Найденная нами быстрая переменность интенсивностей эмиссионных линий и эффект запаздывания переменности линий относительно непрерывного спектра были подтверждены в последующих работах других авторов. Более того, оказалось, что время запаздывания для линий с более высокими потенциалами ионизации меньше, чем для линий с низкими потенциалами ионизации. Это говорит о стратификации излучения в ядерной области: облака, излучающие линии с высокими потенциалами ионизации, расположены ближе к центру ядра, чем облака, испускающие линейчатое излучение с низкими потенциалами ионизации. Такая стратификация излучения в газовых облаках ядерной области подтверждает модель, согласно которой именно жёсткое излучение центрального источника является источником ионизации и возбуждения линий излучения.
Рис. 3. Корреляция быстрой переменности эмиссионной линии Hα с переменностью непрерывного спектра в ядре сейфертовской галактики NGC 4151, найденная в 1970 году в работе В.М. Лютого и А.М. Черепащука. Вспышки в линии Hα (вверху) запаздывают на 20–25 дней относительно переменности непрерывного спектра (нижняя часть рисунка).Линии излучения водорода в ядрах сейфертовских галактик состоят из двух компонент: узкой (ширина несколько сот км/с) и широкой (ширина несколько тысяч км/с). Плотность вещества в области формирования широкой компоненты эмиссионных линий выше, и быстрая переменность здесь более вероятна, поэтому за быструю переменность ответственна именно широкая компонента линий. Время запаздывания переменности интенсивности широкой компоненты эмиссионных линий относительно переменности непрерывного спектра было интерпретировано нами как время, обусловленное пролётом жёсткого ионизующего излучения, испускаемого центральным источником, до газовых облаков, излучающих широкую компоненту линий водорода. Тогда легко дать оценку верхнего предела для расстояния r газовых облаков от центра ядра галактики: r < cΔt. Точное значение величины r по наблюдаемому времени запаздывания Δt получается из решения задачи об исследовании структуры области возбуждения и ионизации газовых облаков под действием облучения их жёстким излучением центрального источника.
Почти одновременно с открытием переменности ядер сейфертовских галактик в непрерывном спектре (1967–1968 годы) французские астрономы И. Андрийя и С. Суфрен сообщили о переменности эмиссионной линии в спектре ядра сейфертовской галактики NGC 3516 (за 25 лет линия водорода Hβ почти полностью исчезла). Годом раньше советские астрофизики Э.А. Дибай и В.Ф. Есипов обнаружили переменность резонансной линии ионизованного магния MgII в спектре квазара 3C345 за время порядка года. Вдохновлённые этими результатами, В.М. Лютый и автор настоящей статьи решили поискать быструю переменность линий в спектрах ядер сейфертовских галактик с теми же характерными временами, что и у звёзд, то есть порядка нескольких суток. Такая переменность была обнаружена. Более того, оказалось, что переменность интенсивностей эмиссионных линий водорода повторяет переменность непрерывного спектра, но с запаздыванием Δt на время около трёх недель (рис. 3).
Оценка массы активного ядра по переменности эмиссионных линий
Обнаружение переменности квазаров и активных ядер галактик позволило развить метод оценки их массы, который значительно менее модельно зависим, чем описанный метод оценки массы по эддингтоновскому пределу.
Как уже отмечалось, среди галактических ядер квазары имеют наибольшую светимость, достигающую 10 47–10 48 эрг/с (заметим, что ядро нашей Галактики, которое не является активным, имеет болометрическую светимость всего ~ 10 37–10 38 эрг/с). Поэтому оценка нижнего предела массы по эддингтоновскому пределу наиболее уместна именно для квазаров. Из условия Lкв ≤ LE по формуле (2) получаем Мкв ≥ 10 9. В середине 60-х годов, когда американский астроном М. Шмидт впервые отождествил квазары как объекты, находящиеся на космологических расстояниях, даже такая оценка массы квазара казалась достаточно убедительным свидетельством наличия сверхмассивных чёрных дыр. Последующее открытие быстрой переменности квазаров и активных ядер галактик на временах t0 = 1–10 суток позволило сделать вывод о малых размерах излучающей области r0 ≤ ct0 ≈ 3 × 10 15 — 3 × 10 16 см, что ещё более укрепило уверенность астрономов в том, что именно аккреция вещества на сверхмассивные чёрные дыры является причиной столь сильной активности галактических ядер и мощного выделения энергии в них.
Формула (2) была получена английским астрофизиком А. Эддингтоном при рассмотрении эволюции массивных звёзд. Она соответствует случаю максимальной светимости, когда сила гравитационного притяжения центрального источника уравновешивается силой отталкивания, обусловленной градиентом давления излучения.
В модели аккрецирующей чёрной дыры оценка массы ядра галактики может быть сделана в предположении, что его полная (болометрическая) светимость не превышает так называемого эддингтоновского пределагде μ — число нуклонов на один электрон для аккрецирующей плазмы, М — масса ядра галактики.
Оценка массы ядра по эддингтоновскому пределу
При определении масс ядер активных галактик используется тот факт, что светимость этих ядер велика, а в их спектрах наблюдаются мощные и широкие линии излучения. Ширины линий в шкале скоростей, рассчитанные по формуле эффекта Доплера, достигают 10 4 км/с.
Определение масс ядер активных галактик
Таким образом, наблюдения квазаров и других галактик с активными ядрами привели учёных к выводу о возможном существовании сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Для надёжной идентификации ядер галактик со сверхмассивными чёрными дырами необходимо, как и в случае чёрных дыр звёздной массы (см. [2]), дать оценки их масс и характерных размеров. Рассмотрим различные методы определения важнейших параметров ядер галактик.
Все галактики с активными ядрами обладают переменностью оптического излучения их ядер на временах от нескольких суток до многих лет. По максимальной скорости переменности (минимальному времени переменности t0 ) оценивается характерный размер излучающей области r0 ≤ ct0 (c — скорость света), который составляет ~ 3 × 10 15–10 17 см, то есть менее 1 пк. Ввиду столь малого объёма, в котором выделяется гигантская энергия, требуется привлечение новых механизмов энерговыделения. Одним из таких механизмов принято считать аккрецию (то есть выпадение) вещества звёзд и газа галактики на сверхмассивную чёрную дыру, расположенную в ядре галактики. Поскольку эффективность энерговыделения при аккреции на два порядка выше, чем при ядерных реакциях, механизм аккреции на чёрную дыру в последние годы наиболее часто применяется при объяснении гигантской светимости квазаров и ядер активных галактик. У многих ядер активных галактик и квазаров наблюдаются сильно коллимированные выбросы вещества, двигающегося со скоростью, близкой к скорости света, которые принято называть джетами. Размеры джетов достигают десятков килопарсек, что больше размеров галактик. Принято считать, что происхождение джетов связано с магнитогидродинамическими процессами во внутренних частях аккреционного диска (то есть диска из выпадающего вещества) вокруг сверхмассивной чёрной дыры или с быстрым вращением самой чёрной дыры. Вращение и магнитное поле приводят к формированию сильных электрических полей, в которых заряженные частицы аккрецирующей плазмы ускоряются до релятивистских скоростей.
Галактики с активными ядрами принято разделять на четыре основных типа: сейфертовские галактики, радиогалактики, лацертиды и квазары. Сейфертовские галактики в большинстве случаев представляют собой спиральные галактики с яркими ядрами, светящимися в непрерывном спектре, а также в сильных и широких линиях излучения водорода, гелия, азота и других элементов (рис. 2). Радиогалактики — в большинстве своём эллиптические галактики, обладающие мощным радиоизлучением, иногда превышающим по мощности их оптическое излучение. Лацертиды, получившие своё название от объекта BL Лацерты, характеризуемые сильной оптической переменностью амплитудой до пяти звёздных величин, переменным радиоизлучением и значительной поляризацией излучения. Рис. 2. Эмиссионные линии ядер сейфертовских галактик. У галактики IC 4329A, принадлежащей к типу Сейферт-1, разрешённые линии водорода Hα , Hβ широкие, а запрещённые линии двукратно ионизованного кислорода (OIII) узкие. У галактики NGC 5135 (тип Сейферт-2) и запрещённые и разрешённые линии относительно узкие.Наконец, знаменитые квазары также представляют собой очень активные ядра весьма удалённых галактик с красным смещением от z = 0,158 (соответствующее расстояние 630 Мпк, или около 2 млрд световых лет) для 3C273 до z = 4 (расстояние во многие миллиарды световых лет). Квазары — самые мощные по стационарному излучению объекты во Вселенной. Полная светимость квазаров, включая радио-, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны, достигает 10 47–10 48 эрг/с, что на три-четыре порядка превышает светимость родительской галактики.
Рис. 1. Ядро спиральной галактики М 100. Изображение получено с борта Космического телескопа им. Э. Хаббла.Галактики в большинстве случаев имеют в центральных частях компактные сгущения звёзд и газа, которые принято называть ядрами (рис. 1). Обычно ядра выделяются в спиральных галактиках и трудноразличимы в неправильных галактиках (например, Магеллановых облаках). Среди галактик выделяется сравнительно немногочисленная (~ 1% от общего числа) группа галактик с активными ядрами. В активных ядрах галактик наблюдаются мощные нестационарные процессы, приводящие к высокой светимости ядер в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах. Хотя галактики с активными ядрами сравнительно малочисленны, их изучение принципиально важно для выяснения природы галактических ядер.
Свойства ядер галактик
Гравитационный радиус rg для Солнца составляет 3 км, для Земли — 8 мм, для ядра галактики с массой 10 9 ( — масса Солнца) величина rg = 3 × 10 9 км = 3 × 10 14 см = 20 астрономических единиц (а.е.) (1 а.е. = 1,5 × 10 13 см — среднее расстояние от Земли до Солнца).
Как известно (см., например, [2]), под чёрной дырой понимается область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может уйти из неё на бесконечность. Чёрные дыры предсказываются общей теорией относительности (ОТО) А. Эйнштейна. Они обладают удивительными свойствами, важнейшее из которых — наличие у чёрной дыры горизонта событий, на котором с точки зрения далёкого наблюдателя ход времени останавливается. Для невращающейся чёрной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом, характеризующим размер чёрной дыры:где G — гравитационная постоянная, M — масса, c — скорость света.
Ядра галактик всегда привлекали особое внимание учёных. В последние годы выяснилось, что ядра галактик содержат сверхмассивные компактные объекты, по всей вероятности чёрные дыры. О новейших результатах измерения масс и размеров галактических ядер, позволяющих идентифицировать их с чёрными дырами, мы расскажем в статье.
член-корреспондент РАН А. М. ЧерепащукСверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик
