В 1963 р американський астроном голландського походження М. Шмідт зробив одне з найбільших відкриттів в астрономії ХХ в. Це відкриття, проте має свою передісторію. Близько 1960 р

Відкриття змінності 3С 273 було дійсне парадоксальним. Донині змінність астрономи знаходили і вивчали у зірок різних типів. Але ж, здавалося, 3С 373 - це галактика, що складається з трильйонів зірок, кожна з яких, звичайно, повинна випромінювати незалежно. Отже про змінність "згладженого" і усередненого за часом випромінювання такої величезної кількості зірок не могло бути і мови! Та все ж змінність, і притому значна, була в наявності! З того простого факту, що характерний час зміни потоку (а, отже, світимості) був біля 1 року, з очевидністю витікало, що лінійні розміри випромінюючої області не перевищують 1 світловий рік - величина, нікчемно мала для галактик. Звідси слідував висновок, що випромінюють не зірки, а щось інше. Відносно цього "іншого" можна було тільки сказати, що це об'єкт, до певної міри близький по своїй природі ядрам сейфертовських галактик, але тільки в тисячі раз могутніше і активніше. До речі, помітимо, що історично змінність блиску ядер сейфертовських галактик була відкрита пізніше, а саме дослідження цих галактик в значній мірі стимулювалося дослідженням об'єктів, споріднених по своїй природі 3С 273 і "квазарів", що одержали назву, “квазізоряні радіоджерела” ("квази-зоряні" об'єкти).

Щоб встановити природу дивних небесних тіл, сфотографували їх спектр. І побачили зовсім несподіване! Ці “зірки” мали спектр, різко відмінний від всіх інших зірок. Спектри були абсолютно незнайомими. У більшості квазарів вони не містили не тільки добре відомих і характерних для звичайних зірок ліній водню, в них взагалі з першого погляду не можна було знайти жодній лінії навіть якого-небудь іншого хімічного елемента. Працюючий в США молодий голландський астрофізик М.Шмідт з'ясував, що лінії в спектрах дивних джерел невпізнанні лише тому, що вони сильно зміщені в червону область спектру, а насправді це лінії добре відомих хімічних елементів (раніше всього водню).

Причина зсуву спектральних ліній квазарів була предметом великих наукових дискусій, у результаті яких пригнічуюче більшість астрофізиків прийшли до висновку, що червоний зсув спектральних ліній пов'язаний із загальним розширенням Метагалактики.

В спектрі об'єктів 3С273 і 3С48 червоний зсув досягає небувалої величини. Зсув ліній до червоного кінця спектру може бути ознакою видалення джерела від спостерігача. Чим швидше віддаляється джерело світла, тим більше червоний зсув в його спектрі.

Характерний, що в спектрі практично всіх галактик (а для далеких галактик це правило не має жодного виключення) лінії в спектрі завжди зміщені до його червоного кінця. Червоний зсув пропорційний відстані до галактики.
Швидкість видалення
У найдальших з відомих до цих галактик червоний зсув вельми великий. Відповідні йому швидкості видалення вимірюються десятками тисяч кілометрів в секунду. Але у об'єкту 3С48 червоний зсув перевершив всі рекорди. Вийшло, що він несеться від Землі з швидкістю тільки приблизно удвічі менше швидкості світла! Якщо вважати, що цей об'єкт підкоряється загальному закону червоного зсуву, легко обчислити, що відстань від Землі до об'єкту 3С48 рівна 3,78 млрд. світлових років! Наприклад, за 8 1/3 хвилин промінь світла долетить до Сонця, за 4 роки – до найближчої зірки. А тут майже 4 млрд.рок безперервні надстрімкі польоти – час, порівнянний з тривалістю життя нашої планети.

Для об'єкту 3С196 відстань, також знайдена по червоному зсуву, вийшла рівною 12 млрд. світлових років, тобто ми уловили промінь світла, яке було послане до нас ще тоді, коли ні Землі, ні Сонця не існувало! Об'єкт 3С196 дуже швидкий – його швидкість видалення по променю зору досягає 200 тисяч кілометрів в секунду.

З відомих нині квазарів, загальне число яких більше 10 000, найближчий видалений на 260 000 000 світлових років, найдальший – на 15 млрд. світлових років. Квазари, мабуть, найстаріші з об'єктів, спостережуваних нами, оскільки з відстані в мільярди світлових років звичайні галактики не видні ні в один телескоп. Проте це “живе минуле” поки що вчинено незрозуміло нам. Природа квазарів дотепер повністю не з'ясована.

Здавалося б, об'єкти, такі далекі від Землі, повинні бути доступними лише спостерігачу, озброєному наймогутнішими сучасними телескопами. Насправді, наприклад, об'єкт 3С273 можна знайти в сузір'ї Волосся вероніки як зірочку 12,6 зоряної величини. Такі зірки доступні навіть любительським телескопам.

Таємним є і той факт, що за своїми розмірами квазари явно менше галактик: адже вони виглядають як точкові джерела світла, тоді як навіть найдальші галактики схожі на розмиті плями, що світяться.

Джерело енергії
Якими ж жахливими по потужності випромінювання повинні бути ці джерела світла, якщо з відстані в мільярди світлових років вони здаються такими яскравими!

Найважче питання, пов'язане з квазарами, - це пояснення гігантського виділення енергії. Якщо квазари і справді знаходяться на космологічно великих відстанях від нас (тобто червоний зсув дійсно пов'язаний з розширенням Всесвіту), то потрібно пояснити, як виникає ця найсильніша світимість. Залишається загадкою, яке ж джерело енергії підтримує свічення квазара. Ясне одне, що який би не було це джерело, зосереджений він у відносно невеликій області простору, тобто достатньо компактний. А це саме по собі вже говорить про те, що механізм виділення енергії в квазарі вельми незвичайний.

Багато астрофізиків вважають, що квазари пов'язані з ядрами галактик, що знаходяться на певному ступені еволюції. Наприклад, ядро галактики М87 набагато яскравіше за її зовнішні частини. Але є галактики і інших типів, так звані сейфертовськи галактики, у яких контраст яскравого ядра з рештою слабосвітної частини виражений ще більш різко. Можливо, квазари – наступний ступінь цієї послідовності. Якщо вони розташовані дуже далеко, то ми бачимо тільки їх яскраве ядро, слабка ж оболонка (якщо вона взагалі є) просто зовсім не видна.

Висловлюється також припущення, що, як і в галактиці М87, виділення енергії в квазарах, можливо, пов'язано з наявністю надмасивних чорних дір. Починаючи з серединою 70-х років ідея про те, що гігантське виділення енергії в квазарах пояснюється чорними дірами, придбала велику популярність.

Процес виділення енергії теж пов'язують з роботою сил тяжіння, а радіовипромінювання квазара – це синхротронне випромінювання заряджених частинок в магнітному полі.

Деякі астрономи вважають, що потоки енергії від квазарів значно нижче, оскільки відстані до них сильно перебільшені. Якщо квазари, скажімо, в 100 разів ближче до нас, ніж ми думаємо, то ми завищуємо в 10 000 разів їх світимість при розрахунках потужності випромінювання по їх спостережуваній яскравості. Астрономи, які дотримуються цієї точки зору, виходять з того факту, що квазари часто видні на небі поряд з пекулярними (незвичайними) галактиками. Ці галактики, хоча і дещо незвичайні по своїй структурі, мають звичайні червоні зсуви, яким відповідають швидкості видалення, рівні декільком відсоткам від швидкості світла. А квазари, розташовані на небі поблизу від них, мають червоні зсуви в 10 – 20 разів більше!

Якщо квазари знаходяться по сусідству з досить близькими галактиками, ніж пояснити їх величезні червоні зсуви? Єдине розумне пояснення – ефект Доплера, але чому ми завжди спостерігаємо лише червоний зсув (видалення) і ніколи – фіолетове (наближення)? І як речовина могла бути викинуте (завжди в напрямі від нас!) з такими величезними швидкостями і зберегти при цьому форму єдиного об'єкту?

Відповідь свідчить: це нікому невідомо. За 15 років не вдалося визначити ні відстані до квазарів, ні їх природу і джерела їх колосальної енергії. Можливо, загадка квазарів таїть в собі ключ до якоїсь нової області астрофізики, якісь нові можливості виникнення великих червоних зсувів в невідомих нам ситуаціях або нові способи генерації гігантських енергій, якщо квазари знаходяться дуже далеко. Сподіватимемося, що в подальші роки нам вдасться подолати ці труднощі в поясненні природи видалених областей Всесвіту, в яких розташовані квазізоряні об'єкти. А зараз ми можемо тільки сказати: мабуть, це природні, а не штучні астрономічні об'єкти, оскільки поки не зрозуміло, як цивілізація могла б “зробити” квазар.

Московські астрономи А.С.Шаров і Ю.Н.Ефремов вирішили з'ясувати, як поводилися у минулому “дивні зірки”. Вони уважно проглянули 73 негативи, на яких з 1896 по 1963 р. був відображений об'єкт 3С273. Висновок, до якого прийшли радянські учені, можна вважати цілком достовірним. А він вражаючий. Виявилося, що 3С273 міняв свою яскравість! І не трохи, а дуже помітно – від 12,0 до 12,7 зоряних величин, тобто майже в два рази. Бували випадки (наприклад, в період з 1927 по 1929 р.), коли за нетривалий час потік випромінювання від 3С273 зростав в 3 – 4 рази! Іноді за декілька діб об'єкт мінявся на 0,2 – 0,3 зоряної величини. При цьому зовні, оптично, не відбувалося ніяких інших істотних змін – “дивна зірка” незмінно здавалася зіркою, хоча і змінною. Подібне явище пізніше було знайдено і у об'єкту 3С48.

Відомі тисячі змінних зірок, що з різних причин змінюються. Але серед звичайних галактик не було зареєстровано жодної змінної. Хоча багато хто з них містить тисячі і мільйони змінних зірок, коливання їх світимості відбуваються в різнобій і такі неістотні для галактики в цілому, що загальне випромінювання галактик завжди залишається практично незмінним. Жоден оптичний інструмент миру не може уловити хоча б щонайменші коливання світимості якої-небудь з галактик.

Залишаються три можливості. Перша з них безглузда: зірки галактики змінюються відразу і однаково, як по команді, в одному ритмі. З фізичної сторони таке пояснення настільки абсурдне, так суперечить всім нашим знанням про космос, що не заслуговує серйозного розгляду. Друга можливість - дивні об'єкти, схожі з галактиками по характеру червоного зсуву, мають фізичну природу, вчинено відмінну від галактик. Проте, більшість астрономів припускає, що квазари – активні ядра наддалеких галактик.

Безперечно, що квазари – це не протяжні, розкидані на десятки тисяч світлових років зоряні системи, а якісь вельми компактні тіла невеликих порівняно розмірів і колосальної маси (мільярди сонячних мас). Відносно малі розміри можуть пояснити швидкість коливань світимості всього об'єкту в цілому, а величезна маса – єдино можлива причина виняткової яскравості, або, точніше за світимість небесного тіла. Чим масивніше зірка, тим яскравіше вона світить. Ця закономірність виходить як з наглядів, так і з теоретичних міркувань.

Не тільки по масі, але і по потужності випромінювання квазари різко відрізняються від всіх відомих небесних тел. Навіть найновіші зірки “бліднуть” порівняно з ними. Найновіші зірки випромінюють світла в декілька мільярдів раз більше, ніж Сонце тільки у момент свого могутнього вибуху. Рядовий же квазар завжди в десятки тисяч раз випромінює більше

Розвиток рентгенівської астрономії допоміг встановити, що більшість квазарів виявилася могутніми рентгенівськими джерелами. Деякий натяк на це можна було помітити ще в результаті найперших рентгенівських наглядів квазара 3С273, а в останніх дослідженнях обсерваторії “Ейнштейн” (“НЕАО-В”) було знайдено вже більше 100 квазарів з сильним рентгенівським випромінюванням.

Виходячи з цих наглядів, вважають, що на відміну від радіовипромінювання рентгенівське випромінювання – характерна властивість квазарів.
Кратні квазари
Особливу увагу астрофізиків і фізиків привернули кратні (подвійні, потрійні) квазари: подвійний квазар в сузір'ї Великої Ведмедиці (1978), потрійний квазар в сузір'ї Льва (1980) і такий же квазар в сузір'ї Риб (1981). Кожний з об'єктів був квазарів-близнят, розташованих один від одного на відстані декількох кутових секунд, що мають дуже схожі спектри і червоні зсуви. Проте, ймовірно, перераховані квазари не є “істинні” кратні квазари, а лише зображення відповідного джерела. Розщеплювання одного зображення на декілька відбувається під дією гравітаційного поля масивної галактики, що виявилася на шляху між квазаром і нами. Проміння світла від квазарів може викривлятися під дією гравітації галактик, що грають роль джерел гравітаційного фокусування. Такі гравітаційні лінзи можуть спотворювати форми далеких галактик, що, на думку деяких учених, відкриває нові можливості дослідження великомасштабних неоднорідностей в розподілі речовини у Всесвіті.

Не виключено, що ефект гравітаційної лінзи в деяких випадках створюють не далекі галактики, а масивні чорні діри. Індійські астрофізики Г. Падманабхан і С. Читре обернули увагу на випадки, коли видно подвоєне зображення квазара, а галактики, що викликала це явище, поблизу не знайдено. Ось і з'явилася гіпотеза про те, що ефект створюють практично точкові чорні діри з масою, в мільйон раз перевершуючої масу Сонця. Оскільки дотепер ніде жодна чорна діра не знайдена, то поки важко сказати, наскільки близька до істини така гіпотеза.

Питання про те, чи існують в природі “істинні” подвійні квазари, залишається предметом досліджень і дискусій.

Радіоструктура квазарів
Радіоструктура квазарів багато в чому нагадує радіогалактики, так що звичайно по одній лише цій структурі відрізнити квазари неможливо. Так само, як і у радіогалактик, дуже часто спостерігаються подвійні радіоджерела, між якими знаходиться компактний, іноді змінний, радіоджерело, співпадаюче по своїх координатах із зіркоподібним оптичним об'єктом - квазаром. В дуже окремих випадках у найближчих квазарів біля зіркоподібного об'єкту спостерігаються дуже слабкі протяжні утворення. Від квазара 3С 273 виходить слабкий струмінь - викид протяжністю близько 20". На такій величезній відстані цим кутовим розмірам відповідає лінійна протяжність близько 100 тисяч світлових років. Цей струмінь, крім оптичного випромінювання, випромінює також радіохвилі, так що квазар 3С 273 можна розглядати як подвійне радіоджерело. Слід помітити, що аналогічні викиди спостерігаються також і у деяких радіогалактик. Особливо цікавий викид у однієї з найближчих до нас радіогалактик, про яке йтиметься далі.

Важливим питанням є приналежність квазарів до скупчень галактик. Довгий час не можна було вирішити питання в позитивному значенні. Це і зрозуміло, адже квазари випромінюють в сотні раз інтенсивніше за "нормальні" галактики, тому останні, що знаходяться в тому ж скупченні, будуть дуже слабкі, щоб вивчатися спектроскопічно. Адже критерієм приналежності до одного скупчення є однаковий червоний зсув у галактик і квазарів. Тільки для небагатьох, порівняльно близьких квазарів, вдалося знайти скупчення галактик, в яких вони знаходяться.

В даний час відома і занесена в каталоги понад тисячу квазарів, що і дозволяє виконати їх статистичний аналіз. Перш за все, вдалося побудувати "функцію світимості" квазарів, тобто їх розподіл по потужності випромінювання. З неї виходить, що відносна кількість квазарів убуває у міру зростання потужності їх випромінювання. Найважливішим результатом таких статистичних досліджень є висновок про те, що на більш ранніх етапах еволюції Вселеної, коли її розміри були в 3-5 разів менше нинішніх, квазарів було набагато більше, ніж зараз. В ту віддалену епоху квазарів було майже стільки ж, скільки і "нормальних" галактик. Не можна виключити гіпотезу, що тоді всі галактики були квазарами! Цей важливий висновок, проте, має потребу для свого підтвердження в нових наглядах.

Звертає на себе увагу та обставина, що кількість квазарів, починаючи із значенням червоного зсуву, що перевершує деяку межу (відповідний збільшенню довжини хвилі в 4,5 - 5 разів), різко падає. Звичайно, не можна виключити чисто інструментальну причину цього явища, проте цілком можливо, що квазари з великими червоними зсувами просто відсутні. Така відсутність природніше всього пояснити тим, що якраз в цю епоху розвитку Всесвіту утворювалися шляхом конденсації газу галактики. До цього (тобто при великому червоному зсуві) ні галактик, ні квазарів просто не було. Такий висновок, звичайно, мав би дуже велике значення для проблеми еволюції Вселеної, оскільки дозволив би уточнити епоху формування галактик, а отже, і зірок. Потрібні, проте, ще нові високоякісні нагляди, щоб його підтвердити.

Вище ми вже говорили про змінність оптичного випромінювання квазарів. Як крайній прояв такої змінності слід згадати про "спалах" квазара 3С 279. В даний час він спостерігається як злегка змінна слабка зірочка 18-й величини. Проте на старих астрономічних фотографіях довоєнного часу (тобто задовго до відкриття квазарів) цей об'єкт виявився істотно більш яскравим - майже 13 величини! Це означає, що він був яскравіше, ніж тепер, в сотню раз! Знаючи по червоному зсуву відстань 3С 279, можна знайти, що під час "спалаху" його світимість була майже в сотню раз більше, ніж у 3С 273 і в десять тисяч раз більше, ніж у нашої Галактики! І при цьому розміри випромінюючої області нікчемно малі, менше світлового року. В даний час квазар 3С 279 вважається наймогутнішим "маяком" Всесвіту. Ми бачимо, що розкид значень світимостей об'єктів метагалактик надзвичайно вели майже такій же, як у зірок!

Велике значення для розуміння природи квазарів мають дослідження змінності їх радіовипромінювання, особливо на сантиметровому діапазоні. При цьому було показано, що моменти максимуму потоку випромінювання повинні мінятися закономірним чином із зміною довжини хвилі. Так само повинен мінятися і сам характер радіоспектру (діаграма на 15 стор., де приведені результати наглядів спектрів квазарів в різні моменти часу). На підставі теорії синхротронного випромінювання можна по відомій частоті, відповідній максимуму радіовипромінювання, і величині максимального потоку визначити кутові розміри джерел радіовипромінювання, які виявляються порядку тисячних часток секунди дуги. Знаючи (по величині червоного зсуву) відстані до квазарів, можна тепер знайти лінійні розміри пов'язаних з ними компактних радіо-джерел. Встановлено, що їх розміри менше одного світлового року, у згоді з оцінками, одержаними на основі аналізу змінності потоку.

Дотепер ми говорили тільки про радіо і оптичному випромінюванні квазарів і радіогалактик. Тим часом, в останнє десятиріччя все більше значення придбаває дослідження рентгенівського випромінювання цих об'єктів метагалактик. Вперше рентгенівське випромінювання від позагалактичного об'єкту було знайдено ще в 1971 р. на першому спеціалізованому рентгенівському супутнику "Ухуру", що заклав основи сучасної рентгенівської астрономії. Цим об'єктом позначилася одна з найближчих радіогалактик NGC 4486. Іншим рентгенівським джерелом метагалактики виявилася яскрава сейфертовська галактика NGC 4151. Не підлягає сумніву, що випромінює активне ядро цієї галактики. Незабаром був знайдений слабкий потік рентгенівського випромінювання і від першого відкритого квазара 3С 273, а також від радіогалактики Либідь-А. Новий етап у вивченні позагалактичних рентгенівських джерел наступив в 1979 р., після запуску космічної лабораторії імені Ейнштейна. На цій обсерваторії чутливість приймальної рентгенівської апаратури була в 1000 разів вище, ніж на "Ухуру", при дуже хорошій кутовій роздільній здатності. В результаті виявилося можливим здійснити масове визначення рентгенівського випромінювання великої кількості квазарів, а також сейфертовських галактик. Крім того, був одержаний великий наглядовий матеріал по рентгенівському випромінюванню скупчень галактик, що представляє особливий інтерес.

Всього було досліджено рентгенівське випромінювання більш ніж 100 квазарів і велику кількість сейфертовських галактик і скупчень. Практично всі квазари є джерелами рентгенівського випромінювання, потужність якого міняється в широких межах, від сотих часток повного випромінювання нашої Галактики до значень, в тисячу раз перевершуючих повну потужність Галактики. Як правило, рентгенівське випромінювання квазарів змінне; це указує (як у разі радіовипромінювання), що воно виникає в малій області. Наявність могутнього рентгенівського випромінювання квазарів і активних ядер галактик свідчить про грандіозні процеси, пов'язані з нагрівом газу до температури порядка сотні мільйонів градусів, що відбуваються там. Мабуть, частина рентгенівського випромінювання не пов'язана з гарячою плазмою, а створюється релятивістськими електронами, що взаємодіють з полем випромінювання великої густини (явище Комптона). В даний час, комбінуючи тільки рентгенівські і оптичні нагляди, вдалося відкрити ряд нових квазарів. Це наочно демонструє, що "проникаюча" здатність рентгенівської астрономії може бути навіть вище, ніж у радіоастрономії.

Астрономи нарешті побачили квазари другого типу

Припущення про існування квазаров другого типа було вперше озвучено на початку 80-х років, коли була побудована єдина модель квазарів і інших яскравих об'єктів, що підживляються енергією від масивних черных дыр.

Звичайні квазари знаходяться на відстані декількох мільярдів світлових років від Землі. Квазар другого типу, як і звичайний квазар, є дуже яскравим джерелом рентгеновского і іншого випромінювання, але на відміну від перших оточені хмарою газу і пилу, яка зменшує його яскравість видимому діапазоні довжини хвиль. Інакше кажучи, до недавнього часу побачити квазар другого типу нікому не вдавалося.

І ось на днях людський погляд вперше поглянув на цей астрономічний об'єкт. За заявою астрономів, ця знахідка є важливим кроком на шляху до розуміння того як на зорі існування Всесвіту утворили чорні діри і галактики. В роботах брали участь фахівці з декількох обсерваторій з різних країн світу, у тому числі з університету Джонса Хопкинса і Південної європейської Обсерваторії. Для пошуку квазара другого типу були використані рентгеновский космический телескоп "Chandra" і наземний Великий Телескоп Very Large Telescope (VLT) з Південної європейської обсерваторії в Чилі. Знайдений квазар другого типу розташований в південному созвездии Печь на відстані 9 мільярдів світлових років від Землі.
В кожній галактиці квазар в центрі
Квазари — це яскраві джерела випромінювання в оптичній і інших частинах спектру. Звичайно вони знаходяться в центрі якої-небудь галактики. Серед астрофізиків поширена думка, що квазар є порівняно невеликим гарячим газовим диском, що оточує чорну діру, маса якої може складати 1011 мас Сонця.

Недавно фахівці вважали, що радіогалактики влаштовані інакше, ніж “квазарні”. Проте, після того, як знайшли в центрі радіогалактики Лебідь А, розташованої в 750 млн. св. років від нас, крихітне джерело інфрачервоного випромінювання, співпадаюче з радіоджерелом, думка кардинально помінялася щодо пристрою всіх галактик. Інфрачервоне джерело схоже на квазар, але він дивно слабкий і невидимий в оптичній області.

Відомо, що яскравість квазара в інфрачервоному промінні пропорційна його інтенсивності в рентгенівському діапазоні. Галактика Либідь А — могутнє джерело рентгенівського випромінювання.

Відповідний йому але інтенсивності квазар був би повинен був випромінювати в інфрачервоному діапазоні в 200 разів сильніше, ніж спостерігається. Такий квазар можна б було легко спостерігати в оптичному діапазоні.

Надалі, учені прийшли до висновку, що в центрі радіогалактики Лебідь А розташований саме квазар, проте, він екранується тороїдальною хмарою газу і космічного пилу (“бубликом”).

Встановлено, що інфрачервоне джерело в центрі Лебедя А лежить за щільною водневою хмарою. Очевидно, воно і є частина того ж “бублика” з діаметром близько 10 св. років, який був раніше знайдений. Із Землі “бублик” видний з торця, тому випромінювання, що йде до нас з центру галактики, повинне пройти крізь досить щільне скупчення матерії. Згідно наглядам астрономів, скупчення пропускає не більше 1/200 всього інфрачервоного випромінювання, поступаючого з об'єкту, що знаходиться усередині нього. Якби не ця обставина, квазар, що лежить в центрі Лебедя А, виглядав би в 10 разів яскравіше, ніж навколишня його галактика. Цей квазар — рядовий серед подібних об'єктів, але він, мабуть, найближчий до нас. Наступний за ним по відстані квазар ЗС 273 володіє в 30 разів більшою світимістю.