >>

Разделы

• 9.2.1 Основные наблюдаемые свойства
• 9.2.2 Механизмы активности галактических ядер
• 9.2.3 Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.
• 9.2.4 Эффективность аккреции вещества на черные дыры
• 9.2.5 Приливное разрушение звезд в окрестностях сверхмассивной черной дыры

---

9.2 Квазары и активные галактические ядра.

Галактики отличаются большим разнообразием. Среди них выделяются галактики с активными ядрами, в которых происходит огромное энерговыделение. К классу активных ядер галактик относятся квазары, сейфертовские галактики, радиогалактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды).

9.2.1 Основные наблюдаемые свойства

В 1960 г. были обнаружены радиоисточники с малыми угловыми размерами (менее 10 сек. дуги), которые затем были отождествлены со звездообразными объектами в потическом диапазоне (квазар - аббревиатура от англ. QUASi-stellAR Radiosource). В 1963 г. Мартен Шмидт (M.Schmidt) снял спектр источника 3С 273. В спектре были видны широкие эмиссионные линии Бальмеровской серии водорода и однократно ионизованного магния (Mg II) а красное смещение оказалось (т.е. расстояние до источника Мпк). В настоящее время известно около 10 тыс. квазаров, а максимальное красное смещение, с которого наблюдаются квазары, свыше 6!

Основные феноменологические свойства квазаров следующие.

1. Большое красное смещение (далекие объекты), (2002)

2. нетепловой (степенной) непрерывный спектр электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн

3. широкие линии излучения в разрешенных линиях (ширина до 2000 км/с) и узкие запрещенные эмиссионные линии (как в газовых туманностях)

4. переменность излучения на временах от нескольких дней до нескольких месяцев, откуда оценка на характерный размер излучающей области см пк (Замечание: наилучшее ограничение на размер излучающей области в квазарах получено в 1989 г. из наблюдений микролинзирования квазаров и составляет см - всего 60 астрономических единиц!)

5. огромная светимость эрг/с (для сравнения: полная светимость гигантской спиральной галактики типа нашей эрг/с)

6. часто вокруг квазара видна "хозяйская" (host) галактика различной морфологии (эллиптическая или спиральная). Довольно часто активные ядра наблюдаются во взаимодействующих (сливающихся) галактиках

7. часто наблюдаются труйные выбросы (джеты) частиц с релятивистскими скоростями (до 0.99 с), видимые в радиодиапазоне до расстояний в несколько мегапарсек.

Схожие свойства (несколько в меньшем масштабе) наблюдается от активных ядер галактик (радиогалактики, Сейфертовские галактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды)). Высокая светимость и компактность излучающей области определяют физическое состояние вещества вблизи центра квазара.

Пример: оценим плотность излучения на характерном расстоянии cм от центра квазара со светимостью эрг/с: эрг/см - на много порядков больше плотности энергии реликтового излучения ( эрг/см) или уф-излучения звезд в Галактике ( эрг/см).

Активные галактики и квазары составляют относительно немногочисленный подкласс объектов (иными словами стадия активности квазара или ядра галактики много меньше хаббловского времени лет). Их пространственная плотность:

Обычные галактики .......................... на куб. Мпк

Сейфертовские галактики .................... на куб. Мпк

Радиогалактики ......................... на куб. Мпк

Квазары .......................... на куб. Мпк

По современным представлениям, феномен активности галактического ядра связан с определенной фазой эволюции галактик, у которых в центре образовались сверхмассивные черные дыры. Максимальный темп формирования таких галактик приходился на эпоху, характеризуемую красным смещением . По-видимому: именно на этих красных смещениях происходило наиболее активное взаимодействие галактик друг с другом, что инициировало активное звездообразование и как результат обогащало центральные области галактик газом, "питающим" сверхмассивную черную дыру в центре.

9.2.2 Механизмы активности галактических ядер

Исторически было предложено три основных механизма генерации энергии в компактной области в центре галактик:

1. Вспышки Сверхновых звезд в компактном звездном скоплении в центре галактики. От этой модели быстро отказались после открытия переменности излучения ядер.

2. Сверхмассивная звезда, равновесие которой поддерживается вращением и магнитным полем (Л.М. Озерной). Предсказывает периодичность излучения (не наблюдаается) и имеет проблемы с устойчивостью такой конфигурации.

3. Аккреция (падение, от лат. "accretio", натягиваю) вещества на сверхмассивную черную дыру

Последняя модель наиболее разработана, в ее рамках получено объяснение многим наблюдательным свойствам (высокая светимость, компактность, спектр). Рассмотрим ее более подробно, так как на ее примере видна важная роль аккреции вещества на гравитирующий центр в астрофизике вообще.

9.2.3 Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.

Возникновение массивных черных дыр в центрах галактик следует из общих эволюционных соображений, которые мы за отстутствием места не обсуждаем. К 1997 г. в центрах примерно 10 галактик по движению звезд и газа были обнаружены сверхмассивные черные дыры:

M87 -

NGC 3115 -

NGC 4486 -

NGC 4594 (Sombrero) -

NGC 3377 -

NGC 3379 -

NGC 4258 -

M31 (Andromeda) -

M32 -

Этот список постоянно пополняется и к 2002 году число галактик с измерреной массой центральной черной дыры свыше 50 (см. также последний параграф этой лекции).

Массы черных дыр определены из наблюдений движения звезд и газа в центре галактик с помощью космического телескопа им. Хаббла. Действительно, установившиеся (стационарные) движения звезд вблизи черной дыры должны подчиняться теореме вириала , , откуда дисперсия скоростей звезд или круговая скорость вращения газа на расстоянии от центра галактики . Определяя по эффекту Допплера скорости на угловом расстоянии от центра галактики и зная расстояние до галактики, получаем оценку массы центральной черной дыры.

Масса черной дыры в центре нашей Галактики порядка также определена по прецизионному измерению собственного движения отдельных звезд (т.к. центр Галактики непрозрачен в оптических лучах, измерения проводились в ИК-диапазоне).

9.2.4 Эффективность аккреции вещества на черные дыры

Как известно, черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой (Шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса (Керровская черная дыра) и элкектрическим зарядом (черная дыра Керра-Ньюмана). Горизонт событий Шварцшильдовской черной дыры (т.н. гравитационный или Шварцшильдовский радиус)

Из-за малости гравитационного радиуса даже для массы Солнца черные дыры относятся к компактным звездам (хотя конечно буквально звездами-то они и не являются, поэтому правильнее говорить о компактных релятивистских объектах).

В Ньютоновском приближении при падении вещества на тяготеющее тело массы M с радиусом R на грамм вещества выделяется гравитационная энергия

(здесь мы пренебрегли начальной потенциальной и кинетической энергией на удаленном расстоянии от тяготеющего центра). Если темп аккреции (грамм в секунду) , то мощность выделяемой энергии

где - эффективность энерговыделения на грамм вещества.

Если у тела есть поверхность (например, звезда), гравитационная энергия выделяется в виде тепла при ударе о поверхность. Но у черной дыры нет поверхности - чтобы выделилась гравитационная энергия, требуются специальные режимы падения. Например, при строгом сферически- симметричном режиме падения на черную дыру эффективность энерговыделеняи полностью определяется физическими условиями в падающей плазме (плотность, температура, магнитное поле) и как правило очень низка, . В реальных астрофизических условиях плазма в общем случае обладает отличным от нуля моментом импульса , поэтому при движении в поле тяготеющего тела появляется центробежный барьер, . Для его преодоления вещество должно отдать момент импульса. Для этого необходимо, чтобы (1) газ в диске вращался дифференциально и (2) существовал эффективный механизм вязкости между соседними слоями. Певое требование автоматически выполняется практически всегда, т.к. пробная частица с ненулевым моментом импульса движется в поле тяготения по кеплеровской орбите. Для движения по круговой Кеплеровской орбите с радиусом тангенциальная скорость , круговая частота , поэтому возникают отличные от нуля сдвиговые напряжения . Если коэффициент динамической вязкости отличен от нуля, то возникают вязкие напряжения (т.е. сила трения, действующая на единицу площади) . По теореме из механики отличный от нуля момент вязких сил, действующих на кольцо радиуса , приводит к изменению его момента импульса. Механизм вязкости в аккреционных дисках окончательно не выяснен, однако наиболее вероятно, что вязкость связана с турбулентными движениями плазмы в дифференциально вращающемся газовом диске. Возможно, важную роль в турбулизации диска играют магнитные поля, вмороженные в космическую плазму.

Таким образом, при наличии вязкости момент импульса передается вязкими напряжениями по радиусу вдоль диска наружу, при этом вещество начинает медленно приближаться к центральному телу. Этот процесс носит диффузионный характер, Из-за сил трения газ разогревается до высоких температур, и освобождаемая гравитационная энергия перерабатывается в электромагнитное излучение. Такие диски (с вязкостью, в отличие, например, от колец Сатурна) называются аккреционными. Они возникают в двойных звездных системах при перетекании вещества с одной звезды на другую (такие явления возможны при эволюционном расширении одной из звезд). Аккреционые диски также могут образоваться вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики или квазара. Вещество для диска поставляется звездами, разрушающимися приливными силами при пролетах вблизи черной дыры. Поскольку момент импульса звезд относительно черной дыры ненулевой (особенно в спиральных галактиках), вещество образует диск (в настоящее время газо-пылевые диски малых размеров в ядрах галактик непосредственно наблюдаются в оптическом и ИК-диапазонах с борта космического телескопа им. Хаббла и крупными наземными телескопами).

Аккреционные диски вокруг черных дыр как источники энергии активных ядер галактик и квазаров были колическтвенно рассмотрены Д. Линден-Ьеллом и Дж. Принглом (Lynden-Bell, Pringle) в 1969 г. Теория стационарных аккреционных дисков на компактные объекты в двойных системах была разработана в работах советсвких астрофизиков Н.И. Шакуры (1972) и Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева (1973). Анализ показывает, что полная светимость аккреционного диска не зависит от механизма вязкости и определяется граничными условиями - темпом втекания вещества в диск, , радиусом внутренней границы диска и значением удельного момента импульса на внутренней границе^9.1. Если вещество в диске движется по Кеплеровским орбитам вплоть до самой внутренней границы, его полная светимость

т.е. равна ровно половине выделяемой гравитационной энергии (другая половина идет на увеличение кинетической энергии движения частиц, в соответствии с теоремой вириала). Другими словами можно сказать, что светимость диска на грамм вещества в точности равна гравитационной энергии связи на внутренней границе. Действительно, в ньютоновском случае эта энергия есть . При аккреции на черную дыру внутренний радиус диска определяется последней устойчивой Кеплеровской орбитой^9.2. Это означает, что при меньших расстояниях до тяготеющего центра орбита перестает быть замкнутой и пробная частица падает на тяготеющий центр за время свободного падения. В случае невращающейся черной дыры, описывающейся метрикой Шварцшильда в ОТО, , где - гравитационный радиус. Для черных дыр с отличным от нуля моментом импульса радиус устойчивой орбиты в кваториальной плоскости меньше трех грав. радиусов и приближается к для предельно вращающейся Керровской черной дыры.

Энерговыделение в диске часто записывают в виде

где - эффективность переработки энергии покоя в электромагнитную. В аккреционных дисках эта величина рекордно высока: при аккреции на Шварцшильдовскую черную дыру или на нейтронную звезду солнечной масcы с радиусом около 10 км, и достигает при аккреции на керровскую предельно вращающуюся черную дыру. (Для сравнения: в химических реакциях (горение дров, взрыв тротила) , в термоядерных реакциях (водородная бомба, недра звезд) "всего" !). Можно сказать, что аккреционные диски - очент эффективные "машины" по переработке гравитационной энергии в излучение.

Спектры выходящего излучения из аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах активных галактик и квазаров в целом хорошо описывают наблюдаемое распределение энергии. Остается нерешенным вопрос о формировании узкоколлимированных релятивистских джетов из ядер галактик и квазаров. По-видимому, существенную роль в формировании таких выбросов играет магнитное поле, обязательно присутствующее в плазме. Джет может формироваться либо в окрестности вращающейся черной дыры , окруженной аккреционным диском с магнитным полем (при этом извлекается энергия вращения черной дыры, так называемый механизм Блэндфорда-Знаека (Blandford, Znajek, 1976), либо при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Механизм Блэндфорда-Знаека легко понять из следующих физических соображений. Теория черных дыр утверждает, что для задач электродинамики горизонт событий черной дыры может быть представлен в виде проводящей мембраны с сопротивлением около 344 Ом. Если вокруг вращающейся (Керровской) черной дыры есть замагниченная плазма, то с точки зрения электродинамики задача становится эквивалентной рассмотрению вращения проводящей сферы в магнитном поле - униполярному индуктору, модель которого мы использовали при обсуждении физики радиопульсаров в лекции 8. Ясно, что по аналогии (и расчеты это подтверждают) можно записать, что энерговыделение в результате этого процесса будет порядка

где - угловая скорость вращения черной дыры, - напряженность магнитного поля вблизи горизонта, - характерный размер задачи. Поскольку - размер светового цилиндра (отделяющего ближнюю и волновую зоны), то при угловом моменте черной дыры близком к предельно возможному имеем и

что очень близко к наблюдаемой энергетике джетов от активных ядер галактик и квазаров. Отличительным свойством джета, формируемого механизмом Блэндфорда-Знаека, должна быть генерация электронно-позитронной плазмы. Пока не найдено возможности различить эти механизмы.

9.2.5 Приливное разрушение звезд в окрестностях сверхмассивной черной дыры

Газ в аккреционный диск может попадать различными путями: это может быть межзвездный газ из диска галактики, диффундирующие под действием динамического трения гигантские молекулярные облака, звезды, разорванные приливными силами черной дыры. Рассмотрим последний процесс (Хилс, 1975). Пусть имеется звезда с массой и радиусом , средняя плотность звезды . Качественно, звезда разрушается приливными силами, если ускорение свободного падения на поверхности становится меньше приливного ускорения со стороны черной дыры с массой : , где d - расстояние от звезды до черной дыры. Разрыв наступает на критическом расстоянии (называемом приливным радиусом): . Очевидно, горизонт (гравитационный радиус) черной дыры зависит линейно от массы , быстрее чем приливной радиус . При массе черной дыры

эти радиусы сравниваются, а значит звезды будут пересекать горизонт событий черной дыры не разрушаясь, лишая аккреционный диск подпитки газом (хотя конечно, остаются иные механизмы подпитки). Таким образом, если звезды являются основными поставщиками вещества для активного галактического ядра, рост черной дыры значительно замедляется при массе около . Для характерных темпов аккреции около 1 в год (см. ниже) время существования максимальной активности ядра галактики т.о. может быть около 100 млн. лет.

---

<< 9.1 Галактики. Общие сведения. | Оглавление | 9.3 Эддингтоновский предел светимости >>

Публикации с ключевыми словами: звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика Публикации со словами: звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика
См. также: Звезды, пыль и туманность в NGC 6559 25 самых ярких звезд на ночном небе Анимация: черная дыра разрушает звезду Разложение далекого света Сравнение размеров звезд Самая далекая из всех известных звезд? Формирование галактик в магнитной Вселенной Все публикации на ту же тему >>