Квазар

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.[1] 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.

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 дискусія 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 диску 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.

У 13-й редакції каталогу VERON (2010 року) налічувалося близько 133 тис. квазарів[2].

Фотографія телескопа Hubble, зображено ядро квазара

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 дискусія 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.

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?]}.

• NASA використовує квазари для калібрування супутників системи GPS [3]

• Хрест Енштейна
• Гамма-спалахи