КВАЗАРЫ, МИКРОКВАЗАРЫ И КОСМИЧЕСКИЕ СЛЕДОПЫТЫ

– Охочусь – сказал Пух.
– Охотишься? На кого?
– Выслеживаю кого-то! – таинственно ответил Пух.

Глава III, «В которой Пух и Пятачок отправились
на охоту и чуть-чуть не поймали Буку»

А.А. Милн «Винни-Пух и все-все-все»

   Астрономы – это следопыты космоса: им приходится устанавливать картину произошедшего в другом месте, в другое время,– по ничтожным следам – по едва различимому свету, спектру звёзд. И на этом пути достигнуты большие успехи. Как в известной были о лекции астрофизика Э.А. Милна, мы не удивляемся, что масса, размеры и другие параметры звёзд известны с высокой точностью, и удивляемся разве что тому, откуда астрономы узнают названия этих звёзд. Но некоторые загадки космоса астрономы так и не смогли разгадать. Так, до сих пор непонятна природа «квазизвёзд» – квазаров и микроквазаров, включая объект SS 433 в созвездии Орла (звезда V 1343 Орла) [1]. Есть лишь гипотезы, модели, но и они не объясняют ряд свойств квазаров. Действительно, когда одни спектральные следы свидетельствуют об одном типе объекта, а другие – о другом, тут каждый охотник за истиной призадумается и впадёт в растерянность. Выражаясь словами Винни-Пуха, астроном охотится сквозь прицел телескопа на кого-то, но на кого именно – неизвестно.

   Действительно, у квазаров быстро, с характерным временем в сутки или недели, меняется яркость, словно это – компактные объекты, размером со звезду или скопление, рой звёзд, а красное смещение светлых и тёмных линий квазаров говорит о большой удалённости и галактических размерах квазаров. Этот парадокс, как отмечалось, объясняется тем, что красное смещение галактик и квазаров вызвано не эффектом Доплера, а эффектом Ритца, по которому длина волны света от звезды, летящей по орбите с лучевым ускорением ar на расстоянии r, преобразуется в длину волны λ'=λ(1+ rar/ c2). Действительно, чем больше расстояние r до галактики, тем сильнее нарастают длины волн λ' спектральных линий и красное смещение z=(λ'- λ)/λ=H r/c, в согласии с законом Хаббла, откуда постоянную Хаббла можно оценить как H= ar/ c [2]. У звёзд в квазарах характерное ускорение ar выше, чем в галактиках, отчего для квазаров выше и параметр Хаббла H= ar/c, и красное смещение z (рис. 1). У квазаров, кроме линий поглощения (т.е. тёмных линий, углублений на спектре, типа следов лап на снегу), есть интенсивный эмиссионный спектр, т.е. выступы на спектре (типа снежных наносов) – яркие светлые линии, у которых тоже чуть разнятся красные смещения z. Это свойство трудно понять с точки зрения эффекта Доплера, но легко – с точки зрения эффекта Ритца. Так, астрофизик Т. Яаккола обнаружил ряд парадоксов красного смещения: например, одинаково удалённые спиральные и эллиптические галактики отличаются величиной красных смещений z, причём z систематически больше у спиральных галактик и меньше – у эллиптических [3, с. 130]. Это легко объяснить в баллистической теории: т.к. в эллиптических галактиках скорости вращения V заметно ниже [4, с. 60], так что параметр Хаббла H=V2/Rc и смещение z= rH/c – ниже, чем у спиральных галактик на том же расстоянии r.

   А, например, Г. Арп обнаружил систематическое различие параметра Хаббла для двух типов спиральных галактик Sb и Sc [5], что можно интерпретировать по эффекту Ритца разницей их размеров. Действительно, галактика типа Sc – это самое маленькое существо среди спиральных галактик: размер R их ядер – наименьший среди разных типов спиральных галактик [1, с. 77]. Для галактик Sc параметр Хаббла H=V2/Rc, при той же скорости V, будет наивысшим среди спиральных галактик, в согласии с наблюдениями [5]. Аналогичный результат получен для сейфертовских галактик и квазаров. Как видно на диаграмме Хаббла [1, с. 296; 6, с. 184], у сейфертовских галактик параметр Хаббла H= zc/r систематически ниже, чем у спиральных, а у квазаров – систематически выше (рис. 1). Обычно избыток красных смещений квазаров и дефицит – у сейфертовских галактик и одиночных галактик поля, по сравнению с ярчайшими галактиками того же блеска в скоплениях, объясняют дисперсией (разбросом) светимостей. Но сейфертовские галактики – это гигантские галактики с ядрами большого радиуса R [7]. И для них при том же блеске следовало б ожидать больших z. А по эффекту Ритца параметр Хаббла H=V2/, и красное смещение для них как раз должно быть ниже. У квазаров, напротив, R меньше, а H=V2/ – выше, чем у спиральных галактик.

   Также в спектре квазаров обнаружен Лайман-альфа лес – частокол близких спектральных линий, представляющих собой на деле одну и ту же линию, но размноженную на много линий, имеющих разные красные смещения. В этом лесу может заблудиться любой астроном-охотник. Предполагают, что различие красных смещений z у линий поглощения одного и того же квазара обусловлено межгалактическими облаками газа, атмосферами галактик, находящимися на разном расстоянии r от Земли, отчего по закону Хаббла z= Hr/c получаются разные красные смещения z.

   В процессе смещения непрерывного спектра по эффекту Ритца вся энергия излучения высвечивается на резонансных длинах волн λ' спектральных линий, например в линии лайман-альфа (Lα). Энергия света как бы нагребается, подобно снежным наносам, к длине волны λ0 этой линии, образуя отчётливый холм-максимум (рис. 1) [8]. Ведь эффективность поглощения и рассеяния света сильно нарастает возле резонансных длин волн λi линейчатого спектра атомов и молекул: свет звёзд, меняя длину волны по ритц-эффекту, сразу поглощается и переизлучается по достижении λ' этих λi. Показатель преломления n стремительно растёт возле значений λi. В итоге, для этих λi длины переизлучения li=λi/2π(n–1) снижены: свет эффективно поглощается и переизлучается на λi, и далее эффект Ритца не меняет длину волны λ'. Т.е. заметная доля излучения звёзд высвечивается в виде эмиссионных линий на длинах волн λi. А далее, за этой чертой возникнет резкое ослабление непрерывного спектра на синем крыле этих линий – на длинах волн λ'i – от потери энергии при высвечивании. Действительно, после переизлучения на этих длинах волн свет перестаёт преобразовываться по эффекту Ритца, и непрерывный спектр на синей стороне линии обрывается. Такое явление у квазаров реально обнаружено в виде эффекта Ганна-Петерсона: на синей границе линии Lα непрерывный спектр резко обрывается, и далее наблюдается только частокол линий лайман-альфа-леса [8, с. 390], возникших от дополнительных и несовпадающих смещений линий Lα в красную область. Этот эффект напоминает лазерный и мазерный: непрерывный спектр излучения звёзд, сдвигаемый по эффекту Ритца, играет роль накачки, а спектральная линия Lα играет роль излучательного перехода, на котором постепенно «выедается», как горшок с мёдом, энергия накачки. Поэтому за линией Lα непрерывный спектр резко снижает интенсивность и появляется густой линейчатый спектр лайман-альфа-леса. Показатель преломления газа n=1+ uN, где u – константа, N – концентрация газа, откуда длина переизлучения l=λ/2πuN. Тогда, чтобы проявился лазерный или мазерный эффект, и вся энергия непрерывного спектра высветилась на линии с длиной волны λ и шириной Δλ, пока свет проходит дистанцию от r до r+l, концентрация газа N должна достигать значения N2/2πurΔλ.

   Эффект переизлучения и приводит к сильному отличию квазаров от галактик. Судя по всему, квазары представляют собой на деле карликовые галактики или эллиптические галактики, в которых мало межзвёздного газа и пыли. Соответственно, эффект переизлучения отсутствует, и свет эффективно преобразуется из видимого в радиодиапазон (для звёзд с ar>0) и в ультрафиолетовый (для звёзд с ar<0). Отсюда обнаруженное у квазаров радиоизлучение, избыток синего цвета и ультрафиолетового излучения, за которое их прежде и принимали за редкие синие звёзды, а не за галактики. А некоторые галактики становятся вообще невидимыми (их излучение переводится в радиодиапазон, и наблюдается только слабое оптическое излучение): так получаются радиогалактики. Напротив, в спиральных и неправильных галактиках много газа, и свет эффективно переизлучается, так что индивидуальные, более высокие ускорения звёзд не играют роли, а сказывается только общее движение и ускорение звёзд, ведущее к красному смещению у галактик. С переизлучением может быть связано и группирование красных смещений квазаров возле ряда значений (например, z=1,95 [9]). Частота света снижается ритц-эффектом, пока не достигнет следующей резонансной частоты, а затем эффективно переизлучается и далее не меняется. Поскольку частоты линий в спектральных сериях жёстко связаны, смещения основных линий, например бальмеровской линии Hα, группируются возле определённых z. С переизлучением межзвёздным газом связан вид спектров квазаров и радиогалактик. По сути, это – интегральный спектр звёзд разных спектральных классов с разным отношением g=f'/f, которые за счёт разных длин переизлучения l на разных частотах могут формировать спектр любого профиля. Как правило, он представляет собой степенной спектр вида S~f-α [1]. Наложение этих спектров напоминает путаницу налагающихся следов, обнаруженную «следопытами» из «Винни-Пуха», которые, совсем как звёзды, накручивали «орбиты» вокруг рощи.

   Ещё загадочней свойства микроквазаров. Это объекты, у которых тоже наблюдаются быстрые колебания блеска, интенсивный эмиссионный спектр, протяжённые хвосты-джеты, которые то пропадают, то снова находятся [7], и другие аномалии, сопутствующие высокой активности объектов. Именно высокая активность, т.е. интенсивные и быстрые колебания блеска во всех диапазонах, включая радиодиапазон, и объединяет их с квазарами. Однако по размерам микроквазары много меньше – это внутригалактические объекты, а квазары – это внешние, межгалактические объекты, и по размерам они сравнимы с галактиками. В частности, у микроквазаров в спектре обнаружены эмиссионные спектральные линии, с сильно разнящимися смещениями, причём движущиеся. Например, в спектре микроквазара SS 433 обнаружены три эмиссионные линии, одна из которых стоит неподвижно, а две другие периодично «гуляют» в противофазе по гармоническому закону с периодом 165,5 суток. Такое впечатление, словно есть три звезды: две из них движутся по круговой орбите, а одна стоит на месте.

   Правда, как показывают эти спектральные следы (длина волны линий меняется на 1/6 своей величины), причина регулярных смещений линий скорее не в эффекте Доплера, а в эффекте Ритца, поскольку для таких доплеровских смещений требуются скорости звёзд Vr порядка 1/6 скорости света c, а по эффекту Ритца скорости могут быть ~100 км/с, если смещение линий вызвано умеренным орбитальным ускорением ar~0,01 м/с2, ведущим к такому же сдвигу спектра, как скорость Vr*= rar/ c~c/6 [10]. Кроме того, ускорение свободного падения на поверхности этих звёзд ведёт к дополнительному красному смещению линий, разному для всех трёх звёзд. Прежде полагали, что в системе пара звёзд движется по одной орбите вокруг третьей звезды [11], но такая система неустойчива. По другой гипотезе SS 433 это – двойная звезда с орбитальным периодом 165 суток, которая летит по долгопериодной орбите. При этом у микроквазара меняется и блеск с периодом около P1=13 сут [1], и с тем же периодом колеблются спектральные линии, так что мелкая рябь колебаний наложена на длинные волны с периодом P2=165 суток (рис. 2). Вероятная причина этих колебаний – наличие у звезды A спутника С, у которого орбитальный период P1=13 сут меняет по эффекту Ритца блеск и смещение линий. Почему же это колебание есть у обеих линий?

   Возможно, как в примере с Винни-Пухом, оставлявшим на каждом круге новые цепочки следов, в действительности по орбите движутся не две звезды, а одна. Если её среднее ускорение медленно меняется, так что результирующее ускорение ar= kt-b+ asin(ω t), тогда в момент пересечения ускорением ar уровня - a0=- c2/ r, во-первых, возникнет яркая вспышка [12]. Во-вторых, появятся два дополнительных изображения звезды, у которых лучевое ускорение может меняться в противофазе: происходит отражение нижней ветви кривой лучевых ускорений ar( t ') относительно момента вспышки, а на кривой z(t ') – ещё и относительно уровня z=-1 (рис. 2). Действительно, по эффекту Ритца λ '= λ|1+ rar/ c2|, а красное смещение z=|1+ rar/ c2|-1. Уравнение z( t ') нижней ветви легко найти в параметрической форме z=-1-( kt- b+a sin(ωt)) r/ c2, а уравнение верхней ветви z=-1+( kt-b+ asin(ω t)) r/c2, а t '= t+( kt2/2- bt- a cos(ω t)/ ω) r/c2. Так возникают две колеблющихся в противофазе линии звезды, причём на обеих проявятся и 13-дневные колебания. Эта гипотеза легко объясняет, почему одинаковы амплитуды колебаний спектральных линий и почему средние положения двух линий не совпадают. Кроме того, как показывают наблюдения, в согласии с графиком (рис. 2), средние уровни ветвей ar(t ') постепенно чуть расходятся, т.к. система движется по долгопериодной орбите, меняя ускорение a3 r. При этом, как у пульсаров, период колебаний должен меняться [12]. И точно, если прежде колебания происходили с периодом 164 сут [1], теперь они происходят c> периодом 165,5 сут. Истинный период P постоянен, но воспринимаемый период P '= P(1+ ra3r/ c2) меняется по эффекту Ритца за счёт вариаций векового ускорения a3r, с которым движется вся система.

   После вспышки период 165-дневных и 13-дневных колебаний, как положено [12], нарастает, а затем начнёт убывать, когда a3 r в ходе векового орбитального движения снова станет снижаться [13]. Сравнительно недавнюю вспышку сверхновой у объекта SS 433 подтверждает и туманность-плерион W50 вокруг него (световое эхо вспышки – результат засветки облаков газа на критических r [10]), а также высокая активность объекта. Сама веретеновидная форма туманности W50 обусловлена асимметрией звёздного ветра от звезды SS 433 (которая к тому же вращается и прецессирует [1]), формирующего газовую туманность c множеством газовых волокон, а частично – размытием изображения звёздной системы при общем и индивидуальном движении звёзд [11]. Ну а третья спектральная линия соответствует, видимо, центральной звезде A, которая почти не движется (рис. 2), а потому не смещаются линии. Или линия соответствует третьему изображению звезды (ведь при движении системы по орбите, при перекосе графика лучевых скоростей, временное сечение даёт три точки пересечения [13]). Не случайно на всех трёх ветвях отмечаются 13-суточные колебания (рис. 2). Однако, вопреки рис. 2, у обеих линий среднее смещение z красное ( z>0), а не синее ( z<0): причина в ускорении свободного падения, с которым излучающие атомы падают в поле тяготения звезды. Если б это ускорение по эффекту Ритца дополнительно не смещало ветви высоко вверх, две подвижные линии нипочём не получили бы красное смещение z>0 (рис. 2). Причём гравитационные красные смещения могут быть разными для всех трёх линий, поскольку три линии соответствуют разным моментам времени, которым отвечают немного отличающиеся концентрации газа, и соответственно длины переизлучения l. А потому и красные смещения по эффекту Ритца zg= agl/ c2 будут немного различаться, в разной степени смещая три компоненты. Впрочем, линии могут приобретать разные добавочные красные смещения и от разных вековых орбитальных ускорений a3 r.

   Итак, момент старта (вспышки) служит сигналом для начала сразу двух колебаний, как в примере дуэли Н. Бора и коллег [14, с. 208] по мотивам вестернов [12], где проводилась идентификация момента выстрела у двух стрелков. Причём один всегда чуть запаздывал относительно другого. Вот и у объекта SS 433 колебания могут быть не идеально синхронными, ведь если вспышка происходит не точно в момент, когда ω t= π/2+ π n, тогда максимум одной ветви графика ar( t) будет немного отставать от минимума другой ветви графика. Так и 13-дневные колебания будут не синхронны. Эта несинхронность обнаруживается по колебаниям блеска: если бы 13-дневные колебания происходили на нижней и верхней ветви графика точно в противофазе, тогда колебания блеска были бы гармоническими, и на периоде в 13 суток был бы один максимум. А на деле колебания чуть смещены по фазе, из-за чего получается сложная кривая блеска с двумя максимумами на периоде в 13 сут [1] – от наложения двух цепочек впадин – двух кривых блеска.

   Отметим, что небольшие 13-суточные колебания наблюдаются также у третьей стационарной линии. Это может означать, что третья линия соответствует всё же центральной звезде A. Массивный спутник B с орбитальным периодом 13 суток периодично меняет по эффекту Доплера и Ритца смещение линий звезды A. Почему же 165-суточное движение звезды C не смещает линии? Видимо, её масса много меньше массы звезды A, поэтому звезда и соответствующие линии почти не смещаются в ходе орбитального движения. А спутник B с орбитальным периодом 13 суток, видимо, обладает достаточно большой массой и заметно смещает линии звезды A, а кроме того своим тяготением регулярно возмущает орбиту и смещает линии спутника С. Интересно отметить, что амплитуда колебаний смещений, лучевой скорости различна в линиях разных элементов, например в линиях таких газов как водород и гелий, применяемых для наполнения воздушных шаров. Амплитуда колебаний линий водорода составляет 70 км/с, а гелия – 195 км/с [1]. Этот эффект, как для всех двойных звёзд, связан с различной длиной переизлучения l в разных линиях из-за различия показателя преломления n в районе разных резонансных линий.

   Кроме того, меняется ширина и профиль линий [1]. Подвижные линии SS 433 многокомпонентные, а стационарная линия попеременно бывает однокомпонентной, но регулярно меняет ширину и профиль. В моменты наибольшего расхождения линий стационарная линия однокомпонентная, а при сближении линий становится многокомпонентной, и ширина линии вырастает в три раза (рис. 3). Это можно объяснить наличием у звёзд спутников, планет, которые создают ещё более мелкие колебания на графике лучевых скоростей. При перекосе этого графика видны сразу несколько изображений звезды (привидений, как их назвал П. Бергманн) с несколько разными смещениями, из-за чего вместо одной линии видно несколько близких (рис. 3). У звезды A малые колебания под влиянием планет и звезды-спутника B ведут к вариации скорости света и перекосу графика лучевых скоростей. Тогда каждому моменту времени соответствует три изображения звезды с немного разнящимися красными смещениями, из-за чего профиль линии становится трёхкомпонентным от появления линий-привидений, которые наблюдательные охотники-астрономы и отлавливают (рис. 3). Когда же спутник C проходит перед звездой A, длина переизлучения l снижается, и перекос графика лучевых скоростей исчезает. При этом видна только одна узкая линия. По этой же причине наблюдаются спорадические вспышки [1], когда временное сечение пересекает края петель графика лучевых скоростей Vr( t) – этих ловушек света, в которых свет концентрируется во времени. Действительно, как раз в моменты, когда спектральные линии сильнее всего расходятся, и профиль стационарной линии становится однокомпонентным, наблюдается падение яркости системы [1], видимо, от затмения звезды A спутником C (рис. 3). Кроме того, падение яркости возможно и от эффекта переизлучения в атмосфере – яркость растёт по эффекту Ритца, а при переизлучении рост яркости исчезает и на кривой блеска образуется провал.

   У таких вспыхивающих звёзд, к которым относят сверхновые и гиперновые, длительно выполняется условие ar≈-a0 за счёт медленно меняющегося ускорения от долгопериодного движения по широкой орбите с ускорением a3r≈-a0 (рис. 3). Тогда результирующее ускорение от двух орбитальных движений ar=a3r+a1r≈-a0+a1cosωt (условно считаем для некоторой системы a2r≈0) колеблется с амплитудой a1 от обращения спутника по орбите с угловой скоростью ω (рис. 4). В таком случае, интегрируя формулу эффекта Ритца dt ' = dt (1+ rar / c 2 ), найдём, что регистрируемый момент времени t'ra1sin(ωt)/ωc2. Отсюда найдём профиль колебаний яркости I'(t') и лучевого ускорения ar ( t ' )

  и  

   Здесь k – это очень большое целое число, показывающее, сколько периодов колебаний ускорения ar( t ) умещается на уровне ar=-a0, т.к. ускорение a3r с течением времени должно медленно меняться, и в некоторый момент времени условие a3r≈-a0 перестанет выполняться. При идеальном равенстве a3r=-a0 в предыдущих выражениях получались бы знаки строгого равенства, а k стремилось бы к бесконечности, и яркость вспышки тоже бесконечно б нарастала: I' →∞, причём не только на краях, но и в течение всей вспышки длительности 2 ra 1 / ωc 2 .

   Итак, неограниченное во времени t движение звезды по круговой орбите с ускорением a 1 может наблюдаться скомпрессированным в ограниченный отрезок времени - ra 1 / ωc 2 t ' ra 1 / ωc 2 . И непрерывно излучающая звезда постоянной светимости приобретёт вид короткой и очень яркой двойной вспышки сверхновой SN II с длительностью 2 ra 1 / ωc 2 и с профилем яркости I' ( t' ), где не только на пиках, но и в течение всей вспышки I' →∞, если k →∞. В этом основное отличие вспышек сверхновых от менее ярких вспышек новых. Исходя из этого, можно примерно оценить и длительность, и энергию вспышки. При типичном расстоянии r ~1017 м, ускорении a 1 ~10-3 м/с2 и угловой орбитальной скорости ω ~10-7 с-1 (при орбитальном периоде в один год), найдём, что характерная длительность вспышки 2 ra 1 / ωc 2 ~104 с, т.е. порядка нескольких часов, или суток, если параметры немного отличаются от принятых. Действительно, у ряда сверхновых, кроме главного максимума, есть и небольшой дополнительный максимум, либо чуть раньше, либо чуть позже основного на часы или сутки. Этот максимум как раз и может быть результатом второй вспышки (рис. 4).

   Другая загадка SS 433 – это кнутовидные джеты, выходящие с двух сторон от звезды и крутящиеся с тем же периодом, с которым колеблются линии. Полагают, что джеты представляют собой струи газа, которые испускает звезда, ось которой прецессирует, поворачивается с периодом 165 дней. Но если в действительности есть две звезды с орбитальным периодом 165 дней, скорее кнутовидные структуры – это результат размытия или размножения изображений движущихся звёзд, поскольку разные участки звезды из разных положений на орбите испускают свет с разной скоростью, и из ряда точек траектории свет звезды достигает Земли одновременно. Тогда изображения звезды усеивают всю траекторию, как следы невиданных зверушек. Легко рассчитать уравнение такой траектории. Регулярное размножение и исчезновение лишних изображений, напоминающее сдвойку следов у зверей, а также исчезновение изображений и попятное их движение, напоминающее внезапно обрывающиеся и возвращающиеся тем же путём следы, объясняет, почему орбитальные следы звезды образуют прерывистую, пунктирную траекторию.

   Такое размножение изображений обнаружено также у простых квазаров [13]. Часто это объясняют гравитационными линзами: якобы свет квазаров отклоняется полем тяготения галактик, и в итоге возникают кратные изображения. В рамках баллистической теории прежде кратные изображения объясняли неоднозначностью графика лучевых скоростей Vr( t) от перекоса [2, 11]. Но может быть и другое объяснение – засвечивание межзвёздных облаков газа светом звезды [10]. Если пелена облаков непрерывная, тогда засвеченные области облаков имеют вид колец. А если в облаках есть просветы, тогда будут наблюдаться только отдельные засвеченные области, в тех местах, которые соответствуют условию as=- c2/ r. В таком случае число дополнительных изображений может быть каким угодно. А вариации яркости таких изображений за счёт колебаний яркости объекта будут наблюдаться у разных изображений с разными запаздываниями, т.к. проекции скорости звезды на разные направления разнятся [10]. При этом обычно изображений получается по четыре, поскольку облака обычно представляют собой тонкие плоскости, поверхности, каждая из которых даёт по два пересечения с эллипсом засветки. Так что обычно получается четыре засвеченных изображения (от двух облаков), расположенные в форме креста. Это связано с расположением рассеивающих облаков и с условиями рассеяния: в одних направлениях свет рассеивается лучше, а в других – хуже. По крестовому изображению, как по созвездию Южного креста, космические следопыты могут ориентироваться в космическом тумане – узнавать, как расположена орбита квазара, где туман (газовая туманность) гуще, как далеко до квазара от засвеченных областей и т.д.

   Часто изображения квазаров имеют вытянутую структуру с «ушами» (двумя боковыми изображениями), что тоже связано с разницей скоростей света от разных участков квазара и с общим движением квазара [10]. При этом, за счёт размытия изображений и рассеяния света на облаках газа, излучение оказывается поляризованным, причём картина поляризации оказывается сложной, словно запутанная цепочка следов. Действительно, направления поляризации, изображаемые отрезками, образуют сложные вихревые и вытянутые структуры. Поскольку направления поляризации соответствуют направлению движения звёзд, очевидно, эти траектории соответствуют траекториям движения звёзд в квазаре и самого квазара.

   Интересно отметить и быструю переменность блеска квазаров. Поскольку размеры квазаров сравнимы с размерами галактик, трудно представить, чтобы все звёзды стали б синхронно менять свой блеск, меняя яркость всей галактики-квазара. Но если квазар – это эллиптическая галактика, не завуалированная газом и пылью, тогда в нём может так проявиться эффект Ритца, преобразующий яркость звёзд, что при сложении света многих звёзд приведёт к значительным колебаниям яркости квазара-галактики [10]. Другая возможная причина колебаний яркости квазаров – это набегающие на них облака газа и пыли, как тучки закрывающие солнце. При этом колебания яркости могут быть связаны с поглощением в этих «тучках», попеременно находящих на квазар, и с преломлением лучей света и радиолучей в набегающих облаках газа (как в случае мерцания звёзд от волнения атмосферы Земли [1]). Облака могут приводить и к вариациям яркости по эффекту Ритца I'= I/(1+rar/ c2), от изменения длины поглощения в облаках, из-за чего яркость квазара меняется в меньшей степени не на всём пути r, а на расстоянии L ближайшего облака, из-за чего квазар-галактика быстро мерцает, меняет яркость I'= I/(1+Lar/ c2), и впрямь как звезда, меняя радиоблеск и цвет.

   Некоторые квазары так и называют: «квазаги» (квазигалактики) – невиданные зверушки, сочетающие в себе свойства квазаров и обычных галактик, подобно слонопотамам. Разница между квазагами и квазарами (в узком смысле) состоит в том, что первые испускают интенсивное радиоизлучение, а вторые – сравнительно радиотихие. Тем не менее, и те и другие регистрируются радиотелескопами – локаторы которых, как уши охотничьих собак, чутко улавливают малейшие радиосигналы. Причина различия между этими типами объектов состоит в том, что в одних галактиках сравнительно мало газа и пыли, а в других – много. Поэтому в первом случае частота света преобразуется по эффекту Ритца на всём пути, а во втором – на заметно сниженной длине переизлучения l. Соответственно, свет одних галактик за счёт ускорения свободного падения на поверхности звёзд переводится в радиодиапазон, а у других галактик и звёзд – нет. Поэтому одни квазары оказываются радиоизлучающими, а другие – радиотихими. Сами же квазары оказываются такими же вымышленными объектами, как пресловутая «глокая куздра»: в действительности это – просто галактики, принимающие вид квазаров из-за эффекта Ритца.

   Ещё одно интересное свойство квазаров – различие красных смещений у линий в разных диапазонах. Например, по оптическим спектральным линиям у квазаров получается одно красное смещение, а по радиолиниям – другое. Кроме того, даже для линий оптического диапазона, соответствующих разным элементам, получаются немного разнящиеся красные смещения. Это связано с различной длиной переизлучения в разных газах. Поскольку для разных диапазонов длин волн λ толщина переизлучающего слоя l=λ/2π(n–1) различна, переизлучение прекращается на разных расстояниях от центра, и далее частота преобразуется по закону f '= f/(1+rar/ c2), где определяющим оказывается лучевое ускорение ar на этой поверхности. Небольшое различие значений R и, соответственно, ar для радио- и оптического диапазона ведёт к разнице измеренных в этих диапазонах красных смещений z, в согласии с наблюдениями [9]. В меньшей степени эффект проявится для разных линий оптического спектра и спектральных линий разных элементов, поскольку для линий каждого элемента толщина l=λ/2π(n–1) зависит от показателя преломления n соответствующего газа, нарастающего возле резонансных частот (частот спектральных линий газа), а n зависит от порядкового номера и группы элемента. Отсюда понятна обнаруженная в [15] разница z для одной и той же галактики в линиях щелочных и щелочноземельных элементов, а также зависимость z от ионизационного потенциала элемента. Несовпадение красных смещений для разных спектральных линий разных элементов обнаружено также у квазаров [9, 16], ввиду разного химического состава атмосфер звёзд в разных участках квазара, которым соответствуют разные ar, и ввиду различия длин переизлучения l для разных линий. В этом же, согласно баллистической теории, состоит причина, по которой у квазаров смещения z эмиссионных линий систематически превосходят значения z линий поглощения и молекулярных линий в радиодиапазоне [9, 16].

   Экзотичность квазаров проявляется ещё и в том, что у них обнаружен эффект избегания: квазары, как дикие животные, словно избегают находиться близко к нашей Галактике и обнаруживаются в телескопы только на очень больших расстояниях от Земли, соответствующих очень большим красным смещениям z~0,1-1 и выше (рис. 1). Отметим, что изменение концентрации квазаров в зависимости от расстояния до Земли [17] объясняют эволюцией квазаров. А в рамках БТР причина – в увеличении длины волны λ'=λ(1+rar/ c2) по эффекту Ритца при увеличении расстояния r [13]: чем больше расстояние r> до галактики, тем сильнее излучение звёзд галактики (от ускорения ar на поверхности звёзд) смещается по эффекту Ритца в радиодиапазон от λ~1 мкм до λ'~1 см и выше. В итоге, галактика начинает восприниматься как квазар или радиогалактика [13]. В этом смысле может оказаться, что и теория строения, эволюции звёзд, разработанная А. Эддингтоном и Э. Милном, неточна, т.к. предполагает, что мы видим звёзды в их истинном обличьи, хотя в действительности их истинный вид замаскирован рядом эффектов, в том числе поглощением света и эффектом Ритца, который растёт с удалением звезды от Земли. Поэтому эволюционные треки – следы-тропинки звёзд, отражающие на диаграмме Герцшпрунга-Рессела ход развития звёзд, могут быть в корне ошибочны [18].

   Теперь несколько слов о методах «охоты» на квазары. Квазары ищут и исследуют, в первую очередь, с помощью радиотелескопов-интерферометров, представляющих собой цепочки или даже поля из радиотелескопов, синхронно управляемых с командного центра. Эти радиотелескопы поворачиваются, словно уши, причём радиосигнал от квазара с некоторого направления θ регистрируется разными радиотелескопами с разной задержкой Δ t (рис. 5). По регистрируемому с нескольких радиотелескопов суммарному сигналу, дающему точку на интерференционной картине, можно с учётом задержки Δt точно измерить угол θ и построить радиокарту квазара – зависимость интенсивности сигнала от угла I(θ), точнее от двух углов I(δ, α) – склонения δ и прямого восхождения α. Примерно так и люди, животные определяют направление на источник звука, особенно во время охоты [19]. Для этого принимаемые сигналы должны примерно совпадать, если не считать шумов и смещения по времени Δ t. Но если учесть эффект Ритца и прохождение одним сигналом большего пути на длину b, эти сигналы могут заметно различаться, и тем сильнее, чем больше расстояние L между радиотелескопами. Действительно, у одного из сигналов время от ускоренно движущегося источника преобразуется как dt1'= dt(1+rar/ c2), а у второго – как dt2'=dt(1+rar/c2+L sinθar/c2). Соответственно, будет разниться и временной масштаб двух сигналов, т.е. надо вносить поправку на масштаб времени. Таким образом, при суммировании двух сигналов интерференционная картина будет меняться, что интерпретируют как смещение, дрейф квазара. Вообще говоря, из-за различия длин волн λ1' и λ2', преобразованных по эффекту Ритца, правильной и стабильной интерференционной картины не получилось бы. Но поскольку радиотелескопы регистрируют не фиксированную длину волны λ, а некоторый диапазон длин волн Δλ, это различие почти никак не скажется.

   Кроме того, поскольку из каждой точки неба приходит сигнал от нескольких источников с разными ar, суммарный сигнал может меняться до неузнаваемости при переходе от одного радиотелескопа к другому. Впрочем, такая разница будет заметна только при очень больших базах L (для РСДБ-, VLBI-интерферометров). Казалось бы атмосфера, которая переизлучает радиоволны, должна нейтрализовать эффект Ритца и исключить разницу dt1 ' и dt2 ' (а также λ1 ' и λ2 '), но поскольку часть пути радиоволны проходят до радиотелескопов в вакууме, ещё до пересечения ионосферы и атмосферы, на этом пути набирается разница хода, которую надо учитывать. Кроме того, в недалёком будущем планируется построить космические радиоинтерферометры, например радиоинтерферометр Н.С. Кардашева [20] и лунный интерферометр, у которого один из радиотелескопов расположен на поверхности Луны, а другие – на поверхности Земли, что позволит построить точную трёхмерную карту Галактики. В таких радиотелескопах эффект Ритца надо будет обязательно учитывать и вносить соответствующие баллистические поправки. Эти искажения, помехи аналогичны слоям грязи, воды на оптических приборах, которые во время непогоды портят картинку и мешают правильно установить очертания квазаров, приводя даже к тому, что их начинают путать с другими космическими объектами (галактиками и туманностями) или вообще перестают регистрировать на фоне шума.

   Кроме того, поскольку регистрируемые масштабы времени dt'/ dt на разных радиотелескопах несколько разнятся, тогда при фиксированном угле θ задержка сигнала на одном радиотелескопе относительно другого будет расти или уменьшаться с течением времени. Такой эффект будет интерпретирован как изменение угла θ и дрейф изображения – т.е. будет казаться, что изображение немного смещается с течением времени. Кроме того, поскольку задержка Δ t ' t0+ tLsinθ ar/ c2 будет расти с течением времени, причём под разными углами θ по-разному. Соответственно, будет казаться, что размер изображения пропорционально меняется, растёт. Подобный иллюзорный рост изображения обнаружен, например, у Крабовидной туманности, но в оптическом диапазоне [11, 12]. Если же подобный рост обнаружится и в радиодиапазоне, скорость расширения может оказаться совсем другой, поскольку механизм иллюзорного расширения разный.

   Радиотелескопы позволяют определить также поляризацию радиоизлучения квазаров. С точки зрения баллистической теории, когда квазар движется, он оставляет за счёт разного запаздывания света от разных участков звезды или звёзд размытые как на кино- и фотоплёнке изображения [11, 21], наподобие размытых изображений в рое пчёл. Соответственно, свет оказывается поляризован либо вдоль, либо поперёк этих следов, что связано со спецификой искажённого этим движением наблюдаемого вращения электронов. Этим способом можно установить индивидуальные движения звёзд в квазарах и определить, какой тип электронов их генерирует. В частности, в квазарах обнаружена вихревая структура направлений поляризации. Таким образом, штришки, которыми радиоастрономы отмечают на радиокартах направления и величины поляризаций излучения, служат чёткими следами, по которым космические следопыты могут легко установить картину происходящего в квазарах. В частности, у взаимодействующих квазаров, создающих приливные воздействия, можно по направлению и величине поляризации установить, где находится гипотетический источник тяготения: например, на пересечении продолжений поляризационных следов или перпендикуляров к ним, легко обнаруживая даже невидимые объекты тяготения.

   Стоит отметить, что в планетариях часто устройство космоса иллюстрируют как раз с помощью кинофильмов типа «Звёздные приключения Винни-Пуха», у которого всегда был свой особый философский взгляд на вещи в ключе известной КВН-песни: «Медведь с поросёнком по лесу идут, о жизни и смерти беседу ведут…». Действительно, даже астрономия и астрофизика – это науки весьма субъективные, а интерпретация, представление явления существенно зависит от самих наблюдателей. В особенности это касается эффекта Ритца, согласно которому, как верно сказано в «Звёздных войнах», всё очень сильно зависит от точки зрения.

С. Семиков

Посвящается отцу

Источники

1. Физика космоса. М.: Советская Энциклопедия, 1986.

2. Семиков С.А. Ключ к загадкам космоса // Инженер. 2006. №3. С. 8-11.

3. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.

4. Ходж П. Галактики. М.: Наука, 1992.

5. Arp H. // Astroph. & Space Science. 1990. V. 2. P. 183–219.

6. Ефремов Ю.Н. В глубины Вселенной. М.: Наука, 1984.

7. Бронштэн В.А. Гипотезы о звёздах и Вселенной. М.: Наука, 1974.

8. Галактики. под ред. В.Г. Сурдина. М.: Физматлит, 2013.

9. Мельников О.А., Попов В.С. // в сб.: Некоторые вопросы физики космоса, сборник 2. М.: ВАГО АН СССР, 1974. С. 9.

10. Семиков С.А. Магнитные звёзды – компас звездолёта // Инженер. 2017. №6-7.

11. Семиков С.А. Космические узоры и картины // Инженер. 2012. №8-9.

12. Семиков С.А. Пульсары, барстеры и другие космические стрелки // Инженер. 2014. №3-4.

13. Семиков С.А. Космические метаморфозы времени // Инженер. 2016. №8-9.

14. Физики продолжают шутить. М.: Мир, 1968.

15. Полякова Г.Д., Попов В.С. // Астрономич. циркуляр. №1549. 1991. С. 7–8.

16. Даукурт Г. Что такое квазары? Киев: Радянська школа, 1985. 130 с.

17. Hartwick F.D.A., Schade D. // Ann. Rev. Astron. and Astroph. 1990. V. 28. P. 437.

18. Семиков С.А. Последняя загадка Сфинкса, или почему светят звёзды // Инженер. 2013. №2-4.

19. Семиков С.А. Эхолокация от пауков до зверей // Инженер. 2014. №8.

20. Брагинский В.Б., Полнарёв А.Г. Удивительная гравитация. М.: Наука, 1985.

21. Семиков С.А. О вращениях небесных сфер // Инженер. 2006. №9.

Дата установки: 29.07.2017
[вернуться к содержанию сайта]

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru