Квазар

Художнє відображення зростаючого квазару

Кваза́ри (англ. quasars, скор. від англ. quasi-stellar radio source — квазізоряне радіоджерело) — позагалактичні об'єкти, які мають зореподібні зображення й потужні емісійні лінії з великим червоним зміщенням у спектрі.

Квазари було виявлено 1963 року як джерела радіовипромінювання з дуже малими кутовими розмірами (менше за 10"). Потім вони були ототожнені з тьмяними оптичними об'єктами зоряної величини 16—18^m. Згодом було виявлено джерела, які за оптичними характеристиками від квазарів не відрізнялися, проте не мали радіовипромінювання. Сьогодні квазарами називають обидва типи об'єктів: перші — радіоголосними (або радіоактивними), а інші — радіотихими (або радіоспокійними). Радіоголосні квазари становлять декілька відсотків загальної кількості квазарів.

У спектрах багатьох квазарів, крім емісійних ліній, є одна або декілька систем ліній поглинання, червоні зміщення яких менші, ніж зсув емісійних ліній. Ці емісійні лінії формуються на шляху між квазарами й спостерігачем. Квазари мають найвищу світність серед усіх об'єктів Всесвіту, наприклад, потужність випромінювання квазарів S5 0014+81 в оптичному діапазоні перевищує 5×10¹⁴L_☉. Висока світність квазарів дає змогу спостерігати їх на дуже великих відстанях. Виявлено квазари з червоним зсувом z>4.

Квазари виявляють змінність у широкому часовому діапазоні — від кількох днів до кількох років. Амплітуда змінності в смузі В зазвичай 0,5 — 1,5^m, хоча в деяких квазарів вона не перевищує 0,1^m. Проте є група оптично змінних квазарів, зміни блиску яких досягають 6,0^m. Оптично змінні квазари часто об'єднують з лацертидами в один клас — блазари. Квазари належать до галактик з активними ядрами. Більшість із них пов'язана зі спіральними галактиками. За природою квазари, напевне, близькі до сейфертівських галактик, до яких вони примикають з боку високих світностей.

На початку XXI ст. встановлено, що квазари — це галактики, які мають в центрі надмасивні чорні діри. {https://earthsky.org/astronomy-essentials/definition-what-is-a-quasar/}

Огляд

Спектри квазарів мають значний червоний зсув, що є результатом розширення Всесвіту. Найбільший червоний зсув (z=7,085) має квазар ULAS J1120+0641, що відповідає відстані понад 12,9 мільярдів світлових років від Землі. Із закону Габбла випливає, що квазари розташовані від нас на дуже великих відстанях, і, як наслідок, ми бачимо їхнє далеке минуле. Найяскравіші квазари випромінюють енергії в трильйон разів більше, ніж Сонце (10¹² L_☉). Це випромінювання розподілено у спектрі майже рівномірно — від рентгенівського випромінювання до далекого інфрачервоного з піком в ультрафіолеті або в оптичному діапазоні. Деякі квазари також є потужними джерелами гамма-променів та радіовипромінювання. Ранні оптичні зображення квазарів були схожі на точкові джерела світла, вони не відрізнялися від зір, за винятком особливих спектрів. Завдяки інфрачервоним телескопам і космічному телескопу Габбла для деяких квазарів було встановлено, що вони перебувають всередині галактик. Ці галактики є дуже тьмяними через значну відстань до них, і їх надзвичайно важко побачити в сліпучому світлі квазара. Більшість квазарів неможливо побачити в малі телескопи, але 3C 273 з середньою видимою величиною 12,9 є винятком. Він перебуває на відстані 2,44 мільярди світлових років і є одним з найвіддаленіших об'єктів, який помітно за допомогою аматорського телескопа.

Для деяких квазарів властива швидка зміна яскравості в оптичному діапазоні, і ще швидша — в рентгенівському. Це свідчить про малі розміри квазарів (порядку розміру Сонячної системи або менші), тому що об'єкт не може змінювати світність за коротший час, ніж світло доходить від одного його кінця до іншого.

Квазари ймовірно є результатом акреції речовини на надмасивну чорну діру в ядрах далеких галактик, і належать до великої групи об'єктів, що мають назву активних галактик. Велика центральна маса (від 10⁶ до 10⁹ M_☉) була виміряна в квазарах використовуючи ревербераційному відображенні^{[джерело?]}. Декілька десятків сусідніх галактик, які не є квазарами, містять у своїх ядрах поодинокі надмасивні чорні діри. Логічно припустити, що надмасивні чорні діри є в усіх масивних галактиках, однак лише невелика їх кількість поглинає великі обсяги речовини і, як наслідок, є квазарами.

Історія спостереження квазарів

Перші квазари були відкриті на радіотелескопах в 1950-х роках. Більшість з них була записана як радіоджерела, які не відповідали жодним видимим об'єктам. Використовуючи малі телескопи і телескоп «Lovell» як інтерферометр, було доведено, що вони мають дуже малі кутові розміри. Сотні цих об'єктів були записані до 1960 року і опубліковані в Третьому кембриджському каталозі, оскільки астрономи сканували небо в пошуках оптичних відповідників. 1960 року радіоджерело 3C48 було ототожнене з оптичним об'єктом. Астрономи знайшли слабку блакитну зорю на місці розташування радіо-джерела й отримали її спектр. Аномальний спектр містив велику кількість невідомих широких емісійних ліній і не піддавався традиційному тлумаченню — припущення Джона Болтона про великий червоний зсув тоді ще не було загальноприйнятим.

1962 року було передбачено, що радіоджерело 3C 273 зазнає п'ятиразового покриття Місяцем. Вимірювання, здійснені Кирилом Хазардом і Джоном Болтоном з радіотелескопа ім. Паркеса протягом під час одного з таких покриттів, дозволило Мартену Шмідту ідентифікувати оптичний об'єкт й отримати його спектр, застосувавши п'ятиметровий телескоп Гейла паломарської обсерваторії. Цей спектр виявив ті ж незнайомі лінії емісії. Шмідт усвідомив, що це фактично водневі спектральні лінії, зсунуті в червоний бік спектра на 15,8 відсотків. Це відкриття означало, що 3C273 віддаляється зі швидкістю 47 000 км/с, що призвело до революційних змін у спостереженнях квазарів, дозволивши іншим астрономам знайти червоний зсув у лініях емісії для інших радіоджерел. Як і передбачав Болтон, 3C 48 мав червоний зсув, що відповідав швидкості руху 37% від швидкості світла.

Термін квазар запропонував американський астрофізик китайського походження Хонг-Ї Чіу 1964 року в журналі «Фізика сьогодні» як альтернативу довгої назви «квазізоряні радіоджерела»^{[джерело?]}.

Протягом 1960 року велася дискасія на тему: чи є квазари близькими або віддаленими об'єктами, маючи на увазі їхній червоний зсув. Пропонувалося, наприклад, що червоний зсув у спектрах квазарів є не свідченням розширення простору, а спричинено потужним гравітаційним полем цих джерел. Проте зоря з необхідною масою, щоб сформувати таке джерело, мала бути нестійкою й перевищувати межу Хаяші^{[джерело?]}. Квазари також показують незвичайні емісійні лінії, які спостерігаються в гарячих газових туманностях низької густини, що є надто розрідженими, щоб пояснити спостережувану потужність і червоне зміщення — газ має перебувати в межах глибокого гравітаційного потенціалу джерела. Однак космологічне пояснення зміщення спектрів квазарів як наслідок розширення Всесвіту також наштовхнулось на труднощі. Одним із вагомих аргументів проти цієї ідеї було те, що квазари в такому випадку мають випромінювати надто велику енергію, щоб це можливо було пояснити за допомогою відомих фізичних процесів, включаючи ядерний синтез. Була запропонована теорія, що квазари утворилися з досі невідомої форми стабільної антиречовини, і це може пояснити їхню світність. Існувала й інша теорія, що квазари є білими дірами — протилежностями поглинаючих чорних дір. Коли в 1970 роках було успішно змодельовано виділення необхідної енергії в акреційному диска навколо чорної діри, аргументи про космологічні відстані до квазарів стали сприйматися майже всіма дослідниками.

1979 року в спостереженнях подвійного квазара 0957+561 було підтверджено ефект гравітаційного лінзування, передбачений Ейнштейном у загальній теорії відносності^{[джерело?]}.

1980 року було запропоновано фізичні моделі, за якими квазари класифікували як окремий тип активних галактик, і в більшості найпростіших випадків їх розглядали як різновид інших типів активних галактик — блазарів і радіогалактик. Величезна світність квазарів зумовлена акреційним диском центральних надмасивних чорних дір, які можуть випромінювати енергію до 10% від маси газу, що колапсує, тоді як ядерні реакції синтезу гелію з протонів вивільнюють усього 0,7% енергії від маси палива.

Цей механізм також пояснює, чому квазари були поширені в ранньому Всесвіті. Випромінювання енергії практично припиняється, коли надмасивна чорна діра поглинає весь газ і пил навколо себе. Можливо, що більшість галактик, зокрема й наш Чумацький Шлях, пройшли через активну стадію (залежно від маси чорної діри це міг бути або квазар, або якийсь інший клас активних галактик) і зараз просто неактивні, тому що вони більше не мають речовини, щоб «годувати» свої центральні чорні діри, і, таким чином, генерувати випромінювання.^{[джерело?]}

У 13-й редакції каталогу VERON (2010 року) налічувалося близько 133 тис. квазарів.

Сучасне розуміння

Зараз відомо, що квазари є далекими, але надзвичайно яскравими об’єктами, тому будь-яке світло від квазарів, яке досягає Землі, має достатньо значне космологічне червоне зміщення.

Квазари населяють центри активних галактик і є одними з найбільш яскравих, потужних і енергетичних об’єктів, відомих у Всесвіті, випромінюючи в тисячу разів більше енергії, ніж Чумацький Шлях, який містить 200–400 мільярдів зір. Енергія квазарів випромінюється по всьому електромагнітному спектру майже рівномірно, від рентгенівського до інфрачервоного діапазону з піком в ультрафіолетовому діапазоні, при цьому деякі квазари також є потужними джерелами радіовипромінювання та гамма-променів. За допомогою зображень із високою роздільною здатністю, зроблених наземними телескопами та космічним телескопом Хаббла, у деяких випадках було виявлено «господарські галактики», що оточують квазари. Зазвичай ці галактики занадто тьмяні, щоб їх можна було побачити на тлі блиску квазара, за винятком спеціальних методів. Більшість квазарів неможливо побачити в невеликі телескопи, за винятком 3C 273, чия середня видима зоряна величина становить 12,9.

За припущенням Едвіна Солпітера і Якова Зельдовича у 1964 році, (яке в багатьох випадках підтверджено), квазари живляться за рахунок акреції матеріалу в надмасивні чорні діри в ядрах далеких галактик. Світло та інше випромінювання не може вилетіти за межі горизонту подій чорної діри, але генерується воно ззовні чорної діри, під дією гравітації та величезної сили тертя (що виникає через в'язкість газу акреційного диска), речовина акреційного диска сильно нагрівається. В енергію випромінювання перетворюється від 5,7% до 32% маси об’єкта, що на порядок більше в порівнянні з 0,7% для процесу термоядерного синтезу протон-протонного циклу, який домінує у виробництві енергії в сонцеподібних зорях. Центральні маси від 10⁵ до 10⁹ сонячних мас були виміряні в квазарах за допомогою ревербераційного картування. Підтверджено, що кілька десятків сусідніх галактик (включаючи й Чумацький Шлях), які не мають активного центру і не виявляють жодної активності, схожої на квазар, мають в своїх ядрах подібну надмасивну чорну діру (галактичний центр). Таким чином, зараз вважається, що всі великі галактики мають чорні діри такого типу, але лише невелика частка має достатню кількість матерії на необхідній орбіті в центрі, щоб стати активними та посилювати випромінювання таким чином, щоб їх розглядали як квазари.

Це також пояснює, чому квазари були більш поширеними в ранньому всесвіті, оскільки це виробництво енергії закінчується, коли надмасивна чорна діра поглинає весь газ і пил поблизу неї. Це означає, що, можливо, більшість галактик, включно з Чумацьким Шляхом, пройшли через активну стадію, з'явившись як квазар або інший клас активних галактик, який залежав від маси чорної діри та швидкості акреції, і зараз перебувають у стані спокою, оскільки їм бракує матерії, яка надходила б у їхні центральні чорні діри для генерування випромінювання.

Матерія, що накопичується на чорну діру, навряд чи впаде безпосередньо на неї, але матиме певний кутовий момент навколо чорної діри, що спричинить скупчення матерії в акреційному диска. Квазари також можуть наново спалахнути, коли нормальні галактики зливаються і чорна діра отримує нове джерело матерії. Фактично, робиться припущення, що квазар може утворитися, коли Галактика Андромеди зіткнеться з галактикою Чумацький Шлях приблизно через 3–5 мільярдів років.

У 1980-х роках були розроблені уніфіковані моделі, в яких квазари класифікувалися як особливий вид активних ядер галактик, і виник консенсус, що в багатьох випадках лише кут нахилу галактики до променя зору відрізняє квазари від інших активних ядер галактик, таких як блазари та радіогалактики.

Відомий квазар із найбільшим червоним зміщенням (станом на грудень 2017) був ULAS J1342+0928 з червоним зміщенням 7,54, квазар знаходиться на відстані 13,1 млрд св. років.

Фотографія телескопа Hubble, зображено ядро квазара

Властивості квазарів

Більш ніж 200 000 квазарів відомі завдяки Слоанівському огляду неба. Усі спектри спостережуваних квазарів мають червоний зсув між 0,06 і 6,5. Застосування закону Хаббла до цих червоних зміщень показало, що вони існували між 780 мільйонами й 14 мільярдами років тому. Через великі відстані до квазарів і скінчену швидкість світла, ми бачимо їх у дуже ранньому Всесвіті.

Більшість відомих квазарів віддалена більш як на три мільярди світлових років. Квазари, якщо спостерігати з Землі, є слабкими об'єктами. Але той факт, що вони видимі, перебуваючи так далеко, означає, що вони — найпотужніші об'єкти у відомому Всесвіті. Найяскравішим квазаром на небі є 3C 273 в сузір'ї Діва. Він має середню видиму величину 12,8 (досить яскравий, щоб побачити в невеликий телескоп) і має абсолютну зоряну величину −26,7. З відстані 33 світлових роки цей об'єкт сяяв би в небі так само яскраво, як наше Сонце. Таким чином, квазар випромінює енергії майже в 2 трильйони разів більше, ніж наше Сонце (2х10¹²), і майже в 100 разів більша, ніж велика галактика, подібна до нашого Чумацькому Шляху.

Дуже яскравий квазар APM 08279+5255 відкрито 1998 року. Його абсолютна зоряна величина — 32,2, хоча зображення високої роздільної здатності телескопа Хаббла та 10-метрових телескопів Кека показали, що ця система гравітаційно лінзована. Гравітаційне лінзування цієї системи збільшує яскравість квазара (за рахунок лінзування) майже на порядок (~10). Однак, цей квазар все одно яскравіший, ніж сусідні квазари, як наприклад 3C 273.

Квазари були більш поширені в ранньому Всесвіті. Це відкриття Мартіна Шмідта 1967 року свідчить проти стаціонарної космології Фреда Хойла на користь моделі Великого вибуху. Квазари показують де масивні чорні діри швидко зростають (через акрецію речовини). Маси чорних дір зростають рівномірно зі збільшенням маси зір у галактиках, що досі не пояснено^{[джерело?]}. Одна з ідей полягає в тому, що струмені випромінювання й вітри від квазарів заважають утворенню зір у галактиці, цей процес називається «зворотний зв'язок». Струмені, що продукують потужну радіоемісію деяких квазарів у центрах скупчень галактик, як відомо, мають достатню потужність, щоб зберегти гарячий газ у цих скупченнях від охолодження й падіння на центральну галактику.

Квазари змінюють свою яскравість із часом. Іноді зміни яскравості відбуваються протягом декількох місяців, тижнів, днів або годин. Це означає, що квазари енергія генерується й випромінюється з дуже малої ділянки, оскільки всі частини квазара мають перебувати в контакті з іншими частинами на таких проміжках часу, щоб координувати зміни світності. Оскільки квазар змінює світність протягом декількох тижнів, його розміри не можуть бути більшими за декілька світлових тижнів. Настільки потужне випромінювання малої ділянки потребує набагато ефективнішого джерела ніж ядерний синтез. Вивільнення гравітаційної енергії речовиною, що падає на масивну чорну діру, є єдиним відомим процесом, який може безперервно підтримувати таку високу потужність. Зоряні вибухи — наднові й гамма-спалахи можуть давати таку потужність лише протягом декількох хвилин.

У 1960 роках чорні діри розглядалися багатьма астрономами як щось екзотичне. Вони вважали, що червоний зсув є результатом деякого іншого (невідомого) процесу, і, відповідно, квазари не так віддалені, як передбачає закон Хаббла. Ця дискасія навколо червоного зміщення тривала протягом багатьох років. У наш час існує багато доказів (спостереження материнських галактик, відкриття ліній поглинання в спектрах квазарів, що виникають внаслідок поширення їхнього світла у космічному просторі, гравітаційне лінзування), що червоний зсув зумовлено саме космологічним розширенням Всесвіту, і квазари є потужними джерелами як і передбачалось. Квазари мають такі ж властивості, як і активні галактики, але вони потужніші. Їхнє випромінювання не теплове (тобто не випромінювання чорного тіла). Деяка частина енергії (~10%) спостерігається у вигляді джетів (подібно до радіогалактик), на які припадає значна (однак точно не відома) кількість енергії у формі високоенергетичних релятивістських частинок (зокрема електронів і протонів або електронів і позитронів). Квазари можна спостерігати практично на всіх ділянках електромагнітного спектру — включаючи радіо, інфрачервоний, оптичний, ультрафіолетовий, рентгенівський і навіть гамма- діапазони. Більшість квазарів є найяскравішими в деякому проміжку ультрафіолетового діапазону (близько 1216 ангстрем або 121,6 нм), але завдяки значному червоному зсуву пік яскравості спостерігається в червоному світлі 9000 ангстрем (900 нм) поблизу інфрачервоної області. Меншість квазарів мають потужне радіовипромінювання, яке надходить від джетів — струменів частинок, які рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Зі спостережень за струменем помітно, що він з'являється як спалах і часто містить ділянки, які візуально віддаляються від центру швидше, ніж швидкість світла. Цей оптичний обман виникає завдяки релятивістським ефектам.

Червоне зміщення квазарів вимірюється за яскравими спектральними лініями оптичного й ультрафіолетового спектрів. Ці лінії яскравіші, ніж неперервний спектр, тому їх називають емісійними лініями. Вони мають ширину, еквівалентну кільком відсоткам швидкості світла, спричинену допплерівським зсувом унаслідок швидкого руху газу, що їх випромінює. Швидкий рух газу чітко вказує на велику масу квазара. Емісійні лінії водню (переважно серія Лаймана й серія Бальмера), гелію, вуглецю, магнію, заліза і кисню — це найяскравіші лінії. Атоми, що випромінюють ці лінії, є як нейтральними, так і надзвичайно іонізованими. Такий широкий ряд іонізації вказує на те, що газ, який випромінює, не є повністю гарячим, і не утворює окремої зорі. «Залізні квазари» показують потужні емісійні лінії низько іонізованого заліза (FeII), як наприклад IRAS 18508-7815.

Підтипи квазарів

Таксономія квазарів включає різні підтипи, що представляють підмножини популяції квазарів з різними властивостями.

• Радіогучні квазари — це квазари з потужними струменями, які є потужними джерелами радіовипромінювання. Вони складають приблизно 10% від загальної популяції квазарів.
• Радіотихі квазари — це ті квазари, у яких відсутні потужні струмені, з відносно слабшим радіовипромінюванням, ніж радіогучне населення. Більшість квазарів (близько 90%) є радіотихими.
• Квазари з широкою емісійною лінією (BAL) — це квазари, у спектрах яких спостерігаються широкі емісійні лінії, зміщені в бік синього кольору відносно системи спокою квазара, що є результатом витікання газу з активного ядра в напрямку до спостерігача. Широкі емісійні лінії спостерігаються приблизно в 10% квазарів, а BAL-квазари зазвичай є радіотихими. В ультрафіолетових спектрах BAL-квазарів можна виявити широкі емісійні лінії іонізованого вуглецю, магнію, кремнію, азоту та інших елементів.
• Квазари типу 2 — це квазари, в яких акреційний диск і широкі емісійні лінії сильно затемнені густим газом і пилом. Вони є аналогами сейфертівських галактик 2 типу, але з більшою світністю.
• Червоні квазари — це квазари з оптичними кольорами, спектр яких ближчий до червоного, ніж у звичайних квазарів, що є результатом помірного пилового міжзоряного поглинання в галактиці-господарі квазара. Інфрачервоні дослідження показали, що червоні квазари складають значну частину від загальної популяції квазарів.
• Оптично активні змінні (OVV) квазари — це радіогучні квазари, у яких струмінь спрямований на спостерігача. Релятивістське випромінювання струменя призводить до сильної та швидкої зміни яскравості квазара. Квазари OVV також вважаються різновидом блазарів.
• Квазари зі слабкими емісійними лініями — це квазари, які мають надзвичайно слабкі емісійні лінії в ультрафіолетовому або видимому спектрі.

Випромінювання квазара

Оскільки властивості квазарів є подібними до властивостей усіх активних галактик, то їхнє випромінювання можна порівняти з малими активними галактиками, в яких є надмасивні чорні діри. Щоб випромінювати світність 10⁴⁰ Вт (типова світність квазара), надмасивній чорній дірі потрібно поглинати речовину зі швидкістю 10 зір за рік. Найяскравіші відомі квазари поглинають речовини близько 1000 M_☉ щороку. Найбільше поглинання речовини за оцінками сягає до 600 мас Землі за годину. Квазари «вмикаються» і «вимикаються» залежно від їх навколишнього середовища — чорні діри поглинають навколишній газ і пил за порівняно короткий проміжок часу, значно менший за вік Всесвіту. Після завершення акреції речовини на чорну діру квазар стає звичайною галактикою.

Квазари дають інформацію про ранній період Всесвіту — кінець епохи реіонізації. Спектри найвіддаленіших квазарів (червоне зміщення ≥ 6) містять абсорбційні лінії, які свідчать про те, що міжгалактичне середовище у ті часи було заповнене нейтральним газом. Ближчі до нас квазари не показують ніяких абсорбційних ділянок, але їхні спектри містять лінійчасту структуру, відому як Лайман-альфа ліс. Це свідчить про те, що міжгалактичне середовище зазнало повторної іонізації, а нейтральний газ існував тільки в невеликих хмарах. Інша цікава особливість квазарів полягає в тому, що вони містять хімічні елементи, важчі від гелію. Це означає, що в проміжку часу між Великим вибухом і найраннішими квазарами, що спостерігаються, в галактиках відбувся спалах зореутворення (утворення зір третього покоління). Світло від цих зір спостерігалося 2005 року на космічному телескопі Спітцера NASA, хоча ці спостереження ще потребують підтвердження^{[джерело?]}.

Цікавинки

• NASA використовує квазари для калібрування супутників системи GPS

Див. також

• Хрест Енштейна
• Гамма-спалахи