Активные галактики (продолжение тем о галактиках).

Рядом с красивой спиральной галактикой М81 находится гравитационно связанная с ней неправильная галактика М82, известная также как «Сигара». Лет сорок назад эта галактика чрезвычайно интриговала астрономов, поскольку были обнаружены мощные веерообразные выбросы нейтрального водорода из ее центральной области, сравнимые по размерам с самой галактикой. Картина походила на разлет газовой материи в результате взрыва, случившегося порядка миллиона лет назад.
К тому времени был уже основательно изучен феномен Сверхновых звезд, но ядра галактик хранили еще много тайн. Занимавший умы астрономов вопрос был в сущности закономерен: коль скоро некоторые звезды взрываются, то не могут ли неизмеримо более масштабные взрывные процессы идти в ядрах галактик?
Вообще-то с поиском четко выраженных ядер неправильных галактик дело обстоит неважно. Сплошь и рядом найти ядро такой галактики не легче, чем найти «ядро» большой неупорядоченной толпы. Что принять за ядро - центр толпы?
Или сгущение, наиболее близкое к центру? Но сгущений может быть несколько, и никто не доказал, что в неправильной галактике, как и в толпе, сгущения стабильны...
Но - так уж и быть - пусть мы «назначили» ядро волевым решением. Правильность нашего решения по идее подтверждается активностью ядра (если она наблюдается). Но в чем заключается природа активности? Цепная реакция взрывов Сверхновых?
Полно, да возможно ли такое? Или активность проявляет некий объект незвездной природы?
Ситуация с М82 в конце концов разъяснилась довольно банальным образом. Богатые неизрасходованным газом неправильные галактики сплошь и рядом демонстрируют вспышечное звездообразование, когда за ничтожный по астрономическим меркам срок рождается целая звездная сверхассоциация, а то и комплекс. Нечто подобное, хотя и в меньшем масштабе, демонстрирует нам Большое Магелланово Облако - речь идет главным образом о сверхассоциации в Туманности Тарантул. Вспышка звездообразования в центральной части М82 оказалась гораздо мощнее, чем в БМО. Наблюдаемое истечение газа - результат светового давления на среду со стороны очень большого количества молодых горячих звезд.
Никаких «центральных монстров» для объяснения данного феномена привлекать не понадобилось.
Можем ли мы считать М82 активной галактикой? В определенном смысле - да. Но сегодня, говоря об активных галактиках (точнее, об активных ядрах галактик), астрономы имеют в виду нечто совершенно другое.
Другие объекты и совсем другие процессы.
В чем наиболее заметное сходство этих объектов между собой и отличие от галактик вроде М82? Прежде всего в том, что ядра активных галактик - источники сильнейшего радиоизлучения. Именно по радиоизлучению они и были «выловлены» на небе.
Чувствительности первых приемных устройств, появившихся на заре радиоастрономии, в принципе хватало для того, чтобы фиксировать достаточно сильные радиосигналы, пришедшие из космоса, зато угловое разрешение оставляло желать много лучшего. Ни о каких радиоизображениях космических источников радиосигналов тогда не могло быть и речи. Радиоастрономы могли лишь указать, из какого примерно участка неба исходит радиосигнал. Иногда лишь с точностью до созвездия, если источник находился в малом по площади созвездии.
Так появились обозначения Лебедь А, Кассиопея А и др. Самому яркому в радиолучах объекту данного созвездия присваивался индекс А, следующему В и т. д.
По мере роста размеров приемных «тарелок» радиотелескопов их угловое разрешение увеличивалось. Первые свидетельства того, что некоторые радиоисточники могут быть далекими галактиками, появились в 1949 году, когда австралийские радиоастрономы отождествили сильный радиоисточник Центавр А с необычной галактикой NGC5128. Частенько, однако, вблизи яркой в радиолучах области не наблюдалось ничего оптически яркого. Дела пошли лучше, когда к поискам оптических объектов, неумеренно много излучающих в радиодиапазоне, подключились астрономы Паломарской обсерватории, имевшие в своем распоряжении крупнейший тогда 200-дюймовый (5-м) телескоп. После значительных усилий они нашли несколько подходящих оптических кандидатов в радиоисточники.
У одного из них - Лебедя А - оказался спектр, похожий на спектр галактики, удаленной от нас на 700 млн св. лет. Другие кандидаты тоже оказались необычными галактиками. Астрономы пришли к выводу, что по крайней мере некоторые радиоисточники могут быть галактиками, правда весьма странными.
дыра
Некоторые источники выглядели как сталкивающиеся галактики. Другие - как типичные одиночные галактики. Наконец, на небе существует достаточно много сталкивающихся галактик, и далеко не все из них являются мощнейшими радиоисточниками. Неистощимая на выдумку Природа подбросила еще одну проблему: как разобраться в наблюдаемой картине? Некоторые галактики оказались настолько яркими в радиолучах, что было совершенно непонятно, как столкновение между облаками газа может породить такую энергетику излучения?
К тому же некоторые из радиоисточников оказались одиночными эллиптическими галактиками, почти начисто лишенными газа. Что же в них излучает радиоволны?
В гипотезах недостатка не ощущалось. Среди них были модели с галактиками из антивещества, магнитными вспышками, аккрецией межгалактического вещества, образованием новых галактик, цепной реакцией взрывов звезд, возникновением (из чего?) нового вещества и действием центрального сверхмассивного объекта. Почти все эти гипотезы не выдержали «испытания на прочность». Развитие радиоастрономии сопровождалось увеличением размеров и чувствительности радиотелескопов, применением новых методов, открытием тысяч новых радиогалактик и, как следствие, отпадением ошибочных гипотез.
Сейчас осталась только одна - не стопроцентно доказанная (кто там, в самом деле, видел, что происходит в отдаленных галактиках?), но по крайней мере способная объяснить удивительно мощное излучение этих галактик в радиодиапазоне.
Согласно этой модели, в ядре галактики находится «центральный монстр» - черная дыра с массой порядка миллионов масс Солнца. Другие возможные кандидаты на роль центрального монстра не обеспечивают наблюдаемой энергетики. Центральный монстр опустошает свои окрестности, жадно заглатывая газ (а если попадется звезда, то и звезду), излучающий во время падения энергию, эквивалентную (по соотношению Эйнштейна) примерно 15% своей массы.
Выражаясь фигурально, мы слышим в радиодиапазоне предсмертные вопли погибающей материи.
Материя, однако, не падает в черную дыру сплошным равномерным потоком, как вода в Ниагарский водопад. Если мы рассмотрим одиночный атом водорода в пустоте, окружающей черную дыру, то не найдем причин для быстрого падения атома в черную дыру, если только составляющая скорости атома, перпендикулярная силе тяготения черной дыры, достаточна для того, чтобы он вышел на эллиптическую орбиту. По ней он будет обращаться вокруг черной дыры весьма долгое время, определяемое в конечном счете эффектами ОТО.
Так и хочется сказать: «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». В действительности черная дыра окружена, конечно, не единичными атомами водорода, а более или менее плотной газовой средой, для которой весьма существенны столкновения между атомами, сопровождающиеся потерей ими энергии. Как следствие, вокруг черной дыры формируется очень быстро вращающийся аккреционный диск, а уже из него газ, потерявший вращательный момент, падает в черную дыру.
Уже простой здравый смысл подсказывает, что этот колоссальный по масштабам энерговыделения процесс не может течь равномерно. И действительно, многие отождествленные с галактиками радиоисточники демонстрируют быструю (иногда в течение часов) неправильную переменность, что однозначно свидетельствует о малых размерах излучающей области. Более того, бурные процессы в окружающем черную дыру газе приводят к тому, что некоторая часть материи не пропадает в черной дыре, а выбрасывается прочь в виде джетов - длинных и тонких струй излучающего газа.
Мы познакомились с джетами, когда говорили о фуорах, но джеты, наблюдаемые в радиогалактиках, естественно, неизмеримо мощнее.
Джетов обычно два - направленных в противоположные стороны. В некоторых галактиках эти струи вытягиваются наружу от ядра, образуя двойную структуру, наблюдаемую в оптическом, радио- и рентгеновском диапазонах. В других случаях джеты простираются далеко за пределы видимой части галактики, выходя в межгалактическое пространство. Излучение джетов - синхротронное, обусловленное движением заряженных релятивистских частиц (электронов и протонов) в магнитном поле.
Джеты вырываются из полюсов вращения аккреционных дисков и тянутся иногда на мегапарсеки.
Один из первых галактических джетов был обнаружен еще в 1919 году у эллиптической галактики М87 (она же NGC4486). Эта колоссальная галактика расположена близ центра скопления галактик в созвездии Девы и намного массивнее других членов скопления. Достаточно сказать, что одних только шаровых скоплений у этой галактики насчитывается около ю тыс.
С виду это нормальная галактика типа Еі - суперсверхгигантская, правда, но должны же хоть изредка попадаться суперсверхгиганты! До 1919 года эта галактика казалась замечательной лишь своей величиной. И вот - у нее был обнаружен короткий голубой джет, вырывающийся из ядра и «не достреливающий» до края галактики, а потому теряющийся в общем свечении многих миллиардов звезд.
Удивительное образование! В эллиптической галактике - газ, да еще выброшенный из ядра! Чем бы это могло быть?
дыра
Позднее с М87 был отождествлен мощный радиоисточник Дева А. В 1954 году И.С. Шкловский объяснил свечение джета продолжением спектра синхротронного излучения, а в 1956 году В. Бааде на 5-м Паломарском рефлекторе обнаружил поляризацию излучения в узлах джета, чем подтвердил гипотезу о синхротронной природе его излучения. Но откуда в М87 взялся газ?
На современном уровне знания, когда отпали «экзотические» гипотезы, ответ может быть только один: М87 - галактика-каннибал. В прошлом она проглотила несколько галактик-соседок, среди которых были богатые газом и пылью спиральные и неправильные галактики. Пыли в М87 уже нет, но запасы газа, постепенно стекшие к ядру, еще остались.
Именно этот «конфискованный» у соседок газ, взаимодействуя со сверхмассивной черной дырой в центре М87, большей частью погибает, излучая электромагнитные волны в широчайшем диапазоне частот, а меньшая его часть формирует джет, также излучающий.
Чуть позже астрономам удалось разобраться со знаменитым радиоисточником Лебедь А. На метровых волнах этот радиоисточник лишь в несколько раз уступает Солнцу, хотя расстояние до него около 340 Мпк. Это попросту означает, что яркость его в радиолучах примерно в ю27 раз превышает радиояркость Солнца. Бааде обнаружил в этом месте крошечную двойную галактику. «Двойную» - в этом слове оказался ключ к разгадке. Взаимодействующие галактики обмениваются материей, в том числе, конечно, и газово-пылевой.
Ее облака, сталкиваясь, теряют момент вращения и оседают к галактическим ядрам, где образуют аккреционные диски вокруг «центральных монстров». Если не питать этих «монстров» материей, то никакого электромагнитного излучения от них не будет - по той же самой причине, по какой не сдвинется с места автомобиль с сухим бензобаком.
Еще один яркий (в буквальном смысле; он 7-й звездной величины) пример - галактика NGC5128, известная также как радиоисточник Центавр А. На фон этой слабосплюснутой эллиптической галактики накладывается широкая полоса пыли. И здесь мы имеем дело со столкновением галактик - эллиптической и спиральной, наблюдаемой с ребра. Вопрос дефицита газа для активных эллиптической галактики больше не стоит.
Итак, в активных галактиках имеется материал, безвозвратно исчезающий в центральной сверхмассивной черной дыре. В нормальных галактиках этого материала уже нет или почти нет, он практически весь израсходован. К примеру, в нашей Галактике «центральный монстр» явно сидит на очень голодном пайке.
Конечно, сколько-то вещества он все равно заглатывает, и это вещество излучает, но интенсивность его излучения не идет даже в отдаленное сравнение с тем, что мы наблюдаем в ядрах активных галактик. Мало «топлива» - мала и мощность.
Нельзя сказать, что все активные галактики похожи друг на друга. В 1940-х годах Карл Сейферт открыл класс необычайно ярких галактик с широкими эмиссионными линиями в ядре. При этом они не являлись особенно мощными радиоисточниками. Сейчас эти галактики называются сейфертовскими (или попросту Сейфертами) и являются предметом многих интересных исследований. Их принято делить на два подтипа: Сейферт I и Сейферт II.
Разница между ними заключена в ширине эмиссионных линий - у первого подтипа они шире, чем у второго.
Самая яркая из сейфертовских галактик на небе - спиральная система М77 в созвездии Кита, легко различимая в небольшой телескоп как пятнышко 9"'. Другой пример - спираль NGC1068, являющаяся не только сейфертовской галактикой, но и радиоисточником. В ее ядре находится очень яркое и горячее облако газа с турбулентными скоростями в несколько тысяч километров в секунду.
По энергетике она напоминает радиогалактики и, похоже, находится на нижнем конце диапазона таких объектов, простирающегося до мощных радиогалактик и квазаров. Общим для всех этих источников является наличие в ядре резко очерченного возмущения с очень большой энергией. Астрономы часто называют эти возмущенные области АЯГ - активными ядрами галактик.