Что такое квазары и как через них мы можем заглянуть в прошлое

Что такое квазары

Слово «квазар» происходит от соединения двух английских терминов: quasi-stellar («квазизвездный», «похожий на звезду») и radio source («радиоисточник»). Такое имя яркие космические объекты получили в конце 1950-х, когда астрономы впервые начали замечать их. Однако позже выяснилось, что квазары — не звезды, а молодые галактики, которые расположены на огромной дистанции от Солнечной системы. Квазары видны с Земли из-за своей необычайной яркости, которая может в тысячу раз превышать свечение Млечного пути. Обычный квазар в 27 трлн раз ярче Солнца. Если он внезапно появился бы на месте Плутона, то это превратило бы все океаны Земли в пар за пятую долю секунды.

Почему квазары такие яркие

Из-за того, что квазары находятся очень далеко, мы видим их такими, какими они были в ранние периоды формирования Вселенной. В начале января 2022 года был обнаружен самый старый из них. Получивший название J0313-1806, этот квазар находится в 13 млрд световых лет от Земли, а наблюдаем мы его в возрасте 670 млн лет с момента Большого взрыва. Для сравнения: по оценкам ученых, Вселенная существует около 14 млрд лет, а Солнечная система — около 4,5 млрд лет. По мнению современных ученых, яркость квазаров вызывается активными ядрами галактик (AЯГ). Астрофизики Анатолий Засов и Константин Постнов подчеркивают, что АЯГ, которые отличаются по признакам активности ядра и форме выделения энергии. Самые распространенные типы бывают такими:

• быстрое движение газа со скоростями в тысячи километров в секунду;
• излучение большой мощности в коротковолновых областях спектра, сконцентрированное в очень небольшой области размером менее светового года. Характерное время заметного изменения светимости составляет от нескольких лет до нескольких дней или даже часов;
• выбросы струй газа и высокоэнергичных частиц из активных ядер;
• высокая мощность радиоизлучения.

Черная дыра в самом центре

Теоретически в центре АЯГ находится сверхмассивная (массой в 100 тыс. — 100 млрд Солнц) черная дыра. Ее окружает так называемый аккреционный диск — нагретое на миллионы градусов пространство, которое возникает от постоянного трения частиц газа, пыли и других материалов, постоянно сталкивающихся друг с другом. Именно аккреционный диск формирует радиацию. Нагреваясь, он производит радиоволны, обычный свет, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Из-за этого квазары светят так ярко. Из-за того, что они находятся очень далеко от Земли, мы видим только описанный центр. Никакие другие части пока запечатлеть невозможно. Физик Энди Бриггс сравнивает эту ситуацию с проезжающей вдалеке ночью машиной: неясна марка, кузов и цвет автомобиля, а заметен только свет его фар.

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это нечто имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу, поскольку нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Все были квазарами

Астрофизики считают, что практически все крупные галактики прошли через «квазаровую фазу» вскоре после своего формирования. После того как материя, питающая аккреционный диск, закончилась, галактики «успокоились». Тем не менее черные дыры остались на своих местах. В Солнечной системе тоже есть такая. Она называется «Стрелец A*» и ежедневно производит большие объемы радиоактивного излучения разного типа. Открывшие это в начале 2022 года ученые назвали ее поведение «непредсказуемым и хаотичным».

Открытие квазаров и их настоящих свойств

Ученые заметили квазары относительно недавно, в конце 1950-х. Тогда астрофизики и дали им такие названия. Они были заметны только через радиотелескопы. Этот факт очень интересовал британско-австралийского астронома Джона Болтона. Он с коллегами пытался найти «оптические аналоги» квазаров, которые можно было бы заметить глазами, через оптический телескоп, а не только через фиксацию радиоволн. В 1963 году американские ученые Аллан Сэндидж и Томас Мэтьюс не могли найти причину интенсивности электромагнитного излучения одного из наблюдаемых ими квазаров. Загадку разгадал голландский астроном Мартин Шмидт. Он понял, что странность вызвана тем, что объект находится в 3 млрд световых лет от Солнечной системы. Он вспоминал: «Осознание пришло внезапно: моя жена до сих пор помнит, как я весь вечер то бегал, то начинал ходить медленно от радости». Последующие десятилетия с улучшением технологий астрономы продолжали наблюдение и изучение квазаров. В 2015 году группа международных ученых обнаружила древнейший квазар во Вселенной — J1342+0928. В 2021 году его природу и ряд свойств подтвердили после нескольких лет исследований. Он существовал, когда Вселенной было всего 780 млн лет. Один из ученых, Эдуард Баньядос, подчеркивал: «Если бы Вселенная была 50-летним человеком, то излучение, которое дошло до нас от J1342+0928, можно было бы сравнить с фотографией этого человека, сделанной, когда ему было всего два с половиной года».

Заглянуть в прошлое

25 декабря 2021 года с космодрома Куру во Французской Гвиане стартовала ракета-носитель Ariane 5 с орбитальным телескопом «Джеймс Уэбб» на борту. Это крупнейший и самый мощный телескоп, который человечество когда-либо запускало в космос. Аппарат создали NASA, Европейское космическое агентство ESA и Канадское космическое агентство (CSA). С его помощью ученые будут исследовать фазы развития космоса — как Солнечной системы, так и других галактик. 2 февраля он прислал первые фотографии звезды, а 13 февраля — селфи. Вскоре «Джеймс Уэбб» обратится к квазарам. Он сфокусируется на 6 самых ярких. Так объясняет его работу участник миссии, испанский астрофизик Сантьяго Аррибас: «Все квазары, которые мы будем исследовать, появились очень рано, когда Вселенной было не больше 800 млн лет, что составляет менее 6% от ее нынешнего возраста. Наблюдения позволят нам изучить эволюцию галактик и создание сверхмассивных черных дыр в эти крайне ранние периоды».