К вазари
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 квазаги, 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 з галактиками спіральними. За природою квазари, напевне, близькі до галактик сепфертівських, до яких вони примикають з боку високих світностей.
На початку ХХІ ст. встановлено, що квазари - це галактики, які мають в центрі надмасивні чорні дірки.
Огляд
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 їх 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]) складає 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 їх кількість поглинає великі об'єми речовини і, як наслідок, є квазарами.
Історія спостереження квазара
Перші квазари були відкриті на радіо телескопах в 1950-х роках. Більшість з них були записані як радіо джерела які не відповідали ні яким 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 опублікувані в Третьому Кембріджському Каталозі, оскільки астрономи сканували небо в пошуку оптичних відповідників. В 1960 році радіоджерело 3C48 було утотожнене з оптичним об'єктом. Астрономи знайшли слабку голубу зірку в розташуванні радіоджерела і отримали її спектр. Містячи велику кількість невідомих широких емісійних ліній аномальний спектр не піддавався тлумаченню - припущення Джона Болтона про велике червоне зміщення не було загальноприйнятим. В 1962 році ознаменувався значним досягненням. Було передбачено, що радіоджерело 3C273 зазнаватиме затінення місяцем п'ять раз. Вимірювання здійснені Кирилом Хазардом і Джоном Болтоном протягом одного затінення з радіотелескопа ім. Паркеса, дозволило Мартіну Шмідту оптично ідентифікувати об'єкт і отримати 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 з 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 і 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 альтернативу до довгої назви “квазізоряні радіоджерела”. Протягом 1960 року велася дискусія на тему: чи є квазари близькими або віддаленими об'єктами, маючи на увазі їх червоне зміщення. Було запропоновано, наприклад, що червоне зміщення квазарів не є свідченням розширення простору, а є спричиненим 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 горячих газових туманностях низької густини, які 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 їх 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, аргумент про космологічні відстані до квазарів сприймаються майже всіма дослідниками. В 1979 році спостереженням зображення подвійного квазара 0957+561 був підтверджений ефект гравітаційного лінзування, передбачений Ейнштейном в загальній теорії відносності. В 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 більш поширенні 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.
Властивості квазарів
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 роки тому назад. 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. Хоча квазари є слабкими об’єктами, якщо спостерігати з Землі, але той факт, що вони знаходячись так далеко є видимими 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. В квазарах яскравість світла таким чином близько в 2 трильйони (2х1012) рази більша ніж в нашого Сонця і близько в 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 телескопу 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 більш поширені в 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 із ідей полягає у тому, що струмені випромінювання і вітри від квазарів заважають утворенню нових зір у галактиці, цей процес називається «зворотній зв'язок». Струмені, що продукують сильну радіо емісію у деяких квазарах 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 декілька 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 декілька тижнів, його розміри не можуть бути більшими ніж декілька світлових тижнів. Велика кількість потужності 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 (невідомо) процессу, і, відповідно, квазари не так віддалені, як передбачає закон Хаббла. Ця дискусія навколо червоного зміщення продовжувалась протягом багатьох років. На даний момент існує багато доказів (спостереження материнських галактик, відкриття абсорбційних ліній у спектрах квазарів що виникають внаслідок поширення їх 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 більш потужними. Їх 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 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
Оскільки властивості квазарів є близькими до властивостей всіх активних галактик, то їх 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 із 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 їх 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 елементи важчі від гелію, вказуючи на те, що галактики перейшли в масивну фазу зореутворення (створення зір третього покоління) в проміжку часу між Великим Вибухом і першими спостережуваними квазарами. Світло від цих зір спостерігалися в 2005 році на Spitzer Space Telescope NASA, хоча ці спостереження ще потребують підтвердження.
Квазари підтверджують теорію г равітаційної лінзи
Виявляється, що світло у космосі згинається і зорово сприймається як посилене – так як це передбачив Ейнштейн.
Відкриття ученими ледь видимих 200 тис. віддалених квазарів остаточно підтверджує теорію, що її встановив Ейнштейн більше ніж 90 років тому.
Квазари виявляють космічне збільшення: Віддалені зірки виглядають більш яскравими завдяки згинам їх траєкторій навколо важких об'єктів, таких як наприклад галактики.
Згідно уявленню Ейнштейна про Всесвіт, масові викривлення здійснює оточуючий космос. Світло від віддаленої зірки у космосі рухається по прямій лінії, але оскільки ця лінія злегка згинається навколо важких об'єктів, як наприклад галактики, з Землі положення зірки бачиться зміщеним (дивіться зображення).
Цей ефект, що описаний як гравітаційна лінза, неодноразово підтверджений спостереженнями.
Але світло, що згинається - це тільки частина історії. Лінзи також збільшують зображення, і астрономи шукали космічне посилення віддалених об'єктів протягом десятиліть. "Ніхто не був здібний надійно встановити частку збільшення сигналу гравітаційною лінзою," відзначив Риан Скрантон\Ryan Scranton, астрофізик з Пітсбургського Університету, штату Пенсільванія. Скрантон вів проект від Apache Point Observatory із Санспота, Нью-Мехіко, що є основою для більш ширшого проекту під назвою Sloan Digital Sky Survey (SDSS), що українською приблизно перекладається як „Цифровий Огляд Неба”.
Їх результати, які показують прояснення віддалених об'єктів порядку 1%, були прийняті для публікації в Astrophysical Journal.
Відкриття також підтверджує, що Всесвіт повний темної речовини, говорить Боб Nichol, співробітник SDSS від Портсмутського Університету, Велика Британія. Більш ніж 80% маси у Всесвіті, як вважають, є темною речовиною - невидимий матеріалом, який, здається, утримує галактики разом. Кількість збільшення, поміченого командою SDSS, відмінно пов'язується із моделями потоків темної речовини, що передбачувалися.
Яскрава зірка
Квазари, що спостережувалися проектом SDSS, знаходяться на відстані близько 10 мільярдів світлових років. Вони одні із найяскравіших об'єктів у Всесвіті, і, як думають, є віддаленими галактиками, які мають у своєму центрі супермасивну чорну діру. Прискорення речовини у русі до чорної діри супроводжується потужним радіоактивним випромінюванням, яке може бути помічене із Землі.
Квазари - це ідеальний шлях для спостереження за космічним посиленням, тому що вони є достатньо віддалені, щоб зігнути їх світло багатьом масивними об’єктами, перш ніж вони досягнуть Землі. За словами Ніколь\Nichol, "Світло від цих квазарів мандрує до нас по дуже вибоїстій дорозі”. Вони також виробляють достатньо для учених світла, аби досить точно заміряти маленькі зміни їх яскравості.
На схемі показано, як працює гравітаційна лінза: Світло від віддаленого квазара відхилюється гравітаційним полем галактики, що лежить близько від видимої від Землі лінії до квазара. У результаті здаються більш видимими яскравіші, і багатократні зображення квазара. Зображення, одержане на Гаваях японським телескопом Subaru, показує чотири образи окремого віддаленого квазара (синій) сформованих навколо центрального бразу еліпсоподібної галактики (червоний), яка діє як гравітаційна лінза.
Попередні групи були спроможні замірювати прояснення набагато менше від того що давали квазари. Але ті результати показали прояснення, яке було надто велике, щоб відповідати ідеям Ейнштейна або моделі темної речовини. У результаті багато думали, що результати були спотворені помилками у чутливих вимірюваннях.
Тепер, коли, здається зрозуміло. "Наше вимірювання погоджується з тим, що говорить нам решта частини Всесвіту, і бурчання розбіжності вирішене", говорить Скрантон. Як відзначив член команди дослідників Гордон Річардс\Gordon Richards із Прістонського Університету, Нью-Джерсі, „Використання величезного зразка квазарів було ключем до згладжування цих помилок”.
Команда сподівається використовувати космічне збільшення, щоб вивчати, як галактики і темна речовина взаємодіють одне з одним.
|