Цивилизация
Использовать собирающую линзу в астрономических наблюдениях еще в начале XVII века догадался сам Галилео Галилей. Благодаря способности линзы собирать поток света, приходящего от далеких объектов на небе, он смог разглядеть кратеры на Луне и открыть спутники Юпитера. Собирающая линза (объектив телескопа) при этом решает две первоочередные задачи — собрать больше света и разглядеть более мелкие детали небесных объектов. Но линзу ведь еще нужно изготовить и отшлифовать, а это непросто. С другой стороны, каждое гравитирующее тело — в какой-то степени приготовленная природой собирающая линза.
Значительно позднее человечество стало использовать в астрономических наблюдениях другой вид линзы — гравитационную линзу. Массивные тела (от звезд до скоплений галактик) своим гравитационным полем несколько искривляют, подобно оптическим линзам, световые лучи, приходящие от далеких небесных объектов. Эффект гравитационного линзирования хотя и слабый, но вполне доступен современным оптическим телескопам. Проявление гравитационного линзирования видно по искаженным и смещенным изображениям фоновых объектов, что известно как слабое линзирование. Иногда линза достаточно сильна и асимметрична, чтобы на небе появилось несколько изображений одного объекта на расстоянии нескольких секунд друг от друга — это называют сильным линзированием.
Теоретически параметры искривления излучения в процессе гравитационного линзирования в 1920–1930 годы были вычислены ленинградским физиком Орестом Даниловичем Хвольсоном и независимо знаменитым Альбертом Эйнштейном.
Крест Эйнштейна, или QSO 2237+0305 – гравитационно-линзированное изображение квазара, который располагается по оси зрения за галактикой ZW 2237+030. Это учетверённое изображение образует асимметричный крест, просвечивающий через спиральные рукава галактики-линзы, поэтому его назвали «Крест Эйнштейна», в честь создателя Общей Теорий Относительности, которая позволила предсказать и объяснить явление гравитационных линз. Ньютоновская механика тоже предсказывает искривление света в гравитационных полях, но эффект этот вдвое слабее. Именно эффект слабого линзирования фоновых звезд в гравитационном поле Солнца позволил сэру А. Эддингтону в 1919 году, во время солнечного затмения, получить одно из первых экспериментальных подтверждений ОТО.
Галактики состоят из миллиардов звезд, которые сами по себе также являются гравитационными линзочками, однако они отклоняют лучи света на очень малые углы (в миллион раз меньше, чем характерные углы, на которые отклоняет галактика-линза в целом), в сотни-тысячи раз меньшие углового разрешения крупнейших интерферометров. Можно лишь увидеть изменение яркости (иногда в несколько раз!), вызванное искажениями изображения, которое мы видим как точку. Это явление называется микролинзированием.
Хотя микролинзирование звездами галактик-линз не влияет на положения изображений, оно изменяет наблюдаемые потоки на характерных временах порядка нескольких лет. Таким образом, яркость изображений меняется со временем за счет относительного движения источника и линзы. Свойства этой переменности — в первую очередь ее амплитуда — чувствительны к размеру источника.
Это свойство микролинзирования можно использовать для изучения аккреционных дисков, возникающих вокруг сверхмассивных черных дыр.
К сверхмассивным черным дырам относят черные дыры с массами в миллионы-миллиарды солнечных масс (такие черные дыры находятся в центрах большинства галактик, в том числе и Млечного Пути). Вокруг черной дыры образуется аккреционный диск из вещества, обращающегося вокруг нее по орбитам, близким к круговым. Избежать образования диска при аккреции практически невозможно — ведь любая звезда или облако газа, летящее на черную дыру, хоть немножко да «промахивается». То есть, говоря физическим языком, обладает угловым моментом, от которого не так-то просто избавиться. По спектру и переменности объекта можно много сказать о природе аккреционного диска и самой центральной черной дыры, но всё-таки для нас даже ближайшие активные галактики (а тем более — далекие квазары) остаются неразрешимыми яркими точками на небе. А так хотелось бы разрешить структуру диска, разглядеть её напрямую!
По счастью, видимые размеры аккреционных дисков большинства далеких квазаров одного порядка с характерным масштабом микролинзирования (микросекунды дуги). Напомним, что квазары — самые далекие и мощные из активных галактических ядер. Раньше так называли только те из них, кто «засветился» в радиодиапазоне (отсюда и название, QUASAR — «QUAsi-stellAr Radiosource»), но сейчас обычно имеют в виду все яркие активные галактические ядра. Большинство линзированных квазаров — радиотихие и наблюдаются на красных смещениях около 2–3, то есть длины волн у них в спектре растянуты в три-четыре раза из-за космологического расширения Вселенной. (Напомним, что красное смещение — это сдвиг спектральных линий химических элементов за счет эффекта Доплера, в котором длина волны излучения меняется в результате движения источника или приемника излучения; в астрономии красное смещение используется как мера расстояния). Примерно у двадцати объектов таким образом были измерены размеры аккреционных дисков, у многих из них — одновременно в разных спектральных диапазонах.
Для наблюдений с большим угловым разрешением такие квазары вряд ли будут доступны в ближайшее время в оптическом диапазоне.
Представления ученых о так называемой центральной машине, главном механизме, ответственном за выделения гигантских энергий у активных ядер галактик или квазаров, за последние десятки лет устоялись и неплохо проверены наблюдениями. Но и здесь имеются свои вопросы. Так, центральной машиной является аккреционный диск, возникающий вокруг сверхмассивной черной дыры. Однако размеры дисков, измеренные по эффектам микролинзирования, плохо вписываются в стандартную модель тонкого аккреционного диска.
Астрономы столкнулись со следующими проблемами: наблюдаемые размеры дисков в несколько раз больше ожидаемых и при этом заметно слабее зависят от длины волны, чем это предсказывает стандартная модель.
Стандартная модель аккреционного диска была создана автором настоящей работы Николаем Ивановичем Шакурой и Рашидом Алиевичем Сюняевым (ныне академиком РАН) еще в 1973 году ( эта статья и в настоящее время остается одной из самых цитируемых в астрофизике). В этой модели внутренние части диска являются более горячими, и его размер должен довольно быстро расти с длиной волны. А это наблюдается только у части исследованных объектов.
Павел Аболмасов и Николай Шакура в своей работе, опубликованной в ведущем английском астрономическом журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предложили модель, объясняющую эти свойства аккреционных дисков. Сотрудники ГАИШ МГУ предположили, что в части наблюдаемых объектов вещество аккрецирует в так называемом сверхкритическом режиме: то есть, мощности, выделяемой при аккреции, достаточно, чтобы выбрасывать часть аккрецирующего вещества из диска. При этом разлетающееся вещество, вообще говоря, непрозрачно и рассеивает излучение диска, увеличивая тем самым его видимый размер и искажая зависимость размера диска от длины волны. Диск скрывается за пеленой из собственных выбросов, все переходы цвета сглаживаются, а видимый размер вырастает.
Таким образом, размеры аккреционных дисков, определенные по микролинзированию, кажутся нам больше подобно тому, как, когда мы смотрим на обыкновенную лампочку с матовой колбой, у нас создается впечатление, что светится вся колба, а не отдельная нить накаливания. Если же саму лампочку накрыть плафоном или абажуром, видимый размер увеличится еще сильнее без увеличения видимой яркости источника.
Кроме того, авторам удалось оценить массы черных дыр и темпы аккреции для исследуемых объектов.
Сверхкритическая аккреция в жизни сверхмассивной черной дыры — не случайность, а давно ожидаемый эффект. В жизни сверхмассивных черных дыр должен был быть этап, когда они интенсивно поглощали газ и быстро увеличивали свою массу, иногда не будучи в состоянии поглотить обрушившееся на них обилие газа. Наблюдая квазары на больших красных смещениях, мы видим прошлое, «бурную молодость» более близких нам галактических ядер. И, возможно, приближаемся к разгадке основной загадки сверхмассивных дыр. Мы до сих пор плохо представляем себе, как сумели образоваться и вырасти до чудовищных размеров компактные объекты, которые в современной вселенной рождаются только с массами в несколько десятков солнечных.