Астрофизик Алексей Моисеев об энерговыделении активных галактических ядер, их аккреции и пузырях Ферми нашей Галактики
Исторически активность галактических ядер — то есть факт того, что в некоторых случаях в центральных частях галактик энерговыделение значительно превышает ожидаемое из-за того, что там находится только звездное население, — была открыта достаточно рано.
На заре галактической астрономии в 1943 году американский астроном Карл Сейферт опубликовал список галактик, где обнаружил, что среди близких галактик в редких случаях есть такой интересный феномен, как необычные линии излучения ионизованного газа. Линии очень широкие, и это говорит о том, что там скорости движения превышают несколько тысяч километров в секунду, что необычно, потому что обычно в галактиках скорость вращения — одна-две сотни километров. При этом наблюдается очень сильная ионизация этого газа, что не может дать обычное звездное население, обычные горячие звезды. Высокие температуры близки к температурам планетарных туманностей. Объяснение этому он не нашел, он просто опубликовал статью с достаточно серьезным исследованием наблюдаемых свойств таких ядерных галактик. К сожалению, он прожил недолгую жизнь, погиб в катастрофе, а его открытия стали на слуху.
Через 20 лет, в 1960-х годах, произошло два важных события. Во-первых, были открыты квазары, яркие звездообразные источники, тусклые на оптических изображениях, тусклые по меркам той наблюдательной техники, которая тогда была, но с очень ярким радиодиапазоном, с необычным радиоизлучением. Их быстро отождествили с этими звездообразными источниками, заметили красное смещение, и оказалось, что они находятся достаточно далеко, дальше, чем известные тогда галактики. С ними связывают одно из направлений изучения галактических ядер, необычного энерговыделения.
Второе важное событие 1960-х годов — результат работы армянских астрономов в Бюраканской астрономической астрономии: на метровом телескопе Шмидта Маркарян и его сотрудники провели обзор неба, который позже стал называться Первым Бюраканским (или маркаряновским). Они искали галактики с избытком излучения в ультрафиолетовой части спектра. Путем очень тяжелой наблюдательной работы нужно было глазами просматривать сотни тысяч изображений. Они составили списки таких галактик, и первые наблюдения, проведенные Видманом и Хачикяном на телескопе среднего размера, показали, что это те же самые сейфертовские галактики, что среди них очень много галактик Сейферта, то есть с необычными свойствами ионизованного газа, с большими скоростями и большой степенью ионизации. Позже оказалось, что в этих же галактиках избыток радиоизлучения и что сейфертовские галактики — это аналог квазаров, только расположенные ближе к нам, может быть, немного меньше энерговыделения, но все равно это что-то необычное.
Споров было много, но к концу XX века появилось представление, что же все-таки определяет активность таких ядер. Это точка зрения уже общепринятая, и, скорее всего, речь идет об аккреции, то есть о падении вещества на центральный, очень массивный объект. Большинство считает, что это сверхмассивная черная дыра, но здесь есть споры теоретиков, насколько она действительно соответствует тем представлениям, которые есть в общей теории относительности, поэтому осторожно говорят: «Центральный объект — это центральная машина центрального ядра галактики», оставляя черные дыры немного за кадром. Гравитационная энергия падающего вещества, а вещество падающее прежде всего газ или звезды, неосторожно подошедшие к этому сверхмассивному объекту, разрушенные приливными силами, в процессе этого падения выделяется большое количество энергии, которая выплескивается наружу. При этом выброс этой энергии происходит очень неравномерно, в некоем широком конусе, потому что он экранируется пылевыми облаками вокруг. Сам газ разрушенных звезд создает аккреционный диск, а перпендикулярно косе этого диска происходит выброс этого вещества.
Появился вопрос:, а почему одни ядра галактик активны, а другие нет? Если сначала говорили, что там существуют сверхмассивные черные дыры, то позже оказалось, что во всех галактиках, которые мы наблюдаем, включая нашу, в несколько миллионов солнечных масс. Возник другой вопрос: почему тогда одни ядра активны, а другие нет? Тут оказалась проблема кормления активных галактических ядер. О чем идет речь: есть центральный объект, в галактике существует много разного вещества, которое его может накормить, и проблема состоит в том, как это вещество доставить в центр.
Газ и звезды в галактиках вращаются, значит, есть момент вращения, а момент сохраняется. То есть чтобы газ с расстояния в несколько килопарсек переместить в область действия, где все будет определяться массой этого сверхмассивного объекта, то есть в область доли парсека, надо оставить только доли процента углового момента. Это сделать непросто, но это происходит в определенных случаях. При этом единого механизма отъема углового момента нет. Видимо, существует целый ряд способов перебросить газ в центральную часть галактики. Происходит переброска с помощью спиральной структуры, наличие перемычки — бара — играет свою роль.
Трехосный гравитационный потенциал приводит к тому, что газ, условно говоря, ударяясь об эту вытянутую потенциальную яму, двигается к центру, при этом оказывается, что к самому центру он не подойдет, а соберется ближе к центральному, на расстоянии в сотни парсек. Образуется мощный газовый диск, в нем может происходить звездообразование. Эти диски образуют собственные спиральные волны, которые будут дальше гнать газ к центральной черной дыре, к центральному объекту. При этом оказывается, что в одних случаях бар образуется, в других он может рассосаться в галактике в результате каких-то внутренних динамических процессов, поэтому ядро не всегда становится активным.
Мощный способ изменить распределение углового момента в галактике — взаимодействие с соседом. Две галактики взаимодействуют с силами гравитации, одна поглощает карликовый спутник, происходит обмен благодаря действию гравитационных сил моментом вращения между звездами и газом в галактиках. Какая-то часть газа в галактиках теряет угловой момент, двигается к центру и пропадает. Получается, что активное ядро — сверхмассивный объект — существует постоянно, оно постепенно растет, потому что поедает вещество, на него падающее. Даже в профессиональной литературе говорят про сидящего монстра в центре, захватывающего вещество. Но в то же время оказывается, что процесс определяется не самим наличием этого монстра, а тем, что сможем ли мы его накормить. Может оказаться, что и черная дыра в центре массивная, и галактика большая и красивая, но нет газа в этих масштабах и что не существует способов перебросить его в центральную часть. Оказывается, что в какой-то момент активное ядро проявляет свое мощное энерговыделение, когда-то этого не происходит, и может случиться так, что большую часть галактической жизни этого не происходит.
Были ли случаи, когда наблюдался процесс включения и выключения активного галактического ядра? Долгое время это были оценки, сделанные теоретиками и наблюдателями, исходя из того, что этот процесс должен быть, потому что мы видим статистику, в которой активные галактики мало чем отличаются от обычных. В последние годы случился большой прогресс в этой области. Удалось обнаружить очень интересные случаи, когда было активное ядро, конус ионизирующего излучения светил из ядра галактики, освещал и ионизовал окружающий газ. Потом прекратилась подача кормящего вещества к центру. Газ пока еще светится, потом он тоже затухает, потому что нет излучения. Однако из-за того, что у нас разные расстояния наблюдателя до ядра и до этого облака газа, мы его видим. Некоторое время, порядка нескольких тысяч лет, после того как активное ядро выключилось и мы перестали его наблюдать, мы можем видеть остатки такого газа.
Сейчас такие наблюдения проводятся на хаббловском телескопе и на нашем шестиметровом, где мы обнаружили уже десятки случаев того, что среди близких к нам галактик на экране отражается бывшая активность ядра, но сейчас мы ее уже не видим. Одним из результатов этой работы является вопрос: что происходит с нашей Галактикой? В центре нашей Галактики есть массивная черная дыра с массой, которая несколько меньше миллиона солнечных масс. Была ли здесь какая-то активность? В оптическом измерении мешает сильное поглощение — пылевые скопления, поэтому задействуют рентгеновское излучение. И выяснилось, что есть остатки этого отраженного излучения, когда ядро было активным. Мы ловим сигнал этого удаленного зеркала, потому что скорость света конечна, а расстояния разные.
Кроме того, относительно недавно с помощью спутника «Ферми» были обнаружены так называемые пузыри Ферми. Над плоскостью нашей Галактики есть две области надутого горячего газа. Наиболее эффективно надуть такие пузыри и создать их можно было с помощью активного ядра галактики. В тот момент, когда на центрального монстра падал газ, падали разрушенные звезды, мощное излучение шло примерно перпендикулярно диску Галактики, оно создавало мощные пузыри активного горячего газа. Активность прекратилась, у газа есть определенное время, когда он еще остывает и высвечивает. Показано, что наша Галактика была когда-то активной и будет активной, может быть, дальше, как только создадутся для этого соответствующие определенные условия.
Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН
