[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Наблюдательная космология фактически началась с открытия реликтового излучения и квазаров. Что такое квазары и как они используются в космологии, поговорим в этой лекции. И я начну коротко с истории открытия квазаров. Квазары были открыты полвека назад, и это сделал астроном Мартин Шмидт. Его изображение на обложке журнала Time показано здесь. Точно так же, как открытию реликтового излучения, открытию квазаров способствовало изучение неба в радиоволновом диапазоне. Дело в том, что когда впервые посмотрели на небо в радиоволнах, то определили, что некоторые звезды являются источниками радиоволн. Эти звезды даже поначалу назвали отдельным словом — квазар, что от английского сокращения «квазизвездный объект», quasi-stellar object. На этом рисунке показан первый открытый фактически квазар. Это квазар 3C273. И видно, что... это показано оптическое изображение участка неба. Видно, что квазар, в центре который находится, ничем в оптическом диапазоне не отличается от звезд. Но тем не менее, когда сняли спектр излучения этого квазара, спектр это то, как интенсивность излучения зависит от длины волны, оказалось, что спектр излучения квазара сильно отличался от спектра, характерного спектра звезд, который был известен в то время. И были видны некоторые неизвестные эмиссионные линии в спектре квазара, которые не соответствовали ни одному из известных элементов. Заслуга Мартина Шмидта состоит в том, что он сумел отождествить линии в спектре квазара 3C273. Он сказал, что эти эмиссионные линии — это линии бальмеровской серии нейтрального водорода, только сдвинутые на фактор красного смещения. И он определил красное смещение, и как вы видите, это красное смещение на самом деле оказалось не таким большим, порядка 0,2, но тем не менее в то время это вызвало очень бурные дискуссии, потому что не было известно объектов, которые могли давать такое большую светимость, чтобы быть видны с космологических расстояний, соответствующих красному смещению 0,2. Сейчас мы знаем, что квазары — это активные ядра галактик. Внутри каждой из галактик находится сверхмассивная черная дыра, и вещество из галактики аккрецирует на эту сверхмассивную черную дыру, сильно разогревается и светит. При этом важно заметить, что в энергию излучения переходит почти 20 % от массы покоя падающего вещества. Это очень большая, колоссальная энергия. За счет этого мы можем видеть квазары на больших космологических расстояниях. Реально сейчас квазары видны вплоть до красных смещений порядка 8. Это значит, что квазары просвечивают практически полностью объем Вселенной. Помимо этого, колоссальная светимость квазара позволяет нам получать спектр квазара и исследовать их. Здесь показан спектр квазара, который находится на красном смещении 2,5. Оказывается, что вещество, которое попадает на луч зрения между нами и квазаром, оставляет линии поглощения в спектре, но так как эти линии поглощения формируются в различные космологические эпохи, то они все сдвинуты на фактор красного смещения. И это приводит к тому, что мы можем, изучая спектр, изучать и расположение абсорбционных линий в спектре, изучать распределение вещества между квазаром и нами. В некотором роде это похоже на стандартные рентгеновские изображения, которые могут быть получены в медицинских кабинетах. То есть здесь распределение вещества изучается на просвет. Оказывается, что большинство абсорбционных линий в спектре квазара образуется, когда излучение от квазара проходит через межгалактическое вещество во Вселенной. Большинство абсорбционных линий в спектре квазара — это линии Лайман-альфа, которые соответствуют переходу между первым и вторым уровнем нейтрального водорода. Это связано, во-первых, с тем, что нейтральный водород — это самый распространенный элемент во Вселенной, а, во-вторых, связано с тем, что линия Лайман-альфа имеет длину волны перехода, равную 1215 ангстрем. Интересно, что в спектре квазара видна эмиссионная линия Лайман-альфа, сдвинутая на красное смещение, связанное с квазаром. Это просто светится вещество, которое падает на сверхмассивную черную дыру в галактике, к которой относится квазар. Вещество, которое попадает на луч зрения между квазаром и нами, имеет красное смещение меньше, чем красное смещение квазара, поэтому линии Лайман-альфа будут сдвинуты в левую сторону от эмиссионной линии Лайман-альфа. И реально наблюдается частокол линий. И такие системы абсорбционных линий называют линии Лайман-альфа леса. Оказалось, что линии Лайман-альфа леса хорошо выражены для квазаров с красным смещением порядка двух-трех. Но если мы посмотрим на квазары, которые находятся близко к нам, как пример здесь показан первый открытый квазар 3C273, то мы практически не видим линии Лайман-альфа леса. Я замечу, что спектры квазара здесь уже пересчитаны в систему отсчета, связанную с квазаром. Оказалось, это происходит по причине процесса, который носит название реионизация Вселенной. Суть этого процесса состоит в следующем. После первичной рекомбинации вещество, в целом, являлось нейтральным, то есть существовали атомы водорода. Но в какой-то момент в веществе стали образовываться первые звезды, и интенсивное ультрафиолетовое излучение от них стало ионизовать вещество, находящееся в объеме Вселенной. Этот процесс носит название процесса реионизации Вселенной. И постепенно, примерно к красным смещениям порядка 10, Вселенная в целом реионизовалась. И оказывается, что тот Лайман-альфа лес, который мы видим в спектрах квазаров — это просто остаточная доля нейтрального водорода, который остался после процесса реионизации Вселенной. Постепенно межгалактическое вещество ионизуется больше и больше, и Лайман-альфа лес исчезает из спектров квазара. Моделирование процесса реионизации Вселенной показано на этом слайде. Прозрачными областями показаны области с высокой степенью ионизации, темными областями — области, в которых газ, в целом, нейтрален. Видно, что постепенно раздуваются пузыри ионизации, которые сливаются, и в какой-то момент Вселенная просветляется. И это значит, что она в целом становится сильно ионизованной. Мы уже с вами говорили, что спектр квазара используется для исследований крупномасштабной структуры Вселенной. В том числе с помощью спектров квазаров были исследованы так называемые барионные акустические осцилляции. Это исследование было выполнено, как раз используя линии Лайман-альфа леса. Оказывается, что в распределении линий межгалактического вещества, которые трассируются линиями Лайман-альфа леса, виден характерный пик на масштабе 100 мегапарсек, который как раз соответствует барионным акустическим осцилляциям. И с помощью этого пика была исследована динамика расширения Вселенной. Помимо изучения линий Лайман-альфа леса, то есть исследования межгалактического вещества во Вселенной, спектр квазаров позволяет исследовать галактики, попадающие на луч зрения между квазаром и нами. Дело в том, что галактика, попавшая на луч зрения, оставляет совокупность специфических абсорбционных линий, и совокупность этих линий называют демпфированной Лайман-альфа системой. Основной компонентой демпфированной Лайман-альфа системы является насыщенная линия Лайман-альфа, та же линия, из которой состоит Лайман-альфа лес, только она более широкая, и она существенно отличается от линии Лайман-альфа леса. Помимо этого в ассоциированных, то есть находящихся на том же красном смещении с этой линией Лайман-альфа, наблюдают большое количество линий тяжелых элементов, которые в астрофизике называют металлами. И, изучая относительную распространенность тяжелых элементов относительно водорода, можно смотреть, каким образом эволюционировали галактики. На этом рисунке показано относительное содержание тяжелых элементов в зависимости от красного смещения, которое измеряется, используя данные наблюдений в демпфированных Лайман-альфа системах. Я замечу, что по вертикальной оси здесь логарифмический масштаб — это значит, что −1 соответствует уменьшению содержания на порядок относительно солнечного излучения. Видно, что в процессе эволюции, то есть с уменьшением красного смещения, относительное содержание растет, и мы знаем, что подтверждением этому является то, что тяжелые элементы, металлы, нарабатываются в процессе звездной эволюции. [БЕЗ_ЗВУКА] [БЕЗ_ЗВУКА]
