Kvazar — definicija aktivnih galaktičnih jeder okoli supermasivnih črnih lukenj

Kvazarji ali kvazizvezdni radijski viri so med najbolj energičnimi in najbolj oddaljenimi primeri aktivnih galaktičnih jeder (AGN). Ime izhaja iz angleškega "quasi-stellar" (»kvazizvezdni«), ker so se ob odkritju zdeli kot zvezde, a so kazali nenavadne spektralne lastnosti in zelo velike svetilnosti.

Kaj so kvazarji?

Kvazar je kompaktno, izredno svetlo območje v središču masivne galaksije, povezano z osrednjo supermasivno črno luknjo. Večina svetlobe in sevanja izvira iz akrecijskega diska in povezanih struktur okoli te črne luknje ter včasih iz relativističnih curkov (džetov), ki jih oddaja sistem.

Vir energije in mehanizmi sevanja

Energijo kvazarjev pojasnjuje gravitacijska energija snovi, ki pada na akrecijski disk okoli črne luknje. Pri tem se del mase pretvori v sevanje — akrecijski diski lahko v energijo pretvorijo približno 10 % mase, kar je veliko učinkoviteje kot jedrske fuzijske reakcije v zvezdah. Poleg termalnega sevanja iz diska (UV in rentgenski žarki) nekateri kvazarji oddajajo močne curke delcev, ki svetijo z nesinhronim sevanjem v radijskih in drugih valovnih dolžinah.

Opazovalne lastnosti

Svetilnost: Kvazarji so izjemno svetli; posamezni kvazarji lahko prekašajo svetilnost celih galaksij. Njihova skupna svetilnost je lahko tudi stokrat ali večkrat večja od svetilnosti Mlečne ceste.
Spektri: V spektru imajo zelo široke emisijske črte zaradi hitrih gibanj plinov blizu črne luknje — to razlikuje kvazarje od navadnih zvezd. Prvi so jih prepoznali kot vire elektromagnetnega sevanja z visokim rdečim premikom, vključno z radijskimi valovi in vidno svetlobo.
Variabilnost: Svetlost se lahko spreminja zelo hitro (tudi v dneh ali urah), kar kaže, da je izvor sevanja precej kompakten — manjši od velikosti sončnega sistema. Hitrost variabilnosti omejuje fizikalno velikost izvora.
Radio-loud vs. radio-quiet: Nekateri kvazarji so močni radijski viri (imajo velike curke), medtem ko so drugi bolj šibki v radijskem pasu; to razlikovanje je povezano s prisotnostjo in usmeritvijo curkov.

Velikost, masa in oddaljenost

Velikosti kvazarjev so v primerjavi z energijo, ki jo oddajajo, zelo majhne — v mnogih pogledih podobne velikosti Osončja. Njihova značilna razdalja od črne luknje je med približno 10 in 10.000-krat Schwarzschildovega polmera ustrezne črne luknje, odvisno od strukture akrecijskega diska in bližnjih plinastih področij. Masne ocene osrednjih črnih lukenj v kvazarjih segajo od približno 10^6 do več kot 10^10 mas Sonca.

Najvišji znani kvazar z rdečim premikom (od junija 2011^{[posodobitev])} ima rdeči premik 7,085, kar pomeni, da je od Zemlje oddaljen približno 29 milijard svetlobnih let. Ta ocena je narejena z uporabo koncepta komoving razdalje. (Opomba: pri govoru o oddaljenosti se pojavljajo različni pojmi, npr. svetlobno-potovalni čas, komoving razdalja ali današnja pravilno skalirana razdalja — vsi dajejo različne številke.)

Evolucija in vloga v galaksijah

Kvazarji so bili v zgodnjem vesolju pogostejši; največja pogostnost in svetilnost kvazarjev je bila okoli momenta, ko je bilo vesolje mlajše (»kvazarni vrh«). Poenostavljeno, proizvodnja energije v kvazarjih ugasne, ko centralne supermasivne črne luknje porabijo ali izpraznijo okoliški plin in prah, ki ju potrebujejo za akrecijo. To pojasnjuje, zakaj je danes aktivnih kvazarjev manj kot v preteklosti.

To pomeni, da je verjetno velik del galaksij — vključno z našo — preživel eno ali več aktivnih faz kot kvazar ali kot kakšen drug razred AGN. Danes so mnoge takšne galaksije v relativnem mirovanju, ker nimajo dovolj snovi, ki bi se stekala v osrednje črne luknje in ustvarjala močno sevanje.

Pomen kvazarjev v astronomiji

Kvazarji služijo kot oddaljeni svetilniki za kartiranje zgodnjega vesolja, proučevanje medgalaktičnega medija in merjenje kosmoloških parametrov.
Preučevanje kvazarjev pomaga razumeti, kako rastejo supermasivne črne luknje in kako interakcije (na primer združitve galaksij) napajajo akrecijo in curke.
Raziskave kvazarjev prispevajo k teorijam o unifikaciji AGN — zakaj različni opazovani tipi (Seyfertove galaksije, radio-galaksije, kvazarji) lahko izhajajo iz iste osnovne fizične strukture, a z različnimi vidnimi koti in stopnjami akrecije.

V zadnjih desetletjih so napredki v večvalovnem opazovanju (radijskem, optičnem, ultravijoličnem, rentgenskem in gama) ter v visokoločljivostnih tehnikah, kot je interferometrija, omogočili podrobnejše preučevanje notranjih področij kvazarjev, mehanizmov nastajanja curkov in povezav med kvazarji ter njihovimi gostiteljskimi galaksijami.

Gravitacijsko lečen kvazar HE 1104-1805.

Rentgenska slika Chandra prikazuje kvazar PKS 1127-145, zelo svetel vir rentgenskih žarkov in vidne svetlobe, ki je od Zemlje oddaljen približno 10 milijard svetlobnih let. Vsaj milijon svetlobnih let od kvazarja se razteza ogromen rentgenski curek. Velikost slike je 60 arcsec na stran. RA 11h 30m 7.10s Dec -14° 49' 27" v kraterju. Datum opazovanja: 28. maj 2000. Instrument: ACIS.

Umetniški prikaz ULAS J1120+0641, zelo oddaljenega kvazarja, ki ga poganja črna luknja z maso, ki je dve milijardi krat večja od mase Sonca. Kredit: ESO/M. Kornmesser

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je kvazar?

O: Kvazar ali kvazizvezdni radijski vir je aktivno galaktično jedro (AGN), ki je najbolj energična in oddaljena vrsta AGN. V primerjavi z energijo, ki jo oddajajo, so precej majhni in niso veliko večji od Osončja.

V: Kako daleč lahko najdemo kvazarje?

O: Kvazar z največjim rdečim premikom, ki je bil znan junija 2011, je bil od Zemlje oddaljen približno 29 milijard svetlobnih let.

V: Kakšen je mehanizem, ki se skriva za njihovimi spremembami svetlosti?

O: Mehanizem sprememb svetlosti verjetno vključuje relativistično oddajanje curkov, ki so usmerjeni skoraj neposredno proti nam.

V: Kaj naj bi bilo v središču kvazarja?

O: Znanstveniki se zdaj strinjajo, da je kvazar kompaktno območje v središču masivne galaksije, ki obdaja osrednjo supermasivno črno luknjo. Njegova velikost je 10-10.000-krat večja od Schwarzschildovega polmera te črne luknje.

V: Od kod prihaja njegova energija?

O: Energija, ki jo oddaja kvazar, izvira iz gravitacijske energije, ki nastane zaradi mase, ki pada na akrecijski disk okoli črne luknje.

V: Kako svetli so v primerjavi z drugimi galaksijami?

O: Kvazarji so izjemno svetli in so lahko 100-krat svetlejši od naše galaksije.

V: Zakaj so bili pogostejši v zgodnjem vesolju?

O: Kvazarji so bili pogostejši v zgodnjem vesolju, ker se proizvodnja energije konča, ko supermasivna črna luknja porabi ves plin in prah v svoji bližini, kar pomeni, da je večina galaksij morda preživela aktivno fazo kot ena ali kakšen drug razred aktivnih galaksij, preden je zaradi pomanjkanja snovi za proizvodnjo sevanja v osrednjih črnih luknjah začela mirovati.