Загадка красного смещения

Квазары - это загадка, окутанная тайной и покрытая мраком неизвестности. На фотопластинке они напоминают обычные звезды, однако их спектры указывают, что они находятся на самых далеких окраинах наблюдаемой Вселенной (см. Далекие рубежи). Несмотря на малые размеры, они отличаются высокой интенсивностью излучения. Ближайший и, по-видимому, самый яркий из квазаров - это объект ЗС 273, обнаруженный радиоастрономами из Кембриджского университета. Правильная интерпретация его спектра (см. снимок), данная в 1963 г. Маартеном Шмидтом из Калифорнийского технологического института, коренным образом изменила наши представления о космосе.

Как и многие внегалактические радиоисточники, объект ЗС 273 представляет собой двойную систему. После того как удалось точно определить его положение, выяснилось, что оптический двойник радиоисточника состоит из двух компонентов: звездоподобного голубого объекта и слабого выброса. Галактические выбросы были уже известны астрономам, однако два обстоятельства оказались здесь совершенно неожиданными: необычная фотометрическая характеристика ЗС 273 и его странный спектр. Два года изучения нескольких подобных квазизвездных радиоисточников (сокращенно квазаров), позволили разгадать загадку их спектров.

В феврале 1963 г. Шмидта осенило, что спектр квазара включает серию линий, аналогичную серии Бальмера в спектре водорода. То, что эту известную серию не удалось отождествить сразу, объясняется одной веской причиной: дело в том, что все эти линии в спектре квазаров, сильно смещены по сравнению со спектрами водорода, полученными в лабораторных условиях. Такое смещение можно было объяснить лишь тем, что квазар удаляется от нас, причем с огромной скоростью, равной 47500 км/с, или 0,16 с (с - скорость света). Если истолковывать это как свидетельство участия квазаров в расширении Вселенной, то они должны находиться от нас на расстоянии 1000 млн. световых лет; следовательно, доходящий до нас свет квазаров имеет "возраст" 1000 млн. лет. Более того, чтобы обладать такой яркостью, квазар должен излучать раз в сто сильнее обычной галактики, имея при этом размеры, сравнимые с размерами Солнечной системы; это следует из оценок его периодичности (период излучения квазара составляет несколько месяцев).

Подобное объяснение спектров квазаров было настолько необычным, что вокруг "красного смещения" разгорелись бурные споры: можно ли целиком отнести его за счет скорости удаления источника? Если нет, то и расстояние до источника, и его невероятная мощность могут в действительности оказаться значительно меньшими. Уже в своей первой статье по квазарам ЗС 273 и ЗС 48 американские астрономы Джесси Гринстайн и Маартен Шмидт учитывали возможность гравитационной природы красного смещения, однако на этом пути возникало больше вопросов, чем ответов.

На приведенном здесь снимке изображен тот самый спектр, который привел Шмидта к его эпохальному открытию. На размытый спектр квазара наложены резкие линейчатые опорные спектры водорода, гелия и неона, которые используются для калибровки неизвестного спектра по длинам волн. (Красный конец спектра справа.) Спектр квазара состоит из двух горизонтальных полос: верхняя получена при экспонировании в течении 30 мин, нижняя - в течение 10 мин. Самая темная линия в спектре квазара (в правой части) - бета-линия атомарного водорода - соответствует длине волны 5632 А, тогда как обычно она приходится на 4861 А. Для лучшей контрастности здесь воспроизведен фотографический негатив спектра, так что темные полосы в действительности являются яркими линиями в спектре излучения. Наличие ряда "запрещенных" линий указывает на то, что в какой-то части квазара существуют области низкой плотности, аналогичные излучающим туманностям.

Сегодня известно около 1550 квазаров, но наиболее полно исследован ближайший к нам объект ЗС 273. Его излучение измерено не только в радио- и оптическом диапазонах, но также в инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-областях. Распределение энергии по спектру довольно равномерно. Хотя интенсивности излучения в радио, оптическом и рентгеновском диапазонах изменяются, между этими изменениями нет прямой связи. В настоящее время наиболее вероятным считается, что квазар ЗС 273 представляет собой "черную дыру" с массой, в 2500 млн. раз превышающей массу Солнца, на которую из окружающего ее плотного газового диска падает вещество (явление аккреции) со скоростью 25 солнечных масс в год.

27 декабря 1962 г. Обсерватория Маунт-Паломар, Пасадена, Калифорния, США. М. Шмидт, Калифорнийский технологический институт, Пасадена. 5-метровый телескоп; спектрограф с разрешением 195 А/мм в первичном фокусе телескопа 'Кодак Ila-D', выдержанная 19 ч при 64°С. 28 мин (верхняя половина), 10 мин (нижняя половина). М. Шмидт. [121, 234, 242, 285]

В своей Галлеевской лекции 1978 г. космолог Мартин Рис отметил, что в некотором смысле квазары были открыты слишком рано: "В 1963 г. они действительно казались принципиально отличными от всех известных объектов. Создавалось впечатление, что связанные с ними энергетические проблемы требуют новой физики, и было выдвинуто немало экзотических идей. ...Лишь позднее, благодаря открытию пульсаров и компактных рентгеновских источников, мы пришли к выводу о существовании компактных объектов, способных весьма эффективно преобразовывать энергию гравитации в энергию нетеплового излучения. Эти объекты теперь рассматриваются как уменьшенные модели процессов, которые могут происходить в квазарах. Если бы квазары были открыты, скажем, в 1973 г., когда уже сложились эти концепции, то все быстро бы сошлись на том, что реальности наиболее соответствуют модели, предполагающие эволюцию к массивной черной дыре с последующей аккрецией вещества". Хотя природа квазаров, возможно, еще не понята до конца, тем не менее ясно, что они не настолько экзотические объекты, чтобы оказаться за пределами досягаемости современной физики.