Работы Эрнста Эпика, Хеберта Дуста Кертиса и других астрономов, написанные ими в период с 1917 по 1922 годов, доказали, что ряд объектов на небе, которые ранее рассматривались как туманности, являются самостоятельными Галактиками, подобно Млечному Пути. В 1923 году Эдвин Хаббл доказал, что Туманность Андромеды является самостоятельной галактикой, обнаружив в ней цефеиды и определив расстояние до них. В течение следующих нескольких десятилетий были открыты многие другие галактики; так, например, в 1943 году американский астроном Карл Кинан Сейферт в 1943 году открыл шесть спиральных галактик с необычайно широкими эмиссионными линиями, названных галактиками Сейферта.

     Параллельно с обычными наблюдениями начинает развиваться радиоастрономия. В начале 1930-х годов радиоинженер Карл Янский обнаружил первый астрономический радиоисточник, находившийся в созвездии Стрельца, что положило начало радиоастрономии как самостоятельной области астрономических исследований (позднее данный радиоисточник получил название Стрелец А; исходящее от него сильное радиоизлучение в настоящее время связывают с вращением ионов вокруг массивной Чёрной Дыры в центре Галактики). В 1942 году офицером-исследователем британской армии Джеймсом Стенли Хеем были зафиксированы солнечные радиоволны. В 1950-х годах радиоастрономические исследования стали включать в себя изучение различных небесных радиоисточников с использованием различных научных методов, таких как интерферометрия и апертурный синтез. Исследования в основном проводились в Кембриджском университете, в том числе в Кавендишской лаборатории, а также в основанной недалеко от Кембриджа Радиоастрономической обсерватории Малларда.

      В ходе исследований в конце 1950-х годов на небе начали обнаруживать необычные радиоисточники, которые не имели соответствующего им видимого объекта. Для дополнительных исследований таких объектов стали использовать в качестве интерферометра телескоп Ловелла. Телескоп Ловелла был построен специально для проведения радиоастрономических наблюдений радиотелескоп в обсерватории Джодрелл-Бэнк в графстве Чешир недалеко от прихода Густри. Телескоп был построен в 1957 году. Его несколько раз переименовывали: первоналально его называли просто «250-футовый телескоп» или «Радиотелескоп Джодрелл-Бэнк», в 1960 году его назвали «Марк I», а в 1987 году его переименовали в честь сэра Бернарда Ловелла в честь известного английского радиоастронома, длительное время возглавлявшего обсерваторию в Джодрелл-Бэнк. Телескоп Ловелла был крупнейшим в мире радиотелескопом, и до настоящего времени он является третьим по величине радиотелескопом в мире.

     Исследования на телескопе Ловелла показали, что обнаруженные на небе радиоисточники имеют очень малый угловой размер. К 1960 году сотни таких объектов были внесены в Третий Кембриджский каталог радиоисточников. В каталог вносились объекты, обнаруженные первоначально на частоте 159 МГц, а затем на частоте 178 МГц. Сложным вопросом оставалась идентификация видимых источников света с радиоисточниками.

        Наконец, в 1963 году американские астрономы Алан Сэндидж (известный также достаточно точным определением постоянной Хаббла и возраста Вселенной) и Томас Мэтьюз провели исследования в радиообсерватории Оуэнс Велли и смогли идентифицировать радиоисточник 3С 48 с оптическим объектом. На месте радиоисточника находился оптический объект, похожий на голубую звезду, в котором было много неизвестных широких эмиссионных линий. Спектр источника выглядел аномальным и не подлежал однозначной интерпретации. Любопытно, что радиоисточник 3С 48 был обнаружен в ходе радиообзора неба ещё в конце 1950-х годов наряду с источником 3С 273, однако их идентификация с оптическими источниками вызвала затруднения и потребовала несколько лет наблюдений в различных обсерваториях.

      Настоящий прорыв в исследовании радиоисточников случился в том же 1963 году в отношении объекта 3С 273. За год до этого британо-австралийский астроном Джон Болтон, подробно исследовав этот радиоисточник, верно предсказал, что источник подвергнется пяти «затмениям» со стороны Луны, что упростило нахождение оптического спектра радиоисточника. Джон Болтон совместно с британским астрономом Сирилом Хазардом провели измерения с помощью радиотелескопа Паркс во время одного из «затмений» радиоисточника и предоставили данные Матрену Шмидту для дополнительных исследований.

     Мартен Шмидт родился в 1929 году в Гронингене, в Нидерландах. Детство Шмидта пришлось на годы Второй мировой войны, однако он увлёкся наблюдениями ночного неба в ходе ночных прогулок с отцом, на которые они ходили, если не было воздушной тревоги. В 1942 году Шмидт навестил своего дядю Дика Шмидта в городе Бюссюм. Дядя Мартена Шмидта был астрономом-любителем и предоставил возможность Мартену провести наблюдения в телескоп на верхнем этаже своей аптеки. После этого Мартен нашёл небольшую линзу в мастерской своего деда и собрал свой собственный любительский телескоп. Затем он отполировал зеркала и усовершенствовал телескоп, а затем посетил для наблюдений местную обсерваторию, где познакомился с астрономом Адрианом Блаау, с которым впоследствии постоянно сотрудничал и вёл совместные наблюдения.

      В дальнейшем Мартен Шмидт окончил Гронингенский университет, где изучал физику, математику и астрономию. После окончания университета Шмидт устроился на работу в Лейденский университет, где работал ассистентом Яна Оорта, причём его работа на непродолжительное время была прервана призывом на службу в армию в связи с конфликтом в Голландской Ост-Индии. Шмидт оказал большое содействие Оорту в открытии облака Оорта – скопления комет вокруг Солнечной системы. В рамках исследований он провёл год в исследовательской экспедиции в Кении, а после защиты докторской диссертации переехал в США, где проводил исследования на 200-дюймовом телескопе Хейла в Паломарской обсерватории. Фокус его интересов был направлен на звёздообразование и образование тяжёлых элементов в космосе, но постепенно сместился в сторону радиоастрономии.

      Данные, полученные от Болтона и Хазарда, позволили Шмидту обнаружить видимый объект в отношении радиоисточника 3С 273. В спектре объекта были обнаружены необычные эмиссионные линии, и проблема осуществлялась в их объяснении, поскольку они не соответствовали ни одному из известных химических элементов. Шмидт обосновал, что спектр объекта объясняется наличием в нём водорода при условии очень большого красного смещения. Спектральные линии водорода были смещены на 15,8 % - на тот момент это смещение считалось очень большим; лишь у некоторых открытых к тому времени тусклых галактик оно было больше. Данные Шмидта предсказывали, что объект мог находится на расстоянии около 3 миллиардов световых лет от нас, при этом, будучи относительно компактным, излучение им света было эквивалентно свету примерно двух триллионов звёзд. Объект совершенно очевидно не мог быть звездой, поскольку сильное красное смещение указывало на удаление объекта с огромной скоростью около 47 000 км/с, которая не могла быть присуща звезде. Мощнейшее радиоизлучение не могло быть присуще ни звезде, ни галактике – ведь объект был слишком компактным для галактике. Яркость объекта существенно менялась в течение года, значительная часть излучения исходила из области, не превышавшей по размерам 1 световой год, что ничтожно мало для галактики.

    Шмидт сделал вывод о том, что им открыт новый, не известный до того небесный объект. Свои выводы он опубликовал в журнале Nature 16 марта 1963 года. Термин «квазар» был предложен в мае 1964 года астрофизиком Хонг-Йи Чиу в статье в журнале Physics Today.

   Открытие квазаров предоставило новые возможности для проверки ранее высказанных гипотез, в частности, о существовании чёрных дыр, предсказанных в 1918 году Карлом Шварцшильдом в качестве одного из вариантов решения уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Данные о квазарах впоследствии позволили Роджеру Пенроузу подтвердить существование чёрных дыр; за это открытие он впоследствии в 2020 году он получил Нобелевскую премию. Ведь единственным объяснением мощного излучения квазара было падение вещества в массивную чёрную дыру.

    Впоследствии данные об открытом Мартеном Шмидтом квазаре были уточнены; по современным представлениям, расстояние до него равно 749 мегапарсек (2,4 миллиарда световых лет). Квазар расположен в центре гигантской эллиптической галактики в созвездии Девы. Масса сверхмассивной черной дыры в центре объекта превышает массу Солнца примерно в 900 миллионов раз. 3С 273 является достаточно ярким объектом, который может наблюдаться даже в современный любительский телескоп. Изучение этого и других квазаров дало возможность получить о них новые сведения и узнать больше об их природе. В своей статье в Nature Мартен Шмидт высказал предположение о том, что квазары – далёкие и чрезвычайно мощные объекты, которые могут быть активными ядрами галактик. Уже в 1964 году Эдвин Эрнест Зальпетер и советский физик Яков Борисович Зельдович выдвинули гипотезу, что огромное количество энергии, выделявшееся квазарами, объясняется падением материи в аккреционном диске в сверхмассивную чёрную дыру.

    Лишь в 1970-х годах объяснение Мартена Шмидта и гипотеза Зальпетера-Зельдовича стали общепризнанными благодаря развитию рентгеновской астрономии. Были получены новые данные рентгеновского спектра о галактиках-«хозяевах» квазаров, обнаружены промежуточные линии поглощения, объяснившие различные аномалии. Было показано, что красное смещение квазаров соответствует красному смещению галактик-хозяев, при этом установлено, что «нечёткое» окружение многих квазаров связано с излучением менее яркой галактики-«хозяина». Такая модель хорошо соответствует теоретическим представлениями о нахождении массивных чёрных дыр в центрах многих галактик. Современная модель объясняет, почему квазары были более распространены в ранней Вселенной: по мере того, как квазар поглощает вещество из своего аккреционного диска, количество вещества вблизи от активного ядра уменьшается, и галактика приобретает более обычный вид. Получение доказательств существования чёрных дыр, а также разработка механизма выработки энергии аккреционным диском в 1970-х годах предоставили возможность дополнить формировавшуюся теоретическую модель квазара. К 1987 году в научном сообществе сформировался консенсус относительно правильности представлений Мартена Шмидта об удалённости и красном смещении квазаров.

   Любопытно, что в ходе дальнейших исследований было установлено, что далеко не все квазары являются мощными источниками радиоизлучения. Часто пик излучения квазара наблюдается в ультрафиолетовом диапазоне. В связи с этим большой интерес представляет планируемый в 2031 году запуск космического телескопа «Спектр-УФ», который будет осуществлять наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне. Аппарат сможет «просвечивать» отдалёнными квазарами «невидимые» облака газа в космосе, что может расширить наши знания о структуре барионного вещества во Вселенной, а также о компонентах межзвёздного газа, а в перспективе и о природе тёмной материи. Таким образом, открытие квазаров интересно как с точки зрения исследования эволюции Вселенной (особенно её ранних этапов), процессов формирования Галактик, так и с точки зрения использования знаний о квазарах для расширения наших представлений о чёрных дырах и иных космических объектах, а также о межзвёздном веществе.

   Таким образом, современное представление о квазарах полностью согласуется с идеями, высказанными Мартеном Шмидтом и Яковом Зельдовичем. Квазары – это чрезвычайно светящиеся активные галактические объекты, являющиеся источниками излучения, обусловленного аккрецией на сверхмассивную чёрную дыру массой от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс, окружённую газовым аккреционным диском. Газ в диске, падающий на чёрную дыру, высвобождает гигантскую энергию в виде электромагнитного излучения. Самые мощные квазары имеют светимость в тысячи раз больше чем у Млечного Пути. Как и предлагал Мартен Шмидт, квазары классифицировали как подкласс более общей категории активных галактических ядер. Большое красное смещение квазаров объясняется расширением Вселенной, а пик их активности пришёлся примерно 10 миллиардов лет назад. Некоторые скопления квазаров образуют большие группы – крупнейшие известные структуры во Вселенной.

    Группа астрономов Аризонского университета в 2021 году открыла квазар JO313-1806, который находится на расстоянии 13,03 миллиарда световых лет от Земли и возник всего лишь через 670 миллионов световых лет после большого взрыва. В центре квазара находится чёрная дыра массой около 1,6 миллиарда масс солнца. Впрочем, новейшие исследования 2023 года указали на обнаружение ещё одного квазара на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет, что соответствует сопутствующему расстоянию в 31,6 миллиарда световых лет (с учётом расширения Вселенной к настоящему времени).

   Дальнейшее изучение квазаров представляет большой интерес. Особы интерес представляют блазары – с учётом того, что джет от них направлен в сторону наблюдателя, что делает их значительно ярче для наблюдателя. Эти источники могут быть полезны, например, для изучения генерации нейтрино и релятивистского излучения. В целом изучение квазаров позволит пролить свет на эволюцию относительно ранней Вселенной и больше понять о процессах эволюции галактик. Изучение квазаров может иметь решающее значение для дополнительной проверки Стандартной модели, теории струн и бранной космологии, а также может предоставить новые данные для объединения теории гравитации и квантовой механики. Для появления новых сведений о квазарах может быть полезен метод гравитационного линзирования, который может упростить получение новой информации об этих удалённых объектах. Изучение отдалённых квазаров может быть полезным для развития теории возникновения чёрных дыр и роли аккреции в ранней Вселенной для их зарождения в активных ядрах зарождающихся галактик.

    Наблюдение за квазарами, появившимися всего лишь через 670 миллионов лет после Большого взрыва, может помочь предоставить информацию о предыдущих стадиях эволюции Вселенной – об эпохах рекомбинации, «тёмных веков» и реионизации, а также о реликтовом излучении, его природе и неоднородности. Изучение квазаров имеет критически важное значение для космологии и построения теории эволюции Вселенной. Не исключено, что изучение наиболее ранних квазаров может дать новое развитие теориям Мультивселенной и космического ландшафта, предложенной Леонардом Сасскиндом. В результате исследований ранних квазаров могут быть получены новые эмпирические данные о процессе появления реликтового излучения в результате того, что материя стала прозрачной в эпоху рекомбинации Вселенной. Изучение ещё более отдалённых квазаров, чем открытые сейчас, может предоставить возможность проверить теорию инфляционного расширения Вселенной и стабильность физических констант на ранних этапах эволюции Вселенной.

    Все эти новые направления исследований были бы невозможны без великого открытия Мартеном Шмидтом квазара 3С 273 путём сопоставления имеющихся данных об объекте в разных диапазонах излучения и объяснения его природы как принципиально нового объекта, а также объяснения аномалий в эмиссионных линиях объекта. Данное открытие позволило расширить наши представления о процессе формирования галактик и указать на реальность существования чёрных дыр как важного и загадочного компонента галактик, требующего кропотливого изучения астрофизиками и учёными-космологами.

Юрий Понажев, АГО, Смоленск