Zdjęcie w tle: ESO/M. Kornmesser
Lingwistyczne wprowadzenie
Na samym początku przydałoby się wyjaśnić, czym dokładnie są kwazary. A w tym może nam pomóc analiza ich nazwy. Słowo kwazar, po angielsku quasar, to skrót od quasi-stellar radio source, co luźno można przetłumaczyć poniekąd jako gwiezdne źródło promieniowania radiowego. Dlaczego poniekąd? Obiekty emitujące promieniowanie radiowe o ponadprzeciętnie dużej mocy były skatalogowane już w latach 30. XX wieku, jednak udało się je zaobserwować za pomocą teleskopów optycznych po raz pierwszy dopiero w roku 1960. Co ciekawe, obiekt wydawał się na tyle mały, że wyglądem przypominał gwiazdę, jednak moc, z jaką promieniował, to wykluczała. Dodatkowo w badanych liniach emisyjnych, nie dało się zidentyfikować żadnych znanych pierwiastków. W końcu udało się zaobserwować w nim linie odpowiedzialne za obecność wodoru, jednak były one przesunięte ku czerwieni o współczynnik z = 0,16 co wskazywało na odległość obiektu od Ziemi około 2 mld lat świetlnych. Sam fakt, że był widoczny wyraźnie z tak potężnej odległości, przeczył założeniu, jakoby obiekt ten był gwiazdą.
Więc czym w końcu są te kwazary?
Długie lata zajęło naukowcom postawienie jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie, jednak w czasach obecnych, gdy dzięki przeglądowi nieba Sloan Digital Sky Survey znamy ich już ponad milion, wiemy o nich całkiem dużo. Są one jednymi z wielu obiektów znanych jako AGN (Active Galactic Nuclei), czyli aktywnymi jądrami galaktyk. Za aktywność kwazarów są odpowiedzialne supermasywne czarne dziury, które stopniowo pochłaniają znajdującą się w centrach galaktyk materię międzygwiezdną, która wirując, tworzy rozgrzany do ogromnych temperatur dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Jeszcze gorętszy jest znajdujący się ponad dyskiem rzadki gaz, określany mianem korony. Osiąga miliarda stopni i to właśnie on jest źródłem obserwowanego charakterystycznego dla kwazarów promieniowania rentgenowskiego. Kolejnym ciekawym elementem budowy kwazaru jest znajdujący się na obrzeżach dysku akrecyjnego torus – gruby i chłodny pierścień względnie gęstego gazu świecącego głównie w zakresie podczerwieni. I wreszcie kwazary charakteryzuje jeden z najbardziej spektakularnych aspektów ich wyglądu – dżety. Są to strugi zjonizowanej materii „wytryskujące” znad powierzchni kwazara pędzące w przestrzeń z prędkością zbliżoną do prędkości światła.
Na grafice będącej artystyczną wizją kwazara, wyraźnie widać otaczający czarną dziurę dysk akrecyjny powstały z wirującej rozgrzanej materii oraz prostopadłe do płaszczyzny dysku dżety.
Rola kwazarów we wczesnym Wszechświecie
Niedługo po wielkim wybuchu, czyli mniej więcej 380 tysięcy lat po tym jak miał miejsce, wypełniająca Wszechświat zjonizowana plazma znacząco się ochłodziła. Spowodowało to połączenie się elektronów i protonów w neutralny wodór. To z kolei umożliwiło uformowanie się obiektów emitujących promieniowanie takich jak gwiazdy i kwazary. I to właśnie promieniowanie spowodowało ponowną jonizację wodoru mającą miejsce w zaledwie miliardoletnim Wszechświecie. Przez to, że kwazary miały w tym procesie kluczową rolę, badanie ich może powiększyć naszą wiedzę na temat wydarzeń z czasów młodego Wszechświata. Co ciekawe, kwazary są jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie, co pozwala na ich obserwowanie nawet przy znaczących przesunięciach ku czerwieni z > 6.5 (jednak znaczna większość znanych kwazarów znajduje się bliżej).
Jak kwazary powstały?
Nadal nie jest to do końca jasne. Akreujące supermasywne czarne dziury zasilające kwazary z czasów epoki rejonizacji (kiedy Wszechświat liczył sobie dopiero około miliarda lat), nie miały wystarczająco dużo czasu, żeby urosnąć do mierzonych dzisiaj gigantycznych rozmiarów rzędu miliardów mas słońca. Aby zrozumieć fizykę stojącą za akrecją i tym samym za wzrostem supermasywnych czarnych dziur, analizowane są obserwacje w zakresie promieniowania rentgenowskiego i podczerwonego, co pozwala na badanie wewnętrznych rejonów odległych kwazarów.
Czy sposób akrecji supermasywnych dziur wewnątrz kwazarów zależy od przesunięcia ku czerwieni?
Przy znacznych przesunięciach ku czerwieni, jakie obserwujemy w przypadku odległych kwazarów, częstotliwość wydzielanego przez nie promieniowania ulega zmianie ze względu na efekt Dopplera. Promieniowanie rentgenowskie nadal pozostaje rentgenowskim dla urządzeń badawczych na pokładzie satelity Chandra, natomiast emisja ultrafioletu odbierana jest jako bliska podczerwień. Co ciekawe, pomiar natężenia promieniowania czarnej dziury dla długości fali 300 nm (3000 angstremów) pozwala oszacować jej masę i szybkość akrecji.
Niestety pomiar promieniowania UV jest bardzo utrudniony, ponieważ z odległych kwazarów dociera do nas niezwykle mała liczba fotonów. Dlatego naukowcy zamiast liczby będącej 1:1 liczbą fotonów promieniowania rentgenowskiego, wolą używać parametru Γ zwanego indeksem fotonów. Pomaga on oszacować jasność kwazara w zakresie emisji UV.
Na wykresie po lewej widać zależność między przesunięciem ku czerwieni kwazarów a indeksem fotonów. Prawdopodobne jest, że widoczny rosnący trend jest skutkiem większej akrecji supermasywnych czarnych dziur obserwowanych kwazarów. Na wykresie po prawej przedstawiona jest zależność pomiędzy indeksem fotonów a tempem akrecji (oś pozioma). Przy badaniach były rozważane jednak tylko najjaśniejsze kwazary, więc warto zauważyć, że wysnute wnioski odnoszą się tylko do tej grupy obiektów.
Początki kwazarów są nadal celem wielu badań. Kto wie, czego jeszcze się o nich dowiemy?
