Struktura radioźródeł pozagalaktycznych
(Część II) Radioźródła zwarte

Szczegółowe badania budowy pozagalaktycznych źródeł promieniowa-nia radiowego, czyli badania ich struktury, pozwoliły i pozwalają poznawać coraz dokładniej w jaki sposób radioźródło powstało, jak się rozwija (ewoluuje) w czasie, jakie parametry fizyczne rządzą tym zjawiskiem itp. Wiemy już, że potężne promieniowanie na falach radiowych jest przejawem silnej aktywności niektórych galaktyk (stąd termin radiogalaktyka) oraz innych obiektów pozagalaktycznych tak odległych jak np. kwazary, których ewentualnej struktury galaktycznej nie możemy poznać, gdyż ich obrazy optyczne są praktycznie punktowe (gwiazdopodobne; stąd ang. nazwa quasi-stellar-object QSO). Obserwowane promieniowanie radiowe jest w niektórych przypadkach przejawem stosunkowo niedawnej aktywności, w innych pozostałością po setkach milionów lat dawnej aktywności. Wyrobienie sobie takiego obrazu zjawiska radioźródła, jaki w tej chwili mamy, było niemożliwe jeszcze ćwierć wieku temu, gdy bardzo mała zdolność rozdzielcza ówczesnych anten pozwalała stwierdzić jedynie pozycję radioźródła na niebie, ilość promieniowanej przez nie energii oraz rozkład tej energii w widmie wskazujący na synchrotronowy mechanizm jej emitowania. Z tych i późniejszych badań wynikało, że skala przestrzenna i czasowa zjawiska radioźródła jest olbrzymia. I tak, obserwowana moc radiowa galaktyk zawiera się w granicach 10³⁸–10⁴⁴ erg/s,1 u kwazarów dochodzi do 10⁴⁶ erg/s; rozmiary liniowe źródeł — od ułamka parseka (pc) do kilku megaparseków (Mpc). Ze znanej mocy promieniowania źródła, jego rozmiarów i rozkładu widmowego energii można ocenić całkowitą ilość wypromieniowanej do tej pory energii, a więc i czas życia aktualnie obserwowanego promieniowania. Całkowita energia radioźródeł waha się od 10⁵² do 10⁶² ergów; czas życia najstarszych radioźródeł dochodzi do kilku miliardów lat.

Pomimo znacznej ciągłości wymienionych parametrów radioźródeł, większość radioastronomów uważa, że wszystkie radioźródła można podzielić na dwie zasadnicze grupy (populacje), a mianowicie populację radioźródeł rozciągłych oraz radioźródeł zwartych. Populacje te różnią się rozmiarami źródeł oraz gęstością zawartej w nich energii. Radioźródła rozciągłe tworzą obszary promieniowania rozciągające się na odległości wielokrotnie przewyższające rozmiary macierzystej galaktyki, podczas gdy źródła tzw. bardzo zwarte są wbudowane głęboko w centralne obszary (jądra) galaktyk czy kwazarów. W rozciągłych źródłach zwarte składniki (jądra) emitują przeciętnie około 1% całkowitej energii źródła, podczas gdy samodzielne zwarte źródła emitują 90%–100% całkowitej energii w bardzo zwartych składnikach.

W Części I tego artykułu (Urania, nr 1–4/1982) przedstawiłem strukturę oraz morfologiczne typy radioźródeł rozciągłych. Starałem się pokazać, że w źródłach tych można wyróżnić cztery zasadnicze bloki strukturalne z których każde takie źródło jest zbudowane. Bloki te to:

1. Stosunkowo nieduże jasne obszary wzmożonego promieniowania, tzw. „gorące plamy”, otoczone
2. rozciągłymi amorficznymi obszarami promieniowania dyfuzyjnego,
3. zwarte, centralne składniki (jądra radiowe) położone wewnątrz macierzystej galaktyki czy kwazara, oraz
4. wytryski (jety) promieniowania wychodzące z jąder w kierunku rozciągłych obszarów promieniowania.

Jasność poszczególnych formacji, ich udział w całkowitym promieniowaniu radioźródła może być bardzo różny, tak, że niektóre z nich mogą być niewidoczne w obserwowanej strukturze danego źródła. Zwróciłem również uwagę, że niezależnie od rzeczywistych różnic morfologicznych, wygląd poszczególnych radioźródeł może być zmieniony wskutek geometrycznej projekcji źródła na sferę niebieską, może zależeć od odległości źródła itp. Tym razem proponuję wniknięcie w tajemnice zwartych radioźródeł.

Strukturę bardzo zwartych radioźródeł można badać tylko za pomocą techniki VLBI, gdyż ich rozmiary kątowe wahają się między O.''005 a 0.''5. Odpowiadające im rozmiary liniowe wynoszą więc około 0,01 pc dla bliskich galaktyk do około 1 kpc dla odległych kwazarów. Ogólnie uważa się, że zwarte radioźródła są obszarami emisji synchrotronowej, częściowo nieprzezroczystymi dla własnego promieniowania, stąd techniczną definicją źródła bardzo zwartego jest występowanie załamania widma wskutek samoabsorpcji (porównaj artykuł „Radioźródła pozagalaktyczne”, Urania, nr 6/1981) na częstotliwościach większych od 1 GHz. Typowym rozmiarem takich radioźródeł jest kilka parseków, choć w niektórych bliskich galaktykach zaobserwowano źródła tak małe jak kilka miliparseków (mpc). Takie „mikroskopijne” (~0,03 mpc, rozmiar rzędu naszego Układu Planetarnego) i „słabiutkie” (~10³³ erg/s) radioźródło znajduje się również w jądrze naszej Galaktyki.

Rys. 1 Asymetryczna struktura jądro-jet radioźródła w kwazarze 3C147.

Zbadane do tej pory zwarte źródła wykazują wyraźną mini-strukturę i często składają się z wielu składników. Podobnie jak w rozciągłych radioźródłach, często obserwowana jest podwójna struktura, choć tu jest ona na ogół asymetryczna, w odróżnieniu od generalnie symetrycznej struktury radioźródeł rozciągłych. Składa się ona przeważnie z bardzo jasnego, nierozdzielonego jądra oraz ze składnika wydłużonego w jednym kierunku o małej jasności powierzchniowej, przypominająca tandem: jądro-jet obserwowane w makrostrukturach. Przykładem niesymetrycznej struktury zwartego radioźródła niech będzie struktura kwazara 3C147 (Rys. 1). Najnowsze badania, związane z ciągłym ulepszaniem zakresu dynamicznego urządzeń pomiarowych (radioteleskopów) sugerują, że bardzo często mini-strukturze zwartych radioźródeł towarzyszy rozciągłe halo promieniowania, które emituje najwyżej kilka procent ogólnej energii źródła, lecz może być większe 10³–10⁴ razy od zwartego składnika. W tym aspekcie źródła zwarte różniłyby się zasadniczo od źródeł rozciągłych.

Występują jeszcze inne ważne różnice między bardzo zwartymi a rozciągłymi radioźródłami. Po pierwsze, rozciągłe źródła nie wykazują żadnych obserwowalnych zmian w naszej skali czasowej, podczas gdy źródła zwarte charakteryzują się na ogół szybką i silną zmiennością promieniowania w skali czasowej nawet do kilku miesięcy. Po drugie, w źródłach rozciągłych, które są przezroczyste dla promieniowania na wszystkich długościach fali, struktura i rozmiary praktycznie nie zależą od długości fali; zupełnie inaczej jest w źródłach zwartych. Tam zmiany „głębokości optycznej” wskutek rozszerzania się źródła prowadzą do dramatycznych zmian w strukturze obserwowanej na różnych falach. Przykładem zmiennej sruktury składników radioźródła zwartego jest radiowe jądro galaktyki seyfertowskiej NGC 1275. Zdjęcie na drugiej stronie okładki przedstawia strukturę radiową tego jądra w pięciu epokach w latach 1972–1976. Widać bardzo wyraźne zmiany jasności. Obiekt ten jest tym bardziej ciekawy, że trzy widoczne składniki tego jądra nie wykazują żadnych mierzalnych ruchów własnych, co jest właściwie zjawiskiem unikatowym w takich obiektach (patrz Rozdział 3). Każdy z nich jednak wyraźnie rozszerza się z prędkością około 30000 km/s. Tempo ekspansji składników oraz tempo zmian strumienia wskazują, że proces ostatniego wyrzutu cząstek relatywistycznych rozpoczął się około 25 lat temu.

2. Zmienność promieniowania a parametry fizyczne

Obecnie możliwe jest badanie zmienności w czasie następujących czynników: strumienia promieniowania, polaryzacji promieniowania, oraz drobnej struktury.

Większość bardzo zwartych źródeł wykazuje zmienność strumienia. Jest to zmienność zupełnie nieregularna. Często są to serie wybuchów w skali roku lub miesięcy, lecz w niektórych źródłach obserwuje się tylko wolny wzrost i spadek strumienia, który trwa wiele lat. Trzeba zaznaczyć, że mało źródeł było dostatecznie obserwowanych — najdłuższa seria nie przekracza 15 lat. Nie zauważono jakiejś istotnej różnicy w zmienności radiogalaktyk i kwazarów, można tylko powiedzieć iż najszybszą zmiennością charakteryzują się obiekty typu BL Lac, a więc mogą one zawierać najmniejsze składniki radiowe.

Obserwowane własności chromatyczne i czasowe wybuchów promieniowania nie nastręczają zasadniczych trudności w wytłumaczeniu ich na gruncie „modelu standardowego” (ponownie patrz Urania, nr 6 i 7/1981). Wskazują one, że wzrost strumienia następuje wskutek przedłużającej się injekcji cząstek do pola magnetycznego lub wskutek przyspieszania tych cząstek, a spadek strumienia — wskutek adiabatycznego rozszerzania się źródła oraz strat promieniowania. Szczegóły zależą od początkowej gęstości obszaru promieniującego. Zachowanie się strumienia promieniowania w czasie, zwłaszcza gdy jest zaobserwowane równocześnie na różnych falach, pozwala obliczyć rozkład pola magnetycznego w źródle oraz ilość energii zawartej w tym polu, jak również energię cząstek relatywistycznych. To z kolei może prowadzić do zrozumienia tajemnic centralnego mechanizmu ukrytego głęboko w jądrach aktywnych galaktyk i kwazarów i odpowiedzialnego niewątpliwie za tę aktywność, jak i za powstawanie oraz działanie radioźródeł. Ocenione tak natężenia pól magnetycznych w zwartych źródłach są około 100 razy silniejsze niż w rozciągłych wiązkach promieniowania dużych podwójnych radioźródeł i wynoszą średnio 10^–3 gaussów, a ogólna ilość energii w zwartych źródłach wynosi 10⁵²–10⁵⁶ ergów.

Rys. 2(a) Czasowa zmienność struktury jądra kwazara 3G273 w pięciu epokach w latach. 1977–1980. (b). Zewnętrzna makrostruktura tego radioźródła (odwrócona o 48°, ze względów technicznych).

Choć obserwowana zmienność promieniowania sama w sobie nie nastręcza trudności w jej wytłumaczeniu, w zestawieniu z kosmologiczną interpretacją przesunięcia ku czerwieni powoduje zasadnicze sprzeczności. Często rozmiary liniowe źródeł w odległych kwazarach, wynikające z odległości i obserwowanego rozmiaru kątowego, wypadają większe niż dopuszczalny rozmiar źródła wynikający z tempa zmian jasności. Chodzi o to, że skala czasowa zmian strumienia promieniowania nie może być krótsza od czasu potrzebnego by fala elektromagnetyczna EM (światło) przeszła przez źródło przy założeniu niekoherentnego mechanizmu promieniowania, tzn. że w obszarze promieniowania nie występuje celowa synchronizacja sygnałów EM. Kosmologiczna interpretacja przesunięcia ku czerwieni, prowadząca do bardzo dużych odległości kwazarów, wydawała się wymagać jakiegoś koherentnego mechanizmu promieniowania. Spekulacje zaszły tak daleko, że N. S. Kardaszew w 1964 r. sugerował iż zmienne sygnały mogą pochodzić od pozaziemskich cywilizacji. Nowsze obserwacje nie rozstrzygnęły jeszcze dylematu definitywnie. Podczas wybuchów radiowych nie zaobserwowano do tej pory wzmożenia promieniowania rentgenowskiego, oczekiwanego w wyniku comptonowskiego rozpraszania fotonów tła mikrofalowego, który to proces musiałby się przejawić przy bardzo małych rozmiarach i dużej gęstości elektronowej źródła promieniowania. Nie zaobserwowano również spodziewanych scyntylacji jonosferycznych podczas wybuchów radiowych w najszybciej zmiennych obiektach pozagalaktycznych typu BL Lac, co również wskazuje, że rozmiary obserwowanych źródeł są większe niż wynikające z czasu światła. Pogodzenie wymienionych sprzeczności w świetle modelu synchrotronowego jest możliwe przy pomocy efektów relatywistycznych.

Znaczna liczba zwartych radioźródeł wykazuje wyraźną i zmienną w czasie liniową polaryzację promieniowania. Najszybsze i największe zmiany stopnia, a zwłaszcza kąta polaryzacji obserwuje się znowu w obiektach typu BL Lac, z samą BL Lacertae na czele. Zmiana kąta przekracza 360° w ciągu roku w dwóch takich obiektach (BL Lac oraz 0727-115). Obserwacje wykonane na różnych długościach fali pokazały, że efekty te są niezależne od częstotliwości, co eliminuje możliwość zmian polaryzacji przy przejściu promieniowania przez jonosferę ziemską (rotacja Faraday'a) i silnie wskazują na rzeczywistą, fizyczną rotację centralnego mechanizmu produkującego energię. Rotacja ta jest niewątpliwie czynnikiem stabilizującym charakterystyczna oś radioźródła w czasie jego życia (prawo zachowania momentu pędu). Z drugiej strony, struktura wielu radioźródeł wskazuje na istnienie precesji osi magnetycznej źródła, co może mieć miejsce pod wpływem silnej grawitacji i tym bardziej wymaga rotacji źródła.

Jak wspomniałem w Rozdziale 1, składniki zwartych radioźródeł w większości przypadków wykazują wyraźne i mierzalne ruchy własne (rzut fizycznej prędkości na sferę niebieską). Najbardziej zaskakującym odkryciem jest fakt, że ruchy te są na ogół kilka razy większe od prędkości światła c, jeżeli stoi się na gruncie kosmologicznej interpretacji przesunięcia ku czerwieni. Teoretycznie ruch taki może być rzeczywisty lub pozorny. Jest chyba oczywiste, że przede wszystkim szukamy odpowiedniego wytłumaczenia dla pozorności efektu. Spośród wielu proponowanych interpretacji tylko jedna do tej pory wydaje się tłumaczyć wszystkie obserwowane zjawiska. Jest nią relatywistyczna zmiana czasu i długości w przypadku gdy źródło porusza się względem obserwatora z dużą prędkością. W tym wypadku wspomniane efekty relatywistyczne tłumaczą:

Rys. 3 Powstawanie relatywistyczne-go efektu prędkości „nadświetlnej”. (a). Ze źródła Źr w momencie (t₁)_e wyrzucony jest promieniujący obłok pod kątem Φ do kierunku obserwator-źródło. Prędkość jego ruchu jest bliska prędkości światła c. Informacja o tym zdarzeniu (fala EM) biegnie do obserwatora również z prędkością c. (b). W momencie (t₂)_e > (t₂)_e obłok przebył drogę r, lecz informacja o tym przychodzi do obserwatora w momencie (t₂)_o niewiele później niż informacja o pojawieniu się obłoku (t₁)_o, tzn. (t₂ – t₁)_o < (t₂ – t₁)_e. (c). „Nadświetlna” prędkość transwersalna może być geometrycznie przedstawiona jako nachylenie prostej stycznej do czoła dwóch fal EM niosących informację o położeniu obłoku w dwóch różnych momentach czasowych.

1. nadświetlną prędkość ruchu własnego składników radioźródła,
2. bardzo szybkie zmiany strumienia promieniowania,
3. brak promieniowania rentgenowskiego w czasie wybuchów radiowych,
4. brak scyntylacji jonosferycznych w czasie szybkich zmian strumienia radiowego,
5. wydajny transport energii z centralnego mechanizmu do obszarów promieniowania synchrotronowego.

Pozorna prędkość nadświetlna została przewidziana teoretycznie jeszcze w roku 1963 przez J. S. Szkłowskiego, wcześniej niż odkryto szybką zmienność radioźródeł w skali milisekund łuku. Najlepszym przykładem takich obserwacji są zmiany drobnej struktury jądra najbliższego kwazara 3C273 w przeciągu trzech lat, przedstawione na Rys. 2(a). Należy zwrócić uwagę, że izofoty przedstawiają hipotetyczny rozkład jasności składników źródła (w tym przypadku trzech) rozmyty przez znaczne, w stosunku do rozmiarów źródła, rozmiary wiązki antenowej. Wiązka antenowa jest silnie wydłużona w kierunku N-S, gdyż źródło znajduje się w dużej odległości zenitalnej w stosunku do anten interferometru VLBI. Obserwujemy, że z najsilniejszego, nieruchomego składnika (pierwszy z lewej) wyrzucone są kolejno dwa słabsze składniki poruszające się z pozorną prędkością około 5c. Obserwujemy stopniowy zanik jasności zewnętrznego składnika (na prawo), oraz wyraźne stopniowe oddzielanie się drugiego, środkowego składnika. Ministruktura ta jest więc charakterystycznie asymetryczna, zaś kąt pozycyjny wyrzutu składników z hipotetycznego mechanizmu centralnego jest zgodny z kierunkiem do zewnętrznego olbrzymiego jetu odległego od kwazara o około 40 kpc [Rys. 2(b)].

Do chwili obecnej dobrze znanych jest sześć „nadświetlnych” źródeł. Są one wymienione w Tabeli 1 w kolejności wzrastania przesunięcia ku czerwieni z.

Tabela 1 „Nadświetlne” radioźródła

Nazwa	Identyfi- kacja optyczna	z	μ [0.''001]/ /rok]*	v/c	γmin	l jądra [kpc]	l [kpc]	L×1027 [W/Hz]
3C120	Ngal	0.033	1.35	2.1	3	3	5	0.005
3C273	QSO	0.158	0.76	5.3	5	15	40	1.0
3C279	QSO	0.538	0.5	10	10	12	65	3.2
3C345	QSO	0.595	0.36	8.2	8	20	15	4.7
3C179	QSO	0.846	0.14	4.2	4	6	75	0.4
0333+32	QSO	1.258	0.13	5.4	5	10	40	3.7

Wymowa danych zawartych w Tabeli jest uderzająca. Dwie bezpośrednio mierzalne wielkości: z oraz ruch własny μ wykazują silną odwrotną korelację: im z większe, tym μ mniejsze. Korelacja taka jest oczekiwana, gdy z jest prostą miarą odległości i potwierdza kosmologiczne odległości kwazarów. W kolumnie 5 Tabeli obliczona jest prędkość transwersalna w jednostkach c: v/c = μ · s · (1 + z), gdzie s — skala w latach świetlnych na milisekundę łuku. Widać, że dyspersja liczbowych wartości v/c jest zaskakująco niewielka, co oznacza (jak się dalej okaże), że również dyspersja rzeczywistych, fizycznych prędkości wyrzutu składników z centralnego jądra jest bardzo mała.

Rys. 4 Widoma prędkość transwersalna jako funkcja rzeczywistej prędkości β = v/c oraz kąta Φ.

W jakich warunkach możemy obserwować prędkości nadświetlne? Jedną z prawdopodobnych sytuacji przedstawia Rys. 3. Z centralnego źródła (Źr) obłok promieniujący synchrotronowo wyrzucony jest pod niewielkim kątem Φ w stosunku do linii widzenia obserwator — źródło. Z powodu skończonej prędkości sygnału EM, skala czasowa zdarzenia obserwowanego przez obserwatora w O i nieruchomego względem poruszającego się obłoku skraca się o czynnik proporcjonalny do (1 – v/c cosΦ). Jeżeli oznaczymy β = v/c; γ = (1 – β²)^–1/2 (γ — tzw. czynnik Lorentza), to:

Widoma prędkość transwersalna obłoku jest v = r · sin Φ/(Δt)_o = v · (Δt)_e · sin Φ/(Δt)_o. Stąd

gdzie Φ — kąt pomiędzy kierunkiem ruchu, a linią widzenia. Jeżeli kąt Φ jest mały, prędkość v może być znacznie większa od c (patrz również legenda do Rys. 3). Rys. 4 przedstawia graficznie zależność v/c = f(β). Maksymalną wartość v osiąga (przy danej fizycznej prędkości β) gdy sinΦ = 1/γ, wtedy v_max = βγc. Stąd też odwrotnie, na podstawie obserwowanej v można obliczyć minimalne γ, pomimo że nie znamy kąta Φ (porównaj Rys. 4). Zaokrąglone wartości γ_min dla omawianych źródeł są również zamieszczone w Tabeli 1. Widać, że dyspersja tych wartości jest mała; średnia wynosi <γ> = 5,8 co oznacza iż <v> = 0,985 c!

Drugą ważną konsekwencją relatywistycznego ruchu jest to, że promieniowanie nie jest wtedy izotropowe, lecz jest wzmocnione w kierunku ruchu źródła promieniowania:

gdzie α — nachylenie widma radiowego (wskaźnik widmowy). Rys. 5 pokazuje tę zależność dla α = 0. Maksymalne wzmocnienie strumienia promieniowania następuje gdy źródło zbliża się do obserwatora wzdłuż linii widzenia (Φ = 0) i wynosi wówczas

Rys. 5 Widomy strumień promieniowania jako funkcja β i Φ.

Relatywistyczne wzmocnienie strumienia zbliżającego się obłoku promieniowania może dobrze tłumaczyć obserwowaną asymetrię w jądrach bardzo zwartych radioźródeł. Wyrzut promieniujących obłoków nie musi być jednostronny. Jeżeli dwa obłoki są wyrzucane z centralnego źródła przeciwległe wzdłuż jego osi magnetycznej skierowanej do nas pod małym kątem Φ, to widomy strumień obłoku oddalającego się będzie podobnie osłabiony, jak obłok zbliżający się jest wzmacniany, tj. S_o (180) S⁄(8γ³). Tak więc stosunek obserwowanych jasności może być jak 64 γ⁶ : 1. Ponieważ <γ> = 5,8, obłok zbliżający się może być jaśniejszy od przeciwległego obłoku nawet 2 miliony razy. Jest oczywiste, że w takiej sytuacji obłoku oddalającego się nie można wykryć.

*  *  *

Tak więc obserwacje struktury zwartych radioźródeł dostarczają wielu danych do zrozumienia mechanizmu działania centralnego źródła energii, którym według wszelkich przesłanek może być masywna, rotująca czarna dziura, tworząca gigantyczne dynamo elektryczne. Z teoretycznych obliczeń wynika, że nie musi ona w nieskończoność powiększać swej masy; część materii spadająca grawitacyjnie na czarną dziurę może być magazynowana i przekształcana w inne formy, w szczególności w energię EM. Obserwacje pokazują, że wypływ tej energii w postaci wielkoskalowych pól EM lub wyrzut materii w postaci strumieni cząstek naładowanych elektrycznie następuje z prędkością bliską prędkości światła.