Астронет: С. Б. Попов/ГАИШ Активные ядра галактик http://variable-stars.ru/db/msg/1171408

Активные ядра галактик
10.08.2000 22:30 | С. Б. Попов/ГАИШ, Москва

До середины ХХ века считалось, что основным источником излучения в галактиках являются звезды, т.е. большая часть энергии, излучаемой галактикой, вырабатывается в результате реакций термоядерного синтеза в звездах (этот механизм энерговыделения был теоретически открыт Х.Бете в 1938 г.).

Однако, начиная с 1943 г. были открыты многие типы галактик, активность которых связана не со звездами, а с мощным выделением энергии в относительно небольшой (R<1 пк, напомним, что 1пк=3.26 светового года, а 1 Мпк=10⁶ пк) ядерной части галактики.

Признаками активности галактических ядер считаются следующие свойства:

1. Нетепловой вид спектра от радио до гамма диапазона электромагнитного спектра. Что это означает? Всем хорошо известно, что если мы нагреваем брусок железа, то он будет светиться все ярче и ярче. Воообще, любые нагретые тела будут излучать энергию, причем количество энергии и вид спектра будут зависить от температуры. Такое излучение называется тепловым.

Возможны и другие механизмы излучения энергии. При этом вид спектра будет совсем другим, его нельзя объяснить тем, что излучает какое-то нагретое тело, например, газ. Этот тип излучения называется нетепловым. Одним из самых важных для астрофизики вообще и для физики активных ядер в частности является т.н. синхротронное излучение. Оно образуется при движении электронов в магнитном поле и имеет характерный спектр.

2. Переменность, т.е. изменение видимого блеска, с периодом от 10 минут (в рентгеновском диапазоне) до 10 лет в оптическом и радио диапазонах.

3. Наличие широких эмиссионных линий в спектре, говорящих о движениях горячего газа с большими скоростями.

4. Морфологические особенности (выбросы, "горячие пятна"). Необычный внешний вид часто является следствием активности ядра, из которого может выбрасываться большое количество вещества.

5. Спектральные и поляризационные особенности. Последние могут говорить, например, о наличии магнитного поля и его структуре.

Конечно не обязательно наличие одновременно всех этих свойств. Есть и некоторые требования к самим галактикам. Обычно пекулярность, т.е. необычность, отсутствует в маломассивных галактиках. Кроме того, галактика должна быть конденсирована к центру, поэтому ядерная активность чаще встречается у эллиптических галактик. Также практически всегда необходимо наличие большого количества газа в центральных областях галактики, поскольку в ряде моделей активности именно с газом так или иначе связывается энерговыделение в активном ядре.

Первыми из галактик с активными ядрами (АЯ) были открыты сейфертовские галактики, названные так в честь их первооткрывателя К.Сейферта (1911-1960). Он обнаружил в спектрах 12 галактик широкие линии водорода, гелия и ионизованного железа, полуширина которых, в соответствии с эффектом Доплера, соответствовала скоростям до нескольких тысяч км/сек.

Сейчас известны тысячи таких объектов, причем в некоторых из них эмиссионные спектральные линии имеют ширины, соответствующую скорости около 30000 км/сек (0.1 скорости света!).

Эти скорости связаны с движением облаков газа в центральных частях сейфертовских галактик. Т.е. существует большое количество газа, вылетающего из ядра со скоростью до десятков тысяч км/сек.

Сейфертовские галактики относятся к гигантским спиральным галактикам. Среди них особенно велика доля пересеченных спиралей (около 70%). Сейферты, как часто называют этот тип галактик, чаще, чем обычные галактики, входят в число пар и групп, но избегают богатых скоплений (как мы увидим в дальнейшем примерно теже свойства демонстрируют другие активные внегалактические объекты - квазары). Для них свойственна сильная сферическая составляющая. Сейферты составляют примерно 1% от общего числа спиральных галактик, и их пространственная концентрация равна 1 галактика на 10⁴ кубических Мпк.

Спектры сейфертов имеют нетепловой характер в широком диапазоне длин волн. Для блеска этих галактик свойственна переменность с амплитудой порядка одной звездной величины и периодом от нескольких дней до нескольких недель. Также иногда происходят мощные вспышки, блеск резко увеличивается. Вцелом спектр похож на спектр квазаров и это является еще одним аргументом в пользу наличия генетической связи между этими двумя типами объектов.

АЯ всех типов характеризуются очень большой светимостью и для сейфертовских галактик эта величина составляет примерно 10⁴⁴ эрг/сек, что равно светимости нашей Галактики, но у сейфертов вся эта энергия выделяется в области диаметром около 1 пк (это меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды)! Оптическая светимость достигает 10⁴² эрг/сек, а основная часть энергии обычно излучается в инфракрасном диапазоне и для галактики NGC 1068, которая входила в число первых открытых сейфертовских галактик, составляет 2 10⁴⁴ эрг/сек.

Прежде чем переходить к другим активным внегалактическим объектам попробуем, вначале кратко, ответить на естественно возникающий вопрос. Что же является источником энергии для столь бурной активности? Что за "двигатель", занимающий менее 1 пк, вырыбатывает столько энергии?

Окончательного ответа пока не знает никто, но в результате длительной работы теоретиков и наблюдателей было выделено пять наиболее вероятных моделей, которые мы сейчас и перечислим, чтобы в дальнейших описаниях различных типов активности в ядрах внегалактических объектов мы могли ссылаться на эти модели, а затем нам было бы удобнее рассматривать их более подробно.

Исторически первой была выдвинута модель, предполагающая наличие в центре галактики плотного массивного звездного скопления, в котором много молодых звезд с большой светимостью.

Вторая модель была предложена отчасти по аналогии с тогда только открытыми пульсарами. Согласно этой версии источником ядерной активности служит свермассивный звездоподобный объект с мощным магнитным полем.

Третья и четвертая модели связаны с таким загадочным и многообещающим объектом, как черная дыра. В одной модели предполагается наличие одиночной черной дыры в центре галактики, а в другой вводится спутник черной дыры, и система становится похожей на хорошо известный источник SS 433. В результате аккреции, т.е. падения, вещества на черную дыру и выделяется все это огромное количество энергии. Возможно также существование сразу двух черных дыр в ядре галактики.

Последняя пятая модель является как бы составной и включает в себя последние достижения физики (прежде всего теоретической), которые применяются к объяснению процессов в АЯ. Среди этих безусловно интересных идей присутствуют "белые дыры", аксионы, магнитные монополи, струны, кварки, гамма-пушки и многое другое.

Таковы вкратце основные идеи, пытающиеся объяснить активность галактических ядер, а мы пока продолжим описание различных типов этой активности.

Другим типом галактик с АЯ являются радиогалактики. Они определяются как галактики, у которых светимость в радиодиапазоне превышает 10⁴⁰ эрг/сек. Обычно это большие эллиптические галактики, расположенные в центрах групп и скоплений.

Из них выделяются D-галактики, cD-галактики и N-галактики. Первые из них это галактики с протяженными газовыми оболочками и мощной радиосветимостью (порядка 10⁴³ эрг/сек). cD-галактики - гигантские эллиптические радиогалактики. Обычно они располагаются в центрах богатых скоплений. Масса этих гигантов достигает 10¹³ масс солнца, абсолютная звездная величина М=-24, а светимость в радиодиапазоне 10⁴⁵ эрг/сек. N-галактики (от слова nuclear-ядерный) являются галактиками с очень ярким ядром и туманной оболочкой. Они были открыты в 1958 г. Б.А.Воронцовым-Вельяминовым. Сейчас их известно около 100. Для них свойственна большая светимость в радиодиапазоне (порядка 10⁴³ эрг/сек) и наличие широких эмиссионных линий, соответствующих скоростям до десяти тысяч км/сек. В оптическом диапазоне они имеют абсолютную звездную величину около -21 (светимость порядка 10⁴⁴ эрг/сек). Оптическое излучение имеет нетепловой характер с избытком в голубой части спектра и переменно с периодом в несколько лет. Самая близкая галактика этого типа расположена на расстоянии 100 Мпк от Земли, самая далекая - 1000 Мпк (более трех миллиардов световых лет!). Это чрезвычайно редкие объекты. Они встречаются в миллион раз реже нормальных галактик.

Для понимания природы радиогалактик в первую очередь важна необычная структура их изображений в радио диапазоне. Галактика, которая в оптике видна как более-менее обычный объект, в радио лучах предстает перед нами в виде трех источников. Центральный совпадает с ядром галактики, а два других расположены симметрично по обе стороны от центрального, и расстояние между ними составляет обычно от 0.1 Мпк до 1 Мпк. Эти два "радиоуха" часто гораздо мощнее источника, совпадающего с ядром, и могут иметь яркие "горячие пятна". Эта особенность связана с такой характерной чертой радиогалактик, как джеты (или струи), которые бьют из ядра галактики.

Примерно симметричные биполярные (т.е. двухсторонние) истечения вещества наблюдаются и в мире звезд у молодых объектов в плотных молекулярных облаках и у двойных систем с релятивистским компонентом. В двойных звездных системах джеты объясняются как результат сверхкритической дисковой аккреции на компактный объект, а поскольку наиболее популярной моделью АЯ является массивная черная дыра, то и внегалактические джеты обычно объясняют теми же причинами (хотя возможны и другие объяснения).

Для построения модели выброса нужно прежде всего объяснить две вещи: высокую степень коллимации (т.е. фокусировки) струи и механизм передачи энергии вдоль струи, размер которой может быть больше 1 Мпк, в этом случае электроны в джете успеют высветить всю свою энергию, которую т.о. нужно будет как то восполнять (энергия может излучаться в виде синхротронного излучения, поэтому наблюдаемый спектр будет как раз нетепловым).

Предложено много теорий гидродинамического образования струй, а в последнее время большое внимание привлекает электро-магнитный механизм образования джетов из-за разности потенциалов поперек диска, пронизываемого открытыми силовыми линиями магнитного поля. Разность потенциалов может превышать 10²⁰ В и частицы будут ускоряться до релятивистских скоростей.

Строгая аналитическая модель струй еще не создана, поэтому большая часть результатов пока получается с помощью компьютерного моделирования, которое в последние 20-30 лет приобрело огромное значение для астрономии, и много новейших крайне интересных результатов в современной астрофизике были получены благодаря использованию самых современных многопроцессорных суперкомпьютеров.

Физика галактик с АЯ - передний край астрофизики, где используются и проверяются новейшие физические теории, и есть большой простор для новых фундаментальных идей, для использования современных приборов и методов наблюдения и компьютерного моделирования.

С.Б.Попов (ГАИШ)