Книга: Занимательная астрофизика

Космические выбросы

Космические выбросы

Астрономические наблюдения в радиодиапазоне, проведенные в последние годы с помощью радиоинтерферометров, позволили значительно уточнить наши представления о характере активных процессов, происходящих в центральных частях некоторых галактик.

Как выяснилось, эта активность в очень многих случаях проявляется в форме узких выбросов плазмы — ионизованного газа, исходящих из центра галактики и являющихся источниками радиоизлучения.

Еще при изучении радиогалактики в созвездии Лебедя (радиоисточник Лебедь А) было установлено, что источником ее радиоизлучения является не сама эта галактика, а две диффузные области, расположенные по обе ее стороны.

В дальнейшем оказалось, что такую же двойную структуру имеет и большинство известных нам внегалактических источников радиоизлучения (см. рис. 6).

Протяженность выбросов может быть весьма велика. Так, например, в галактике М 87 (NGC 4486) протяженность выброса в проекции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, составляет около 5 тыс. световых лет (радиоисточник Дева А — рис. 8). Как показывают наблюдения и теоретические исследования, яркое оптическое излучение этого выброса порождается релятивистскими электронами, движущимися в магнитных полях со скоростями, близкими к скорости света. Таким образом, и это излучение имеет синхротронную природу. Очевидно, в ядре галактики М 87 происходят какие-то мощные физические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии.

Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных «радиооблаках», расположенных за пределами изображения галактики, наблюдаемого в оптическом диапазоне (рис. 9). В таких радиооблаках заключена колоссальная энергия — до 10⁶³ Дж и даже выше. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для ее выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд.

А у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет.

Высказывается предположение, что радиоизлучающая субстанция выбрасывается из ядра радиогалактики в двух диаметрально противоположных направлениях вдоль оси вращения ядра. Особого внимания заслуживает тот факт, что выброшенное вещество на протяжении многих миллионов лет не рассеивается. Видимо, это объясняется тем, что сгустки выброшенной намагниченной плазмы проходят со сверхзвуковой скоростью через межгалактическую среду. Поэтому расширение сгустка за счет внутреннего давления происходит лишь до тех пор, пока это давление не будет уравновешено внешним давлением. При этом внутреннее давление складывается из обычного газового давления, пропорционального температуре, и плотности сгустка, магнитного давления и давления космических лучей, а внешнее равно половине произведения плотности окружающей среды ?_cp на квадрат скорости V_сг движения сгустка:

Однако после того, как движение сгустков оказывается заторможенным внешней средой, они постепенно начинают рассеиваться.

Вообще же семейство космических выбросов довольно разнообразно. Они бывают мощными и мелкомасштабными, двойными и односторонними, прямолинейными и искривленными, зеркально-симметричными и обладающими обращенной симметрией (т. е. изгибу в одну сторону у одного из выбросов соответствует изгиб в противоположную сторону у другого).

Из числа известных в настоящее время двойных радиоисточников более 70 имеют крупномасштабные выбросы. И вот что особенно любопытно: как правило, такие выбросы наблюдаются у слабых двойных радиоисточников. В какой-то мере это, возможно, связано с условиями наблюдения. Дело в том, что большинство мощных радиоисточников — это объекты сравнительно молодой Вселенной, и поэтому находятся на столь больших расстояниях от нас, что связанные с ними выбросы трудно обнаружить.

Но дело, по-видимому, не только в этом. Возможно, явление, о котором, идет речь, связано с различной ориентацией магнитных полей в слабых и сильных выбросах. Однако эта проблема требует дальнейшего исследования.

Что же представляют собой космические выбросы? Какова их физическая природа? Имеющиеся в распоряжении современных астрономов данные говорят о том, что это струи газа, которые, подобно струям воды из шланга, выбрасываются из центра галактики. Они пронизывают межзвездную, а затем и межгалактическую среду, неся с собой массу, энергию, импульс и магнитный поток. Преодолевая сопротивление среды., головная часть выброса постепенно теряет скорость и движется медленнее, чем газ в средней его части. Благодаря этому в головной части выброса накапливается энергия.

Не исключено, что движение газа в выбросах происходит со сверхзвуковой скоростью. В этом случае должна возникать ударная волна, которая распространяется по поперечному сечению выброса. Когда газ проходит через фронт этой волны, кинетическая энергия его движения переходит в энергию магнитного поля — и энергию движения электронов, которые разгоняются до околосветовых скоростей. Благодаря этому складываются благоприятные условия для генерации синхротронного радиоизлучения. При этом наибольшей интенсивности оно достигает как раз в местах торможения выброса. В этих местах возникают так называемые горячие пятна.

Испытав торможение, вещество выброса поворачивает вспять и растекается в большие облака, унося с собой релятивистские электроны и силовые линии магнитного поля.

Основываясь на результатах наблюдений, астрономы пришли к выводу, что в горячих пятнах газ с электронами и магнитным полем находится от десяти тысяч до миллиона лет — срок по космическим масштабам сравнительно небольшой. А в облаках этот срок достигает ста миллионов лет. За это время в них накапливается чудовищная энергия. Например, в источнике Лебедь А она эквивалентна полной энергии, заключенной в массе ста миллионов звезд.

У некоторых галактик в радиодиапазоне интенсивно излучает центральная часть звездной системы — ядро. Вокруг такой компактной области может располагаться гало — гигантский радиоореол. А если наряду с компактным источником в центре имеются и «боковые» радиокомпоненты, то мы наблюдаем тройной радиоисточник на небе. В настоящее время методы радиоинтерферометрии позволяют с необыкновенной точностью исследовать структуру многих внегалактических радиоисточников.

Примером источника с весьма сложной структурой является космическая «радиостанция» в созвездии Персея. У этого источника очень маленькое компактное «радиоядро», окруженное «оболочкой» сравнительно небольших размеров. Эти детали в свою очередь погружены в более протяженную радиоизлучающую область — гало, которое охватывает еще две соседние небольшие радиогалактики. Предполагается, что возникновение столь сложной структуры связано о тем, что основная активная галактика, которая является ядром радиоисточника, движется с высокой скоростью через плотный межгалактический газ в скоплении галактик. Выброшенное активной галактикой вещество дробится по мере того, как оно «пробивается» через межгалактическую среду.

С помощью радиоинтерферометров удалось установить, что ядра радиоисточников — это не какие-то однородные образования: они обладают внутренней структурой, имеют определенные детали. К сожалению, размеры этих деталей настолько невелики, что для их выявления нужны были бы радиоинтерферометры с разрешающей способностью до нескольких тысячных долей секунды дуги.

Любопытно, что у горячих пятен, о которых говорилось выше, какие-либо мелкомасштабные детали отсутствуют.

И наблюдатели и теоретики много работают над тем, чтобы объяснить явления, происходящие в выбросах, определенными физическими причинами. Но главное — поиски ответа на вопрос о том, какие физические процессы порождают выделение колоссальных количеств энергии в ядрах активных галактик и квазарах, в частности, порождают выбросы и на протяжении длительного времени питают их все новыми и новыми порциями газа. Это одна из фундаментальных проблем современной астрофизики.

У наиболее мощных радиоисточников интенсивность выбросов настолько велика, что для их поддержания ежегодно требуется энергия, эквивалентная энергии, которая выделилась бы при полном превращении в излучение массы нескольких звезд.

Если иметь в виду обычные эволюционные процессы, происходящие в галактиках, то они, по-видимому, способны обеспечить не более десятой части этой энергии.

Поэтому приходится предположить, что процессы, ответственные за возникновение выбросов, связаны с какими-то необычными физическими явлениями.

По мнению члена-корреспондента АН СССР И. С. Шкловского активные процессы «порождаются какими-то особенностями (сингулярностями) в ядрах галактик. Выяснение природы этих сингулярностей — одна из важнейших, пока еще окончательно не решенных проблем современной астрофизики»[8]).

Есть веские основания предполагать, что физические процессы, порождающие выбросы, происходят в сравнительно небольших областях размером всего в несколько световых лет. Например, было замечено, что некоторые из наиболее активных источников космического радиоизлучения изо дня в день изменяют свою оптическую яркость. Но это значит, что поперечник такого источника должен быть сравнительно небольшим — не больше того расстояния, на которое физический процесс может распространиться в течение суток. Если учесть, что максимальная скорость такого распространения — это скорость света, то получается, что поперечник источника радиоизлучения весьма невелик.

В настоящее время большинство ученых считают, что основными источниками грандиозных физических процессов, происходящих в активных ядрах галактик и квазарах, являются компактные массивные тела с поперечником не более-0,1 светового года. Таковы, например, размеры компактного объекта, расположенного в ядре галактики М 87. Его масса — около 6 млрд. солнечных масс. Аналогичный объект с массой в несколько миллиардов солнечных масс обнаружен и в радиогалактике NGC6251.

Возможно, что на такое тело происходит натекание газа. В результате вокруг компактного объекта образуется вращающийся намагниченный газовый диск. Дальнейшее падение струй вещества на такой диск приводит к его разогреву до очень высокой температуры, выбрасыванию сгустков плазмы и релятивистских частиц. Если эта модель справедлива, то источником энергии квазаров и ядер галактик является энергия взаимодействия плазмы и компактных массивных образований, расположенных внутри этих объектов.

Что же касается физической природы подобных образований, то она все еще остается неясной. К этому вопросу мы еще вернемся.

Другим возможным механизмом, способным обеспечивать «подпитывание» космических выбросов, является «всасывание» одной из галактик вещества соседней, менее массивной галактики. Явление это получило название «каннибализма». Галактика-«каннибал» уничтожает соседнюю галактику-«миссионера». О возможности существования подобного процесса говорят наблюдения галактик с двойными ядрами.

Вообще замечено, что далекие радиогалактики, как правило, объединяются друг с другом. Не говорит ли это о том, что развитие в центральных частях галактик активных и физических процессов, порождающих радиоизлучение, есть в какой-то мере результат взаимодействия соседних звездных, систем?

В самом деле, как показывают статистические подсчеты, вероятность того, что та или иная галактика может оказаться источником радиоизлучения, значительно возрастает, когда мы обращаемся к более ранним этапам эволюции Вселенной. Например, для Вселенной, вчетверо более молодой, чем современная, эта вероятность в 1000 раз выше. Но ведь в прошлом галактики были расположены ближе друг к другу.

В заключение заметим, что сравнительно недавно в центральной области нашей Галактики был обнаружен точечный радиоисточник неизвестной природы с очень высокой радиосветимостью. Не исключена возможность, что этот источник связан с каким-то массивным компактным объектом в ядре. Правда, такое предположение пока что не получило подтверждения в радиоастрономических наблюдениях. Однако следует иметь в виду, что интерпретация результатов астрономических наблюдений, в особенности наблюдений за пределами оптического диапазона электромагнитных волн, всегда обладает некоторой степенью неопределенности. Это связано прежде всего с тем, что в принципе различные физические процессы могут порождать электромагнитные излучения с приблизительно одинаковыми свойствами. Возможны и другие причины, ведущие к неоднозначности в истолковании астрономических данных.

Это заставляет с определенной осторожностью относиться к выводам, сделанным на основе, скажем, радионаблюдений в тех случаях, когда речь идет об исследовании сложных и неясных космических процессов. В подобных ситуациях необходима многократная тщательная проверка полученных данных, а также их интерпретации, независимыми методами.