Астронет > Ядра галактик

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

На сайте

Астрометрия

Астрономические инструменты

Астрономическое образование

Астрофизика

История астрономии

Космонавтика, исследование космоса

Любительская астрономия

Планеты и Солнечная система

Солнце

Ядра галактик

1. Введение
2. Типы галактик с нестационарными ядрами
3. Линейчатые спектры
4. Непрерывные спектры
5. Теоретические модели активных ядер

1. Введение

Для гравитирующих систем характерна кронцентрация вещества к центру тяготения. Звездные системы - галактики, как правило, имеют в центральных частях компактные сгущения - ядра, в состав к-рых входят и звезды, и газ. Наиболее четко они выделяются в спиральных галактиках. Ядро Галактики имеет массу порядка неск. млн. ${\mathfrak M}_\odot$ , оно окружено газовыми облаками, распространяющимися на расстояние до 150 пк от центра. Размер самого ядра меньше 10 пк, а его центральной части ("ядрышка") ~ 10^-4 пк. Нек-рые галактики, напр., Магеллановы облака, вообще не имеют ядер. Такая ситуация, по-видимому, типична для т.н. иррегулярных галактик с относительно небльшой массой, в к-рых нет заметной концентрации к центру. У нек-рых галактик в ядрах обнаружены мощные области ионизованного газа и горячие звезды ("пекулярные ядра"). В этих областях, по-видимому, протекают процессы активного звездообразования. Для таких галактик характерны яркие эмиссионные линии в спектрах и мощное непрерывное УФ-излучение ("галактики Маркаряна").

В отдельных случаях процессы, протекающие в ядрах, не могут быть объяснены св-вами только сконцентрированных в них звезд и газа. Таковы галактики с активными (нестационарными) ядрами, составляющие по численности ок. 1% норм. галактик (с неактивными ядрами). Нестационарность ядер проявляется в генерации мощного рентг., УФ-, ИК- и радиоизлучения, в выбросах облаков радиоизлучающей плазмы, в ускорении газовых облаков и т.д. По морфологическим св-вам галактики с нестационарными ядрами существенно отличаются от норм. галактик. Ниже рассматриваются св-ва нестационарных ядер галактик.

2. Типы галактик с нестационарными ядрами

Принято подразделять галактики с нестационарными ядрами на четыре осн. типа: сейфертовские галактики, радиогалактики, лацертиды и квазары.

Сейфертовские галактики в большинстве своем - спиральные галактики с яркими ядрами. Они образуют, по-видимому, наиболее многочисленный (в ед. объема пространства) класс нестационарных галактик. Наиболее характерным св-вом сейфертовских галактик явл. присутствие в их оптич. спектрах широких эмиссионных линий, свидетельствующих о движениях газа с большими скоростями.

Радиогалактики обладают мощным радиоизлучением (сравнимым с их оптич. излучением, а часто превышающим его). Ближайшие радиогалактики (Дева А, Персей А, Кентавр А и др.) явл. ярчайшими членами скоплений галактик. По-видимому, большинство радиогалактик - это эллиптические галактики.

Лацертиды получили свое название от объекта BL Lac, в каталоге переменных звезд характеризуются оптич. переменностью с большой амплитудой (до 4-5_m), переменным радиоизлучением и заметной поляризацией излучения. Они имеют вид звездоподобных объектов, окруженных туманными оболочками. В их оптич. спектрах нет эмиссионных линий, по к-рым можно было бы измерить красное смещение и тем самым расстояние до объекта. В нек-рых случаях, когда удается получить и исследовать спектр слабой туманной оболочки вокруг ядра лацертиды, оказывается, что этот спектр содержит линии поглощения, типичные для звездного компонента удаленной галактики.

Квазары - точечные источники, как и лацертиды. У близких квазаров обнаружены слабые туманные оболочки, спектры к-рых позволяют считать квазары ядрами далеких галактик.

К осн. св-вам нестационарных ядер галактик относят: излучение ядра составляет значительную часть излучения галактики; в широком интервале длин волн излучение ядра явл. нетепловым и избыточным по сравнению с норм. галактиками в УФ-, ИК-, радио- и рентгеновской областях; излучение ядра, как правило, переменно; в спектре ядра присутствуют широкие эмиссионные линии.

Эти св-ва не обязательно присущи в полной совокупности каждому нестационарному ядру. Так, сейфертовские галактики не обладают заметным радиоизлучением, лацертиды не имеют широких эмиссионных линий и т.д.

Выявление галактик с нестационарными ядрами производится по одному или нескольким перечисленным св-вам. Так, лацертиды выявляют по переменности их оптич. или радиоизлучения (многие из лацертид были известны ранее как переменные звезды). Важным признаком нестационарности явл. иное, чем у норм. галактик, распределение энергии в спектре. Квазары выявляют, в частности, по ярким эмиссионным линиям $L_\alpha$ и CIV, к-рые при больших красных смещениях ( $z\ge 2,5$ ) попадают в оптич. диапазон. Число квазаров, открываемых оптич. методами, сейчас же превышает число квазаров, открываемых по их радиоизлучению. По-видимому, число оптических (радиоспокойных) квазаров составляет не менее 50%, а возможно и 90%, от всех квазаров. Весьма эффективным оказалось обнаружение галактик с нестационарными ядрами по их рентг. излучению (см. Рентгеновская астрономия).

Галактики с нестационарными ядрами можно, по-видимому, расположить в единую последовательность по степени увеличения светимости ядра в отношении к окружающим частям галактики: S, N⁺, N, N^-, Q. На одном конце последовательности - спиральные галактики (S), далее N-галактики с различной степенью концентрации вещества к центру, на другом конце квазары (Q), у к-рых из-за их удаленности внешние области галактики не видны. Отношение светимостей ядра и галактики плавно возрастает вдоль указанной последовательности.

Распределение галактик с нестационарными ядрами на небесной сфере в среднем равномерно. Для сейфертовских галактик ярче 15,5_m подсчеты дают цифру - одна галактика на квадратный градус небесной сферы. Для квазаров ярче 19,5_m это число равно пяти. Не исключено, что многочисл. звездообразные объекты слабее 23_m в большинстве своем явл. квазарами.

Пространственная концентрация галактик с нестационарными ядрами зависит от их абс. звездной величины (светимости). По порядку величины пространств. концентрация сейфертовских галактик составляет 10^-4-10^-5, радиогалактик 10^-6-10^-7, квазаров 10^-7-10^-9 галактик/Мпк³. Пространственная концентрация нормальных галактик ~ 10^-2 Мпк^-3.

3. Линейчатые спектры

Рис. 1. Профили эмиссионных линий в спектре
ядра сейфертовской галактики NGC 5548.
H $_\alpha$ и H $_\beta$ - водородные серии Бальмера
( $$\lambda_\alpha=6563$ \AA$ , $$\lambda_\beta=4861$ \AA$ );
N₁ и N₂ - линии дважды ионизованного кислорода
с длинами волн $$\lambda$ 5007 и 4959 \AA$ .

Главной чертой линейчатых спектров квазаров и сейфертовских галактик явл. наличие широких эмиссионных линий (рис. 1), а также неоднородность профилей линий: разрешенные линии (H, He) значительно шире запрещенных линий (OIII, NII, SII и др.).

Наиболее подробно линейчатые спектры изучены у сейфертовских галактик. По виду спектров эти галактики делят на два типа. У галактик 1-го типа разрешенные спектральные линии имеют ширины, соответствующие доплеровским скоростям в неск. тыс. км/с (см. Доплера эффект), тогда как запрещенные линии 'уже, их ширины соответствуют скоростям источников в неск. сотен тыс. км/с. Сейфертовские галактики 2-го типа имеют как разрешенные, так и запрещенные линии одинаковой ширины, отвечающие скоростям движения до тысячи км/с. Аналогичные спектры наблюдаются и у радиогалактик, у к-рых также есть два подкласса: с широкими и узкими линиями в спектре. Численность объектов в подклассах различна: число сейфертовских галактик 1-го типа (с широкими линиями) относится к числу галактик 2-го типа, как 3:1, у радиогалактик отношение обратной (1:3).

Эти цифры отражают, по-видимому, существенные и пока неясные стороны эволюции галактик с нестационарными ядрами.

Линейчатые спектры квазаров и сейфертовских галактик в основном подобны (за исключением узких линий поглщения, см. Квазары); спектры лацертид, как указывалось, преимущественно непрерывные, без эмиссионных линий.

Табл. 1. Характерные параметры газовых оболочек нестационарных ядер галактик.

Параметр Зона свечения

разрешенных линий запрещенных линий

Светомить в линии OIII (4959 и 5007 $\AA$ ) $5\cdot 10^{41}$ эрг/с $5\cdot 10^{41}$ эрг/с

Масса газа $\sim 10 {\mathfrak M}_\odot$ $\sim 100 {\mathfrak M}_\odot$

Кинетическая энергия газа $$3\cdot 10^{50}$ эрг$ 10⁵⁰ эрг

Эффективная скорость 2000 км/с 300 км/с

Характерный размер $3\cdot 10^{17}$ см
(0,1 пк) $3\cdot 10^{18}$ см
(1 пк)

Неоднородная структура профилей эмиссионных линий (рис. 1) может быть объяснена в рамках геометрич. модели, в к-рой центральный источник ионизующего излучения окружен двумя подсистемами газа. Внутр. подсистема имеет высокую концентрацию частиц (выше 10⁸ см^-3), она - источник разрешенных линий. По-видимому, эта подсистема состоит из облаков или волокон газа, движущихся с большими скоростями (до десяти тыс. км/с). На большем удалении от центрального источника располагается внеш. зона с меньшей плотностью (10³-10⁵ см^-3) - источник запрещенных линий. Дисперсия скоростей во внеш. зоне порядка неск. сотен тыс. км/с. Типичные параметры газовых подсистем для нек-рых хорошо исследованных галактик приведены в табл. 1.

Приведенные данные получены из спектроскопических наблюдений, а затем расчетом получен размер газовой оболочки. Прямым измерениям с Земли объектов с размерами меньше секунды дуги мешает неспокойствие атмосферы (см. Разрешающая способность). Для одной из сейфертовских галактик NGC 4151 размер ядра был измерен при помощи фотографирования с ракеты за пределами атмосферы. Верхняя граница размера газовой оболочки ядра оказалась равной 0,05", что соответствует линейному размеру ок. 10 пк.

Спектроскопические наблюдения позволяют найти помимо плотности и темп-ры газовых масс содержание хим. элементов в оболочке. В тех случаях, когда удается получить надежные данные, оказывается, что хим. состав газа в нестационарных ядрах галактик в общем соответствует составу норм. звезд в солнечных окрестностях. Этот факт безусловно отражает существенные черты эволюции нестационарного ядра галактики.

Изучение интенсивностей эмиссионных линий позволяет построить т.н. фотоионизационную модель газовой оболочки ядра галактики. Согласно этой модели, газ в оболочке ионизуется УФ-излучением, идущим из центрального источника, в свою очередь становясь источником более длинноволнового излучения Расчет интенсивности эмиссионных линий в рамках такой модели (с учетом хим. состава, распределения плотности и темп-ры) оказался в хорошем согласии с наблюдениями.

Определяемые по ширинам эмиссионных линий скорости движения газа в оболочке составляют неск. тыс. км/с. Предполагают, что столь значительные скорости газ приобретает благодаря давлению излучения центрального источника или давлению электронов высоких энергий. В последнем случае посредником в передаче энергии от электронов к ускоряемому газу должно быть магн. поле. По порядку величины энергия, излучаемая в спектр. линиях за ед. времени (табл. 1), сравнима с кинетич. энергией газа, отнесенной к характерному кинематич. времени облаков (времени их торможения). По-видимому, ускоренные облака тормозятся в окружающей среде и, теряя скорость, постепенно образуют сплошную газовую оболочку ядра с дисперсией скоростей того же порядка, что и дисперсия скоростей звезд. Возможно, этим объясняется наличие двух зон (подсистем) газа с различающимися характеристиками.

4. Непрерывные спектры

Рис. 2. Спектры сейфертовской галактики 1-го
типа NGC 4151 и квазара 3С 273. По осям
координат отложены логарифмы частоты $\nu$ и
светимости $L_\nu$ на данной частоте.

Непрерывное излучение нестационарных ядер часто имеет степенную зависимость спектр. плотности потока $F_\nu$ излучения от частоты $\nu$ : $F_\nu\sim \nu^\alpha$ со средним спектральным индексом $< \alpha > \approx 0,7$ как в оптич., так и радиодиапазоне. Однако между оптической и радиообластями спектра нет плавного перехода, т.к. в ИК-области наблюдается избыток излучения, являющийся отличит. особенностью спектров нек-рых типов ядер (сейфертовские галактики 2-го типа). Степенной частотный спектр свойствен синхротронному излучению. Однако для объяснения всех особенностей спектра нестационарных ядер простой синхротронный механизм вряд ли пригоден. Так, ИК-избыток в спектрах сейфертовских галактик 2-го типа можно объяснить тепловым излучением пылинок, но у сейфертовских галактик 1-го типа и квазаров природа избытка явно нетепловая.

Для сейфертовских галактик 1-го типа и квазаров характерно рентг. излучение, а в отдельных случаях они явл. источниками гамма-излучения (рис. 2). Цветовые особенности оптического излучения квазаров и сейфертовских галактик по сравнению с нормальными галактиками отражены на рис. 3.

Рис. 3. Двуцветная диаграмма излучения
сейфертовских галактик и квазаров (крестики),
нормальных галактик (штриховая линия) и
звезд главной последовательности (сплошная