Квазары

Квазары (англ. quasars, сокр. от англ. quasi-stellar radio source - квазизвездных радиоисточник) - внегалактические объекты, имеющие зореподибни изображения и сильные эмиссионные линии с большим красным смещением в спектре.

Квазары обнаружены в 1963 как источника радиоизлучения. Впоследствии было обнаружено квазагы, которые по оптическим характеристикам не отличаются от квазаров, однако не радиоизлучения. Сегодня оба типа объектов называют квазарами: первые - радиоголоснимы (или радиоактивными), а вторые - радиотихимы (или радиоспокийнимы). Радиоголосни квазары составляют несколько процентов от общего количества квазаров.

В спектрах многих квазаров, кроме эмиссионных линий, есть одна или несколько систем линий поглощения, красные смещения которых меньше, чем в эмиссионных линий. Эти линии поглощения формируются на пути между квазарами и наблюдателем. Квазары имеют высокие светимости среди всех объектов Вселенной, например, мощность излучения квазаров S5 0014 +81 в оптическом диапазоне превышает 5.1014L. Высокая светимость квазаров позволяет наблюдать их на очень больших расстояниях. Выявлено квазары с красным смещением z> 4.

Квазары обнаруживают изменчивость в широком диапазоне длительностей циклов - от нескольких дней до нескольких лет. Амплитуда переменности в фильтре В обычно 0.5-1.5m, хотя в некоторых квазаров она не превышает 0.lM. Однако есть группа оптически переменных квазаров, изменения блеска которых достигают 6.0m. Оптически переменные квазары часто объединяют с лацертид в один класс - блазаров. Квазары принадлежат к галактик с активными ядрами. Большинство из них связаны с спиральными галактиками. По природе квазары, наверное, близки к галактик сепфертивських, к которым они примыкают со стороны высоких светимостей.


В начале XXI века установлено, что квазары - это галактики, которые имеют в центре сверхмассивные черные дыры.

Обзор

Спектры квазаров имеют значительные красные смещения, что является результатом расширения Вселенной. Из закона Хаббла следует, что квазары находятся от нас на очень больших расстояниях, и, как следствие, мы их видим в далеком прошлом. Самые яркие квазары излучают энергию больше чем один триллион (1012) солнц. Такое излучение распределено в спектре почти равномерно - от рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного с пиком в ультрофиолет или оптическом диапазоне. Некоторые квазары также являются мощными источниками гамма-лучей и радиоизлучения. В ранних оптических квазары были похожи на точечные источники света, они не отличались от звезд, за исключением их особых спектров. Благодаря инфракрасным телескопам и космическому телескопу им. Хаббла для некоторых квазаров было установлено, что они находятся внутри галактик. Эти галактики очень тусклыми за значительной им расстояние, и их чрезвычайно трудно заметить у ослепительного блеска квазара. Большинство квазаров невозможно увидеть в малые телескопы, но 3C 273, со средней видимой величиной 12.9 является исключением. На расстоянии 2.44 миллиарда световых лет он является одиним из самых отдаленных объектов, который заметно с любительского телескопа. Для некоторых квазаров свойственно быстрое изменение яркости в оптическом, и еще быстрее в рентгеновском диапазонах. Это свидетельствует о малые размеры квазаров (порядка размера Солнечной Системы или меньшие), так как объект не может меняться в течение времени, за которое свет путешествует от одного его конца до другого. Больше известно красное смещение квазара (открытое в декабре 2007 года [модификация]) составляет 6.43, что соответствует расстоянию примерно 13.7 миллиарда световых лет. Квазары вероятно являются результатом аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру в ядрах далеких галактик, и относятся к объектам носящих название активные галактики. Большая центральная масса (10+6 до 109 масс Солнца) была измерена в квазарах используя 'reverberation mapping'. Несколько десятков соседних галактик, которые не являются квазарами, содержащие в своих ядрах единичные сверхмассивные черные дыры. Логично предположить, что сверхмассивные черные дыры есть во всех массивных галактиках, однако лишь небольшое их количество поглощает большие объемы вещества и, как следствие, является квазарами.

История наблюдения квазара

Первые квазары были открыты на радио телескопах в 1950-х годах. Большинство из них были записаны как радио источника которые не соответствовали ни каким видимым объектам. Используя малые телескопы и телескоп Lovell как интерферометр, было показано что они имеют очень малые угловые размеры. Сотни этих объектов были записаны в 1960 году и опубликовано в Третьем Кембриджском Каталоге, поскольку астрономы сканировали небо в поиске оптических соответствий. В 1960 году радиоисточник 3C48 было утотожнене с оптическим объектом. Астрономы нашли слабое голубую звезду в расположении радиоисточников и получили его спектр. Заключая большое количество неизвестных широких эмиссионных линий аномальный спектр не подвергался толкованию - предположение Джона Болтона о большое красное смещение не было общепринятым. В 1962 году ознаменовался значительным достижением. Было предусмотрено, что радиоисточник 3C273 испытывать затенения месяцем пять раз. Измерения осуществлены Кириллом Хазард и Джоном Болтоном течение одного затенения с радиотелескопа им. Паркеса, позволило Мартину Шмидту оптически идентифицировать объект и получить оптический спектр используя 200-дюймовый телескоп Хейла на горе Пономарь. Этот спектр обнаружил те же незнакомые линии эмиссии. Шмидт осознал, что это фактически водородные спектральные линии смещены в красную сторону спектра на 15.8 процентов. Это открытие показало, что 3C273 удаляется со скоростью 47,000 км / с, что привело к революционным изменениям в наблюдениях квазаров, позволив другим астрономам найти красное смещение линий эмиссии для других радиоисточников. Как и предполагал Болтон, 3C48 имеет красное смещение соответствующей скорости его движения 37% от скорости света. Срок квазар был предложен американским астрофизиком китайского происхождения Хонг-Йи Чиу в 1964 году в журнале "Физика сегодня" как альтернативу длинного названия "квазизвездных радиоисточников". В течение 1960 года велась дискуссия на тему: есть квазары близкими или удаленными объектами, имея в виду их красное смещение. Было предложено, например, что красное смещение квазаров не является свидетельством расширения пространства, а есть вызванным большим гравитационным потенциалом этих источников. Однако звезда с необходимой массой, чтобы сформировать такой источник, должна быть неустойчивой и превышать предел Хаячи. Квазары также показывают необычные спектральные эмиссионные линии, наблюдаемые в горячих газовых туманностях низкой плотности, которые являются слишком рассеянными чтобы объяснить наблюдаемую мощность и красное смещение - газ должен находиться в малых пределах глубокого гравитационного потенциала источника. Однако космологическое объяснение смещения спектров квазаров как следствие расширения Вселенной также натолкнулось на трудности. Одним из весомых аргументов против этой идеи было то, что квазары в этом случае имеют излучать слишком большие энергии, чтобы их можно было объяснить с помощью известных науке физических процессов, включая ядерный синтез. Была предложена теория, что квазары образовались из доселе неизвестной формы стабильной антивещества, и это может объяснить их яркость. Существует и другая теория, что квазары являются белыми дырами - концами поглощающих черных дыр. Когда было успешно смоделирована выделение необходимой энергии аккреционным диском черной дыры в 1970 годах, аргумент о космологические расстояния до квазаров воспринимаются почти всеми исследователями. В 1979 году наблюдением изображения двойного квазара 0957 +561 был подтвержден эффект гравитационного линзирования, предусмотренный Эйнштейном в общей теории относительности. В 1980 году были предложены физические модели, согласно которым квазары классифицировались как отдельный тип активных галактик, и в большинстве простых случаев их рассматривали как разновидность других типов активных галактик - блазаров и радиогалактик. Огромная яркость света квазаров происходит от аккреционного диска центральных супермассивных черных дыр, которые могут излучать энергию равную 10% от массы газа что коллапсирует, тогда как ядерные реакции синтеза ядер гелия из протонов выделяют энергию равную всего 0.7% от массы топлива. Этот механизм также объясняет, почему квазары были более распространении в ранней Вселенной, поскольку излучение энергии прекращается, когда супермассивных черная дыра поглощает весь газ и пыль у себя. Возможно, что большинство галактик, включая наш собственный Млечный Путь, прошли через активную стадию (появление таких как квазары или некоторых других классов активных галактик в зависимости от массы черной дыры) и сейчас неактивны, потому что они не имеют больше вещества, чтобы кормить свои центральные черные дыры, и, таким образом, генерировать излучение.

Свойства квазаров

Более чем 200000 квазаров известны благодаря Слоанивського обзора неба (Sloan Digital Sky Survey). Все наблюдаемые спектры квазара имеют красное смещение между 0.06 и 6.5. Применение закона Хаббла до сих красных смещений показало, что они существовали между 780 миллионов и 28 (?) Миллиардами световых года тому назад. Через большие дистанции до самых отдаленных квазаров и ограниченную скорость света, мы видим их в очень ранней Вселенной. Большинство известных квазаров являются удаленными от нас более чем на три миллиарда световых года. Хотя квазары являются слабыми объектами, если наблюдать с Земли, но тот факт, что они находясь так далеко просматриваются означает, что они светлые объекты в известном Вселенной. Ярчайшим квазаром в небе есть 3C273 в созвездии Дева (Virgo). Он имеет среднюю видимую величину 12.8 (достаточно яркий если смотреть через малый телескоп) и имеет абсолютную величину -26.7. С дистанции 33 световых года этот объект должен сиять в небе так же ярко как наше Солнце. В квазарах яркость света таким образом около в 2 триллиона (2х1012) раза больше чем у нашего Солнца и около в 100 раз больше чем общий свет средних гигантских галактик подобных нашему Млечному Пути. Гиперяскравий квазар APM 08279 +5255 был открыт в 1998 году, его абсолютная величина - 32.2, хотя изображение высокого разрешения телескопа Хаббл и 10-метровых телескопов Кек показали, что эта система является гравитационно линзована. Изучение гравитационного линзирования этой системы дает оценку увеличения светимости квазара за счет линзирования на порядок (~ 10). Этот квазар все же есть ярче чем соседние квазары, как например 3C 273. Квазары были гораздо более распространены в ранней Вселенной. Это открытие Мартина Шмидта в 1967 году свидетельствует против стационарной космологии Фреда Хойла в пользу модели Большого Взрыва. Квазары показывают где массивные черные дыры быстро растут (через аккреция вещества). Массы черных дыр растут равномерно с ростом массы звезд в галактиках, что пока не объяснено. Одна из идей заключается в том, что струи излучения и ветры от квазаров мешают образованию новых звезд в галактике, этот процесс называется «обратная связь». Струи, продуцирующие сильную радио эмиссию в некоторых квазарах в центрах скоплений галактик, как известно, имеют достаточную мощность для сохранения горячий газ в этих скоплениях от охлаждения и падения на центральную галактику. Было открыто, что квазары изменяют свою яркость с течением времени. Некоторые изменения в яркости происходят в течение нескольких месяцев, недель, дней или часов. Это означает, что квазары генерируют и выпускают свою энергию от очень малого региона, поскольку каждая часть квазара должна находиться в контакте с другими частями на таких промежутках времени, чтобы координировать вариационную яркость света. Так как, квазар меняет яркость на масштабе времени несколько недель, его размеры не могут быть большими чем несколько световых недель. Большое количество мощности излучения от малого региона требует намного большей эффективности источника чем ядерный синтез. Высвобождение гравитационной энергии веществом падает по направлению на массивную черную дыру является единственным известным процессом, который может непрерывно создавать такую высокую мощность. (Звездные взрывы - Сверхновая и гамма-вспышки могут дать такую мощность лишь в течение нескольких минут.) Черные дыры многими астрономами рассматривались в 1960 годах как нечто экзотическое. Они считали что красное смещение является результатом некоторого другого (неизвестно) процессу, и, соответственно, квазары не так отдаленные, как предусматривает закон Хаббла. Эта дискуссия вокруг красного смещения продолжалась в течение многих лет. На данный момент существует много доказательств (наблюдение материнских галактик, открытие абсорбционных линий в спектрах квазаров возникающие вследствие распространения их света в космическом пространстве, гравитационное линзирование) что красное смещение квазаров вызвано расширением Хаббла, и квазары являются мощными источниками как и предполагалось. Квазары имеют свойства такие же как и активные галактики, но являются более мощными. Их излучение не является тепловое (т.е. не чернотельного). Некоторая часть энергии (~ 10%) наблюдается в виде джетов (подобно радиогалактик), на которые приходится значительная (однако мало известна) количество энергии в форме высокоэнергетических релятивистских частиц (в частности электронов и протонов или электронов и позитронов). Квазары могут наблюдаться практически во всех участках электромагнитного спектра - включая радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и даже гамма диапазоны. Большинство квазаров являются самыми яркими в некотором промежутке ультрафиолетовой области (около 1216 ангстрем или 121.6 нм), но благодаря значительным красным смещением этих источников, пик яркости наблюдается в красном цвете 9000 ангстрем (900 нм) около инфракрасной области. Меньшинство квазаров имеют сильное радиоизлучение, которое поступает от джетов - струй частиц, движущихся со скоростями близкими к скорости света. Когда наблюдаем за струей то видим, что он появляется как пламя и часто содержит регионы, которые удаляются от центра быстрее скорости света. Этот оптический обман возникает благодаря релятивистским эффектам. Красное смещение квазаров измеряется яркими спектральными линиями оптического и ультрафиолетового спектров. Эти линии ярче чем непрерывный спектр, поэтому их называют эмиссионными линиями. Они имеют ширину эквивалентную нескольким процентам скорости света, вызванную допплеровского смещения вследствие быстрого движения газа излучающий. Быстрое движение газа четко указывает на большую массу квазара. Эмиссионные линии водорода (преимущественно серия Лаймана и серия Бальмера), гелия, углерода, магния, железа и кислорода - это яркие линии. Атомы излучают эти линии являются как нейтральными, так и чрезвычайно ионизированными. Такой широкий ряд ионизации означает, что газ который излучает квазара, не является полностью горячим, и не формирует отдельных звезд. "Железные квазары" показывают сильные эмиссионные линии низко ионизированного железа (FeII), например IRAS 18508-7815.

Излучение квазара

Поскольку свойства квазаров близки к свойствам всех активных галактик, то их излучения можно сравнить с малыми активными галактиками в которых есть супермассивных черных дырах. Чтобы создать яркость света 1040 Вт, или Джоулей в секунду, (типовая яркость квазара), супермассивных черной дыре нужно поглощать материю со скоростью 10 звезд за год. Самые яркие известные квазары поглощают материю объемом 1000 солнечных масс в год. Наибольшее потребление вещества по оценкам достигает до 600 масс Земли в час. Квазары "включаются" и "выключаются" в зависимости от своего окружения - черные дыры поглощают окружающий газ и пыль за относительно короткий промежуток времени значительно меньше возраст Вселенной, после завершения аккреции вещества на черную дыру квазар становится обычным галактикой.

Квазары дают информацию о раннем периоде Вселенной - конец реионизации. Спектры самых квазаров (красное смещение ≥ 6) содержат абсорбционные линии, свидетельствующие о том, что среда в эти времена было заполнено нейтральным газом. Ближе к нам квазары не показывают никаких абсорбционных регионов, но их спектры содержат линейчатых область, известную как Лайман-альфа Лес. Это свидетельствует о том, что межгалактическая среда испытывает повторной ионизации, и что нейтральный газ существует только в малых облаках. Другая интересная особенность квазаров заключается в том, что они содержат Химический элементы тяжелее гелия, указывая на то, что галактики перешли в массивную фазу звездообразования (создание зрение третьего поколения) в промежутке времени между Большим взрывом и первыми наблюдаемыми квазарами. Свет от этих звезд наблюдались в 2005 году на Spitzer Space Telescope NASA, хотя эти наблюдения еще требуют подтверждения.