Лекция основные объекты Вселенной. Эволюция галактик «черные дыры и молодые вселенные»




старонка3/3
Дата канвертавання24.04.2016
Памер438.46 Kb.
1   2   3

Активность ядер галактик


Не менее интересно другое следствие взаимодействия галактик. При наличии внешней силы газ уже не сохраняет своего момента вращения. Происходит перераспределение моментов, а следовательно, и орбит газовых облаков в галактике, в результате чего часть газа может навсегда покинуть галактику, а часть, наоборот, приблизиться к центру. Как показывают теоретические расчеты, движение газа во внутренней области галактики становится таким, что при определенных условиях приводит к удивительным последствиям: крошечная область в центре галактики, ее активное ядро, становится источником фантастического количества энергии – в некоторых случаях превышающего 1036 Вт (для сравнения: полная мощность излучения Солнца во всех диапазонах спектра составляет всего 4·1026 Вт). У наиболее активных ядер (квазаров) мощность оптического излучения настолько велика, что требуется специальная техника наблюдений, чтобы уловить свечение звездной "материнской" галактики вокруг более яркого источника.

Механизм формирования активных ядер до сих пор не очень понятен. Нет общепринятого объяснения, почему в одних случаях основная энергия ядра выделяется в виде оптического и инфракрасного излучения, в других – в виде радиоволн и потоков релятивистских частиц (в этом случае галактика называется радиогалактикой), а в третьих, внешне таких же галактиках активность ядра остается очень слабой (к последним относится и наша Галактика).

Из спектральных наблюдений ядер было извлечено много информации о них. Исследователи неплохо знают о физическом состоянии газа в ядре, скоростях его движения, концентрации атомов и электронов, химическом составе, о механизмах излучения непрерывного спектра и эмиссионных линий и т. д., но это не дало прямого ответа на главный вопрос – каков источник энергии ядра и что заставляет "включиться" его активность.

Характерной особенностью излучения активных ядер галактик является их высокая мощность и переменность, происходящая на самых различных масштабах времени – от нескольких десятков часов до нескольких лет (в рентгеновском диапазоне спектра – вплоть до нескольких минут). Она свидетельствует о чрезвычайной компактности источника излучения, так как в противном случае из-за конечности скорости света излучение от различных частей источника приходило бы не одновременно, что замывало бы колебания блеска. Размер центрального объекта вряд ли намного превосходит размер Солнечной системы, так что в масштабах галактики он выглядит исчезающе малой точкой, но именно в нем зарождается чудовищная энергия, выход которой невозможно объяснить никакими ядерными реакциями.

Единственный источник энергии, известный в физике, который мог бы долгое время "работать" с требуемой эффективностью в ядре, – это выделение (и преобразование в другие формы) гравитационной энергии газа, падающего в область пространства, называемую массивной черной дырой. Свободно падающее на нее вещество разгоняется в окрестности "дыры" до околосветовых скоростей и закручивается вокруг нее в плотный и чрезвычайно горячий диск (аккреционный диск). Его размер должен быть сопоставим с размером Солнечной системы. Энергия этого "волчка" и служит резервуаром энергии активного ядра. Именно в нем, а не в самой черной дыре рождаются мощные потоки коротковолнового излучения и происходит ускорение протонов и электронов до очень высоких энергий.

Черная дыра может быть образована большой массой вещества, скопившейся в самом центре галактики (то есть в области с самой низкой потенциальной энергией) миллиарды лет назад. Для того чтобы объяснить наблюдаемую активность ядер, масса черной дыры должна составлять сотни миллионов и миллиарды масс Солнца, но для "пробуждения" ядра к активности требуется топливо. Необходимо, чтобы и после образования этого компактного объекта вещество продолжало "опускаться" к самому центру галактики, падая на "дыру". Для этого должен существовать механизм, "сбрасывающий" облака с круговых орбит, отбирая у них момент вращения.

Во внутренней области галактик должно накопиться достаточное количество газа. Действие приливных сил приводит к тому, что часть газа быстро "сползает" к ядру, образуя ядерный диск размерами в десятки или сотни парсек. Такие диски наблюдаются во многих галактиках. Дальнейшее продвижение к черной дыре должно быть связано уже с процессами в этом диске и обусловлено, как предполагают, гравитационной неустойчивостью последнего, когда его плотность становится достаточно высокой.

Наблюдения показывают, что среди галактик с активными ядрами повышена доля объектов, имеющих близких соседей, а в наиболее активных галактиках практически всегда наблюдаются признаки сильного взаимодействия или даже слияния с другими системами в не очень далеком прошлом. Об этом говорят особенности их внешнего вида, характерные для взаимодействующих галактик, а также "возмущенные", некруговые скорости межзвездного газа.


слияние галактик


Но не все взаимодействующие системы обладают активными ядрами (хотя бы потому, что и количество газа, способного упасть на центр, и масса черных дыр у них может быть различна), как и не все галактики с активными ядрами взаимодействующие: ядерный диск может возникнуть и другими путями, например из газа с малым моментом вращения, падающего на галактику извне.

Теоретически рассматриваются различные физические схемы, объясняющие попадание газа в окрестность черной дыры. Помимо упомянутых, есть и такая экзотичная, но правдоподобная схема, где вещество доставляется к самому центру обычными звездами, которые из-за большой вытянутости орбит при своем движении в галактике подходят на опасно близкое расстояние к черной дыре и разрушаются приливными силами ее гравитационного поля. Для объяснения высокой энергетической активности ядра достаточно, чтобы каким-либо путем к черной дыре устремлялось и исчезало в ее окрестности в среднем около одной солнечной массы вещества ежегодно.

Прямое подтверждение присутствия массивной черной дыры в галактике могут дать измерения скоростей движения звезд или газа в ее центральном районе. Чем ближе к черной дыре, тем быстрее они должны двигаться. Получив оценки скоростей вращения газа или дисперсии скоростей звезд на расстоянии в несколько десятков парсек от центра галактики, с помощью методов математического моделирования можно грубо оценить массу, заключенную внутри этого радиуса. И если найденная масса окажется значительно больше, чем масса видимых звезд в этой же области (ее можно оценить по яркости ядра), то появляются все основания считать, что обнаружено гравитационное поле невидимого массивного тела в центре, и можно обоснованно предположить, что в ядре галактики – черная дыра.

Аппаратурные возможности таких измерений появились недавно. Программы по поискам черных дыр в ядрах галактик наиболее активно проводятся на космическом телескопе им. Э. Хаббла, работающем на высокой околоземной орбите, и на канадско-французском телескопе на Гавайских островах, где установлен спектрограф, позволяющий при хороших атмосферных условиях надежно измерять скорости звезд в областях с размером менее одной угловой секунды. В некоторых случаях (спиральная галактика NGC 4258) черную дыру удается "нащупать" не в оптических лучах, а с помощью радиоинтерферометра, измеряя скорости газа по наблюдениям очень узких радиолиний.

На начало 2000 года количество галактик, где измерения скоростей позволяют говорить о наличии черных дыр, составляет более десятка. Среди них как спиральные, так и эллиптические системы, как галактики с высокой активностью ядра (радиогалактика М 87), так и с очень низкой (туманность Андромеды). Массы черных дыр оказались примерно такими, как и ожидалось – от нескольких миллионов масс Солнца (наша Галактика) до нескольких миллиардов (М 87). На рис. 4 приведено изображение галактики М 87.





Рис. 4. Ядерная часть радиогалактики М 87 по наблюдениям с космического телескопа им. Э. Хаббла (НАСА, США). Длинный выброс вещества (джет) из яркого ядра галактики – одно из проявлений его активности. Во врезке – увеличенное изображение ядра, где хорошо виден газовый околоядерный диск, структура которого напоминает спиральные ветви. Центральная, наиболее светлая часть диска, имеет размер несколько десятков парсек. Измерения скорости ее вращения (550 км/с) подтвердили существование массивной черной дыры в центре

Группа исследователей из США и Канады под руководством Д. Ричстоуна, занимающаяся измерениями скоростей звезд в самом центре галактик, на основании всех имеющихся результатов пришла к выводу о том, что черные дыры присутствуют в ядрах почти всех галактик, хотя их не всегда можно обнаружить, поскольку их масса различна и примерно пропорциональна массе галактики в целом (для спиральных галактик вместо полной массы надо брать массу звездного балджа как наиболее медленно вращающегося компонента). Если это предположение подтвердится, то оно будет означать, что образование черных дыр тесно связано с формированием звездных компонентов галактики.

Наблюдаемые различия между галактиками, так же как и характер тех физических процессов, которые определяют их свойства, оказываются очень тесно связанными с динамическими свойствами звезд и газа. Изучение сложного характера их движений в общем гравитационном поле в сочетании с физической теорией позволяет понять, что происходит в галактиках. Прогресс связан прежде всего с новыми возможностями наблюдений, с новыми методами, с повышением точности оценок. Именно здесь следует ожидать прорывов к новым результатам.

Авторы: Вей-Хао Ванг (Астрономический институт Гавайского университета)

Перевод: Д.Ю.Цветков

Пояснение: У португальского мореплавателя Фернандо де Магеллана и его команды, совершивших первое кругосветное плавание, было много времени для изучения южного неба. В результате два похожих на облака объекта, которые легко увидеть наблюдателям в южном полушарии, стали известны под названием Магеллановы Облака. Конечно, теперь известно, что эти звездные облака являются карликовыми неправильными галактиками, спутниками нашей огромной спиральной галактики Млечный Путь. Большое Магелланово Облако (LMC, БМО), показанное на этой фотографии, находится на расстоянии всего около 180 тысяч световых лет в созвездии Золотой Рыбы. Это самая массивная из всех галактик-спутников Млечного Пути, ее размер - около 15 тысяч световых лет. В ней вспыхнула самая близкая сверхновая нашего времени. Хорошо заметное красное пятно слева - это 30 Золотой Рыбы, или туманность Тарантул - огромная область звездообразования в Большом Магеллановом Облаке.







Большое Магелланово Облако





10.05.2006






Лундмарк Кнут Эмиль (14/06/1889  23/04/1958)
(Lundmark, Knut Emil)

Шведский астроном. Род. в Эльвсбине. Окончил ун-т в Упсале. Работал там до 1929, в 1929 сменил К. В. Шарлье на посту профессора астрономии Лундского ун-та и директора обсерватории этого ун-та. Научные работы посвящены галактической и внегалактической астрономии. Некоторые полученные Лундмарком в этой области результаты предвосхитили позднейшие открытия, революционизировавшие наши представления о Галактике и природе спиральных туманностей. В дискуссии о спиральных туманностях он был, наряду с Г. Кертисом, убежденным сторонником точки зрения об их внегалактической природе. В 1919, изучая новые звезды, вспыхнувшие в туманности M31 в созвездии Андромеды, Лундмарк определил расстояние до этой туманности и получил значение, близкое к найденному Э. П. Хабблом несколько лет спустя. В том же году предложил метод определения расстояний до спиральных туманностей по их угловым размерам. Провел (1926-1928) статистическое исследование двойных и кратных галактик; на основании изучения истинного распределения галактик в пространстве первым пришел к заключению о существовании Местной группы галактик и определил положение «экватора» этой группы. В 1946 из анализа расстояния до M31, полученного по большому числу новых звезд, голубых сверхгигантов и шаровых скоплений, сделал вывод о необходимости пересмотра шкалы внегалактических расстояний (этот вопрос окончательно решил В. Г. В. Бааде в 1952). Лундмарк одним из первых получил наблюдательные свидетельства вращения Галактики. В 1919 он показал, что по отношению к шаровым скоплениям и внегалактическим туманностям Солнце движется в плоскости Млечного Пути; в 1924 нашел, что это движение происходит под прямым углом к направлению на галактический центр, и высказал предположение об обращении Солнца и ближайших к нему звезд вокруг этого центра.



  • Солнце расположено на расстоянии 33 тыс. световых лет от Центра Галактики, там, где линейная скорость движения максимальна.

  • Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики ≈ 250 км/с;

  • Полный оборот совершается за 290 млн. лет (наша Земля вокруг Центра облетела не более 30 раз).

  • «Млечный путь» – спиралевидная галактика

  • Условный радиус нашей Галактики

  • 4∙1017 км (≈ 15∙103 пк).

  • Она содержит 1011 звёзд.

  • Ядро расположено в направлении созвездия Стрельца (обнаружено в ИК и радиодиапазонах).

  • Первые астрофизические наблюдения галактик с использованием "классического" физического прибора – щелевого спектрографа – были проведены еще в 1917-1918 годах, то есть еще до того, как была окончательно установлена их природа.

  • Результатом этих наблюдений было открытие вращения внутренних областей спиральных галактик, вернее, содержащегося в них газа, дающего линейчатый спектр.

  • много позднее, с появлением нового поколения наблюдательной техники, были измерены скорости движения не только газа, но и совокупности звезд (по их спектру поглощения), а вращение газа прослежено до очень больших расстояний от центра, во многих случаях превышающих оптический размер галактики.

  • Способ измерения скоростей движения основан на эффекте Доплера, хорошо известном в физике.

  • Для измерения скоростей движения звезд и газа в галактиках используют как спектрографы различных конструкций, так и оптические интерференционные приборы, позволяющие одновременно получить информацию о скоростях движения во многих тысячах точек галактики.

Самым важным физическим процессом, определяющим основные наблюдаемые свойства галактики, является образование звезд из межзвездного газа. Это сложный, многоступенчатый процесс, исследование которого – одна из важнейших задач, решаемая внегалактической астрономией.

  • Рождение звезд происходит почти исключительно в дисках галактик. Газ, оставшийся когда-то давно после образования основной массы звездного диска, перемешался с течением времени с тем газом, который постоянно сбрасывают с себя стареющие звезды, дожил до нашей эпохи и продолжает производить новые поколения молодых звезд, хотя и не так интенсивно, как миллиарды лет назад.

  • Полная масса этого межзвездного газа в таких галактиках, как наша, обычно составляет несколько миллиардов масс Солнца.

Только гравитация может представлять силу, способную собрать большие массы газа. Ключ к пониманию того, как это может происходить, дало сравнение темпов звездообразования в различных областях галактик.

  • Обычно используются три наиболее надежных признака, характеризующих активность звездообразования:

  • 1) цвет галактики (молодые массивные звезды делают его более голубым);

  • 2) яркость свечения газа в оптических спектральных линиях, которое возникает при облучении газа ультрафиолетовым светом молодых звезд;

  • 3) мощное излучение "теплой" межзвездной пыли.

  • Пыль здесь играет роль преобразователя световой энергии: она поглощает свет молодых звезд, расположенных в областях с высокой плотностью межзвездной среды, и переизлучает захваченную энергию в далекой инфракрасной области спектра

  • (в основном в спектральном диапазоне 50-500 мкм), а это излучение регистрируется методами внеатмосферных наблюдений.

  • Один из механизмов, способствующий более интенсивному звездообразованию, также связанный с движением газа, был обнаружен при изучении взаимодействия близких галактик

  • (термин "взаимодействующие галактики" был предложен советским астрономом Б.А. Воронцовым-Вельяминовым)

  • Если галактики в своем движении подходят близко друг к другу, то они могут испытывать сильное взаимное гравитационное воздействие на расстоянии - при очень близком прохождении или при взаимном проникновении галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет, отдав звездному газу избыток энергии своего относительного движения (как происходит такой процесс, наглядно показали численные эксперименты).



Галактики в Пегасе
6.08.2009





  • На этом четком широкоугольном телескопическом изображении видны галактики, находящиеся далеко за звездами, около северной границы созвездия Пегаса.

  • В верхнем правом углу привлекает внимание NGC 7331.

  • Эта большая спиральная галактика, расстояние до которой – всего 50 миллионов световых лет, является одной из самых ярких галактик, не включенных в знаменитый каталог, составленный в 18-м веке Шарлем Мессье.

  • Группа галактик в нижнем левом углу, многие из которой выглядят искаженными – это хорошо известный квинтет Стефана, находящийся на расстоянии почти 300 миллионов световых лет. Квинтет демонстрирует столкновение нескольких галактик, их мощное продолжающееся взаимодействие запечатлено на этом моментальном космическом снимке. На нашем небе квинтет и NGC 7331 находятся на угловом расстоянии примерно в половину градуса.

  • Полученные результаты наблюдений и расчётов обнаруживают тесную взаимосвязь между массой черной дыры и звездами, составляющими эллиптическую галактику, или центральным звездным балджем спиральной галактики.

В процессе формирования галактики определяется окончательная масса черной дыры.

"События, которые создают галактику, и события, заставляющие ее центральную черную дыру сиять как квазар, одни и те же," - говорит John Kormendy из университета Техаса в Остине.

"Эти результаты помогают связать несколько направлений исследования формирования галактик в одну наиболее правдоподобную и последовательную картину".

  • Группа исследователей из США и Канады под руководством Д. Ричстоуна, занимающаяся измерениями скоростей звезд в самом центре галактик, на основании всех имеющихся результатов пришла к выводу о том, что черные дыры присутствуют в ядрах почти всех галактик, хотя их не всегда можно обнаружить, поскольку их масса различна и, примерно, пропорциональна массе галактики в целом

  • (для спиральных галактик вместо полной массы надо брать массу звездного балджа как наиболее медленно вращающегося компонента).

  • Если это предположение подтвердится, то оно будет означать, что образование черных дыр тесно связано с формированием звездных компонентов галактики.
1   2   3


База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка