Квазары являются одними из самых ярких объектов в известной Вселенной. Они находятся в ядрах далёких галактик и питаются сверхмассивными чёрными дырами. Газ с высокой скоростью закручивается в эти чёрные дыры. Трение генерирует огромное количество света. Некоторые квазары превосходят по яркости все звёзды в своей родной галактике. Эта яркость позволяет астрономам наблюдать их с расстояния в миллиарды световых лет.
Что именно представляет собой квазар?
Квазар — это компактная область в центре галактики. Он излучает колоссальное количество энергии. Эта энергия возникает благодаря аккреции. Вещество падает в сверхмассивную чёрную дыру. Этот процесс выделяет больше энергии, чем ядерный синтез. Это делает квазары невероятно яркими. Они выглядят как точечные источники света. Ранние телескопы не могли разрешить их изображение. Они выглядели как звёзды. Отсюда и название «квазизвёздный радиоисточник». Сегодня мы знаем, что они не являются звёздами. Это активные галактические ядра.
Как были открыты квазары?
Квазары были впервые обнаружены в 1960-х годах. Астрономы использовали радиотелескопы для обнаружения сильных излучений. Эти источники не соответствовали ни одной из известных звёзд. Их спектры показывали большое красное смещение. Это указывало на то, что они находятся очень далеко. Красное смещение подразумевало огромные расстояния. Тем не менее, они были яркими. Это ставило в тупик. Как может что-то настолько далёкое быть таким ярким? Ответ крылся в чёрной дыре. Энерговыделение было колоссальным.
Почему квазары важны?
Квазары помогают нам понять раннюю Вселенную. Они существуют на больших расстояниях. Свет от квазаров идёт до нас миллиарды лет. Мы видим их такими, какими они были в прошлом. Это даёт нам снимок молодой Вселенной. Квазары также раскрывают рост чёрных дыр. Они показывают, как эволюционируют галактики. Взаимодействие между чёрными дырами и их галактиками-хозяевами имеет ключевое значение. Квазары являются маркерами этого процесса.
Где мы можем найти квазары?
Квазары находятся в центрах галактик. Они рассеяны по всему небу. Телескопы, такие как «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», обнаруживают их. Они видны в глубоких обзорах космоса. Их расположение помогает картировать Вселенную. Квазары находятся не рядом с нашим Млечным Путём. Они далёкие. Ближайший известный квазар всё ещё находится очень далеко. Он лежит в миллиардах световых лет от Земли.
Какие квазары самые яркие?
Некоторые квазары исключительно яркие. Они могут превосходить по яркости всю свою галактику-хозяина. Это делает их видимыми даже на экстремальных расстояниях. Самые яркие квазары имеют светимость в триллионы солнечных. Они являются одними из самых далёких наблюдаемых объектов. Их яркость позволяет проводить детальные исследования. Астрономы могут анализировать их спектры. Это раскрывает состав их окружения.
Как квазары влияют на свои галактики-хозяева?
Квазары влияют на свои галактики-хозяева. Энерговыделение может выталкивать газ из галактики. Это может остановить звездообразование. Квазары регулируют рост галактик. Они являются частью петли обратной связи. Чёрные дыры и галактики совместно эволюционируют. Изучение квазаров помогает нам понять эту взаимосвязь. Это ключевая область современной астрономии.
Будущее исследований квазаров
Новые телескопы улучшают наше представление. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаруживает более тусклые квазары. Он заглядывает дальше в прошлое. Это позволяет
Почему квазары выглядят как звёзды (но ими не являются)
Название возникло из-за некоторой астрономической путаницы. В 1950-х годах исследователи сканировали небо в поисках радиосигналов. Большинство источников совпадали с обычными галактиками. Некоторые — нет.
Эти аномальные объекты располагались вблизи плоскости Млечного Пути. Они выглядели как слабые голубые звёзды. У некоторых были размытые ореолы. Поначалу телескопы не позволяли отличить их от обычных звёзд при беглом взгляде.
Так они получили громоздкое название. Квазизвёздные радиоисточники. К 1964 году оно было сокращено до «квазар».
Это название прижилось. Оно описывало то, как они выглядели. А не то, чем они на самом деле являлись.
Тайна голубых ореолов
Эти размытые ореолы были не просто визуальным шумом. Они указывали на нечто большее. На нечто более яркое.
Квазары питаются сверхмассивными чёрными дырами. Они находятся в центрах далёких галактик. Свет, который мы видим, исходит от аккреционного диска. Ореол принадлежит галактике-хозяину. Но ранние телескопы видели лишь яркое ядро.
Оно выглядело как звезда. Оно вела себя как звезда. Но это не так.
Как мы разобрались
Когда астрономы поняли, что квазары — это не звёзды, они начали присматриваться ближе. Измерения красного смещения показали, что они находятся на огромных расстояниях. Если они такие яркие на таком удалении, они должны обладать невообразимой энергией.
Название было неточным. Объект представлял собой сердце галактики. Но термин «квазар» сохранился. Его проще произносить, чем «ультраяркое активное ядро галактики».
Мы до сих пор используем старое название. Для голубой звезды, которой не была звездой.
Тайна красного смещения и масштаб квазаров
Оптические спектры этих странных, похожих на звезды объектов не поддавались объяснению. Линии излучения появлялись на длинах волн, которые не соответствовали известным небесным источникам. Эта загадка ставила в тупик астрономов, пока в 1963 году голландско-американский астроном Мартен Шмидт не решил её. Он понял, что спектр 3C 273 — самого яркого из известных на тот момент квазара — на самом деле представлял собой линии атомов водорода, растянутые из-за расширения Вселенной. Красное смещение составляло 0,158. Это означало, что каждая длина волны была в 1,158 раза больше, чем в лабораторных измерениях.
Применив закон Хаббла, мы получаем расстояние в более чем два миллиарда световых лет. Это очень далеко. На подобных расстояниях существуют яркие скопления галактик. Но 3C 273? Он превосходил по яркости самые яркие отдельные галактики в этих скоплениях в 100 раз. Ничто столь яркое никогда не наблюдалось на столь большом удалении.
Проблема плотности
Продолжающиеся наблюдения принесли еще более странное открытие. Яркость квазаров сильно колебалась в масштабах времени всего в несколько дней. Физика диктует, что объект не может менять свою яркость быстрее, чем свет может пройти через него. Следовательно, общий размер квазара не мог превышать нескольких световых дней.
Компактный. Яркий. Невозможный.
Если объект настолько мал и одновременно так ярко светит, внутреннее давление излучения должно было бы разорвать его на части. Единственная сила, предотвращающая саморазрушительный взрыв, — это гравитация. Чтобы противостоять собственному сиянию и удерживаться вместе, квазар должен быть массивным. Как минимум миллион солнечных масс. Это предел Эддингтона, названный в честь Артура Эддингтона. Это точка, в которой outwardное давление излучения уравновешивает inwardную гравитационную тягу.
Таким образом, перед астрономами встал вопрос: как объект размером с нашу Солнечную систему может весить миллион звезд и превосходить по яркости галактику, состоящую из 100 миллиардов звезд?
Аккреция и конец споров
Ответ появился быстро после открытия Шмидта. Независимо друг от друга российские астрономы Яков Зельдович и Игорь Новиков, а также австрийско-американский Эдвин Салпетер предложили одно и то же решение: аккреция гравитации на сверхмассивные черные дыры.
Некоторые астрономы отвергали эту идею. Представление о такой высокой светимости в столь малом объеме казалось неприемлемым. Они предлагали альтернативы. Эти теории утверждали, что квазары на самом деле не находятся на таких огромных расстояниях. Их красное смещение не имеет космологической природы. Эти альтернативные интерпретации впоследствии были опровергнуты. Осталось несколько сторонников, но они являются маргинальными.
Спор о красном смещении завершился в начале 1980-х годов. Американский астроном Тодд Боросон и канадско-американский Джон Беркли Оке доказали это. Они показали, что размытые ореолы, окружающие некоторые квазары, были просто звездным светом от галактики-хозяина. А эти галактики? Они имели высокое красное смещение. Расстояние было реальным.
От радиоисточников к QSO
К 1965 году стало ясно, что квазары были лишь верхушкой айсберга. Они являлись частью более крупной популяции необычно синих источников. Большинство из них были слабыми радиоисточниками, слишком тусклыми для ранних обзоров. Эта более широкая группа разделяла все свойства квазаров, за исключением экстремальной радиолюминесценции. Их назвали квазизвездными объектами, или QSO.
Начиная с 1980-х годов астрономы рассматривают QSO как высоколюминесцентный вариант еще более крупного класса: активных галактических ядер, или AGN. Версии с меньшей светимостью — это галактики Сейферта, названные в честь Карла К. Сейферта, который впервые выделил их в 1943 году.
Эффективный поиск квазаров
Первые квазары были найдены как радиоисточники. Но астрономы быстро поняли, что их можно находить быстрее, ища объекты, более синие, чем обычные звезды. Метод прост. Сфотографируйте большие участки неба через два или три различных цветовых фильтра. Сравните изображения. Найдите необычно синие объекты. Подтвердите с помощью спектроскопии.
Это остается основным методом. Конечно, он эволюционировал. Пленка уступила место электронным приборам с зарядовой связью (ПЗС-матрицам). Обзоры расширились в инфракрасный диапазон. Теперь несколько фильтров изолируют квазары с разными красными смещениями в различных комбинациях.
Есть и другие способы. Поиск источников, похожих на звезды, с нерегулярными вариациями яркости. Рентгеновские обзоры из космоса. Высокий уровень рентгеновского излучения считается надежным индикатором системы аккрецирующей черной дыры.
Физическая структура квазаров
Подумайте о колоссальных масштабах двигателя в центре квазара. Речь идет о черной дыре, масса которой варьируется от одного миллиона до нескольких миллиардов масс нашего Солнца. Эти монстры тихо сидят в центре многих крупных галактик. Но когда они «едят», они сияют.
Примерно в 5–10% этих галактик все становится хаотичным. Газ падает в глубокую гравитационную яму черной дыры. Он разгоняется. Он накапливается. Трение и тепло превращают падающую материю в раскаленное состояние, формируя быстро вращающийся аккреционный диск непосредственно за горизонтом событий.
Существует жесткий предел того, как быстро черная дыра может «есть». Он называется пределом Эддингтона. Если черная дыра аккрецирует материю слишком быстро, возникающее в результате тепло создает такое огромное давление излучения, направленное наружу, что оно отбрасывает входящий газ. Питание прекращается. Природа устанавливает ограничение скорости для прожорливости.
Итак, что делает ядро «активным»? Большинство крупных галактик — 90–95% из них — в настоящее время спокойны. Они не являются квазарами. Активное галактическое ядро отличается тем, что его черная дыра активно поглощает материю. Она поглощает несколько солнечных масс вещества каждый год. Если она поглощает со скоростью около 1% или более от скорости Эддингтона, выход энергии ошеломляет. Мы говорим о полной светимости примерно 10^39 ватт. Сравните это с умеренными 4 × 10^26 ватт Солнца. Математика жестока.
Анатомия квазара
Помимо черной дыры и светящегося диска, квазары имеют сложное внутреннее строение. Непосредственно за аккреционным диском находятся облака газа, движущиеся с безумными скоростями. Эти облака вращаются вокруг внутренней структуры, поглощая высокоэнергетическое излучение от диска. Они перерабатывают его, излучая широкие спектральные линии водорода и других ионизированных атомов. Эти линии являются отпечатком пальца квазара.
Далее, все еще преимущественно в плоскости аккреционного диска, лежат пылающие газовые облака. Они могут заслонять сам квазар, скрывая центральный двигатель от обзора в зависимости от вашего угла зрения.
Затем есть джеты (струи). Некоторые квазары выбрасывают сильно коллимированные пучки плазмы вдоль оси вращения. Эти джеты движутся со скоростями, приближающимися к скорости света. Они излучают электромагнитное излучение в рентгеновском, радиодиапазоне и иногда в оптическом диапазоне. Это космический маяк, сканирующий пучками энергии по всей Вселенной.
Почему ориентация имеет значение
Эта сложная структура означает, что внешний вид квазара полностью зависит от вашей точки зрения. В частности, это зависит от угла между осью вращения аккреционного диска и вашей линией зрения.
Если вы смотрите вдоль ствола джета, вы видите нечто совершенно иное, чем если бы вы смотрели на диск с ребра. Аккреционный диск, облака излучающих линий и джеты становятся более или менее заметными в зависимости от этой геометрии. Мы наблюдаем широкий спектр явлений, но физически многие из этих источников похожи. Мы просто видим их под разными углами.
Эволюция квазаров
Почему мы видим больше квазаров в ранней Вселенной
Вселенная не всегда была такой тихой. Когда мы смотрим в глубины космоса, мы заглядываем в прошлое. Поскольку свету требуется время, чтобы достичь нас, объекты на больших расстояниях видятся такими, какими они были миллиарды лет назад. Именно поэтому плотность квазаров резко возрастает с увеличением красного смещения. Дело не только в том, что их больше вдали. Просто в прошлом они были гораздо более распространены.
Этот тренд достигает пика, когда Вселенной было около трёх миллиардов лет. Это примерно через десять миллиардов лет после Большого взрыва. До этого момента их популяция ещё только формировалась. Самые далёкие из известных нам квазаров сформировались менее чем через миллиард лет после начала всего сущего.
Эпизодическая природа «пиршества» чёрных дыр
Отдельные квазары не являются постоянными объектами. Они появляются, когда центральные чёрные дыры начинают поглощать газ с бешеной скоростью. Это часто происходит после слияния галактик. Чёрная дыра растёт. Она сияет. Но это длится недолго.
Активность квазаров носит эпизодический характер. Одна такая фаза может длиться около миллиона лет. Общая продолжительность жизни? Около десяти миллионов лет. Это мгновение в космических масштабах времени. В конце концов, поглощение прекращается. Чёрная дыра засыпает. Она скрывается в центре массивной галактики, ожидая.
Этот жизненный цикл протекает быстрее всего для самых массивных чёрных дыр. Они ярко горят и рано умирают. Менее массивные чёрные дыры действуют медленнее. Сегодня активные галактические ядра (AGN), которые мы наблюдаем, в основном представляют собой низкосветящиеся галактики Сейферта с меньшими чёрными дырами. Гиганты уже спят.
Как чёрные дыры контролируют свои галактики-хозяева
Существует тесная связь между массой чёрной дыры и массой её галактики-хозяина. Это кажется странным, потому что чёрная дыра мала по сравнению с галактикой. Она составляет лишь около 0,1 процента от общей массы. Тем не менее, она держит в руках ключи к будущему галактики.
В течение фазы квазара чёрная дыра выделяет интенсивное излучение. Она вызывает массовые выбросы. Она испускает джеты. Эти силы нагревают межзвёздную среду. Они могут даже полностью выдувать газ из галактики.
Это оказывает два основных эффекта. Во-первых, это подавляет звездообразование. Без газа новые звёзды не могут рождаться. Во-вторых, это лишает сам квазар источника топлива. Чёрная дыра голодает. И масса звёзд, и масса чёрной дыры застывают на месте. Галактика и её центральное чудовище взрослеют вместе.
