Квазари: дефиниция, произход и характеристики на активните галактични ядра

Квазарите или квазизвездните радиоизточници са най-енергичните и отдалечени активни галактични ядра (АГЯ).

Те са доста малки в сравнение с енергията, която отделят. Квазарите не са много по-големи от Слънчевата система. Механизмът на промените в яркостта вероятно включва релативистично излъчване на струи, насочени почти директно към нас. Известният квазар с най-високо червено отместване (към юни 2011 г.^{[актуализация]) е} с червено отместване 7,085, което означава, че се намира на около 29 милиарда светлинни години от Земята. Тази оценка е направена, като е използвана концепцията за комовиращо разстояние.

Учените вече са единодушни, че квазарът е компактна област в центъра на масивна галактика, заобикаляща централна свръхмасивна черна дупка. Размерът му е 10-10 000 пъти по-голям от радиуса на Шварцшилд на черната дупка. Енергията, излъчвана от квазара, е гравитационна енергия, създадена от масата, падаща върху акреционния диск около черната дупка.

Квазарите са изключително ярки. За първи път те са идентифицирани като източници на електромагнитно излъчване с голямо червено отместване, включително радиовълни и видима светлина. Светлината (и другата енергия) изглеждаше подобна на звездите, а не на големи източници като галактиките. От друга страна, спектрите им имаха много широки емисионни линии, за разлика от всички познати от звездите, откъдето идва и определението "квазизвездни". Светенето им може да бъде 100 пъти по-голямо от това на Млечния път.

Акреционните дискове на централните свръхмасивни черни дупки могат да превърнат около 10% от масата на обекта в енергия. Този механизъм обяснява защо квазарите са били по-често срещани в ранната Вселена, тъй като това производство на енергия приключва, когато свръхмасивната черна дупка погълне целия газ и прах в близост до нея.

Това означава, че повечето галактики, включително нашият Млечен път, може да са преминали през активен етап като квазар или друг клас активни галактики. Сега те са в състояние на покой, защото нямат запас от материя, която да се подава към централните им черни дупки, за да генерират радиация.

Как работи източникът на енергия

Основният двигател на квазара е акреционният диск около свръхмасивната черна дупка. Материята, падаща поради гравитацията, се нагрява чрез триене и магнитни процеси до много високи температури и излъчва електромагнитна енергия от рентгеновата до радиочестотната област. Част от енергията се генерира и от ускорено въртене на самата черна дупка (Бландфорд–Знайк механизъм), особено когато се образуват мощни релативистични струи.

Спектрални и феноменологични характеристики

• Широки и тесни емисионни линии: в спектрите на квазарите се наблюдават широки линии от бързо движещия се газ, близо до черната дупка (широка емисионна област), и тесни линии от по-отдалечен газ (тесна емисионна област).
• Непрекъснат спектър: спектърът съдържа както термални компоненти (от акреционния диск), така и нетермални (синхротронно излъчване от струи).
• Вариабилност: промяната в яркостта на времеви скали от часове до години показва, че източникът е компактен — сигналите не могат да се променят по-бързо от времето, което светлината изисква да премине през обекта.
• Релативистични струи и блиндинг: при някои квазари струите са насочени към наблюдателя и поради релативистични ефекти излъчването се усилва (бележит пример са блазарите).

Класификация и връзка с други активни галактики

Квазарите са част от широкото семейство на активните галактични ядра. Срещат се радиосилни (radio-loud) и радиослаби (radio-quiet) квазари. Блазарите и някои ярки радиоквазари представляват случаи, в които струята е почти насочена към нас и наблюдаваме силно вариращо и поляризирано излъчване.

Черни дупки, маса и еволюция

Масите на централните черни дупки, задвижващи квазарите, варират обикновено между милиони и милиарди пъти масата на Слънцето. Високата яркост и ефективността на преобразуване на маса в енергия обясняват защо в ранната Вселена — когато имаше повече газ и интензивно сливане на галактики — квазарите са били много по-разпространени. Пикът на активността на квазарите е около червени измествания z ≈ 2–3, след което броят им спада.

Наблюдения и методи за измерване

Квазарите се откриват с широк набор от инструменти: оптични и инфрачервени телескопи (големи фотометрични и спектроскопични проучвания), радиотелескопи, рентгенови и гама-обсерватории. Техните разстояния се измерват чрез червено отместване на емисионните линии, а масите на черните дупки — чрез техники като reverberation mapping и измерване на широките емисионни линии. Наблюденията на квазарите дават и информация за условията във взаимо-действието между центъра на галактиката и нейната периферия.

Роля в еволюцията на галактиките

Квазарната активност влияе върху средата около галактиката чрез механизми, общо наричани AGN feedback. Мощните изхвърляния и струи могат да изгонят газ, да потискат или стимулират звездообразуването и да оформят масата и структурата на хоста. Това съвпада с наблюдателната връзка между масата на централната черна дупка и свойствата на галактичния бул (M–sigma отношение), което подсказва съвместна еволюция.

Защо квазарите са важни

• Квазарите са видими на огромни разстояния и служат като фон за изучаване на ранната Вселена и междугалактическия газ.
• Те дават информация за растежа на свръхмасивните черни дупки и за историята на сливанeта и натрупването на материя в галактиките.
• Проучванията на квазарите помагат за калибриране на космологични измервания и модели на еволюцията на структурата във Вселената.

Кратко заключение

Квазарите са екстремни прояви на активност в центровете на галактиките, захранвани от свръхмасивни черни дупки и акреционни дискове. Те комбинират мощно излъчване, релативистични струи и комплексна физика на плазмата и магнитните полета. Изучаването им не само разкрива природата на тези екзотични обекти, но и дава ценна информация за процесите на формиране и еволюция на галактиките и самата Вселена.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява квазарът?

Въпрос: На какво разстояние могат да се открият квазари?

В: Какъв е механизмът, който стои зад промените в яркостта им?

В: Какво се смята, че се намира в центъра на квазара?

Въпрос: Откъде идва енергията му?

В: Колко светли са те в сравнение с други галактики?

В: Защо са били по-разпространени в ранната Вселена?

Търсене по буква