Квазари є одними з найяскравіших об’єктів у відомому Всесвіті. Вони знаходяться в ядрах далеких галактик і харчуються надмасивними чорними дірками. Газ із високою швидкістю закручується у ці чорні дірки. Тертя генерує величезну кількість світла. Деякі квазари перевершують яскравістю всі зірки у своїй рідній галактиці. Ця яскравість дозволяє астрономам спостерігати їх з відстані мільярди світлових років.
Що саме являє собою квазар?
Квазар – це компактна область у центрі галактики. Він випромінює величезну кількість енергії. Ця енергія виникає завдяки акреції. Речовина падає у надмасивну чорну дірку. Цей процес виділяє більше енергії, аніж ядерний синтез. Це робить квазари неймовірно яскравими. Вони виглядають як точкові джерела світла. Ранні телескопи не могли дозволити їхнє зображення. Вони виглядали як зірки. Звідси і назва «квазізоряне радіоджерело». Сьогодні ми знаємо, що вони не є зірками. Це активні галактичні ядра.
Як були відкриті квазари?
Квазари були вперше виявлені у 1960-х роках. Астрономи використовували радіотелескопи виявлення сильних випромінювань. Ці джерела не відповідали жодній із відомих зірок. Їхні спектри показували велике червоне зміщення. Це вказувало на те, що вони дуже далеко. Червоне усунення мало на увазі величезні відстані. Проте вони були яскравими. Це ставило в глухий кут. Як може щось таке далеке бути таким яскравим? Відповідь крилася в чорній дірі. Енерговиділення було колосальним.
Чому квазари важливі?
Квазари допомагають нам зрозуміти ранній Всесвіт. Вони існують великі відстані. Світло від квазарів іде до нас мільярди років. Ми бачимо їх такими, якими вони були у минулому. Це дає нам знімок молодого Всесвіту. Квазари також розкривають зростання чорних дірок. Вони показують, як еволюціонують галактики. Взаємодія між чорними дірками та їхніми галактиками-господарями має ключове значення. Квазар є маркерами цього процесу.
Де ми можемо знайти квазари?
Квазари знаходяться у центрах галактик. Вони розпорошені по всьому небу. Телескопи, такі як “Хаббл” та “Джеймс Вебб”, виявляють їх. Вони видно у глибоких оглядах космосу. Їхнє розташування допомагає картувати Всесвіт. Квазари знаходяться не поряд з нашим Чумацьким Шляхом. Вони далекі. Найближчий відомий квазар все ще дуже далеко. Він лежить у мільярдах світлових років від Землі.
Які квазари найяскравіші?
Деякі квазари винятково яскраві. Вони можуть перевершувати за яскравістю всю свою галактику-господаря. Це робить їх видимими навіть на екстремальних відстанях. Найяскравіші квазари мають світність у трильйони сонячних. Вони є одними з найдальших об’єктів, що спостерігаються. Їхня яскравість дозволяє проводити детальні дослідження. Астрономи можуть аналізувати їх спектри. Це розкриває склад їхнього оточення.
Як квазари впливають на свої галактики-господарі?
Квазари впливають на свої галактики-господарі. Енерговиділення може виштовхувати газ із галактики. Це може зупинити зіркоутворення. Квазари регулюють зростання галактик. Вони є частиною петлі зворотного зв’язку. Чорні дірки та галактики спільно еволюціонують. Вивчення квазарів допомагає нам зрозуміти цей взаємозв’язок. Це ключова сфера сучасної астрономії.
Майбутнє досліджень квазарів
Нові телескопи покращують нашу виставу. Космічний телескоп «Джеймс Вебб» виявляє тьмяніші квазари. Він заглядає далі у минуле. Це дозволяє
Чому квазари виглядають як зірки (але ними не є)
Назва виникла через деяку астрономічну плутанину. У 1950-х роках дослідники сканували небо у пошуках радіосигналів. Більшість джерел збігалися із звичайними галактиками. Деякі – ні.
Ці аномальні об’єкти розташовувалися поблизу площини Чумацького Шляху. Вони виглядали як слабкі блакитні зірки. Деякі мали розмиті ореоли. Спочатку телескопи не дозволяли відрізнити їх від звичайних зірок при побіжному погляді.
Так вони отримали громіздку назву. Квазізоряні радіоджерела. До 1964 року його скоротили до «квазар».
Ця назва прижилася. Воно описувало те, як вони виглядали. А не те, чим вони насправді були.
Таємниця блакитних ореолів
Ці розмиті ореоли були просто візуальним шумом. Вони вказували на щось більше. На щось яскравіше.
Квазари харчуються надмасивними чорними дірками. Вони знаходяться у центрах далеких галактик. Світло, яке ми бачимо, походить від акреційного диска. Ореол належить галактиці-господарю. Але ранні телескопи бачили лише яскраве ядро.
Воно виглядало як зірка. Воно поводилося як зірка. Але це негаразд.
Як ми розібралися
Коли астрономи зрозуміли, що квазари це не зірки, вони почали придивлятися ближче. Вимірювання червоного усунення показали, що вони знаходяться на величезних відстанях. Якщо вони такі яскраві на такому видаленні, вони повинні мати неймовірну енергію.
Назва була неточною. Об’єкт був серцем галактики. Але термін “квазар” зберігся. Його простіше вимовляти, аніж «ультраярке активне ядро галактики».
Ми досі використовуємо стару назву. Для блакитної зірки, яка не була зіркою.
Таємниця червоного зміщення та масштаб квазарів
Оптичні спектри цих дивних, схожих на зірки об’єктів, не піддавалися поясненню. Лінії випромінювання з’являлися на довжинах хвиль, які не відповідали відомим небесним джерелам. Ця загадка ставила в глухий кут астрономів, поки в 1963 році голландсько-американський астроном Мартен Шмідт не вирішив її. Він зрозумів, що спектр 3C 273 – найяскравішого з відомих на той момент квазара – насправді був лінії атомів водню, розтягнуті через розширення Всесвіту. Червоне усунення становило 0,158. Це означало, що кожна довжина хвилі була в 1,158 рази більша, ніж у лабораторних вимірах.
Застосувавши закон Хаббла, ми отримуємо відстань у понад два мільярди світлових років. Це дуже далеко. На таких відстанях існують яскраві скупчення галактик. Але 3C 273? Він перевершував за яскравістю найяскравіші окремі галактики у цих скупченнях у 100 разів. Ніщо таке яскраве ніколи не спостерігалося на такому великому видаленні.
Проблема щільності
Продовження спостереження принесли ще дивніше відкриття. Яскравість квазарів сильно коливалася в масштабах часу лише кілька днів. Фізика диктує, що об’єкт не може змінювати свою яскравість швидше, ніж світло може пройти крізь нього. Отже, загальний розмір квазара було перевищувати кількох світлових днів.
Компактний. Яскравий. Неможливий.
Якщо об’єкт настільки малий і одночасно так яскраво світить, внутрішній тиск випромінювання мало б розірвати його на частини. Єдина сила, яка запобігає саморуйнівному вибуху, — це гравітація. Щоб протистояти власному сяйві та утримуватися разом, квазар має бути масивним. Щонайменше мільйон сонячних мас. Це межа Еддінгтона, названа на честь Артура Еддінгтона. Це точка, в якій outwardний тиск випромінювання врівноважує inwardну гравітаційну тягу.
Таким чином, перед астрономами постало питання: як об’єкт розміром із нашу Сонячну систему може важити мільйон зірок і перевершувати за яскравістю галактику, що складається зі 100 мільярдів зірок?
Акреція та кінець суперечок
Відповідь з’явилася швидко після відкриття Шмідта. Незалежно один від одного російські астрономи Яків Зельдович та Ігор Новіков, а також австрійсько-американський Едвін Салпетер запропонували одне й те саме рішення: акреція гравітації на надмасивні чорні діри.
Деякі астрономи відкидали цю ідею. Уявлення про таку високу світність у такому малому обсязі здавалося неприйнятним. Вони пропонували альтернативи. Ці теорії стверджували, що квазари насправді немає таких величезних відстанях. Їхнє червоне зміщення не має космологічної природи. Ці альтернативні інтерпретації згодом спростували. Залишилося кілька прихильників, але є маргінальними.
Суперечка про червоне усунення завершилася на початку 1980-х років. Американський астроном Тодд Боросон та канадсько-американський Джон Берклі Оке довели це. Вони показали, що розмиті ореоли, які оточують деякі квазари, були просто зоряним світлом галактики-господаря. А ці галактики? Вони мали високе червоне усунення. Відстань була реальною.
Від радіоджерел до QSO
До 1965 року зрозуміли, що квазари були лише верхівкою айсберга. Вони були частиною більшої популяції незвичайно синіх джерел. Більшість із них були слабкими радіоджерелами, надто тьмяними для ранніх оглядів. Ця ширша група поділяла всі властивості квазарів, крім екстремальної радіолюмінесценції. Їх назвали квазізірковими об’єктами, або QSO.
Починаючи з 1980-х років астрономи розглядають QSO як високолюмінесцентний варіант ще більшого класу: активних галактичних ядер, або AGN. Версії з меншою світністю – це галактики Сейферта, названі на честь Карла К. Сейферта, який вперше виділив їх у 1943 році.
Ефективний пошук квазарів
Перші квазари знайшли як радіоджерела. Але астрономи швидко зрозуміли, що їх можна знаходити швидше, шукаючи об’єкти, більш сині за звичайні зірки. Метод простий. Сфотографуйте великі ділянки неба через два або три різні кольорові фільтри. Порівняйте зображення. Знайдіть надзвичайно сині об’єкти. Підтвердьте за допомогою спектроскопії.
Це основним методом. Звісно, він еволюціонував. Плівка поступилася місцем електронним приладам із зарядовим зв’язком (ПЗЗ-матрицям). Огляди розширилися до інфрачервоного діапазону. Тепер кілька фільтрів ізолюють квазари з різними червоними усуненнями в різних комбінаціях.
Є й інші методи. Пошук джерел, схожих на зірки, із нерегулярними варіаціями яскравості. Рентгенівські огляди із космосу. Високий рівень рентгенівського випромінювання вважається надійним індикатором системи чорної діри, що акрекує.
Фізична структура квазарів
Подумайте про колосальні масштаби двигуна у центрі квазара. Йдеться про чорну дірку, маса якої варіюється від одного мільйона до кількох мільярдів мас нашого Сонця. Ці монстри тихо сидять у центрі багатьох великих галактик. Але коли вони їдять, вони сяють.
Приблизно у 5–10% цих галактик усе стає хаотичним. Газ падає у глибоку гравітаційну яму чорної дірки. Він розганяється. Він накопичується. Тертя і тепло перетворюють падаючу матерію на розпечений стан, формуючи акреційний диск, що швидко обертається, безпосередньо за горизонтом подій.
Існує жорстка межа того, як швидко чорна дірка може «є». Він називається межею Еддінгтона. Якщо чорна діра акрекує матерію занадто швидко, тепло створює таке величезний тиск випромінювання, спрямоване назовні, що воно відкидає вхідний газ. Харчування припиняється. Природа встановлює обмеження швидкості для ненажерливості.
Отже, що робить ядро активним? Більшість великих галактик — 90–95% із них — нині спокійні. Вони є квазарами. Активне галактичне ядро відрізняється тим, що його чорна дірка активно поглинає матерію. Вона поглинає кілька сонячних мас речовини щороку. Якщо вона поглинає зі швидкістю близько 1% або більше швидкості Еддінгтона, вихід енергії приголомшує. Ми говоримо про повну світність приблизно 10^39 ват. Порівняйте це з помірними 4 × 10^26 ват Сонця. Математика жорстока.
Анатомія квазара
Крім чорної дірки і диска, що світиться, квазари мають складну внутрішню будову. Безпосередньо за акреційним диском знаходяться хмари газу, що рухаються з шаленими швидкостями. Ці хмари обертаються довкола внутрішньої структури, поглинаючи високоенергетичне випромінювання від диска. Вони переробляють його, випромінюючи широкі спектральні лінії водню та інших іонізованих атомів. Ці лінії є відбитком пальця квазара.
Далі, все ще переважно в площині акреційного диска, лежать палаючі газові хмари. Вони можуть затуляти сам квазар, приховуючи центральний двигун від огляду залежно від вашого кута зору.
Потім є джети (струмені). Деякі квазари викидають сильно колімовані пучки плазми вздовж осі обертання. Ці джети рухаються зі швидкостями, що наближаються до швидкості світла. Вони випромінюють електромагнітне випромінювання в рентгенівському радіодіапазоні і іноді в оптичному діапазоні. Це космічний маяк, що сканує пучками енергії по всьому Всесвіту.
Чому орієнтація має значення
Ця складна структура означає, що зовнішній вигляд квазар повністю залежить від вашої точки зору. Зокрема, це залежить від кута між віссю обертання акреційного диска та вашою лінією зору.
Якщо ви дивитеся вздовж стовбура Джета, ви бачите щось зовсім інше, ніж якби дивилися на диск з ребра. Акреційний диск, хмари випромінюючих ліній та джети стають більш менш помітними в залежності від цієї геометрії. Ми спостерігаємо широкий спектр явищ, але фізично багато цих джерел схожі. Ми просто бачимо їх під різними кутами.
Еволюція квазарів
Чому ми бачимо більше квазарів у ранньому Всесвіті
Всесвіт не завжди був таким тихим. Коли ми дивимось у глибини космосу, ми заглядаємо у минуле. Оскільки світ потрібен час, щоб досягти нас, об’єкти на великих відстанях бачаться такими, якими вони були мільярди років тому. Саме тому щільність квазарів різко зростає із збільшенням червоного усунення. Справа не тільки в тому, що їх більше далеко. Просто в минулому вони були значно поширенішими.
Цей тренд досягає піку, коли Всесвіту було близько трьох мільярдів років. Це приблизно за десять мільярдів років після Великого вибуху. До цього моменту їхня популяція ще тільки формувалася. Найдальші з відомих нам квазарів сформувалися менш як через мільярд років після початку всього сущого.
Епізодична природа «бенкету» чорних дірок
Окремі квазари є постійними об’єктами. Вони з’являються, коли центральні чорні дірки починають поглинати газ із шаленою швидкістю. Це часто відбувається після злиття галактик. Чорна діра росте. Вона сяє. Але це триває недовго.
Активність квазарів має епізодичний характер. Одна така фаза може тривати близько мільйона років. Загальна тривалість життя? Близько десяти мільйонів років. Це мить у космічних масштабах часу. Зрештою, поглинання припиняється. Чорна діра засинає. Вона ховається у центрі масивної галактики, чекаючи.
Цей життєвий цикл протікає найшвидше для найпотужніших чорних дірок. Вони яскраво горять і рано вмирають. Менш потужні чорні діри діють повільніше. Сьогодні активні галактичні ядра (AGN), які ми спостерігаємо, в основному являють собою галактики Сейферта, що низько світяться, з меншими чорними дірками. Гіганти вже сплять.
Як чорні дірки контролюють свої галактики-господарі
Існує тісний зв’язок між масою чорної дірки та масою її галактики-господаря. Це здається дивним, тому що чорна діра мала порівняно з галактикою. Вона становить лише близько 0,1 відсотка загальної маси. Проте вона тримає в руках ключі до майбутнього галактики.
Протягом фази квазара чорна діра виділяє інтенсивне випромінювання. Вона спричиняє масові викиди. Вона випускає Джети. Ці сили нагрівають міжзоряне середовище. Вони можуть навіть повністю видувати газ із галактики.
Це має два основних ефекти. По-перше, це пригнічує зіркоутворення. Без газу нові зірки не можуть народжуватись. По-друге, це позбавляє сам квазар джерела палива. Чорна дірка голодує. І маса зірок, і маса чорної дірки застигають дома. Галактика та її центральна чудовисько дорослішають разом.
