Активні галактики

Активна галактика - галактика з активним ядром. Такі галактики поділяються на:сейфертівських, радіогалактики, лацертиди та квазари. Встановлено, що в центрі майже кожної з відомих галактик знаходиться чорна діра, яка і є причиною підвищеної інтенсивності випромінювання від ядра, особливо в рентгенівському діапазоні. З ядра таких галактик зазвичай виривається релятивістський струмінь (джет). Визначною рисою багатьох активних галактик є змінне (із переіодом від кількох днів до кількох годин) рентгенівське випромінювання.

Радіогалактики

Радіогалактики – це галактики, для яких характерне радіовипромінювання аномально великої потужності в порівнянні з нормальними галактиками (такими як наша Галактика або Велика галактика Андромеди). Радіогалактики складають найбільш численну групу позагалактичних. Переважна більшість з них відносяться до типу гігантських еліптичних галактик, до їх числа належать також галактики з особливостями в ядрах: сейфертовські і N-галактики. Приблизно для 100 радіогалактик виміряно червоне зміщення, отже може бути визначена і відстань.

Радіовипромінюван-ня найбільш «яскравих» радіогалактик перевищує їх оптичну світність. Джерела випромінювання радіогалактик звичайно складаються з декількох компонентів (ядро, гало, радіовикиди).

На рис. подано комплексне зображення найближчої до нас (відстань біля 3,8 Мпк) радіогалактики Центавр A в оптичному, радіо та рентгенівському діапазонах. Області інтенсивного радіовипромінювання розташовані з протилежних боків від галактичного диску.

Серед відомих радіогалактик можна виділити: Лебідь A; Центавр A (NGC 5128); Діва А (NGC 4486, M 87) – одна з наймасивніших галактик в скупченні Діви; Піч А (NGC 1316).

Радіовипромінюючі області звичайно мають досить складну структуру: для них характерна наявність протяжних (прозорих) і компактних (непрозорих) областей. Більшість радіогалактик складаються з 2 джерел радіовипромінювання, віддалених від оптичної компоненти галактики на значну відстань (світлі області у верхній і нижній частинах рис.). Часто область радіовипромінювання містить декілька компонент меншого розміру. Радіовипромінювання звичайно лінійно поляризоване, що свідчить про однорідність магнітного поля у великому масштабі. Для багатьох об'єктів характерна змінність радіовипромінювання, що відноситься в основному до компактних областей. У деяких радіогалактик разом із змінністю радіовипромінювання спостерігаються зміни їх блиску в оптичному діапазоні.

Радіовипромінювання, найбільш імовірно, має синхротронну природу, тобто виникає при русі ультрарелятивістських електронів в слабких магнітних полях. Відповідно до спостережуваного потоку радіовипромінювання енергія, що припадає на частку релятивістських частинок, виявляється надзвичайно великою: близько 1052 ерг в компактних джерелах і 1057 – 1061 ерг в протяжних. Характер змінності свідчить про періодичні викиди щільних хмар релятивістських частинок; ці хмари надалі розширюються і стають прозорими. Потужність таких вибухів становить близько 1052 ерг. Для підтримки протяжного джерела потрібно близько 1 вибуху в рік протягом приблизно 108 років (для порівняння, при вибуху звичайної наднової зорі виділяється близько 1048 ерг).

Квазари та блазари

Квазар (англ. quasar – квазізоряне джерело радіовипромінювання) – клас небесних об’єктів, які в оптичному діапазоні схожі на зірку, але мають сильне радіовипромінювання і надзвичайно малі кутові розміри (менше 10").

Квазар – це яскравий об’єкт в центрі галактики, який проводить приблизно в 10 трильйонів разів більше енергії в секунду, ніж наше Сонце, і чиє випромінювання дуже мінливе у всіх діапазонах довжин хвиль. По одній з теорій, квазари є галактиками на початковому етапі розвитку, в яких надмасивна чорна діра поглинає навколишню речовину.

Вперше квазари виявили в 1960 році як радіоджерела, співпадаючі в оптичному діапазоні із слабкими зіркоподібними об’єктами. 

В 1963 році голандський астроном Мартін Шмідт довів, що лінії в їх спектрах мають сильне червоне зміщення. Приймаючи, що це зміщення має космологічну природу і підлягає закону Хаббла, вдалося визначити відстань до квазарів.

Оскільки останнім часом прийнято вважати, що джерелом випромінювання є аккреційнний диск надмасивної чорної діри, що знаходиться в центрі галактики, представляється найбільш вірогідним, що червоний зсув викликаний не віддаленням квазарів, а гравітаційним червоним зсувом, який було передбачено А. Ейнштейном при розробці загальної теорії відносності. У такому разі методика визначення відстаней до центрів світимості квазарів звичайним способом може давати абсолютно недостовірні результати.

Дуже складно визначити точне число виявлених на сьогодні квазарів. В опублікованому в 1987 році списку Хьюїтта – Бербріджа число квазарів становило 3594. У 2005 році група астрономів використовувала в своєму дослідженні дані вже про 195 тисяч квазарів.

Найближчий і найбільш яскравий квазар 3C 273 має блиск біля 13  і червоне зміщення z = 0,158 (що відповідає відстані близько 2 млрд. св. р.). Найвіддаленіші квазари, завдяки своїй гігантській світності, що перевищує в сотні разів світність звичайних галактик, реєструються за допомогою радіотелескопів на відстані більше 10 млрд. св. р.

Останні спостереження показали, що більшість квазарів знаходяться поблизу центрів величезних еліптичних галактик.

Квазари порівнюють з маяками Всесвіту. Вони видимі з величезних відстаней (до червоного зсуву z = 6,4), по ним досліджують структуру і еволюцію Всесвіту, визначають розподіл речовини.

Блазари – потужні джерела електромагнітного випромінювання в ядрах деяких галактик, що асоціюються з надмасивними чорними дірами. Вони характеризуються неперервним спектром у всіх діапазонах електромагнітного випромінювання. Для них характерні типові швидкі зміни світності у всіх діапазонах спектру за період у кілька діб.

Свою назву ці об’єкти отримали від змінного джерела BL Ящірки (англ. BL Lacertae), яке раніше вважалося змінною зорею, але потім було ідентифіковане як ядро еліптичної галактики. Спостережувані характеристики таких об’єктів схожі з характеристиками квазарів, що й відображено в назві «блазар».

Основною ознакою блазарів є висока змінність блиску (4 – 5m), значна поляризація випромінювання (30 – 40 %), відсутність у спектрах емісійних ліній. Для блазарів також характерне радіовипромінювання.

Сейфертовські галактики

У всіх галактиках, окрім самих невеликих, виділяється яскрава центральна частина, названа ядром. У галактиках, таких, як наша, велика яскравість ядра пояснюється високою концентрацією зірок. Але все таки сумарна кількість зірок ядра складає лише декілька відсотків від їх загального числа в галактиці. Зустрічаються галактики, у яких ядра особливо яскраві. Причому в цих ядрах крім зірок спостерігається яскраве зіркоподібне джерело в центрі і газ, що світиться, рухається з величезними швидкостями – тисячі кілометрів за секунду. Галактики з активними ядрами були відкриті американським астрономом Карлом Сейфертом в 1943 р. і згодом одержали назву сейфертовских галактик.

Сейфертовскі галактики (або просто сейферти) відносяться до гігантських спіральних зоряних систем. Серед них значна частина перетнутих спіралей (SB по класифікації Хаббла). Сейферти частіше, ніж звичайні галактики, утворюють пари або групи, але уникають великих скупчень. Сейферти складають приблизно 1 % від загального числа спіральних систем, і їх просторова концентрація така, що одна галактика розміщена приблизно на 10 тис. кубічних мегапарсек.

Сейферт виявив 12 галактик з активними ядрами, але протягом 15 років їх практично не вивчали. У 1958 р. радянський астрофізик Віктор Амбарцумян привернув увагу астрономів до дослідження активних ядер.

Форми прояву активності ядер неоднакові в різних галактиках. Це може бути дуже велика потужність випромінювання в оптичній, рентгенівській або інфрачервоній області спектру, причому помітна змінна за декілька років, місяців або навіть днів. В деяких випадках спостерігається дуже швидкий рух газу в ядрі – з швидкостями тисячі кілометрів в секунду. Іноді газ утворює довгі прямолінійні викиди. У деяких галактиках ядра є джерелами високоенергетичних елементарних частинок (електронів і протонів). Ці потоки частинок нерідко назавжди покидають галактику у вигляді радіовикидів, або радіоджетів.

Джети зароджуються на великих відстанях від чорних дір. Дослідники протягом цілого року спостерігали за джетом блазара 3C 279 в сузір'ї Діви, використовуючи більше 20 різних телескопів. Приблизно у середині періоду спостережень учені зареєстрували 20-денне збільшення інтенсивності гамма-випромінювання, що співпало за часом із зміною поляризації оптичного випромінювання. Більша частина загальної енергії, що виділяється в джеті, несеться саме гамма-випромінюванням, і дослідники припускали, що виділення цієї енергії повинне відбуватися поблизу чорної діри.

Факти говорять про зворотне. Добре відомо, де зароджується оптичне випромінювання, і тепер виходить, що гамма-випромінювання випускається не в 1 – 2 світлових днях від чорної діри, як багато хто передбачав, а на відстані близько одного світлового року від неї. Поступова зміна поляризації оптичного випромінювання також указує на те, що джет «скривлюється» у міру віддалення від чорної діри.

Активні ядра будь-якого типу характеризуються дуже великою світністю у всьому діапазоні електромагнітного спектру (в порівнянні з ядрами нормальних галактик). Потужність випромінювання сейфертовських галактик іноді досягає 1035 Вт, що ненабагато поступається світності всієї нашої Галактики. Але ця величезна енергія виділяється в області діаметром близько 1 пк – менше, ніж відстань від Сонця до найближчої зорі. Потужність випромінювання світла (оптична світність) значно нижча, хоч і досягає 1034 Вт. Основна частина енергії випромінюється в інфрачервоному діапазоні.

Першою була висунута гіпотеза, що в центрі галактики знаходиться щільне масивне скупчення молодих зірок. У такому скупченні часто повинні відбуватися вибухи наднових. Друга модель була запропонована в кінці 60-х років по аналогії з тоді тільки відкритими пульсарами. Згідно цієї версії, джерелам активності ядра служить надмасивний зіркоподібний об'єкт (газова куля) з могутнім магнітним полем так званий магнітоїд. Третя модель пов’язана з таким загадковим об'єктом, як чорна діра. Передбачається наявність чорної діри масою в десятки або сотні мільйонів мас Сонця в центрі галактики. В результаті аккреції (падіння) речовини на чорну діру виділяється величезна кількість енергії. При падінні в гравітаційному полі чорної діри речовина розженеться до швидкостей, близьких до швидкості світла. Потім при зіткненні газових мас поблизу чорної діри енергія руху перетвориться у випромінювання електромагнітних хвиль.

Спектральні спостереження на космічному телескопі Хаббл і крупних наземних телескопах підтвердили наявність великих мас речовини, що не світиться, в ядрах цілого ряду галактик. Це добре узгоджується з припущенням, що причиною активності ядер є масивні чорні діри. Чорні діри масою більше мільйона мас Сонця можуть бути у значної частини галактик.

Для розуміння природи активних ядер важливо враховувати і ефекти, пов'язані з взаємодією галактик. Коли дві галактики проходять поблизу одна одної, їх структура може зазнати значних зміни. Зокрема, якщо в самий центр галактики потрапляє велика кількість газу, він стимулює активність ядра. Тому серед сильно взаємодіючих галактик особливо часто зустрічаються галактики з активними ядрами.

Модель уніфікації

Радіогалактики і квазари формально відносяться до різних класів об’єктів. Але вже давно астрономи запідозрили, що відмінність між ними тільки формальна, вона виникає від того, під яким кутом повернутий до нас об'єкт.

Джерелом потужності і радіогалактик, і квазарів, мабуть, є чорні діри, оточені кільцем пилу. Якщо дивитися точно уздовж осі пилового кільця, тобто уздовж джета, то об'єкт є швидко змінним, радіовух не видно, і такий об'єкт називають лацертидою – blazar – об’єктом типу BL Lacertae (BL Ящірки). Якщо об’єкт повернутий під не дуже великим кутом до осі, і можна бачити генератор енергії в центрі, то він називається квазаром. Якщо ж ми дивимося на такий же об’єкт збоку, коли пил закриває центр, то називаємо його радіогалактикою. Такі ідеї висловлювалися вже давно – наприклад, роботи Б. В. Комберга із співавторами 1980-х років.

Подібна картина спостерігається і в сейфертовских галактиках - тобто галактиках, ядра яких компактні і яскраво світять в лініях випромінювання. Їх ділять на два підтипи: Сейферт I має ширші емісійні лінії, чим Сейферт II. У 1983 Міллер і Антонуччі виявили широкі лінії (тобто Сейферт I) в поляризованому (а значить, розсіяному) світлі галактики NGC 1068 типу Сейферт II, а потім з’явилася їх стаття, де вони обґрунтували ідею уніфікації – що сейфертовські галактики різних типів виглядають по-різному тільки через різний кут зору: у типі II ядро прикрито пилом.

Найрадикальнішою є гіпотеза уніфікації квазарів і радіогалактик, що була сформульована Бартелом. Він постулював, що найяскравіші квазари і всі радіогалактики (навіть найслабші у видимому світлі) внутрішньо однакові, вся відмінність визначається орієнтацією променя зору щодо пилового кільця. 

Ця модель легко пояснює ефект збігу («alignment effect») в потужних і далеких радіогалактиках: там області випромінювання в лініях дуже протяжні і витягнуті уздовж осі симетрії радіовипромінювання. Це легко зрозуміти, якщо лінії збуджуються могутнім УФ випромінюванням квазара, прихованого пиловою хмарою. Цей ефект в кінці 1980-х відкрив К.Чамберс.

Як ще перевірити теорію уніфікації? Закон збереження енергії вимагає, щоб жорстке випромінювання «прихованого» пилом квазара випромінилось в іншому діапазоні. Хмара пилу нагрівається до 30 ~ 200 K і його інфрачервоне випромінювання виходить майже ізотропно на довжинах хвиль більше 20 мікрон.

Нові спостереження на Infrared Space Observatory (ISO) Європейського космічного агенства (ESA) підтверджують ці міркування. Група під керівництвом К.Майзенхаймера на спектрофотометрі ISOPHOT показала на прикладі 10 пар квазарів і радіогалактик, що в діапазоні від 5 до 180 мікрон ці об’єкти майже невиразні.

Проте дана теорія справджується тільки для далеких об'єктів з великим червоним зсувом z більше за ~ 0.7. При менших z є «дійсні» яскраві радіогалактики, теплове випромінювання, яких мале. Швидше за все, навколо чорної діри в таких галактиках вже не вистачає речовини для живлення центрального генератора. Про те, що близькі до нас надмасивні чорні діри «голодують», говорить і факт швидкого падіння щільності квазарів, відкритих у видимому світлі в наших околицях при малих z, в порівнянні з z ~ 3.

Підтвердження моделі уніфікації знайдене і при пошуках «прихованих» лацертид, проведених техаськими астрономами. Вони передбачили, що хоча потік видимого світла від звичайних квазарів не так сильно міняється в часі, як у лацертид, деякі лінії в спектрах квазарів повинні бути змінні, оскільки газові хмари опромінюються змінним жорстким випромінюванням. Порівняння спектрів 62 квазарів на z ~ 2 за 10 років показало наявність варіацій ліній на рівні 20 % відповідно до моделі уніфікації.

Що стосується ІЧ випромінювання для сейфертовських галактик, то ще раніше інша група ESA, провела спостереження 57 сейфертовських галактик на ISO і показала, що в далекому ІЧ типи Seyfert I і Seyfert II виглядають однаково: відмінності між ними пояснюються кутом між променем зору і віссю.

У зв’язку з цим цікава нова робота Х. Д. Трана. Тран спостерігав і обробляв протягом 7 років дані про 50 галактик типу Seyfert II. Він застосовував ту ж техніку, що Міллер і Антонуччі, тобто спектрополяриметрію, і стверджує, що половина з галактик в його вибірці не показує широких ліній у відображеному світлі. Швидше за все активність чорної діри в цих об'єктах нижче, ніж в типі I.

Самі ж сейфертовские галактики, хоч і схожі на радіогалактики і квазари, явно не такі потужні, тобто або їх чорні діри менш масивні, або темп поглинання навколишньої речовини (тобто аккреції) значно нижчий.