Л.М. Топтунова

1.17. Квазар – далекая галактика без особенностей

 

 

Аннотация

 

Квазар – явление оптическое, обусловленное следующими причинами:

1.   Галактика далека от наблюдателя, так что периферийные части её скрыты флуктуациями фона ночного неба;

2.   угол между магнитной осью галактики и лучом зрения невелик (≤200), поэтому межгалактический газ, начиная аккрецию с разных направлений, соскальзывает по магнитным линиям и в глубоких слоях галактики удаляется от наблюдателя почти по параллельным траекториям;

3.   в линиях излучает аккрецирующий газ; механизм излучения – ионизация с последующей рекомбинацией и излучением, энергия излучения 1042- 1044 эрг/с;

4.   расстояние до галактики, определяемое по закону Хаббла, завышается на 2 и более порядка, что приводит к завышению энергии излучения до наблюдаемых значений 1046 – 1048 эрг/с.

5.    

 

-------------------------------------------------------

 

 

I.  Постановка задачи. Основные результаты

 

В [§§ 1.1-1.4] разработана гипотеза, согласно которой красное смещение излучения галактик и QSO обусловлено доплеровским и гравитационным смещениями излучения газа, аккрецирующего из межгалактического про­странства на ядро галактики (не разбеганием галактик). Аккреционно-гравитационный механизм красного смещения (AG – механизм) обусловливает наблюдаемые значения  красного смещения z, выполнение закона Хаббла для галактик высокой светимости и массы [§ 1.5],  позволяет объяснить большое число наблюдаемых явлений ,  не поддающихся интерпретации в рамках теории большого взрыва. Количественные результаты в работах [§§ 1.1-1.5] получены в предположении, что излучение аккрецирующего газа из некоторой области галактики пропорционально энергии аккреции газа в этой области:

 

Iизл.~Eаккр.                                                                         (1)

 

Процесс перехода энергии аккреции в излучение не рассматривался.

В данной работе рассмотрены два возможных механизма излучения (раздел III):

тепловое излучение IT аккрецирующего, нагревающегося газа;

рекомбинационное излучение Iр аккрецирующего газа, возникающего при ионизации сталкивающихся частиц с последующей рекомбинацией и излучением.

Второй механизм эффективнее по крайней мере на два порядка ≥102 IT.

Рекомбинационное излучение может возникать двумя путями:

при столкновении аккрецирующих частиц с частицами межзвездного газа – излучение Iаг;

при столкновении аккрецирующих частиц между собой   – излучение Iаа.

Таким образом,

 

Iизл= Iаа+ Iаг                                                                                      (2)

 

В зависимости от распределения массы галактики и межзвездного газа, преобладающим может быть любой из этих механизмов. Поскольку интенсивность излучения Iаа зависит от температуры Т аккрецирующего газа, была произведена оценка величины Т (раздел II), показавшая, что температура аккрецирующего газа удовлетворяет условию Т≤300 0К, то есть Т на эффективность излучения Iаа заметного влияния не оказывает.

Конкретизация механизма излучения аккрецирующего газа - (2) вместо (1) - вносит коррективы в результаты работ [§§ 1.1-1.7], связанные с учетом влияния многофазности межзвездной среды.

Расчеты показали, что при предположении о монотонном возрастании плотности межзвездного газа от значения 10-3см-3 на краю галактики до значения 105см-3 на расстоянии  10-6RG от центра галактики (RG – радиус галактики), количественные результаты, полученные на основании (1) и на основании (2) близки. По отношению к средней плотности  межзвездного газа сделанное предположение верно. Однако, в силу многофазности межзвездной среды ([1], c.20)  плотность межзвездного газа резко немонотонна и колеблется скачками от значений 10-3 до значений 2ּ103 и даже 105см-3 ([1], c.241). Это приводит к тому, что профиль излучения [§ 1.16] аккрецирующего газа в некоторой линии также будет резко немонотонным (тонкая линия рис.1), а не линией с двумя экстремумами в красной и фиолетовых областях (жирная линия рис.1), что характерно для монотонного распределения газа. Множественные дополнительные экстремумы на профиле линии обусловлены излучением   Iаг из плотных газовых облаков. Они могут затруднить поиск основного экстремума, по которому можно определить расстояние r  до галактики по закону Хаббла [§ 1.5]. Это приведет к разбросу наблюдательных данных. Поэтому полученные ранее закономерности будут выполняться лишь статистически.

 

Рис. 1

 

В разделе IV на примере спиральной галактики показано, что квазар – явление оптическое, обусловленное следующими причинами:

галактика далека от наблюдателя, так что периферийные части её скрыты флуктуациями фона ночного неба;

галактика обладает собственным магнитным полем и угол между магнитной осью галактики и лучем зрения невелик (≤200); вследствие этого межгалактический газ, начиная аккрецию с разных направлений, соскальзывает по магнитным линиям и в глубоких слоях галактики удаляется от наблюдателя почти по параллельным троекториям;

Энергия излучения в линиях только за счет механизма Iаг сравнима с энергией излучения всей галактики в оптическом диапазоне и составляет 1042÷1044 эрг/с;

Расстояние до галактики, определяемое по закону Хаббла, завышается на два и более порядка, что приводит к завышению энергии излучения до значений 1046÷1048 эрг/с, наблюдаемых у квазаров.

 

Выводы.

Излучение аккрецирующего газа обусловлено ионизацией сталкивающихся частиц с последующей рекомбинацией и излучением. Оно состоит из двух компонент Iизл= Iаа+ Iаг. Составляющая Iаг возникает при столкновениях аккрецирующих частиц с частицами межзвездного газа, составляющая Iаа  - при взаимных столкновениях аккрецирующих частиц. На различных участках аккреции доминирует либо Iаа, либо Iаг.

Полученные в предыдущих работах результаты, основанные на предположении о пропорциональности Iизл  энергии аккреции газа, остаются в силе, но выполняются лишь статистически.

 

Вывод

Квазар – явление оптическое, обусловленное вуалированием периферийных частей галактики фоном ночного неба и завышением расстояния до галактики, определяемого по закону Хаббла.

 

 

II. Температура аккрецирующего газа.

 

Температура ТА межгалактического газа находится в пределах 107÷108 0К,  плотность nА  10-7÷10-6 см-3 .

Аккреция межгалактического газа на галактику (см. §1.4)начинается с расстояния

 

                   (3)

где  G – гравитационная постоянная,

       m – масса аккрецирующего атома,

       MG – масса галактики,

       k   постоянная Больцмана.

 

При аккреции газа одновременно идут два процесса:

охлаждение за счет излучения;

нагревание за счет перехода части энергии аккреции во внутреннюю энергию газа.

В результате действия этих процессов в каждой части галактики устанавливается некоторая равновесная температура Травн. Оценим её.

 

Пусть единичный объем аккрецирующего газа ΔV находится на расстоянии R  от центра галактики. За единицу времени газ приобретает энергию ΔЕ+ за счет перехода части гравитационной энергии в тепло и теряет энергию ΔЕ-  - за счет теплового излучения. При равновесном процессе

 

ΔЕ+Е-            (4)

 

Объем  ΔV плазмы излучает как абсолютно черное тело

 

ΔЕ-=6σT4 ,                                                                     (5)

 

если плотность n газа в нем очень высокая (σпостоянная Стефана-Больцмана). При уменьшении плотности газа объем ΔV становится «прозрачнее», а его излучательная способность снижается. Учесть это можно введением корректирующего множителя в (5)

 

ΔЕ-=6CυσT4                                                                   (6)

 

Безразмерный множитель Cυ должен подбираться  из  следующих  соображений:

 1) излучение происходит как правило при столкновении атомов, следовательно Cυ~sn, s – сечение столкновения частиц газа;

2) при столкновении излучается квант энергии  ΔЕυ.

Таким образом, 

 

Cυ=АsnΔЕυ,                                                                    (7)

 

где А – единичный множитель, регулирующий размерность .

 

Учитывая, что аккрецирующий газ состоит в основном из водорода, можно положить

 

ΔЕυ=1512 c∙h=2,4·10-13 (эрг),                                                   (8)

 

что соответствует первому терму серии Лаймана (с – скорость света, h – постоянная Планка).

    

С учетом (6)-(8), а также значения σ ≈5,57·10-5эрг∙см-2град-4, получаем

 

ΔЕ-=8,16·10-17 АsnT4                                                                        (9)

 

Оценка ΔЕ+ получается из следующих соображений. За единицу времени объем ΔV проходит путь  ΔR=V (V – скорость аккреции в точке R) и приобретает дополнительную кинетическую энергию

 

,

 

 

где М – масса части галактики в шаре радиуса R.

Рассчитаем, какая доля этой энергии может перейти в тепло.

 

Длина свободного пробега аккрецирующих частиц λ = 1/sn.  Эффектив-

но взаимодействовать между собой могут частицы, расстояния между  кото-

рыми не намного превышает λ, то есть частицы из угла Δφ= λ/R  (рис.2). Проведенные расчеты показали, что для галактик с массой  МG =1044÷1045 г и радиусом RG =1021÷1022,      R<<RG ,     λ/R<<1.

 

     Скорость сближения частиц, аккрецирующих из точек А и В (рис.2) имеет порядок V+=V·Δφ. Во внутреннюю энергию переходит доля энергии аккреции, пропорциональная V+2, следовательно, пропорциональная Δφ2.

 

     Таким образом,

 

ΔЕ+=  ΔЕк· Δφ2

 

Что с учетом значений ΔЕк и Δφ дает

,                            (10)

 

     Из соотношений (4), (9) и (10) получаем значение равновесной температуры

 

                                                         (11)

 

где В – коэффициент,  численно равный 8,1·108 m/s3.

При решении задачи принято s =10-16см2, m=1,67·10-24г, ТА=5·107   0К.

Распределение массы по объему галактики следующее:

 

M=MG·10-s(lgRG/R), s=4·10-4, D=5.

     Скорость аккреции V в зависимости от расстояния R до центра галактики находилась численным методом. Масса и радиус галактики варьировались в следующих пределах: 

MG = 1044 - 1045,  RG = 1021 - 1022cм.. Плотность n аккрецирующего газа изменяется по закону

n = nA(RA / R)1,5                                                         [6].

 

     Численное решение уравнения (11) при перечисленных выше условиях показало, что равновесная температура аккрецирующего газа на краю галактики в зависимости от массы и радиуса галактики составляет 10÷50 0К, на расстоянии R=10-6·RG от центра  - 30÷300 0К.

     Скорость излучения тепла, изначально присущего аккрецирующему газу, была оценена следующим образом.

     Рассмотрим для определенности галактику с МG=1045г,  RG=1022см. Прирост кинетической энергии на пути от RА=1,2·1022 см до RG равен ≈ 10-9эрг.

 

Если бы даже вся эта энергия перешла в тепло, то она нагрела бы газ на величину ΔТ, которая определяется из соотношения

 

3/2·k ΔТ=Eк,

 

из которого следует, что ΔТ≈5·106   0К<<ТА=5·107  0К. Поэтому нагревание газа за счет сжатия в первом приближении можно не учитывать.

 

     Уравнение, описывающее остывание газа в этом случае составляется так.

На путь dR  аккрецирующая частица тратит время dt=dR/V. За это время единичный объем излучает энергию

 

ΔЕ-=8,1·10-17snT4 dR/V.

В пересчете на одну частицу это дает

8,1·10-17snT4 dR/V=k dТ,

откуда следует

 

dT/dR=-0,39s T4/V, T(RA)=5·107.

     Решение этого уравнения дает Т(RG) ≈ 0 0К, то есть изначально присущее межгалактическому газу тепло излучается на отрезке от RA  до RG.

 

Выводы.

1) изначально присущее межгалактическому газу тепло излучаетися на отрезке от начала аккреции до радиуса галактики;

2) при сжатии аккрецирующий газ медленно нагревается от нескольких десятков градусов на краю галактики до нескольких сот градусов в глубоких слоях галактики.

 

 

III. Механизм излучения газа, аккрецирующего на ядро галактики.

 

Рассмотрим возможные механизмы излучения аккрецирующего газа.

1. Ионизация при столкновениях аккрецирующих частиц с частицами межзвездного газа.

В этом случае интенсивность излучения из единицы объема равна:

 

Iаг=snгnаVEi,                                                                (12)

Где s  - сечение столкновения,

nг,nа – плотность межзвездного и аккрецирующего газа,

V – скорость аккрецирующего газа,

Ei – ионизационный потенциал.

 

2. Ионизация при столкновениях аккрецирующих частиц между собой.

Так как температура аккрецирующего газа недостаточна для эффективного протекания процесса ионизации (раздел II), то следует учитывать только ионизацию за счет столкновения частиц, аккрецирующих на ядро галактики с разных направлений (рис.2). Частицы, аккрецирующие из точек А и В столкнуться со скоростью

 

где   λ=АВ – длина свободного пробега частиц  (λ/R<<1, см. раздел II).  Если скорость V¤ достаточна для ионизации, то интенсивность излучения из единицы объема будет равна

 

Iаа= snаnаV¤ Ei,                                 (13)

 

 

3. Излучение за счет перехода части энергии аккреции во внутренюю энергию газа. За единицу времени единица объема аккрецирующего газа приобретает дополнительную энергию

.

Во внутреннюю энергию может перейти часть этой энергии, равная отношению

 

 

Если затем вся эта энергия перейдет в тепловое излучение, то интенсивность этого излучения из единицы объема будет равна

 

 

.                                                            (14)

 

Сравнение (12),(13),(14) показывает, что

1) IТ<< Iаг,  IТ<< Iаа. Например, для галактики массой МG=1044г. и радиусом  RG=1021 см при температуре и плотности межгалактического газа ТА=107   0К, nA=10-6см-3  для аккрецирующего водорода на краю галактики IТ/ Iаг ~ 10-2, с уменьшением расстояния до центра галактики это отношение убывает и, например, при R=10-3 RG     IТ/ Iаг ≤ 10-3;

 

2) на различных участках аккреции доминирующим является либо излучение Iаг, либо излучение Iаа. Это видно из соотношения

 

Iаг/ Iаа≈ 10-16nгR,                                                                               (15)

 

полученного с учетом соотношений V¤ V ( λ/R), λ=1/sna, s ≈ 10-16см -2; согласно [1] межзвездная среда многофазна, в ней встречаются области с nг от 10-3 до 105 см-3, так что при R ≤1022 возможны варианты  Iаг/Iаа<<1 и  Iаг/Iаа>>1.

Выводы.

1. Излучение аккрецирующего газа обусловлено ионизацией сталкивающихся частиц с последующей рекомбинацией и излучением.

2. В зависимости от плотности nг межзвездного газа и расстояния R до центра галактики доминирующим может быть либо излучение Iаг, либо излучение Iаа.

 

 

IV.      Квазар – далекая галактика без особенностей.

 

     Рассмотрим  спиральную галактику, аналогичную нашей Галактике, удаленную на такое расстояние r, что большапя часть спиральных рукавов и ядра будет скрыта флуктуациями фона ночного неба. Если такая галактика будет повернута к наблюдателю ребром, то AG  - механизм будет проявляться весьма слабо, так как газ, аккрецирующий в плоскости галактики, будет замагничиваться в спиральных рукавах, а газ, аккрецирующий по направлению, перпендикулярному к плоскости галактики, имеет малое красное смещение.

     Если далекая спиральная галактика будет повернута плоскостью к наблюдателю, то явление, наблюдаемое, как квазар, проявится  наиболее отчетливо.

            Рассмотрим излучение Iаг на плотных газовых облаках. В ядрах спиральных галактик наблюдаются [1] плотные (nг =105 см-3) водородные облака диаметром ~ 0,1 пк. Толщина спиральной галактики в центре составляет 5·1020 ÷1021см [1]. Судя по размерам указанных плотных облаков, их наличие следует ожидать на расстояниях R>1017см. Допустим, что облако расположено в слое 1017< R<1018см.  Для галактики массой МG=1045г. красное смещение z излучения аккрецирующего газа для 1017< R<1018см. может варьироваться в пределах от 0,2 до 4,5 (в зависимости от распределения массы по объему галактики), а скорость аккреции от 109 до 2·1010см/с. Плотность аккрецирующего газа рассчитывается [§ 1.4],  по формуле na = nА(RА/R)1,5.

     Полагая nА = 10-6см-3, получаем R~1017, na ~30. В действительности величина na, по-видимому, значительно больше (на порядок, или более того), так как межгалактический газ аккрецирует на полюс не прямолинейно, а соскальзывает по магнитным линиям, создавая «эффект воронки». Этот эффект проиллюстрирован на рис.3, где показано в поперечном разрезе магнитное поле спиральной галактики квадрупольной конфигурации и изображены конус (для прямолинейной аккреции) и воронка (для реально осуществляющейся аккреции). Если облако ионизовано, то параметр s в (12) следует принять равным 10-16 ÷10-15см2 [2].

 

 

     С учетом вышесказанного, оценка интенсивности  излучения аккрецирующего газа из объема облака с диаметром 0,1пк плотностью nг =105 см-, расположенного на расстоянии 1017< R<1018см  от центра галактики по формуле (12) дает 1042 ÷1044эрг/с, что сравнимо с мощностью излучения всей галактики в оптическом диапазоне. Расчет расстояний r до далеких галактик производится по формуле  (с – скорость света, H – постоянная Хаббла). При z =0,74, Н=75 км·с/Мпс расчетное значение r  равно 1,1·1028 см. Если реально галактика удалена от наблюдателя на расстояние 1026  см., то происходит завышение этого расстояния на два порядка, а, следовательно, энергия излучения завышается на четыре порядка, что дает Е ~ 1046 ÷1048 эрг/с – типичная «колоссальная» энергия излучения квазаров.

Описанный выше механизм излучения квазаров позволяет естественно объяснить некоторые пекулярные свойства квазаров:

1) аномально малые размеры квазара ~ 1012 см. (оцениваются по переменности излучения, наблюдаемой на интервалах порядка минуты) являются следствием сжатия аккрецирующего газа магнитным полем галактики в узкий жгут («эффект воронки»).

2) Наличие эмиссионных линий с различными z а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных линий иллюстрируется рис.4 – на луче зрения расположены три облака газа на разных расстояниях от центра О галактики R1>R2>R3. Соответственно z1,em<z2,abs, так как  z2,abs  возникает при прохождении излучения из облака 3 через облако 2.

 

Рис. 4

 

Для возникновения явления, наблюдаемого как квазар, не обязательно, чтобы галактика была спиральной. Достаточно, чтобы она обладала собственным магнитным полем и чтобы угол φ между магнитной осью и лучем зрения был невелик. С ослаблением магнитного поля или увеличением угла φ описанные выше эффекты становятся менее отчетливыми (исчезает «эффект воронки», уменьшается z).

 

Выводы.

1. Квазар – явление оптическое, обусловленное следующими причинами:

1) Галактика далека от наблюдателя, так что периферийные части её скрыты флуктуациями фона ночного неба;

2) фиксируемое наблюдателем излучение квазара является излучением аккрецирующего газа, идущим из глубоких слоев галактики;

3) галактика обладает собственным магнитным полем и угол между магнитной осью и лучем зрения невелик (≤200). Вследствие этого межгалактический газ, начиная аккрецию с разных направлений, соскальзывает по магнитным линиям и в глубоких слоях галактики удаляется от наблюдателя почти по параллельным траекториям;

4) энергия излучения в линиях только за счет механизма  Iаг может быть сравнима с энергией излучения всей галактики в оптическом диапазоне и составлять 1042 ÷1044  эрг/с.;

5) расстояние до галактики завышается на два и более порядка, что приводит к завышению энергии до значений 1046 ÷1048 эрг/с., наблюдаемых у квазаров.

2. Аномально малые размеры квазара, определяемые по переменности излучения, обусловлены излучением аккрецирующего газа, сжатого магнитным полем в узкий жгут.

3. Наличие в спектре квазара эмиссионных линий с различным красным смещением, а также абсорбционных линий с красным смещением большим, чем у эмиссионных, объясняется излучением аккрецирующего газа на межзвездных газовых облаках, расположенных на разных расстояниях R от центра галактики.

 

Литература

 

1. А.А. Рузмайкин, Д.Д. Соколов, А.М. Шукуров. Магнитные поля галактик. – М., «Наука», 1988.

2. Голант В.Е., Жилинский а.п., Сахаров С.А. Основы физики плазмы. – М., 1977.