Что является ядром галактики
Ядро Галактики
Галакти́ческий це́нтр — сравнительно небольшая область в центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства которой резко отличаются от свойств других её частей. Образно говоря, галактический центр — это космическая «лаборатория», в которой и сейчас происходят процессы звёздообразования и в которой расположено ядро, когда-то давшее начало конденсации нашей звёздной системы.
Галактический центр находится на расстоянии 10 кпк от Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звёздных величин, то есть в 10 12 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне — невооружённым глазом и при помощи оптических телескопов. Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма лучей.
Содержание
Состав галактического центра
От скопления отходят спиральные газовые рукава, простирающиеся на расстояние до 3 — 4,5 тыс. парсек. Рукава вращаются вокруг галактического центра и одновременно удаляются в стороны, с радиальной скоростью около 50 км/с. Кинетическая энергия движения составляет 10 55 эрг.
Внутри скопления обнаружен газовый диск радиусом около 700 парсек и массой около ста миллионов масс Солнца. Внутри диска находится центральная область звёздообразования.
Ближе к центру находится вращающееся и расширяющееся кольцо из молекулярного водорода, масса которого составляет около ста тысяч масс Солнца, а радиус — около 150 парсек. Скорость вращения кольца составляет 50 км/с, а скорость расширения — 140 км/с. Плоскость вращения наклонена к плоскости Галактики на 10 градусов.
По всей вероятности, радиальные движения в галактическом центре объясняются взрывом, произошедшим там около 12 млрд. лет назад.
Распределение газа в кольце — неравномерное, образующее огромные газопылевые облака. Крупнейшим облаком является комплекс Стрелец B2, находящийся на расстоянии 120 пк от центра. Диаметр комплекса составляет 30 парсек, а масса — около 3 млн. масс Солнца. Комплекс является крупнейшей областью звёздообразования в Галактике. В этих облаках обнаружены все виды молекулярных соединений, встречающихся в космосе.
Ещё ближе к центру находится центральное пылевое облако, радиусом около 15 парсек. В этом облаке периодически наблюдаются вспышки излучения, природа которых неизвестна, но которые свидетельствуют о происходящих там активных процессах.
Практически в самом центре находится компактный источник нетеплового излучения Стрелец A*, радиус которого составляет 0,0001 парсек, а яркостная температура — около 10 млн. градусов. Радиоизлучение этого источника, по-видимому, имеет синхротронную природу. Временами наблюдаются быстрые изменения потока излучения. Нигде в другом месте Галактики подобных источников излучения не обнаружено, зато подобные источники имеются в ядрах других галактик.
С точки зрения моделей эволюции галактик, их ядра являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды. По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой около 3,7 миллионов масс Солнца, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд (см. [1]). Излучение источника Стрелец А* вызвано аккрецией газа на чёрную дыру, радиус излучающей области (аккреционный диск, джеты) не более 45 а.е..
Активное галактическое ядро
Художественная интерпретация аккреционного диска сверхмассивной черной дыры, подпитывающей галактику в активном состоянии.
1970-е годы стали неким переломным моментом для астрономии. Дело в небольшом радиоисточнике, подававшем сигналы из центра Млечного Пути. Ему дали название Стрелец А. Десятилетняя слежка и теории позволили понять, что мы смотрим на сверхмассивную черную дыру (СЧД). С того самого момента ученые начали думать, что каждая крупная галактика располагает подобным объектом.
Большую часть своего существования СЧД проводят в тишине и покое, поэтому их нельзя заметить или отследить. Но как только поблизости оказывается материал, они просыпаются и взрываются излучением, создавая больше свечения, чем способна предложить галактика. Эти яркие участки именуют активными ядрами галактики, доказывающих наличие СЧД.
Описание
Что же такое активное ядро галактики? Важно начать с того, что яркие всплески не производятся сверхмассивной черной дырой. Ведь этот объект не выпускает даже крошечные частицы света. Вместо этого поток спектра высвобождается из холодного вещества (пыль и газ), окружающего черные дыры. Это аккреционные диски, являющиеся подпиткой для дыры.
Строение активного ядра галактики
В этих участках царствует мощная сила тяжести, поэтому сжимает материал диска, пока температура не достигнет отметки в миллион кельвинов. Именно этот процесс и создает электромагнитную энергию в оптическом и ультрафиолетовом диапазоне. Над аккреционным диском также появляется корона, способная рассеивать фотоны до уровня энергии, получаемой из рентгеновских лучей.
Иногда пылевые и газовые дымки скрывают большую часть излучения, но тогда их можно отследить в инфракрасном диапазоне. Так что процесс заключается в контакте холодного вещества и сверхмассивной черной дыры. В этот момент также создаются сильные магнитные струи, зажигающие материал над или под черной дырой. Они могут выстреливаться на сотни тысяч световых лет и выступают второй причиной излучения.
Разновидность
Существует две разновидности активных ядер галактик: «тихие» и «громкие». Вторые представлены радиоизлучением, созданным аккреционным диском и струями. Тихие намного проще, потому что наблюдается лишь незначительный объем излучения.
Первую категорию нашел Карл Сейферт в 1943 году. Именно поэтому их называют «сейфертовские галактики» – тихие активные галактические ядра с примечательными эмиссионными линиями. Их делят на два типа. Сейферт 1 – галактики с узкими и расширенными оптическими эмиссионными линиями. Это значит, что там присутствуют плотные газовые облака, в которых скорость газа возле ядра достигает 1000-5000 км/с.
У Сейферт 2 присутствуют исключительно узкие линии излучения, созданные газовыми облаками с низкой плотностью. Они отдалены от ядра, а скорость – 500-1000 км/с. Среди прочих подклассов тихих есть квазары и LINER (регионы с низкой ионизацией ядерных излучений). Она напоминают Сейферты 2, но линии с низкой ионизацией достаточно сильны.
Художественная интерпретация активного галактического ядра.
У громких также есть свои виды: радиогалактики, квазары и блазары. Первые – эллиптические с сильным излучением радиоволн. Наиболее яркий тип – квазары, спектры которых напоминают сейферты. Но они менее плотные по газовому соотношению, а узкие линии слабее широких в сейфертах. Блазары – радиоисточники, не отображающие эмиссионных линий в спектрах.
Обнаружение
Еще до того, как найти нечто конкретное, в галактических центрах замечались определенные особенности. Например, в аккреционном диске отмечали ядерно-оптические излучения. Как только диск перекрывался пылью или газом возле, можно было увидеть истинную картину в инфракрасном излучении.
Тогда появляются узкие и широкие линии оптического излучения, связанные с разными видами активного галактического ядра. Они формируются каждый раз, когда остывший материал приближается к черной дыре. В результате излучающий материал вращается вокруг черной дыры на высоких скоростях, приводя к диапазону допплеровских смещений освобожденных фотонов.
Струя, выпущенная из галактики М87 (в активном состоянии), достигает 5000 световых лет.
Есть также радио и рентгеновские континуумные излучения. Радио создаются из-за струи, а вот рентгеновские могут быть следствием первой или горячей короны, в которой рассеивается электромагнитное излучение. Нельзя забывать о рентгеновских линиях излучения, вырабатывающихся в период, когда лучи освещают холодный тяжелый материал, расположенный между ними и ядром.
Активное галактическое ядро Млечного Пути
Возвращаясь к Млечному Пути, оказалось, что количество материала, аккрецируемого на Стрелец А, соотносится с неактивным ядром галактики. Возможно, когда-то это было активное ядро, которое потом перешло в фазу радио-покоя. Однако, есть мнение, что через несколько миллионов (миллиардов) лет оно способно пробудиться.
В момент, когда Андромеда и Млечный Путь сольются, «чужая» сверхмассивная черная дыра объединится с нашей и создаст настоящего гигантского монстра. Возможно, это и станет причиной активации ядра.
Обнаружение активных галактических ядер было важным этапом, так как помогло рассортировать галактики по типам. Кроме того, благодаря поведению ядра астрономы научились определять размер всей галактики. Эти знания также дают подсказки насчет того, какие галактики сформировались путем слияния, а каким еще предстоит пройти сквозь этот процесс.
Ядро галактики
Ядро галактики – особая космическая территория, которая практически не подвержена земным законам физики. Или, возможно, человечеству просто-напросто не хватает знаний, чтобы описать события, которые там происходит. Это неудивительно, поскольку процессы и явления, порождающие возникновение исполинских потоков, событий, возникающих в центре этих систем, свидетельствуют об иных масштабах Вселенной, которые никому не известны.
Наша галактика именуется «Млечный путь». Её никогда не видели со стороны и скорее всего, сделать это так и не удастся. Но учёные не теряют надежды на то, что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация отправит на нашу планету её снимок, или люди сами научатся проделывать путь в сотни тысяч парсек и даже в миллионы в рамках одной жизни. Несмотря на эти шансы, с имеющимся уровнем развития технологий говорить о каких-либо колоссальных переменах в ближайшие годы не приходится.
Активная гигантская эллиптическая галактика M87. Из центра галактики вырывается релятивистская струя (джет)
Особенности устройства галактики
Если посмотреть на звёздную систему, в которой мы обитаем сверху, можно обнаружить диск плоской формы. Если быть точнее, это огромная светящаяся спираль, оснащённая перемычкой в ядерной части. Её яркость снижается на пути следования от центральной к периферийной части. Солнце на этой воображаемой схеме будет располагаться между рукавами, находящимися с краю.
Точное диаметральное сечение нашей Солнечной системы неизвестно. По предположительным отметкам оно составляет 3 000 парсек или 100 000 световых лет. Если говорить о цифре в километрах, вслух её лучше не произносить, т. к. значение получится огромным. Толщина, которой обладает звёздный диск, составляет до 1 000 световых лет. Согласно последним данным эти показатели могут быть в 10 раз больше!
Галактика имеет множество уникальных особенностей. Вся звёздная группа как бы погружена в гало. В его составе преобладают старые звезды и шаровые скопления. Они обладают формой сферы, перерастая в галактическую корону. Она сильно разряжена и включает в свой состав газ и светила редкого типа. По состоянию на 2010 год массовое значение группы составляет от 4,8*10^11 солнечных масс.
Если говорить о возрасте Млечного пути, он составляет от 13 миллиардов лет. В нём протекает процесс активного звездообразования, т. к. у него своя жизнь, где каждую секунду происходят какие-то новые события. Чаще всего обычному человеческому разуму они недоступны. И если верить статистике и практике, самые интересные и грандиозные события происходят в центральной части, т. е. в ядре.
M60
Что представляет собой галактическое ядро
Самый центр, самое сердце галактики, оно скрыто от человеческих глаз по причине мощной завесы из пыли. Поэтому получить сведения об этом объекте можно только в двух диапазонах – инфракрасном и радио. Что касается рентгеновского излучения и гамма, оно также является скрытым. Ядро галактики, по имеющимся на сегодняшний день представлениям, находится в центральной части галактической группы.
Представители учёного мира считают, что оно представляет собой внушительный экзотический объект, отличающийся высоким уровнем плотности и температуры. Внешне он напоминает огромную чёрную дыру. Современные учёные считают, что их количество равно 2. И вторая из них имеет меньшие размеры. Происходит её вращение вокруг центральной части. А наряду с этим «действует» порядка 1 000 дыр небольшого размера.
Что именно происходит с материей в этой зоне, неподготовленному человеку доподлинно неизвестно. Однако точно можно сказать одно: в тех местах всё земное теряет смысл, поскольку материя обретает экзотическое состояние, и земные законы на ней не работают. Многие специалисты свидетельствуют о том, что каждая чёрная дыра имеет свой горизонт событий. Плотность светил в этой окрестности настолько внушительна, что гипотетический наблюдатель мог бы увидеть с них небо бесконечной яркости.
Однако в сравнении с другими галактическими группами ядерную часть нашей системы можно считать относительно спокойной. Ведь есть и другие объекты, на которых наблюдается колоссальные мощности выделяемой энергии. Поэтому даже вспышки сверхновых светил по сравнению с ними выглядят не так эффектно. Источники, которые обеспечивают этот поток, в настоящее время неизвестны.
NGC 7793
Изучив ядро галактики относительно подробно, астрофизики и физики-теоретики пришли к выводу о том, что в целях обеспечения такого внушительного энергетического выделения реакций, протекающих в ядре, недостаточно. Среди всех известных человеку источников есть смысл предположить, что вещество падает в гравитационном поле. Неясность имеет и вероятная роль тёмной, кинетической энергии, выделившейся в ходе Большого взрыва.
Если говорить об энергетической эффективности, такие процессы запросто могут превосходить любые ядерные реакции на несколько порядков. Хотя не исключено, что в тех «широтах» действуют силы, о которых человечество даже и не догадывается. Поэтому у учёных нет 100% уверенности в том, что они движутся в правильном направлении. Ясно только одно: в таких галактиках могут присутствовать необыкновенные по виду и свойствам объекты, требующие особого подхода к изучению. Это нужно не только в целях понимания строения ядерных элементов, но и для разбирательства с широким спектром философских и астрофизических проблем.
О квазарах
Наряду с этим стоит принять во внимание такие тела и объекты, как квазары. Они отличаются высоким уровнем компактности и располагаются по отношению к Земле на огромных расстояниях (миллиарды парсек). В их спектральных частях происходит внушительное красное смещение, что свидетельствует о больших скоростях и удаления от нашей планеты. Их история изучения богата и длительна. Он уходит в начало 60-х годов. В то время было убеждение в том, что они находятся в пределах Млечного пути, но это не так.
Более того некоторые учёные считают, что квазары напоминают ядра галактик, возможно все галактики проходят стадию квазаров. Но, это одна из теорий, которую учёным ещё придётся проверять и проверять.
Таким образом, ядро галактики – его основная часть, где происходят особые процессы и явления, совершено пока загадочные и непонятные.
ядра галактик
Рис. 1. Кривые вращения нескольких спиральных галактик с развитым балджем.
Наиб. эффективным способом исследования внутр. областей галактик является анализ кривых вращения (см. Вращение галактик). Кривая вращения даёт информацию о распределении вещества по радиусу галактики и о характере его вращения. У нек-рых близких галактик с развитым балджем на кривой вращения найдены один или два локальных пика (рис. 1), свидетельствующих о том, что ядро и балдж являются, скорее всего, динамически выделенными подсистемами. Обычно кривая вращения указывает на твердотельный характер вращения этих подсистем (участки линейного роста скорости). Аналогичные кривые, построенные для самых внутренних областей, свидетельствуют о том, что керны вращаются твердотельно и незави-симo от прилегающих областей ядра. Не у всех близких галактик обнаружены ярко выраженные ядра и керны.
В ряде случаев ядро представляет собой естеств. продолжение балджа и динамически никак не выделено. Типичные параметры Я. г., для к-рых были построены кривые вращения: масса
10 9 
(
-масса Солнца), радиус 
200- 400 пк, макс. скорость вращения 
100-150 км/с.
Ядро ближайшей массивной спиральной галактики М31 имеет форму эллипсоида (рис. 2), большая полуось 
400 пк, масса
10 9 
. Внутри ядра найден эллипсоидальный быстровращающийся керн, к-рый выделяется на фоне ядра градиентом яркости (рис. 3). Керн похож на шаровое скопление, но на 2-3 порядка плотнее и массивнее. Масса керна
Рис. 2. Фотография ядра галактики М31.
Рис. 3. Фотометрический профиль галактики М31.
10 6 
. Исследование динамики центр. областей нек-рых ближайших галактик (напр., М31, М32, М87) также указывает на возможность существования в них компактного массивного тела.
Нормальные ядра эллиптич. галактик, так же, как и ядра спиральных галактик, часто проявляют признаки слабой активности. Так, многие из них являются слабыми источниками радиоизлучения; в М87 наблюдается выброс, аналогичный выбросам из радиогалактик и квазаров, но меньшей мощности.
Пекулярные Я. г. Часть галактик (примерно 10% от полного их числа) имеет пекулярные ядра. Следует отметить, что границы между пекулярными и нормальными Я. г. часто условны: подробное изучение ядер близких галактик показало, что они, как правило, обладают тем или иным видом пекулярности. Из разл. видов пекулярности Я. г. можно выделить следующие:
2) ядро характеризуется аномально голубым цветом. В спектре присутствуют яркие, сравнительно узкие эмиссионные линии. В этих ядрах, по-видимому, протекают процессы активного звездообразования, имеется много молодых горячих звёзд и газа. Из-за удалённости мн. галактик такого типа трудно судить о характерном размере излучающей области;
4) двойные и кратные ядра. Галактик с такими ядрами известно не очень много,
100. Нек-рые из них, возможно, являются результатом слияния галактик.
Часто отмечают и др. виды пекулярности, напр. выделяют в отд. класс галактики с выбросами из ядра.
Г а л а к т и к и с а к т и в н ы м и я д р а м и составляют неск. процентов от полного числа галактик. Наиб. многочисленным подклассом галактик с активными ядрами являются сейфертовские галактики (СГ). Однако даже ближайшие СГ находятся от нас так далеко, что исследование внутр. структуры ядра оказывается затруднительным. Исследование же внеш. областей показало, что СГ, в отличие от нормальных спиральных галактик того же морфологич. типа, имеют, как правило, более мощный балдж. Это позволяет предполагать, что в ядрах СГ имеются более массивные и компактные керны, чем в ядрах нормальных галактик. Внеш. области др. типов галактик с активными ядрами, напр. радиогалактик и квазаров, изучены хуже.
Во мн. моделях активных Я. г. предполагается, что подпитка ЧД осуществляется за счёт газа, теряемого звёздами ядра, балджа или всей галактики. Иногда предполагают, что газ стекает с соседней галактики при взаимодействии галактик. В этих моделях важной проблемой является проблема потери угл. момента стекающим газом. Дело в том, что даже в галактиках с малым угл. моментом газ (без потери момента) должен оседать в диск с радиусом, значительно превышающим радиус керна. Обсуждается механизм потери момента в результате интенсивного звездообразования в галактич. газовом диске, следствием к-рого являются усиленная турбулентность и ускоренное стекание газа к центр. областям галактики. Бароподоб-ные структуры, часто наблюдаемые в Я. г., также, возможно, способствуют переносу газа из диска в ядро.
1 % в первонач. облаке имела предельно малый момент). Скорее всего, схема образования Я. г. более сложна, и эта задача требует дальнейшего решения.
Активные ядра галактик
Активные ядра галактик — ядра галактик, наблюдаемые процессы в которых нельзя объяснить свойствами находящихся в них звезд и газово-пылевых комплексов.
Галактические ядра считают имеющими признаки активности если [1] :
Активная галактика — галактика с активным ядром. Такие галактики подразделяются на: сейфертовские, радиогалактики, лацертиды и квазары. Есть мнение, что в центре находится чёрная дыра, которая и является причиной повышенной интенсивности излучения от ядра, особенно в рентгеновском диапазоне. Из ядра таких галактик обычно вырывается релятивистская струя (джет). Отличительной чертой многих активных галактик является переменное (от нескольких дней до нескольких часов) рентгеновское излучение.
Содержание
Модели АЯГ
На данный момент доподлинно неизвестно, что является причиной необычного поведения активных ядер. Основные версии:
Аккреционный диск
В стандартной модели АЯГ аккреционный диск (АД) формирует вещество, находящееся вблизи центральной чёрной дыры (ЧД). Трение частиц заставляет материю двигаться к внутренним слоям диска, а угловой момент вращения выталкивает её наружу, что приводит к нагреву диска. Теоретически спектр аккреционного диска вокруг сверхмассивной ЧД должен иметь максимумы в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. А корона из горячего материала, приподнятого над АД может вызывать возникновение рентгеновских фотонов за счёт эффекта обратного комптоновского рассеяния. Мощное излучение АД возбуждает холодные частицы межзвёздной среды, что обуславливает эмиссионные линии в спектре. Большая часть энергии, излучаемой непосредственно АЯГ, может поглощаться и переизлучаться в ИК (и других диапазонах) окружающей АЯГ пылью и газом.
Состояние проблемы АЯГ (по В. И. Пронику)
Общепринятая модель АЯГ состоит из вращающейся массивной центральной чёрной дыры и окружающего её аккреционного газового диска, являющегося источником мощного ионизирующего излучения. Эта модель качественно объясняет наблюдаемую корреляцию потоков в непрерывном спектре и широких водородных линиях, а также существование запаздывания между ними. Таким образом, проблема АЯГ сводится к двум основным вопросам: каков механизм излучения непрерывного спектра и каким именно образом это излучение перерабатывается в излучение других спектральных диапазонов. Наблюдаемое в КрАО [2] и зарубежных обсерваториях запаздывание длинноволнового излучения континуума по отношению к коротковолновому может свидетельствовать о том, что свечение большинства АЯГ обусловлено сильным трением и разогревом газа в аккреционном диске. Но надёжного доказательства этому до сих пор нет. С другой стороны, свечение особой группы АЯГ — объектов типа BL Lacertae, может быть обусловлено, как свидетельствуют наблюдения, выполненные крымскими и финскими астрономами, исключительно синхротронным излучением релятивистского газового джета, направленного вдоль оси вращения диска по направлению к наблюдателю. Многолетний спектральный мониторинг АЯГ, проводимый некоторыми зарубежными обсерваториями, а также КрАО (с конца 1980-х годов), совместно с развитием метода реверберационного анализа позволил предположить, что излучение широких эмиссионных линий водорода возникает в газовых облаках, двигающихся по кеплеровским орбитам примерно в одной плоскости и образующих внешний диск. Но общего согласия среди специалистов по этому поводу пока нет. В последнее время в мировых исследованиях особое внимание уделяется изучению взаимосвязи между излучением АЯГ в рентгеновском и оптическом диапазонах. Такая работа проводится и в КрАО. Согласно данным крымских астрономов, источник рентгеновского излучения должен находиться в центре над диском, переизлучающим эту энергию в видимой области спектра. Результаты этих и других исследований опубликованы в книге, содержащей материалы проведённой в КрАО конференции «Переменность АЯГ от рентгена до радио» (Astronomical Society of the Pacific Conference Series, ASPCS, vol.360). Несмотря на определённый прогресс, достигнутый в изучении АЯГ, многие проблемы и задачи остаются нерешёнными, например, такие как объяснение переменности профилей широких водородных линий, природа их «двугорбости» в некоторых АЯГ, кинематика и динамика газа в области диска, повышение точности определения масс центральных чёрных дыр и т. д.