Активные ядра галактик
Акти́вные я́дра гала́ктик, ядра галактик, в которых наблюдаются нестационарные процессы, сопровождающиеся выделением большого количества энергии. Галактики с активными ядрами часто называют активными галактиками. Признаки активности и формы выделения энергии в ядрах галактик могут быть различными:
быстрое движение газа со скоростью порядка тысячи километров в секунду, проявляющееся в сильном уширении спектральных линий излучения вследствие эффекта Доплера;
нетепловое излучение большой мощности в коротковолновых (оптической, ультрафиолетовой и рентгеновской, а в некоторых случаях – и гамма) областях спектра;
мощное излучение в далёкой инфракрасной области, вероятно, связанное с нагретой межзвёздной пылью вблизи ядра;
выбросы газовых струй (релятивистских джетов);
мощное радиоизлучение, связанное с выбросом из ядра заряженных частиц высоких энергий.
Излучение активных ядер галактик исходит из очень маленькой («точечной» по сравнению с масштабом галактики) области, и его мощность, как правило, переменна на самых различных интервалах времени – от нескольких часов до нескольких лет.
Галактики с активными ядрами разделяют по характеру и мощности проявляемой активности на сейфертовские галактики, радиогалактики, квазизвёздные объекты (квазары) и лацертиды.
Рис. 1. Ближайшая к нам сейфертовская галактика NGC 1068 (M77). Фото: космический телескоп «Хаббл».Сейфертовские галактики названы по имени К. Сейферта, впервые (1943) описавшего небольшое число спиральных галактик, в центре которых наблюдаются звездоподобные источники света неуловимо малого размера с необычно широкими яркими линиями в спектре, свидетельствующими о движении газа в ядре со скоростями в несколько тысяч километров в секунду. Это наиболее многочисленный тип галактик с активными ядрами, к нему принадлежит не менее 10 % массивных, почти исключительно спиральных галактик. Ближайшая к нам галактика с активным ядром – сейфертовская галактика NGC 1068 (рис. 1). Хотя слабая активность ядра наблюдается и в более близких к нам галактиках, в том числе в нашей Галактике.
Рис. 2. Радиогалактика Геркулес-А. На оптическое изображение галактики наложено изображение в радиодиапазоне (розовый цвет). Фото: космический телескоп «Хаббл».Радиогалактики – это галактики с мощным радиоизлучением, имеющим синхротронную природу (рис. 2). Оно связано с выбросом направленных потоков релятивистских электронов из активного ядра, которые во многих случаях выходят далеко за оптические границы галактик в межгалактическое пространство. Радиогалактики встречаются почти исключительно среди массивных эллиптических галактик. Благодаря высокой мощности радиоизлучения (до 1039 Вт) они могут наблюдаться как радиоисточники на очень больших расстояниях.
Квазизвёздные объекты, или квазары, – наиболее мощные из известных источников излучения во Вселенной. По наблюдаемым проявлениям они похожи на ядра сейфертовских галактик, но превосходят их по мощности излучения на несколько порядков. Светимость квазара часто значительно превышает совокупную светимость всех звёзд «родительской» галактики, делая её малозаметной в свете ядра. Часть квазаров обладает мощным радиоизлучением, что роднит их с радиогалактиками. Количество известных квазаров измеряется сотнями тысяч, спектры некоторых из них показывают большие красные смещения, превышающие 6, что говорит об очень больших расстояниях до них.
Лацертиды – редкий тип активных ядер, встречающийся у гигантских эллиптических галактик; они выглядят похожими на быстропеременные звёзды с крайне слабыми спектральными линиями и частично поляризованным излучением. Как правило, лацертиды отличаются мощным гамма-излучением. Их название связано с прототипом источника, известного как объект BL Lacertae, который первоначально принимался за переменную звезду нашей Галактики в созвездии Ящерица (лат. Lacertae). Считается, что лацертиды – это ядра радиогалактик или квазары, наблюдаемое излучение которых рождается в мощном выбросе релятивистских частиц и газа, случайно оказавшемся направленным почти точно в сторону наблюдателя. Благодаря этому яркость ядра и переменность его блеска оказываются для наблюдателя многократно усиленными.
Рис. 3. Схематическое изображение строения активного ядра галактики. Оригинальное изображение: NASA / GSFC. Подписи и обозначения: БРЭ.Мощность выделяемой энергии активных ядер составляет от 1034–1038 Вт для сейфертовских галактик до 1039–1040 Вт для наиболее мощных квазаров. Считается, что причиной мощного излучения активных ядер является аккреция газа на сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики. Массы сверхмассивных чёрных дыр в радиогалактиках и квазарах могут измеряться миллиардами масс Солнца. Их наличие в центре галактики является обязательным, но не достаточным условием для активности ядра: чтобы она вспыхнула, требуется падение межзвёздного газа или вещества разрушившихся звёзд с большими скоростями на центральную чёрную дыру, что наблюдается далеко не во всех галактиках со сверхмассивными чёрными дырами. Падающий газ образует быстро вращающийся и очень горячий аккреционный диск вокруг чёрной дыры, который становится источником очень мощного излучения, в том числе коротковолнового, ионизирующего газ (рис. 3). Аккреционный диск, получающий энергию от падающего на него вещества, и является основным источником энергии активного ядра. Диск окружён горячей газовой короной и многочисленными быстро летящими облаками газа, ответственными за эмиссионный спектр ядра. Благодаря намагниченности газа в окрестности чёрной дыры могут формироваться узкие биполярные выбросы (джеты) горячего газа и релятивистских частиц, распространяющиеся на большие расстояния от галактики в противоположных направлениях перпендикулярно плоскости аккреционного диска.
Квазароподобная активность ядра может оказывать большое влияние на глобальные процессы в галактике и её эволюцию благодаря энергетическому воздействию на межзвёздную среду галактики. Особенно большую роль, по-видимому, это играло миллиарды лет назад, на начальной стадии жизни галактик, когда высокая активность ядер была более распространённым явлением, чем в настоящую эпоху.