Теория квазаров

Понимание природы квазаров связано прежде всего с выяснением источника энергии огромной мощности. Астрономы надеются, что этот же или аналогичный источник обеспечи вает полный запас энергии в мощных радиогалактиках типа Лебедя А (10 б ° эрг) и он же вызывает взрывы ядер не

§ 2. Теория квазаров 381

которых галактик, на что особенно указывает В. А. Амбарцумян (1964).

В гл. 10 и 11 показано, что квазар не может быть сверх массивной звездой без макроскопических движений вещества с ядерным источником энергии, как это первоначально предпо лагали Хойл и Фаулер (1963). Это предположение породило термин «сверхзвезда» — одно из многочисленных непрививших ся названий квазаров. Не оправдались пока и другие попытки использования ядерной энергетики (см. об этом в примечаниях Озерного к обзору Гринстейна). Выше уже отмечалось, что максимальный возможный выход ядерной энергии ~8 * 10 -3 m с 2 , в то время как выход гравитационной энергии в принципе мо жет быть ~ m с 2 . В 1961 г. В. Л. Гинзбург предложил в каче стве источника энергии радиогалактик гравитационное сжатие газа. См. также И. С. Шкловский (1962). Необходимо только найти подходящий механизм для перевода кинетической энергии сжимающейся массы в другие виды энергии. Ранее были рассмот рены некоторые подобные механизмы. В случае сферического или почти сферического сжатия, как мы видели, благодаря эф фекту самозамыкания выход энергии не может быть существен ным. Механизм гравитационного излучения (Фаулер (1964), Шкловский, Кардашов (1964), Зельдович, Новиков (1964Ь)) также не может быть достаточным ввиду того, что гравитацион ные волны практически не взаимодействуют с веществом. По этому волны тяготения могут рассматриваться только как канал оттока энергии от системы. Возможно выделение достаточной энергии при аккреции вещества. Но, вероятно, существенную роль в явлении квазара играют вращение, турбулентность, стабилизирующие объект, и магнитные и магнитогидродина мические процессы. Мы рассмотрим соответствующие гипотезы ниже.

Возможна еще следующая точка зрения: квазары — это ком пактные галактики в процессе возникновения (см., например, работу Филда (1964)) или, наоборот, компактные галактики в процессе умирания — коллапса. О новейшей гипотезе такого рода см. Дополнение VI . О возникновении квазаров и, в част ности, о возможности их возникновения из звездных систем см. § 6 гл. 19; модельная задача эволюции звездной системы рассмотрена в последнем параграфе гл. 11.

До открытия первичного космического излучения, доказы вающего горячую космологическую модель (раздел 4), И. Д.Но виковым (1964Ь) и Нееманом (1965) была предложена для объяснения квазаров, а также, предположительно, взрывов в ядрах галактик, модель задержавшихся в космологическом расширении ядер. Однако, как показано в работе Я. Б. Зельдо

382 Гл. IS . Квазары

вича и И. Д. Новикова (1966Ь) в горячей модели такая гипотеза, по-видимому, невозможна (см. § 2 гл. 20).

Наконец, упомянем еще попытку Хойла и Дж. Бербиджа (1966) избежать многочисленных трудностей в объяснении при роды квазаров. Они предположили, что эти объекты находятся в непосредственной близости от нашей Галактики, очень малы, слабо светят и разлетаются с субсветовыми скоростями, будучи выброшены каким-то взрывом из ядра (или ядер) одной (или нескольких) активных галактик (локальная гипотеза). Как было остроумно замечено на Бюраканском симпозиуме в 1966 г., с этой точки зрения мощные радиогалактики и сейфертовские га лактики также должны иметь локальную природу, так как в них мы сталкиваемся с теми же трудностями. Критику локальной теории можно найти в работе Сетти и Волтьера (1966).

Излучение радиоволн квазарами является наиболее убеди тельным доказательством наличия магнитных полей и электро нов высокой энергии, движущихся в этих полях. Своеобразная форма светящихся струй, выброшенных из ядра, также свиде тельствует о важной роли магнитного поля.

Большой цикл исследований равновесия и эволюции мас сивных звезд без учета магнитного поля и макроскопических движений, в сущности, привел к негативным результатам. По дытожим изложенные выше результаты: сферически-симметрич ная массивная звезда без вращения и турбулентности теряет устойчивость при весьма малой плотности и скромной темпера туре в момент, когда гравитационный потенциал еще мал и ядерная энергия не успела выделиться. За потерей устойчиво сти следует коллапс, при котором гравитационная энергия вы деляется, превращаясь в тепловую и кинетическую энергию ве щества, но все эти формы энергии не проявляются наружу и оказываются погребенными в гравитационном поле звезды после ее самозамыкания. Учет вращения меняет эти выводы и позволяет объяснить выделение наблюдаемой энергии.

Рассмотрение задач с асимметричным движением приводит к выводу, что в подобных процессах может иметь место выде ление достаточных количеств энергии в виде теплового излу чения и кинетической энергии струй. Однако для построения истинной картины надо учесть магнито гидродинамические эф фекты, ибо нельзя игнорировать прямые данные наблюдений о магнитных полях. Поэтому мы начнем с анализа возможной роли магнитного поля.

В работе В. Л Гинзбурга и Л. М. Озерного (1964) рассма тривалось магнитное поле коллапсирующей звезды; поле уси ливается в ходе сжатия в соответствии с условием вморожеи ности («приклеенности», как иногда выражаются) силовых линий. При этом соотношение между магнитной и гравитационной энергией на релятивистской стадии не изменяется:

Авторы упомянутой работы подчеркивают, что магнитная энергия составляет малую часть полной энергии звезды и не влияет на динамику сжатия основной массы газа. Учет эффек тов ОТО приводит к тому (см. § 6, гл. 12), что гравитационное самозамыкание сопровождается втягиванием магнитного поля звезды, прижимающегося к поверхности Шварцшильда. Внеш нее магнитное поле при этом исчезает. В плазме, окружаю щей звезду, могут возникать сложные магнитогидродинамиче ские явления.

В работе Н. С. Кардашова (1964) рассматривается механизм усиления магнитного поля, связанный со сжатием вращающе гося облака плазмы. Относительное движение частей облака сопровождается запутыванием силовых линий магнитного поля и усилением поля. Кардашов полагает, что энергия поля может сравняться по порядку величины с гравитационной энергией облака. Далее рассматривается образование магнитогидродина мических волн в плазме при быстром сжатии тела. Вопросы магнитогидродинамических явлений и, в частности, объяснение периодических изменений яркости в рамках магнитотормозной теории излучения рассматриваются в работах Л. М. Озерного (1965а, 1966 b ).

Логическим завершением этой линии развития является идея, наиболее четко сформулированная Д. Лайзером (1965) и рассматриваемая в работах Л. М. Озерного (1966а). Квазар рассматривается как тело, в котором тяготение уравновешено в основном хаотическим, турбулентным магнитным полем.

Хорошо известно, что максвелловский тензор магнитного по ля соответствует расталкиванию в направлениях, перпендику лярных к полю и стягиванию вдоль поля. Следовательно, хао тическое поле, в котором равномерно представлены все напра вления, в среднем создает расталкивание, соответствующее среднему давлению, равному 1/3 плотности энергии. Характерное соотношение p = ?/3 имеет место в среднем для стационарного электромагнитного поля во всех случаях: и для совокупности электромагнитных волн в пустоте, т. е. для фотонного газа, и для хаотического магнитного поля в плазме, поддерживаемого токами, текущими в плазме.

Прежде чем идти дальше в конкретизации такой модели, вы ясним общие соотношения между массой звезды и силой тока, создающего магнитное поле Н, необходимое для равновесия.

По порядку величины GM 2 / R = H 2 R 3 H = M v G / R 2 . Ток находим по уравнению r о t H = 4? j = 4? ne ? / c , где е — заряд электрона в электростатических единицах, п — концентрация электронов, ? — средняя скорость электронов, создающих ток. Подставляем \ rotH \ ~Н/ r , где r —характерный масштаб; за пишем M = Nm p = nR 3 m p , где N — полное число нуклонов в звез де, m р —масса протона Получим

Итак, в выражение для v вошло характерное отношение гра витационного взаимодействия двух протонов к их электростати ческому взаимодействию:

Именно благодаря тому, что гравитационное взаимодействие ничтожно по сравнению с электростатическим, достаточно ни чтожного упорядоченного движения частиц одного знака относи тельно частиц другого знака, чтобы возникло расталкивание, уравновешивающее тяготение (ср. расчет на стр. 130).

Модель объекта не полна в двух отношениях: 1) с помощью магнитного поля трудно уравновесить тяготения не только в среднем, но и локально, в каждой точке.

Магнитная сила, действующая на элемент объема плазмы, равная [Н X j ]~[ H rot H ], не является потенциальной. Сила тяготения р grad ?, строго говоря, потенциальна лишь в том случае, если p = const или р = р(?). Не ясно, можно ли добиться точного равенства двух сил в каждой точке при произвольном распределении плотности.

2) Тело в целом находится в состоянии безразличного рав новесия, если нет других факторов, кроме тяготения и магнит ного поля, поскольку магнитное поле имеет показатель адиа баты ?= 4 /з (по отношению к сжатию тела с сохранением подо бия).

Эти трудности разрешаются, если принять вслед за Лайзе ром и Озерным, что наряду с магнитным полем имеется макро скопическое движение вещества типа турбулентности, кинетиче ская энергия вещества порядка магнитной энергии.

Турбулентное движение происходит с перелятивистской ско ростью, показатель адиабаты его 5 /з. Поэтому тело в целом имеет показатель адиабаты, средний между 4 /з и 5 /з, и находится в устойчивом равновесии.

По мере диссипации энергии происходит медленное сжатие тела. Если бы не было диссипации, то при сжатии кинетическая энергия возросла бы сильнее, чем магнитная. Нарушенное рав новесие восстанавливается превращением кинетической энергии в магнитную за счет дальнейшего запутывания и растяжения силовых линий магнитного поля. Объемные токи, создающие магнитное поле, могут оказываться неустойчивыми относитель но пинч-эффекта, т. е. в отдельных участках плазма может сжи маться вследствие притяжения параллельных токов. При этом возникают электрические поля, приводящие к ускорению от дельных групп заряженных частиц: такие явления наблюда лись и на опыте при разрядах в разреженной плазме. Рассма триваемое тело оказывается мощным источником космических лучей, причем энергия, набираемая частицей, оказывается про порциональной заряду частицы (частицы, движутся с одинако вой скоростью в данном электрическом поле).

Наконец, когда в ходе сжатия включаются эффекты ОТО, происходит коллапс, который согласно Лайзеру сопровождается выбросом части массы. При выбросе магнитные линии выпрям ляются, выброшенное вещество состоит из отдельных струй или волокон, в которых плазма накрепко соединена с вмороженным в нее магнитным полем, вытянутым вдоль волокна.

Работа Лайзера носит в значительной мере описательный характер, количественных оценок там мало и они ненадежны. Это не умаляет ее значения: основные ее утверждения, боль шая роль магнитного поля в общем балансе энергии *) и мед ленная эволюция почти равновесного состояния, рождение релятивистских частиц хорошо согласуются с общей карти ной явлений в квазарах. Подробные расчеты сделаны в работе Л. М. Озерного (1966а).

Остается невыясненным вопрос о темпе эволюции и о про странственном масштабе магнитотурбулентности. Напомним, что основная теорема Бэйчелора о равенстве магнитной и кине тической энергии в турбулентной, хорошо проводящей жидко сти, до сих пор не доказана. Не ясно, как быстро будет зату хать турбулентность. Вероятно, диссипация энергии весьма силь на. Если это так и диссипация энергии происходит за время, не превышающее более, чем на три, четыре порядка оценок § 17 гл. 11 для диссипации без магнитного поля, то пред ложенная модель не может иметь места. Возможно, что наибольшая часть энергии заключена в турбулентности самого большого пространственного масштаба.

В таком случае возможен и другой подход — рассмотрение стационарных упорядоченных полей и упорядоченных движений в поле тяжести. Один вариант соответствует конвекции с подъе мом по экватору и спусканием по полюсам. Данные наблюде ний и в особенности организованные выбросы одной или двух струй и правильный период колебаний яркости говорят ско рее в пользу такого приближения. Другой возможный вариант представляет собой осесимметричное решение с тороидальным магнитным полем и вращением вещества вокруг оси; равновес ное состояние соответствует минимуму энергии при данном рас пределении удельного момента импульса и магнитного потока по веществу. В состоянии минимума энергии при соблюдении условия вмороженности магнитного потока и сохранении мо мента угловая скорость различных струй может быть различна. Однако тот факт, что энергия минимальна, означает подавление турбулентности магнитным полем в этой ситуации, что приве дет к увеличению длительности такого состояния.

Авторам представляется, что наиболее реальна все же гипотеза физической природы квазара, в которой этот объект рассматривается как горячая сверхзвезда, стабилизированная от потери устойчивости в основном вращением, т. е. картина, описанная в §§ 13—16 и 18 гл. И. (О другой возможности см. Дополнение VI .) В самом деле, турбулентность, вероятно, быстро затухает, переходя в тепловую энергию, т. е. нагревая плазму. Поэтому если турбулентность не возбуждается, то она исчезает и не может стабилизировать звезду. Неизвестны механизмы возбуждения крупномасштабной турбулентности помимо диффе ренциального вращения. Но в этом случае основная энергия бу дет заключена во вращательном движении. Таким образом, в основе такой гипотезы должна лежать модель сверхмассивной звезды, стабилизированной вращением. Разумеется, турбулент ность и магнитное поле тоже могут играть существенную роль. Особенно они важны для правильного понимания внешних про явлений квазара, его наблюдаемых свойств, что неоднократно подчеркивалось выше. Конечно, сделанные наброски теории весьма предварительны.

Задачи по физике с решениями

Интересное и познавательное о астрофизике