Лекция 7.

§Квазары и активные галактические ядра.

§7.1. Основные наблюдаемые свойства.

В 1960 г. были обнаружены радиосточники с малыми угловыми размерами (менее 10 сек. дуги), которые затем были отождествлены со звездообразными объектами в потическом диапазоне (квазар - аббревиатура от англ. QUASi-stellAR Radiosource). В 1963 г. Мартен Шмидт снял спектр источника 3С 273. В спектре были видны широкие эмиссионные линии Бальмеровской серии водорода и Mg II, а красное смешение оказалось z=0.158 (т.е. расстояние до источника Мпк). В настоящее время известно свыше 7 тыс. квазаров.

Основные феноменологические свойства:

1. Большое красное смещение (далекие объекты) - рекорд (1997) 4.98
2. нетепловой (степенной) непрерывный спектр ЭМ излучения во всем диапазоне длин волн
3. широкие линии излучения в разрешенных линиях (ширина до 2000 км/с) и узкие запрещенные эмиссионные линии (как в газовых туманностях)
4. переменность излучения на временах от нескольких дней до неск. месяцев ==> характерный размер излучающей области см < 1 пк (Замечание: наилучшее ограничение на размер излучающей области получено в 1989 г. из наблюдений микролинзирования квазаров и составляет см - всего 60 астрономических единиц!)
5. огромная светимость эрг/с (для сравнения: полная светимость гигантской спиральной галактики типа нашей эрг/с)
6. часто вокруг квазара видна ``хозяйская'' (host) галактика разной морфологии (эллиптическая или спиральная), как правило наблюдаются во взаимодействующих (сливающихся) галактиках
7. часто наблюдаются труйные выбросы (джеты) частиц с релятивистскими скоростями (до 0.99 с), видимые в радиодиапазоне до расстояний в неск. мегапарсек

Схожие свойства (несколько в меньшем масштабе) наблюдается от активных ядер галактик (радиогалактики, Сейфертовские галактики, объекты типа BL Ящерицы (лацертиды)). Высокая светимость и компактность излучающей области определяют физическое состояние вещества вблизи центра квазара.

Пример: плотность излучения на характерном расстоянии cм от центра квазара со светимостью эрг/с эрг/см на много порядков больше плотности энергии реликтового излучения ( эрг/см ) или уф-излучения звезд в Галактике ( эрг/см ).

Активные галактики и квазары составляют относительно немногочисленный подкласс объектов (иными словами стадия активности квазара или ядра галактики много меньше хаббловского времени лет). Их пространственная плотность:

Обычные галактики .......................... на куб. Мпк

Сейфертовские галактики .................... на куб. Мпк

Радиогалактики ......................... на куб. Мпк

Квазары .......................... на куб. Мпк

§7.2. Механизмы активности галактических ядер.

Исторически было предложено три основных механизмов генерации энергии в компактной области:

1. Вспышки Сверхновых звезд в компактном звездном скоплении в центре галактики. От этой модели быстро отказались после открытия переменности излучения ядер.
2. Сверхмассивная звезда, равновесие которой поддерживается вращением и магнитным полем. Предсказывает периодичность излучения (не наблюдаается) и имеет проблемы с устойчивостью такой конфигурации

3. Аккреция (падение) вещества на сверхмассивную

Последняя модель наиболее разработана, в ее рамках получено объяснение многим наблюдательным свойствам (высокая светимость, компактность, спектр).

§7.3. Модель аккреции вещества на сверхмасивную черную дыру.

Возникновение массивных черных дыр в центрах галактик следует из общих эволюционных соображений. К 1997 г. в центрах примерно 10 галактик наблюдаются сверхмассивные черные дыры:

M87 -

NGC 3115 -

NGC 4486 -

NGC 4594 (Sombrero) -

NGC 3377 -

NGC 3379 -

NGC 4258 -

M31 (Andromeda) -

M32 -

Массы черных дыр определены из наблюдений движения звезд и газа в центре галактик с помощью космического телескопа им. Хаббла (движения звезд вблизи черной дыры подчиняются теореме вириала , , откуда дисперсия скоростей звезд или круговая скорость вращения газа на расстоянии r от центра галактики . Определяя по эффекту Допплера скорости на угловом расстоянии от центра галактики и зная расстояние до галактики, получаем оценку массы центральной черной дыры.

§7.3.1. Эффективность аккреции вещества на черные дыры

Как известно, черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой M (Шварцшильдовская черная дыра), моментом импульса J (Керровская черная дыра) и элкектрическим зарядом Q (черная дыра Керра-Ньюмана). Горизонт событий Шварцшильдовской черной дыры (т.н. гравитационный или Шварцшильдовский радиус)

Из-за малости гравитационного радиуса даже для массы Солнца черные дыры относятся к компактным звездам (хотя конечно буквально звездами-то они и не являются, поэтоиу правильнее говорить о компактных релятивистских объектах).

При падении вещества на тяготеющее тело массы M с радиусом R на грамм вещества выделяется энергия

(здесь мы пренебрегли начальной потенциальной и кинетической энергией на удаленном расстоянии от тяготеющего центра). Если темп аккреции (грамм в секунду) , то мощность выделяемой энергии

где - эффективность энерговыделения на грамм вещества.

Если у тела есть поверхность (например, звезда), гравитационная энергия выделяется при ударе от поверхность. Но у черной дыры нет поверхности - чтобы выделилась гравитационная энергия, требуются специальные режимы падения. Например, при строгом сферически- симметричном режиме падения на черную дыру эффективность энерговыделеняи полностью определяется физическими условиями в падающей плазме (плотность, температура, магнитное поле) и как правило очень низка, . В реальных астрофизических условиях плазма как правило обладает отличным от нуля моментом импульса, поэтому при движении в поле тяготеющего тела появляется центробежный барьер. Для его преодоления вещество должно отдать момент импульса. Это становится возможным, если в газовом диска вокруг центрального тела есть эффективный механизм вязкости. Тогда момент импульса может передаваться вязкими напряжениями по радиусу вдоль диска наружу, а вещество может приближаться к центральному телу. Из-за сил трения газ разогревается до высоких температур и освобождаемая гравитационная энергия перерабатывается в электромагнитное излучение. Такие диски (с вязкостью, в отличие, например, от колец Сатурна) называются аккреционными. Они возникают в двойных звездных системах при перетекании вещества с одной звезды на другую (такие явления возможны при эволюционном расширении одной из звезд). Эффективность переработки гравитационной энергии в электромагнитную в аккреционных дисках рекордно высока: при аккреции на Шварцшильдовскую черную дыру или на нейтронную звезду солнечной масcы с радиусом около 10 км, и достигает при аккреции на керровскую предельно вращающуюся черную дыру. (Для сравнения: в химических реакциях (горение дров, взрыв тротила) , в термоядерных реакциях (водородная бомба, недра звезд) ``всего'' !).

Спектры выходящего излучения из аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах активных галактик и квазаров в целом хорошо описывают наблюдаемое распределение энергии. Остается нерешенным вопрос о формировании узкоколлимированных релятивистских джетов из ядер галактик и квазаров. По-видимому, существенную роль в формировании таких выбросов играет магнитное поле, обязательно присутствующее в плазме. Джет может формироваться либо в окрестности вращающейся черной дыры , окруженной аккреционным диском с магнитным полем (при этом извлекается энергия вращения черной дыры, так называемый механизм Блэндфорда-Знаека), либо при магнитогидродинамическом истечении вещества из внутренних частей аккреционного диска. Отличительным свойством джета, формируемого механизмом Блэндфорда-Знаека, должна быть генерация электронно-позитронной плазмы. Пока не найдено возможности различить эти механизмы.

§7.3.2. Приливное разрушение звезд в окрестностях сверхмассивной черной дыры

Газ в аккреционный диск может попадать различными путями: это может быть межзвездный газ из диска галактики, диффундирующие под действием динамического трения гигантские молекулярные облака, звезды, разорванные приливными силами черной дыры. Рассмотрим последний процесс (Хилс, 1975). Пусть имеется звезда с массой и радиусом R, средняя плотность звезды . Качественно, звезда разрушается приливными силами, если ускорение свободного падения на поверхности становится меньше приливного ускорения со стороны черной дыры с массой : , где d - расстояние от звезды до черной дыры. Разрыв наступает на критическом расстоянии (называемом приливным радиусом): . Очевидно, горизонт (гравитационный радиус) черной дыры зависит линейно от массы , быстрее чем приливной радиус . При массе черной дыры

эти радиусы сравниваются, а значит звезды будут пересекать горизонт событий черной дыры не разрушаясь, лишая аккреционный диск подпитки газом (хотя конечно, остаются иные механизмы подпитки). Таким образом, если звезды являются основными поставщиками вещества для активного галактического ядра, рост черной дыры значительно замедляется при массе около . Для характерных темпов аккреции около 1 в год (см. ниже) время существования максимальной активности ядра галактики т.о. может быть около 100 млн. лет.

§7.3.3. Эддингтоновский предел светимости при аккреции на компактные релятивисткие объекты.

Рассмотрим плазму на расстоянии r от звезды со светимостью L. Пусть источник излучения изотропен. Тогда на расстоянии r поток излучения . Фотоны взаимодействуют с электронами плазмы (Томсоновское рассеяние) и оказывают давление с силой , где см - томсоновское сечение рассеяния фотона на электроне (в нерелятивистском приближении). Сила притяжения со стороны центрального тела массы M, действующая на протоны . Из-за кулоновских сил давление света на электроны передается всему элементу плазмы, при этом равновесие возможно при критичесокм значении светимости (т.н. Эддингтоновский предел)

Замечательно, что этот предел определяется только массой центрального тела и механизмом непрозрачности падающего вещества (в рассмотренном примере ионизованной плазмы - томсоновским рассеянием на электронах). При давление излучения сильнее гравитационного притяжения, падение вещества на тяготеющий центр невозможно.

Применим эти рассуждения к аккреции на компактные объекты. Выделяемая светимость , где - внутренний радиус аккреционного диска ( в случае Шварцшильдовской черной дыры). Максимальный темп аккреции, при котором она еще возможна (т.е. не останавливается давлением излучения)

Для сверхмассивных черных дыр с массами в миллион солнечных /год. Замечательный факт состоит в том, что наблюдаемые светимости квазаров и ядер активных галактик эрг/с как раз и соответствуют эддингтоновским светимостям при аккреции на сверхмассивные ченрные дыры с массой солнечных.

• About this document ...