Активные галактические ядра и квазары

Общие характеристики активных ядер

Активные галактические ядра (АГЯ) представляют собой компактные области в центрах галактик, где наблюдается исключительно высокая светимость, часто значительно превосходящая суммарное излучение всех звёзд данной галактики. Основным источником энергии считается аккреция вещества на сверхмассивную чёрную дыру (СМЧД), масса которой варьируется в пределах от миллионов до десятков миллиардов масс Солнца.

В отличие от обычных галактических центров, активные ядра характеризуются:

  • непрерывным спектром излучения, охватывающим диапазон от радио до гамма-лучей;
  • значительными вариациями яркости на временах от часов до лет, что указывает на малые размеры излучающей области;
  • сильными релятивистскими джетами, простирающимися на масштабы сотен тысяч световых лет;
  • наличием широких и узких эмиссионных линий в спектрах, формируемых газом, ионизированным жёстким излучением.

Энергетика аккреции

Главный механизм, обеспечивающий колоссальную энергию активных ядер, связан с аккреционным диском вокруг СМЧД. Потенциальная энергия вещества, падающего в гравитационное поле чёрной дыры, преобразуется в излучение с высокой эффективностью. Для аккреционного диска, описываемого моделью Шакуры–Сюняева, радиационная эффективность может достигать 10–40%, в зависимости от спина чёрной дыры.

Для сравнения: термоядерные реакции в звёздах преобразуют в энергию лишь около 0,7% массы вещества. Таким образом, аккреция на чёрную дыру является наиболее эффективным известным астрофизическим процессом преобразования массы в энергию.

Структура активного ядра

Стандартная модель активного галактического ядра включает несколько ключевых компонентов:

  1. Сверхмассивная чёрная дыра — источник гравитационного поля.
  2. Аккреционный диск — тонкий диск горячего вещества, испускающий тепловое излучение в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах.
  3. Корона — область горячей плазмы над диском, ответственная за рентгеновское излучение вследствие комптоновского рассеяния фотонов диска.
  4. Область широких линий (BLR) — облака газа, движущиеся с высокими скоростями (до нескольких тысяч км/с), создающие характерные широкие эмиссионные линии.
  5. Область узких линий (NLR) — более удалённые и менее плотные облака, движущиеся с меньшими скоростями, формирующие узкие спектральные линии.
  6. Тороидальная пылевая структура — кольцевидная область из холодной пыли, поглощающей и переизлучающей энергию в инфракрасном диапазоне.
  7. Релятивистские джеты — коллимированные потоки плазмы, выбрасываемые вдоль оси вращения чёрной дыры и простирающиеся далеко за пределы галактики.

Квазары

Квазары представляют собой наиболее яркие проявления активных ядер. Их светимость может достигать 1048 эрг/с, что эквивалентно излучению триллионов Солнц. Несмотря на колоссальную удалённость (часто на красных смещениях z > 6), квазары наблюдаются с Земли как точечные источники, сравнимые по яркости с ближайшими звёздами.

Спектры квазаров содержат мощные эмиссионные линии и сильное непрерывное излучение. Изменчивость их яркости на коротких временных масштабах свидетельствует о том, что излучающая область имеет размеры не больше нескольких световых часов.

Радиогромкие и радиотихие ядра

Среди активных ядер выделяют два больших класса:

  • радиогромкие АГЯ — обладают мощными джетами, испускающими синхротронное радиоизлучение;
  • радиотихие АГЯ — излучают в основном за счёт диска и не демонстрируют мощных джетов.

Квазары могут быть как радиогромкими, так и радиотихими, однако наиболее впечатляющие структуры джетов наблюдаются именно в радиогромких системах.

Влияние на эволюцию галактик

Активные ядра оказывают решающее влияние на формирование и эволюцию галактик. Релятивистские джеты и выходящее излучение способны нагревать межгалактическую среду, препятствовать формированию новых звёзд и регулировать рост самой чёрной дыры. Этот процесс называется обратной связью АГЯ.

Современные численные модели показывают, что именно активные ядра являются ключевым фактором в установлении связи между массой СМЧД и дисперсией скоростей звёзд в балдже галактики (соотношение MBH − σ).

Космологическая роль

Квазары являются уникальными маяками ранней Вселенной. Их излучение позволяет исследовать состав межгалактической среды на больших красных смещениях, а также процессы формирования первых структур. Наблюдения самых далеких квазаров указывают, что сверхмассивные чёрные дыры массой в миллиарды солнечных масс сформировались уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Это остаётся одной из нерешённых проблем современной астрофизики.

Оглавление