Quasars behoren tot de meest lichtgevende objecten in het bekende universum. Ze worden aangetroffen in de kernen van verre sterrenstelsels en worden aangedreven door superzware zwarte gaten. Gas stroomt met hoge snelheid in deze zwarte gaten. De wrijving genereert enorme hoeveelheden licht. Sommige quasars overtreffen elke ster in hun eigen sterrenstelsel. Door deze helderheid kunnen astronomen ze op miljarden lichtjaren afstand zien.
Wat is precies een quasar?
Een quasar is een compact gebied in het centrum van een sterrenstelsel. Het stoot enorme hoeveelheden energie uit. Deze energie komt uit accretie. Materie valt in een superzwaar zwart gat. Bij dit proces komt meer energie vrij dan bij kernfusie. Dit maakt quasars ongelooflijk helder. Het zijn puntvormige lichtbronnen. Vroege telescopen konden ze niet oplossen. Ze leken op sterren. Vandaar de naam ‘quasi-stellaire radiobron’. Tegenwoordig weten we dat het geen sterren zijn. Het zijn actieve galactische kernen.
Hoe werden quasars ontdekt?
Quasars werden voor het eerst geïdentificeerd in de jaren zestig. Astronomen gebruikten radiotelescopen om sterke emissies te detecteren. Deze bronnen kwamen niet overeen met bekende sterren. Hun spectra vertoonden grote roodverschuivingen. Dit gaf aan dat ze erg ver weg waren. De roodverschuiving impliceerde enorme afstanden. Toch waren ze helder. Dit was een raadsel. Hoe kan iets tot nu toe zo helder zijn? Het antwoord lag in het zwarte gat. De energieopbrengst was enorm.
Waarom zijn quasars belangrijk?
Quasars helpen ons het vroege heelal te begrijpen. Ze bestaan op grote afstanden. Het duurt miljarden jaren voordat het licht van quasars ons bereikt. We zien ze zoals ze vroeger waren. Dit levert een momentopname van het jonge heelal op. Quasars onthullen ook de groei van zwarte gaten. Ze laten zien hoe sterrenstelsels evolueren. De interactie tussen zwarte gaten en hun gaststelsels is van cruciaal belang. Quasars zijn markers van dit proces.
Waar kunnen we quasars vinden?
Quasars worden gevonden in de centra van sterrenstelsels. Ze zijn verspreid over de hemel. Telescopen zoals Hubble en James Webb detecteren ze. Ze zijn zichtbaar in verre ruimteonderzoeken. Hun locaties helpen het universum in kaart te brengen. Quasars bevinden zich niet in de buurt van onze Melkweg. Ze zijn afstandelijk. De dichtstbijzijnde bekende quasar is nog steeds ver weg. Het ligt miljarden lichtjaren van de aarde.
Welke quasars zijn het helderst?
Sommige quasars zijn uitzonderlijk helder. Ze kunnen hun hele gaststelsel overtreffen. Hierdoor zijn ze zelfs op extreme afstanden zichtbaar. De helderste quasars hebben een helderheid van biljoenen zonnen. Ze behoren tot de meest afgelegen objecten die zijn waargenomen. Hun helderheid maakt gedetailleerd onderzoek mogelijk. Astronomen kunnen hun spectra analyseren. Hierdoor wordt de samenstelling van hun omgeving zichtbaar.
Welke invloed hebben quasars op hun gaststelsels?
Quasars beïnvloeden hun gaststelsels. De energieproductie kan gas uit de melkweg verdrijven. Dit kan de vorming van sterren tegenhouden. Quasars reguleren de groei van sterrenstelsels. Ze maken deel uit van een feedbackloop. Zwarte gaten en sterrenstelsels evolueren samen. De studie van quasars helpt ons deze relatie te begrijpen. Het is een sleutelgebied van de moderne astronomie.
De toekomst van quasaronderzoek
Nieuwe telescopen verbeteren ons zicht. De James Webb-ruimtetelescoop detecteert zwakkere quasars. Er wordt verder terug in de tijd gekeken. Dit maakt het mogelijk
Waarom quasars op sterren lijken (maar dat niet zijn)
De naam komt voort uit een beetje astronomische verwarring. In de jaren vijftig scanden onderzoekers de lucht op zoek naar radiosignalen. De meeste bronnen staan in de rij met normale sterrenstelsels. Een paar niet.
Deze uitschieters bevonden zich in de buurt van het vlak van de Melkweg. Het leken net zwakke blauwe sterren. Sommigen hadden vage halo’s. Telescopen konden ze op het eerste gezicht niet onderscheiden van gewone sterren.
Ze kregen dus een onhandige naam. Quasi-stellaire radiobronnen. Ingekort tot quasar in 1964.
Het etiket bleef hangen. Er werd beschreven hoe ze eruit zagen. Niet wat ze waren.
Het mysterie van de blauwe halo’s
Die vage halo’s waren niet alleen visuele ruis. Ze wezen op iets groters. Iets helderder.
Quasars worden aangedreven door superzware zwarte gaten. Ze bevinden zich in de centra van verre sterrenstelsels. Het licht dat we zien is de accretieschijf. De halo is het gaststelsel. Maar vroege telescopen zagen alleen de heldere kern.
Het leek op een ster. Het gedroeg zich als een ster. Dat was het niet.
Hoe we het ontdekten
Toen astronomen zich eenmaal realiseerden dat quasars geen sterren waren, gingen ze beter kijken. Uit roodverschuivingsmetingen bleek dat ze ongelooflijk ver weg waren. Als ze op die afstand zo helder waren, moesten ze onvoorstelbaar energiek zijn.
De naam was een verkeerde benaming. Het object was het hart van een sterrenstelsel. Maar de term ‘quasar’ bleef bestaan. Het is gemakkelijker dan te zeggen ‘ultralichtgevende actieve galactische kern’.
Wij gebruiken nog steeds de oude naam. Voor de blauwe ster was dat geen ster.
Het Roodverschuivingsmysterie en de schaal van quasars
De optische spectra van deze vreemde, sterachtige objecten klopten niet. Emissielijnen verschenen op golflengten die niet overeenkwamen met enige bekende hemelbron. Het was een puzzel die astronomen verbijsterde totdat Maarten Schmidt, een Nederlands-Amerikaanse astronoom, deze in 1963 oploste. Hij realiseerde zich dat het patroon in 3C 273 – de helderste bekende quasar – feitelijk bestond uit waterstofatomen die waren uitgerekt door kosmische expansie. De roodverschuiving was 0,158. Dat betekende dat elke golflengte 1,158 keer langer was dan een laboratoriummeting.
Pas de wet van Hubble toe en je krijgt een afstand van ruim twee miljard lichtjaar. Dat is ver. Er bestonden heldere clusters van sterrenstelsels op vergelijkbare afstanden. Maar 3C 273? Het overtrof de helderste individuele sterrenstelsels in die clusters met een factor 100. Zo ver weg was nog nooit zoiets helders gezien.
Het dichtheidsprobleem
Voortdurende observaties brachten een nog vreemdere verrassing. De helderheid van quasar fluctueerde enorm op tijdschalen van slechts een paar dagen. De natuurkunde schrijft voor dat een object niet sneller van snelheid kan veranderen dan het licht het kan passeren. De totale grootte van een quasar mocht dus niet groter zijn dan een paar lichtdagen.
Compact. Lichtgevend. Onmogelijk.
Als iets zo klein en zo helder is, zou de interne stralingsdruk het uit elkaar moeten blazen. Het enige dat een zelfdestructieve explosie tegenhoudt, is de zwaartekracht. Om zichzelf bij elkaar te houden tegen zijn eigen schittering, moet een quasar enorm zijn. Minstens een miljoen zonsmassa’s. Dit is de Eddington-limiet, genoemd naar Arthur Eddington. Het is het omslagpunt waar de uitwaartse stralingsdruk de inwaartse zwaartekracht in evenwicht brengt.
Astronomen stonden dus voor een raadsel. Hoe weegt een object ter grootte van ons zonnestelsel een miljoen sterren en overtreft het een sterrenstelsel met 100 miljard sterren?
Aanwas en het einde van de controverse
Het antwoord kwam snel na de ontdekking van Schmidt. De Russische astronomen Yakov Zel’dovich en Igor Novikov, plus de Oostenrijks-Amerikaanse Edwin Salpeter, stelden onafhankelijk van elkaar dezelfde oplossing voor: aanwas door zwaartekracht op superzware zwarte gaten.
Sommige astronomen hadden er een hekel aan. Het idee van zo’n hoge helderheid in zo’n kleine ruimte was onverteerbaar. Ze stelden alternatieven voor. Deze theorieën voerden aan dat quasars zich niet daadwerkelijk op die enorme afstanden bevonden. Hun roodverschuivingen waren niet kosmologisch. Deze alternatieve interpretaties zijn inmiddels in diskrediet gebracht. Er zijn nog enkele aanhangers, maar het zijn uitschieters.
De roodverschuivingscontroverse eindigde begin jaren tachtig. De Amerikaanse astronoom Todd Boroson en de Canadees-Amerikaan John Beverly Oke bewezen het. Ze toonden aan dat de vage halo’s rond sommige quasars slechts sterrenlicht waren van het gaststelsel. En die sterrenstelsels? Ze hadden een hoge roodverschuiving. De afstand was reëel.
Van radiobronnen tot QSO’s
In 1965 werd duidelijk dat quasars slechts het topje van de ijsberg vormden. Ze maakten deel uit van een grotere populatie van ongewoon blauwe bronnen. De meeste waren zwakkere radiobronnen, te zwak voor vroege onderzoeken. Deze bredere groep deelde alle quasar-eigenschappen behalve extreme radiohelderheid. Ze werden quasi-stellaire objecten of QSO’s genoemd.
Sinds de jaren tachtig hebben astronomen QSO’s gezien als de variant met hoge helderheid van een nog grotere klasse: actieve galactische kernen, of AGN’s. De versies met een lagere helderheid zijn Seyfert-sterrenstelsels, genoemd naar Carl K. Seyfert, die ze voor het eerst identificeerde in 1943.
Quasars efficiënt vinden
De eerste quasars werden gevonden als radiobronnen. Maar astronomen beseften al snel dat ze ze sneller konden vinden door te zoeken naar objecten die blauwer waren dan normale sterren. De methode is eenvoudig. Fotografeer grote delen van de lucht door twee of drie verschillende gekleurde filters. Vergelijk de afbeeldingen. Zoek de ongewoon blauwe voorwerpen. Controleer met spectroscopie.
Dit blijft de primaire techniek. Het is natuurlijk geëvolueerd. Film maakte plaats voor elektronische ladingsgekoppelde apparaten (CCD’s). Onderzoeken uitgebreid tot infrarode golflengten. Meerdere filters isoleren nu quasars bij verschillende roodverschuivingen in verschillende combinaties.
Er zijn ook andere manieren. Zoekt naar sterachtige bronnen met onregelmatige helderheidsvariaties. Röntgenonderzoek vanuit de ruimte. Hoge niveaus van röntgenstraling worden beschouwd als een duidelijke indicator voor een aangroeiend zwart-gatsysteem.
Fysieke structuur van quasars
Denk eens aan de enorme omvang van de motor die het hart van een quasar vormt. We hebben het over een zwart gat met een massa die varieert van een miljoen tot enkele miljard keer die van onze zon. Deze monsters bevinden zich stilletjes in het centrum van veel grote sterrenstelsels. Maar als ze eten, stralen ze.
In ongeveer 5 tot 10 procent van deze sterrenstelsels worden de zaken chaotisch. Gas valt in de diepe zwaartekrachtput van het zwarte gat. Het verhoogt de snelheid. Het stapelt zich op. De wrijving en hitte veranderen deze invallende materie in gloeien en vormen een snel roterende accretieschijf net buiten de waarnemingshorizon.
Er is een hard plafond voor hoe snel een zwart gat kan eten. Het wordt de Eddington-limiet genoemd. Als een zwart gat te snel materie aantrekt, creëert de resulterende warmte zo veel stralingsdruk naar buiten dat het binnenkomende gas wordt weggeblazen. Het voeren stopt. De natuur dwingt een snelheidslimiet af op gulzigheid.
Dus wat maakt een kern ‘actief’? De meeste grote sterrenstelsels – 90 tot 95 procent ervan – zijn momenteel stil. Het zijn geen quasars. Een actieve galactische kern is anders omdat het zwarte gat actief aan het consumeren is. Het verslindt elk jaar een paar zonnemassa’s materie. Als het ongeveer 1 procent of meer van dat Eddington-tarief eet, is de energieopbrengst verbluffend. We hebben het over een totale lichtsterkte van ongeveer 10^39 watt. Vergelijk dat eens met de bescheiden 4 × 10^26 watt van de zon. De wiskunde is wreed.
De anatomie van een quasar
Naast het zwarte gat en de gloeiende schijf hebben quasars een ingewikkeld interieur. Net voorbij de accretieschijf vind je gaswolken die met waanzinnige snelheden bewegen. Deze wolken draaien rond de binnenstructuur en absorberen hoogenergetische straling van de schijf. Ze verwerken het opnieuw en zenden brede spectraallijnen van waterstof en andere geïoniseerde atomen uit. Deze lijnen zijn de vingerafdruk van een quasar.
Verderop, nog grotendeels in het vlak van de accretieschijf, liggen met stof beladen gaswolken. Ze kunnen de quasar zelf aan het zicht onttrekken, waardoor de centrale motor afhankelijk van je kijkhoek aan het zicht wordt onttrokken.
Dan zijn er de jets. Sommige quasars schieten sterk gecollimeerde plasmabundels langs de rotatieas uit. Deze jets bewegen met snelheden die de snelheid van het licht benaderen. Ze zenden straling uit over röntgen-, radio- en soms optische golflengten. Het is een kosmische vuurtoren die energiestralen door het universum verspreidt.
Waarom oriëntatie belangrijk is
Door deze complexe structuur hangt het uiterlijk van een quasar volledig af van jouw standpunt. Concreet hangt dit af van de hoek van de rotatie-as van de accretieschijf ten opzichte van uw gezichtslijn.
Als je door de loop van het straalvliegtuig kijkt, zie je iets heel anders dan wanneer je met de rand naar de schijf kijkt. De accretieschijf, de emissielijnwolken en de jets worden min of meer prominent aanwezig op basis van deze geometrie. We observeren een grote verscheidenheid aan verschijnselen, maar fysiek zijn veel van deze bronnen vergelijkbaar. We zien ze alleen vanuit verschillende hoeken.
Evolutie van quasars
Waarom we meer quasars zien in het vroege heelal
Het universum was niet altijd zo stil. Als we naar de diepe kosmos kijken, kijken we terug in de tijd. Omdat licht tijd nodig heeft om ons te bereiken, worden objecten op grotere afstanden gezien zoals ze miljarden jaren geleden waren. Dit is de reden waarom de aantaldichtheid van quasars dramatisch toeneemt met de roodverschuiving. Het is niet alleen zo dat er meer van hen ver weg zijn. Het is dat ze in het verleden gewoon vaker voorkwamen.
Deze trend piekt toen het heelal ongeveer drie miljard jaar oud was. Dat is grofweg tien miljard jaar na de oerknal. Voordien was de bevolking nog aan het opbouwen. De meest afgelegen quasars die we kennen, ontstonden minder dan een miljard jaar na het begin van alles.
De episodische aard van Black Hole-feesten
Individuele quasars zijn geen permanente armaturen. Ze verschijnen wanneer centrale zwarte gaten in een razend tempo gas beginnen te eten. Dit gebeurt vaak na een fusie van sterrenstelsels. Het zwarte gat groeit. Het schijnt. Maar het duurt niet lang.
Quasar-activiteit is episodisch. Een enkele aflevering kan ongeveer een miljoen jaar duren. De totale levensduur? Ongeveer tien miljoen jaar. Dat is een knipoog in de kosmische tijd. Uiteindelijk stopt het voeren. Het zwarte gat gaat inactief. Het verbergt zich in het centrum van een enorm sterrenstelsel en wacht.
Deze levenscyclus verloopt het snelst voor de zwaarste zwarte gaten. Ze branden helder en sterven jong. Minder massieve zwarte gaten hebben tijd nodig. Tegenwoordig zijn de actieve galactische kernen (AGN) die we zien meestal Seyfert-sterrenstelsels met een lage helderheid en kleinere zwarte gaten. De reuzen slapen al.
Hoe zwarte gaten hun gastheren controleren
Er bestaat een nauw verband tussen de massa van een zwart gat en de massa van zijn gaststelsel. Het is vreemd omdat het zwarte gat klein is vergeleken met de Melkweg. Het maakt slechts ongeveer 0,1 procent van de totale massa uit. Toch bevat het de sleutels tot de toekomst van de Melkweg.
Tijdens de quasarfase zendt het zwarte gat intense straling uit. Het zorgt voor een massale uitstroom. Het schiet straaljagers af. Deze krachten verwarmen het interstellaire medium. Ze kunnen het gas zelfs volledig uit de melkweg blazen.
Dit heeft twee belangrijke gevolgen. Ten eerste stopt het de stervorming. Zonder gas kunnen er geen nieuwe sterren geboren worden. Ten tweede verstikt het de eigen brandstoftoevoer van de quasar. Het zwarte gat verhongert. Zowel de stermassa als de massa van het zwarte gat bevriezen op hun plaats. De melkweg en zijn centrale monster groeien samen op.
