Квазар

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
(Перенаправлено з Квазари)
Перейти до: навігація, пошук
Художнє відображення зростаючого квазару

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

Квазари виявлені в 1963 як джерела радіовипромінювання. Згодом було виявлено квазари, які за оптичними характеристиками не відрізняються від квазарів, проте не мають радіовипромінювання. Сьогодні обидва типи об'єктів називають квазарами: перші — радіоголосними (або радіоактивними), а другі — радіотихими (або радіоспокійними). Радіоголосні квазари становлять декілька відсотків від загальної кількості квазарів.

У спектрах багатьох квазарів, крім емісійних ліній, є одна або декілька систем ліній поглинання, червоні зміщення яких менші, ніж в емісійних ліній. Ці лінії поглинання формуються на шляху між квазарами і спостерігачем. Квазари мають найвищі світності 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 зміщенням z>4.

Квазари виявляють змінність у широкому діапазоні тривалостей циклів — від кількох днів до кількох років. Амплітуда змінності в фільтрі В звичайно 0.5— 1.5m, хоча у деяких квазарів вона не перевищує 0.lm. Проте є група оптично змінних квазарів, зміни блиску яких досягають 6.0m. Оптично змінні квазари часто об'єднують з лацертидами в один клас — Блазари. Квазари належать до галактик з активними ядрами. Більшість з них пов'язані зі спіральними галактиками. За природою квазари, напевне, близькі до галактик сепфертівських, до яких вони примикають з боку високих світностей.


На початку XXI ст. встановлено, що квазари — це галактики, які мають в центрі надмасивні чорні дірки.

Огляд[ред.ред. код]

Спектри квазарів мають значні червоні зміщення, що є результатом розширення Всесвіту. Із закону Хаббла слідує, що квазари розташовані від нас на дуже великих відстаннях, і, як наслідок, ми їх бачимо у далекому минулому. Найяскравіші квазари випромінюють енергію більшу ніж один трильйон (1012) сонць. Таке випромінювання розподілено у спектрі майже рівномірно — від рентгенівського проміння до далекого інфрачервоного з піком в ультрофіолеті або оптичному діапазоні. Деякі квазари також є потужними джерелами гамма-променів та радіовипромінювання. В ранніх оптичних зображеннях квазари були схожі на точкові джерела світла, вони не відрізнялися від зірок, за винятком їхніх особливих спектрів. Завдяки інфрачервоним телескопам і космічному телескопу ім. Хаббла для деяких квазарів було встановлено, що вони знаходяться в середині галактик. Ці галактики є дуже тьмяними через значну до них відстань, і їх надзвичайно важко помітити біля сліпучого блиску квазара. Більшість квазарів не можливо побачити в малі телескопи, але 3C 273, з середньою видимою величиною 12.9 є виключенням. На відстані 2.44 мільярди світлових років він є одиним з самих найвіддаленіших об'єктів, який помітно з любительського телескопа. Для деяких квазарів властива швидка зміна яскравості в оптичному, і ще швидша в рентгенівському діапазонах. Це свідчить про малі розміри квазарів (порядку розміру Сонячної Системи або менші), тому що об'єкт не може змінюватися протягом часу, за який світло подорожує від одного його кінця до іншого. Найбільше відоме червоне зміщення квазара (відкрите у грудні 2007 року[модифікація]) становить 6.43, що відповідає відстані приблизно 13.7 мільярда світлових років. Квазари ймовірно є результатом акреції речовини на надмасивну чорну діру в ядрах далеких галактик, і належать до об'єктів що носять назву активні галактики. Велика центральна маса (106 до 109 мас Сонця) була виміряна в квазарах використовуючи 'reverberation mapping'. Декілька десятків сусідніх галактик, які не є квазарами, містять у своїх ядрах поодинокі надмасивні чорні діри. Логічно припустити, що надмасивні чорні діри є у всіх масивних галактиках, однак лише невелика їхня кількість поглинає великі об'єми речовини і, як наслідок, є квазарами.

Історія спостереження квазарів[ред.ред. код]

Перші квазари були відкриті на радіотелескопах в 1950-х роках. Більшість з них були записані як радіоджерела, які не відповідали жодним видимим об'єктам. Використовуючи малі телескопи і телескоп «Lovell» як інтерферометр, було показано, 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 пошуку оптичних відповідників. 1960 року радіоджерело 3C48 було ототожнене з оптичним об'єктом. Астрономи знайшли слабку блакитну зірку в розташуванні радіо-джерела і отримали її спектр. Містячи велику кількість невідомих широких емісійних ліній, аномальний спектр не піддавався тлумаченню — припущення Джона Болтона про великий червоний зсув не було загальноприйнятим.

1962 рік ознаменувався значним досягненням. Було передбачено, що радіоджерело 3C273 зазнаватиме затінення місяцем п'ять разів. Вимірювання, здійснені Кирилом Хазардом і Джоном Болтоном протягом одного затінення з радіотелескопа ім. Паркеса, дозволило Мартену Шмідту оптично ідентифікувати об'єкт і отримати його оптичний спектр, використовуючи 200-дюймовий телескоп Хейла на горі Паламар. Цей спектр виявив ті ж незнайомі лінії емісії. Шмідт усвідомив, що це фактично водневі спектральні лінії, зміщені в червону сторону спектра на 15,8 відсотків. Це відкриття показало, що 3C273 віддаляється зі швидкістю 47 000 км/с, що привело до революційних змін у спостереженнях квазарів, дозволивши іншим астрономам знайти червоне зміщення ліній емісії для інших радіоджерел. Як передбачав Болтон, 3C48 має червоне зміщення, що відповідає швидкості його руху 37% від швидкості світла.

Термін квазар був запропонований американським астрофізиком китайського походження Хонг-Йї Чіу в 1964 році в журналі «Фізика сьогодні» як альтернатива до довгої назви «квазізоряні радіоджерела».

Протягом 1960 року велася дискусія на тему: чи є квазари близькими або віддаленими об'єктами, маючи на увазі їхній червоний зсув. Було запропоновано, наприклад, що червоне зміщення квазарів не є свідченням розширення простору, а спричинене великим гравітаційним потенціалом цих джерел. Проте зірка із необхідною масою, щоб сформувати таке джерело, повинна бути нестійкою і перевищуватиме границю Хаячі. Квазари також показують незвичайні спектральні емісійні лінії, які спостерігаються в гарячих газових туманностях низької густини, що є надто розсіяними щоб пояснити спостережувану потужність і червоне зміщення — газ має перебувати у малих 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 у цьому випадку мають випромінювати надто великі енергії, щоб їх можливо було пояснити за допомогою відомих науці фізичних процесів, включаючи ядерний синтез. Була запропонована теорія, що квазари утворилися з досі невідомої форми стабільної антиречовини, і це може пояснити їхню яскравість. Існує і інша теорія, що квазари є білими дірами — кінцями поглинаючих чорних дір. Коли було успішно змодельовано виділення необхідної енергії акреційним диском чорної діри в 1970 роках, аргументи про космологічні відстані до квазарів сприймаються майже всіма дослідниками.

У 1979 році спостереженням зображення подвійного квазара 0957+561 був підтверджений ефект гравітаційного лінзування, передбачений Ейнштейном в загальній теорії відносності.

У 1980 році були запропоновані фізичні моделі, згідно з якими квазари класифікувались як окремий тип активних галактик, і у більшості найпростіших випадків їх розглядали як різновид інших типів активних галактик — блазарів і радіогалактик. Величезна яскравість світла квазарів походить від акреційного диску центральних супермасивних чорних дір, які можуть випромінювати енергію рівну 10% від маси газу що колапсує, тоді як ядерні реакції синтезу ядер гелію із протонів виділяють енергію рівну усього 0,7% від маси палива.

Цей механізм також пояснює, чому квазари були поширеніші в ранньому Всесвіті, оскільки випромінювання енергії припиняється, коли супермасивна чорна діра поглинає весь газ і пил біля себе. Можливо, що більшість галактик, включаючи наш власний Чумацький Шлях, пройшли через активну стадію (поява таких як квазари або деяких інших класів активних галактик в залежності від маси чорної діри) і зараз неактивні, тому що вони не мають більше речовини, щоб годувати свої центральні чорні діри, і, таким чином, генерувати випромінювання.

Фотографія телескопа Hubble, зображено ядро квазару

Властивості квазарів[ред.ред. код]

Більш ніж 200000 квазарів відомі завдяки Слоанівського огляду неба (Sloan Digital Sky Survey). Всі спостережувані спектри квазара мають червоне зміщення між 0.06 і 6.5. Застосування закону Хаббла до цих червоних зміщень показало, що вони існували між 780 мільйонами і 28(?) мільярдами світлових років тому. Через великі дистанції до найвіддаленішіх квазарів і обмежену швидкість світла, ми бачимо їх у дуже ранньому Всесвіті.

Більшість відомих квазарів є віддаленими від нас більш ніж на три мільярди світлових роки. Квазари, якщо спостерігати з Землі, є слабкими об'єктами. Але той факт, що вони є видимими знаходячись так далеко, означає, що вони найсвітліші об'єкти у відомому Всесвіті. Найяскравішим квазаром в небі є 3C273 в сузір'ї Діва (Virgo). Він має середню видиму величину 12.8 (достатньо яскравий якщо дивитись через малий телескоп) і має абсолютну величину −26.7. З дистанції 33 світлові роки цей об'єкт повинен сяяти в небі так само яскраво як наше Сонце. Таким чином в квазарах яскравість світла майже в 2 трильйони (2х1012) раз більша ніж в нашого Сонця і майже у 100 разів більша ніж загальне світло середніх гігантських галактик, подібних нашому Чумацькому Шляху.

Гіперяскравий квазар APM 08279+5255 був відкритий в 1998 році, його абсолютна величина — 32.2, хоча зображення високої роздільної здатності телескопа Хаббл та 10-метрових телескопів Кек показали, що ця система є гравітаційно лінзована. Вивчення гравітаційного лінзування цієї системи дає оцінку збільшення світності квазара за рахунок лінзування на порядок (~10). Цей квазар все ж є яскравішим ніж сусідні квазари, як наприклад 3C 273.

Квазари були набагато поширенішими у ранньому Всесвіті. Це відкриття Мартіна Шмідта в 1967 році 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 з ростом маси зір у галактиках, що досі не пояснено. Одна з ідей полягає у тому, що струмені випромінювання і вітри від квазарів заважають утворенню нових зір у галактиці, цей процес називається «зворотний зв'язок». Струмені, що продукують сильну радіоемісію деяких квазарів в центрах скупчень галактик, як відомо, мають достатню потужність щоб зберегти гарячий газ в цих скупченнях від охолоджування і падіння на центральну галактику.

Було відкрито, що квазари змінюють свою яскравість з часом. Деякі зміни в яскравості відбуваються протягом декількох місяців, тижнів, днів або годин. Це означає, що квазари генерують і випускають свою енергію від дуже малого регіону, оскільки кожна частина квазара повинна знаходитися в контакті з іншими частинами на таких проміжках часу, щоб координувати варіаційну яскравість світла. Так як квазар змінює яскравість на масштабі часу декількох тижнів, його розміри не можуть бути більшими ніж декілька світлових тижнів. Настільки потужне випромінювання від малого регіону вимагає набагато більшої ефективності джерела ніж ядерний синтез. Вивільнення гравітаційної енергії речовиною, що падає у напрямку на масивну чорну діру, є єдиним відомим процесом, який може безперервно утворювати таку високу потужність. (Зоряні вибухи — супернова і гамма-спалахи можуть дати таку потужність лише протягом декількох хвилин.)

Чорні діри багатьма астрономами розглядались в 1960 роках як щось екзотичне. Вони вважали що червоне зміщення є результатом деякого іншого (невідомого) процесу, і, відповідно, квазари не так віддалені, як передбачає закон Хаббла. Ця дискусія навколо червоного зміщення продовжувалась протягом багатьох років. У наш час існує багато доказів (спостереження материнських галактик, відкриття абсорбційних ліній у спектрах квазарів, що виникають внаслідок поширення їхнього світла у космічному просторі, гравітаційне лінзування), що червоне зміщення квазарів викликане розширенням Хаббла, і квазари є потужними джерелами як і передбачалось. Квазари мають властивості такі ж як і активні галактики, але є потужнішими. Їхнє випромінювання не є теплове (тобто не чорнотільне). Деяка частина енергії (~10%) спостерігається у вигляді джетів (подібно до радіогалактик), на які припадає значна (однак мало відома) кількість енергії у формі високоенергетичних релятивістських частинок (зокрема електронів і протонів або електронів і позитронів). Квазари можуть спостерігатися практично у всіх ділянках електромагнітного спектра — включаючи радіо, інфрачервоний, оптичний, ультрафіолетовий, рентгенівський і навіть гамма діапазони. Більшість квазарів є найяскравішими в деякому проміжку ультрафіолетової області (біля 1216 ангстрем або 121.6 нм), але завдяки значним червоним зміщенням цих джерел пік яскравості спостерігається в червоному кольорі 9000 ангстрем (900 нм) близько інфрачервоної області. Меншість квазарів мають сильне радіовипромінювання, яке надходить від джетів — струменів частинок, які рухаються з швидкостями близькими до швидкості світла. Коли спостерігаємо за струменем то бачимо, що він з'являється як полум'я і часто містить регіони, які віддаляються від центру швидше ніж швидкість світла. Цей оптичний обман виникає завдяки релятивістським ефектам.

Червоне зміщення квазарів вимірюється за яскравими спектральними лініями оптичного і ультрафіолетового спектрів. Ці лінії яскравіші ніж неперервний спектр, тому їх називають емісійними лініями. Вони мають ширину еквівалентну кільком відсоткам швидкості світла, спричинену Допплерівським зміщенням унаслідок швидкого руху газу що їх випромінює. Швидкий рух газу чітко вказує на велику масу квазара. Емісійні лінії водню (переважно серія Лаймана і 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 у квазарі, не є повністю гарячим, і не формує окремих зір. «Залізні квазари» показують сильні емісійні лінії низько іонізованого заліза (FeII), як наприклад IRAS 18508-7815.

Випромінювання квазара[ред.ред. код]

Оскільки властивості квазарів є близькими до властивостей всіх активних галактик, то їхнє випромінювання можна порівняти з малими активними галактиками, в яких є супермасивні чорні діри. Щоб створити яскравість світла 1040 Вт, або Джоулів за секунду, (типова яскравість квазара), супермасивній чорній дірі потрібно поглинати матерію зі швидкістю 10 зірок за рік. Найяскравіші відомі квазари поглинають матерію об'ємом 1000 сонячних мас щороку. Найбільше споживання речовини за оцінками сягає до 600 мас Землі за годину. Квазари «вмикаються» і «вимикаються» в залежності від свого оточення — чорні діри поглинають навколишній газ і пил за відносно 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 реіонізації. Спектри найвіддаленіших квазарів (червоне зміщення ≥ 6) містять абсорбційні лінії, які свідчать про те, що середовище у ці часи було заповнене нейтральним газом. Ближчі до нас квазари не показують ніяких абсорбційних регіонів, але їхні спектри містять лінійчасту область, відому як Лайман-альфа ліс. Це свідчить про те, що міжгалактичне середовище зазнає повторної іонізації, і що нейтральний газ існує тільки в малих хмарах. Інша цікава особливість квазарів полягає у тому, що вони містять хімічні елементи важчі від гелію. Це вказує на те, що галактики перейшли в масивну фазу зореутворення (створення зір третього покоління) в проміжку часу між Великим вибухом і першими квазарами, що спостерігаються. Світло від цих зір спостерігалося в 2005 році на Spitzer Space Telescope NASA, хоча ці спостереження ще потребують підтвердження.

Див. також[ред.ред. код]