Ученые, занимающиеся космическими исследованиями, — настоящие детективы. Как Шерлок Холмс, используя метод дедукции и косвенные наблюдения, вычислял убийцу, так и они, собирая и анализируя данные излучений в различных спектрах, могут рассказать, что происходило во Вселенной много-много лет назад и как возникли известные нам сегодня феномены.

Сотрудники Института космических исследований РАН (Москва) совместно с коллегами из Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск) ищут, каталогизируют и исследуют квазары — мощные, далекие и активные центры других галактик. По принятой сейчас гипотезе считается, что в центре таких галактик располагается сверхмассивная (массой от миллиона до миллиардов масс Солнца) черная дыра. Она притягивает к себе материю из окружающего пространства, которое, разгоняясь, рождает мощное излучение практически во всех диапазонах электромагнитного излучения. Наблюдая его, мы говорим, что «видим квазар». В центре нашей Галактики тоже есть черная дыра, но она сейчас не активна, то есть вещество практически не «падает» на нее.

Исследуя квазары, ученые ищут ответ на вопрос, как появились галактики и сверхмассивные черные дыры в их центре. Например, обнаруженный в этом году исследователями ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН один из самых далеких рентгеновских квазаров 3XMM J125329.4+305539 находится на красном смещении 5,08. Значит, его свет возник во Вселенной спустя всего лишь миллиард с небольшим лет после Большого взрыва (для сравнения, сейчас нашей Вселенной почти 14 млрд лет). Учитывая космологическое расстояние, на Земле мы видим квазар не таким, какой он сейчас, а каким был «в молодости». 

Работа, которую ученые ведут сейчас на двух телескопах в Специальной астрофизической обсерватории (п. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская Республика) и Саянской обсерватории ИСЗФ СО РАН (п. Монды, Республика Бурятия) по поиску и систематизации квазаров предваряет исследования, которые планируется провести с помощью аппарата «Спектр-Рентген-Гамма».

Российско-германскую обсерваторию «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ) выведут на орбиту в 2017 году. С ее помощью исследователи надеются создать карту Вселенной в рентгеновском диапазоне, отметить на ней крупные скопления галактик и собрать информацию, чтобы ответить на вопрос, а как, собственно, появляются и развиваются галактики. СРГ строится в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина, научная аппаратура разрабатывается в ИКИ РАН и Институте внеземной физики Общества им. Макса Планка (Германия). 

Что делает черная дыра в центре галактики?

— Как ученые выяснили, что в центре галактик есть массивные черные дыры? Конечно, по наблюдениям, — говорит заведующий сектором отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Сергей Юрьевич Сазонов. — Это видно даже по нашей галактике: звезды вращаются по кеплеровским эллиптическим орбитам вокруг какой-то массы; почти не вызывает сомнений, что там находится черная дыра весом 4 миллиона масс Солнца. Эта черная дыра, можно сказать, пассивная: мы видим, что она существует, только по движению вокруг нее других тел. 

В прочих галактиках мы наблюдаем похожие явления, с той лишь разницей, что если черная дыра активна, в нее падает межзвездный газ. Однако он летит не по прямой, а закручивается, образуя аккреционный диск. Атомы вещества сталкиваются друг с другом и разогреваются, излишки энергии выбрасываются в окружающее пространство, и именно это излучение мы и можем наблюдать в разных диапазонах, — объясняет ученый. 

В 1943 году американский астроном Карл Кинан Сейферт первым описал подобные близкие галактики с активным ядром. Спектр их излучения содержит множество специфических линий, указывающих на мощные и высокоскоростные выбросы газа. Сейчас их называют в честь ученого — сейфертовские галактики. 

— Есть аналогичные, но более далекие объекты — квазары, — рассказывает Сергей Сазонов. — Их открыли позже и изначально считали звездами, собственно, название «квазар» и образовано от словосочетания «наподобие звезды» (из лат. quas(i) — наподобие, нечто вроде + англ. (st)ar — звезда). Сначала ученые определили их как звезды со странными свойствами и спектрами излучения, но потом поняли, что это такие же ядра галактик, только более мощные и далекие. И живут они по сходным с сейфертовскими галактиками физическим законам.

Сейчас самый далекий от нас квазар находится на красном смещении около 7 (мы принимаем излучение, испущенное в тот момент, когда Вселенной было менее одного миллиарда лет). Как известно, наша Вселенная расширяется, а значит, все объекты в ней удаляются друг от друга. При этом уменьшаются частоты излучения удаляющегося, например, квазара. Это похоже на изучаемый в школе эффект Доплера. Допустим, в своей системе объект излучает в ультрафиолетовом спектре (с высокими частотами), а мы наблюдаем его в видимом спектре излучения. 

Аккреция (лат. accrētiō «приращение, увеличение» от accrēscere «прирастать») — процесс приращения массы небесного тела путем гравитационного притяжения материи (обычно газа) на него из окружающего пространства.

— Исследуя квазары, ученые хотят понять, как сверхмассивные черные дыры смогли вырасти. Есть другой класс черных дыр, более легких, от трех до нескольких десятков масс Солнца. Они образуются, когда умирает массивная звезда. Если в паре с ней была другая, то вещество последней аккрецируется в черную дыру. Это так называемые рентгеновские двойные системы, излучающие, соответственно, в рентгеновском диапазоне. 

Можно предположить, что когда Вселенной было всего сто миллионов лет, уже появились первые звезды, которые прожили еще несколько миллионов лет и превратились в черные дыры. Но неясно, как они смогли вырасти до массивных и сверхмассивных за последующие несколько сотен миллионов лет? Если бы они просто быстро «затягивали» вещество из окружающей среды, так бы не получилось, — поясняет Сергей Сазонов. — С другой стороны, понимание процессов формирования таких черных дыр, возможно, даст нам ответ на вопрос: как образуются галактики? 

 Получается, в их центрах росли черные дыры, но как связаны эти два явления? Сейчас популярно объяснение: черные дыры выросли и стали достаточно большими, чтобы своей огромной энергией влиять на галактики вокруг. Для понимания этого нужно найти как можно больше квазаров, причем в разных диапазонах. Мы ищем в рентгеновском, — говорит ученый.

Перепись «квазарного населения»

В октябре исследователи обнаружили один из самых далеких рентгеновских квазаров с помощью нового спектрографа АДАМ на 1,6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской солнечной обсерватории ИСЗФ СО РАН. Этот результат — часть работы по составлению каталога квазаров по данным орбитальных и наземных обсерваторий. Группа астрофизиков использовала данные космического рентгеновского телескопа XMM-Newton, а также оптические данные Слоановского обзора (SDSS) и обзора всего неба WISE (инфракрасный диапазон) — они нужны, чтобы среди сотен тысяч рентгеновских источников выделить именно далекие квазары.

Sloan Digital Sky Survey (SDSS, с англ. — «Слоуновский цифровой небесный обзор») — проект широкомасштабного исследования многоспектральных изображений и спектров красного смещения звезд и галактик при помощи 2,5-метрового широкоугольного телескопа в обсерватории Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико.

 XMM-Newton — телескоп с маленьким полем зрения: сегодня он смотрит на один объект, а завтра — на другой. За 15 лет такими «уколами» он покрыл два процента неба. Дальше ученые ИКИ РАН наложили эти рентгеновские данные на общедоступные данные Слоановского цифрового обзора и обзора космической обсерватории WISE, полученные с помощью телескопов, работающих в нескольких диапазонах видимого и инфракрасного диапазонов длин волн. Площадь неба в области пересечения всех этих данных составляет менее одного процента. 

— Дальше мы посмотрели на оптические и инфракрасные цвета объектов, попавших в обзор, — поясняет Сергей Сазонов. — Нас интересовали квазары дальше определенного расстояния — с красным смещением больше 3. И мы знаем, что такие квазары должны иметь определенную «окраску». Идея была искать их среди рентгеновских источников, и наш молодой сотрудник Георгий Хорунжев нашел более 900 таких кандидатов.

Оказалось, что 2/3 квазаров из найденных уже известны. Новых кандидатов нашлось более 350, для них были сделаны оценки красных смещений по цветам объектов. Затем ученые проверили отдельные объекты на телескопах: АЗТ-33ИК и Большом телескопе азимутальном. Обнаруженный источник 3XMM J125329.4+305539 оказался очень далеким — он расположен на красном смещении 5,08, что соответствует возрасту Вселенной чуть более одного миллиарда лет. 

— Это не самый далекий квазар, но изюминка в чем: всё, что можно найти сейчас, нашли в оптическом диапазоне, а затем некоторые объекты дополнительно изучили в рентгеновском. А мы сделали наоборот: нашли «рентгеном» и подтвердили в «оптике». Интересно понять, сколько таких объектов во Вселенной. Мы детектировали несколько объектов, а их миллионы. Нам нужно научиться пересчитывать свойства этих нескольких квазаров для остальных, используя каталог. Важно именно то, что мы применили другой метод, — подчеркивает Сергей Сазонов. 

На 1,6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской обсерватории для проведения этой работы был установлен новый спектрограф видимого и близкого инфракрасного диапазона АДАМ. Этот прибор — результат совместной работы трех институтов Российской академии наук. Основные идеи и научные задачи прибора были сформулированы в ИКИ РАН, разработан и изготовлен он в Специальной астрофизической обсерватории РАН, а установлен на телескопе АЗТ-33ИК сотрудниками ИСЗФ СО РАН.

— Задача состояла в том, чтобы сделать прибор «максимально прозрачным»: мы должны были терять как можно меньше света за время прохождения луча через линзы. Таким образом, за заданное время экспозиции мы регистрируем максимально возможное количество фотонов, так что даже на небольшом 1,6-метровом телескопе можем получать соответствующие спектры довольно слабых объектов, — объясняет старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН кандидат физико-математических наук Родион Анатольевич Буренин.

 Помимо чрезвычайно прозрачной линзы прибор оснастили высокоэффективной ПЗС-матрицей. ПЗС — приборы с зарядовой связью — используются не только в специальном научном оборудовании, но и в обычных зеркальных цифровых фотоаппаратах: именно они преобразуют фотоны, попавшие в объектив, в электрические заряды, которые затем формируют изображение на экране камеры.

 — В этом приборе стоит матрица последнего поколения, у которой высокая чувствительность в инфракрасном диапазоне — выше, чем у обычных, — говорит Родион Буренин. —  Кроме того, у нас были ограничения по весу. Поэтому мы сделали спектрограф, позволивший нам облегчить оптику, использовали более легкие зеркала с серебряным покрытием и высокими отражающими свойствами. Сама конструкция телескопа тоже интересна и оптимально подошла для наших задач: под зеркалом АЗТ-ЗЗИК располагаются оптические столы, где можно разместить разные приборы, а затем, поворачивая косое зеркало между этими приборами, легко переключаться. 

— В России не так много инструментов для астрономических наблюдений, — говорит заведующий лабораторией инфракрасных методов в астрофизике ИСЗФ СО РАН кандидат физико-математических наук Максим Викторович Еселевич.

— У ИКИ РАН большой проект, они искали поддержку в различных местах, и нам удалось организовать с ними сотрудничество. Своих работ по наблюдению далеких астрофизических явлений у нас проводится не так много, например, мы делаем мониторинг оптических послесвечений гамма-всплесков, но в основном занимаемся наблюдениями околоземного космического пространства: космического мусора, астероидов. Участвуя в совместном проекте, мы рассчитывали расширить круг наших задач, — рассказывает Максим Еселевич.  

Карта неба в рентгеновском диапазоне 

— Мы надеемся, что в конце следующего года будет запущен «Спектр-Рентген-Гамма» и появится возможность сделать обзор всего неба в рентгеновском диапазоне на полтора-два порядка чувствительнее, чем сейчас. Это качественный скачок, как если бы раньше у вас был метровый телескоп, а потом появился шестиметровый, — объясняет Родион Буренин.  

 — Можно еще иначе сказать, — дополняет Сергей Сазонов. — Данные XMM-Newton в рентгеновском диапазоне есть по одному проценту неба, а СРГ отсканирует всё небо, и по чувствительности данные будут аналогичные. Информация станет применима для поиска большего количества квазаров. Мы ожидаем найти миллионы активных в рентгене ядер галактик. Дальше их можно будет изучать в оптическом диапазоне, потому что при проверке не все из них окажутся квазарами.

 Подготовили Юлия Позднякова, Алёна Литвиненко

Взято с сайта www.sbras.info