Курс теоретической астрофизики

Согласно закону Хаббла, скорости удаления галактик пропорциональны их расстояниям. Считая, что этот закон справедлив и для квазаров, мы получаем возможность определить расстояние до квазаров по смещениям линий в их спектрах. К настоящему времени таким способом найдены расстояния приблизительно до тысячи квазаров. Эти расстояния (называемые космологическими) очень велики — свет от квазаров идёт к нам миллиарды лет. В среднем квазары находятся от нас дальше галактик.

Знание расстояний до квазаров и их видимых звёздных величин позволяет определить светимости квазаров. Для этих величин получаются громадные значения — порядка 10—10 эрг/с, т.е. на несколько порядков превосходящие светимости галактик.

По известным расстояниям до квазаров и их угловым диаметрам можно найти линейные размеры квазаров. Для многих квазаров были измерены угловые диаметры в радиочастотах. Это дало возможность установить, что поперечники областей, от которых идёт радиоизлучение, порядка 100 парсек.

Более сложным путём определяются размеры оболочек, в которых возникают спектральные линии. Так как линейчатые спектры квазаров похожи на спектры газовых туманностей, то для выяснения физических условий в оболочках можно применить методы, изложенные в главе V. По относительным интенсивностям эмиссионных линий было получено, что в оболочках квазаров T_e20 000 K и n_e10 см^3. Найденные значения T_e и n_e можно подставить в формулу (24.14), выражающую энергию, излучаемую оболочкой в бальмеровских линиях. Так как эта энергия известна из наблюдений, то с помощью указанной формулы определяется объём оболочки V. Для поперечника оболочки таким путём были получены значения порядка нескольких парсек.

Некоторое представление о размерах квазаров дало открытие очень важного явления — переменности их блеска. Как показал анализ старых наблюдений, блеск квазара 3C 273 заметно меняется с приблизительным периодом в 10 лет. Это означает, что размеры квазара не могут быть больше 10 световых лет. Такое заключение следует из того, что излучение, выходящее из разных частей протяжённого объекта одновременно, до нас доходит в разные моменты времени, т.е. оно «размазывается». Наблюдениями также обнаружены кратковременные изменения блеска квазаров (как в оптическом, так и в радиодиапазоне). По-видимому, их можно объяснить взрывами в отдельных частях квазаров.

На основании сказанного считается, что квазар состоит из небольшого ядра, окружённого оболочкой (с поперечником порядка 10^1 см), в которой возникают эмиссионные линии, и протяжённой областью (с поперечником порядка 10^2^1 см), излучающей энергию в радиочастотах. Механизмами возникновения эмиссионных линий являются фотоионизация и столкновения, а радиоизлучение вызывается движением релятивистских частиц в магнитном поле. Из наблюдений следует, что распределение радиоизлучения по спектру даётся формулой (34.9), где в среднем n0,7.

Масса оболочки квазара определяется весьма просто, поскольку нам известен объём оболочки V и электронная концентрация n_e Эта масса оказывается порядка 10—10 масс Солнца. Гораздо труднее найти массу ядра квазара. Согласно различным физическим соображениям, она должна быть на два-три порядка больше массы оболочки.

Если считать, что масса квазара порядка 10 массы Солнца, то энергия, соответствующая этой массе (т.е. найденная по формуле E=Mc^2 будет порядка 10^2 эрг. Интересно сравнить эту величину с энергией, излучаемой квазаром за время его жизни. Продолжительность существования квазаров может быть оценена на основании наличия вблизи некоторых из квазаров сгустков вещества, выброшенных когда-то из них. Если даже допустить, что сгусток удаляется от квазара со скоростью света, то время, прошедшее от момента выброса, оказывается не менее миллиона лет. Этот промежуток времени и можно принять в качестве возраста квазара. Так как светимость квазара порядка 10 эрг/с, то за время своей жизни квазар должен излучать энергию порядка 10 эрг. Мы видим, что эта величина является не очень малой долей энергии, эквивалентной массе покоя квазара.

Попытки объяснить строение квазаров и происхождение источников их огромной энергии делалось в многочисленных работах. В некоторых из них предполагалось, что квазар представляет собой компактное звёздное скопление, в котором энергия выделяется либо при столкновениях звёзд между собой, либо при вспышках сверхновых звёзд. Однако такая точка зрения не может быть принята хотя бы потому, что она не может объяснить квазипериодические изменения блеска квазаров.

Более естественным кажется взгляд на квазары как на одиночные массивные тела (иногда называемые «сверхзвездами»). Такие тела могут находиться в более или менее устойчивом равновесии под действием тяготения, светового давления, вращения и магнитных сил. Одним из источников излучения квазаров может быть гравитационная энергия, освобождающаяся при сжатии. Другое предположение состоит в том, что в центре квазара находится массивная «чёрная дыра», аккреция газа на которую и вызывает наблюдаемое излучение квазара.