Kvazár — definíció, működés és szerep a galaxisok életében
Fedezze fel a kvazárok definícióját, működését és szerepét a galaxisok életében — szupermasszív fekete lyukak, akkréciós korongok és elképesztő kozmikus fényesség.
A kvazárok vagy kvázi-csillagászati rádióforrások a legenergikusabb és legtávolabbi aktív galaktikus magok (AGN). Jelentős energiakibocsátásuk és nagy távolságuk miatt a kvazárok alapvető forrásai az univerzum korai történéseinek és a fekete lyukak növekedésének vizsgálatának.
Mi az a kvazár?
A kvazár egy rendkívül kompakt, nagyon fényes régió egy galaxis központjában. Bár a kibocsátott energiához képest kicsi a kiterjedésük, fényességük sok esetben meghaladja a környező galaxis teljes fényességét. A kvazárok jellegzetessége a széles spektrális sugárzás – rádió-, optikai, UV, röntgen- és néha gamma-tartományban is mérhetők.
Felépítés és működés
A tudósok ma már egyetértenek abban, hogy a kvazár egy tömör régió egy masszív galaxis közepén, amely egy központi szupermasszív fekete lyukat vesz körül. Mérete tipikusan a fekete lyuk Schwarzschild-sugarának 10–10 000-szerese lehet, tehát kiterjedése a csillagászati értelemben kicsi, mégis óriási energiatermelés forrása.
A kvazár energiája elsősorban a gravitációs energia, amely a fekete lyuk körüli akkréciós korongra hulló tömegből származik. Az akkréciós korong belső részeiben a gáz és por belső súrlódás és mágneses folyamatok hatására felmelegszik, így termikus sugárzást produkál (főleg UV–optikai tartományban). Emellett relativisztikus sugarak (jetek) is kialakulhatnak, amelyek szinkrotron- és inverz Compton-sugárzást adnak, különösen rádió- és röntgentartományban.
A központi szupermasszív fekete lyukak akkréciós korongjai az objektum tömegének mintegy 10%‑át képesek energiává alakítani — ez rendkívül hatékony energiaátalakítás a csillagok nukleáris fúziójához képest. Emiatt a kvazárok extrém fényesek még viszonylag kis tömegtömegek elnyelése esetén is.
Megfigyelési tulajdonságok és spektrum
A kvazárok rendkívül fényesek. Először úgy azonosították őket, mint nagy vöröseltolódású elektromágneses sugárzás forrásait, beleértve a rádióhullámokat és a látható fényt. A fény (és más energia) csillagokhoz hasonlónak tűnt, nem pedig olyan nagy forrásoknak, mint a galaxisok, innen ered a "kvázi-csillag" elnevezés.
Jellemző megfigyelési jelek:
- Spektrum: széles emissziós vonalak (a Broad Line Region miatt) és néha keskeny vonalak (Narrow Line Region), tipikus vonalak a Lyα, CIV, Mg II, Hβ stb.
- Kontinuum: sokkvartumú, gyakran erős UV–optikai forrás, kemény röntgen-komponenssel.
- Variabilitás: fényességük napi-hetes-hónapos skálán változhat, ami a kis méretre utal.
- Radio-loud vs. radio-quiet: a kvazárok egy része erős rádióforrást (jetet) mutat; a rádiós kvazárok aránya ~10–20% körüli.
Méretek, tömegek és időskálák
A kvazárok központi fekete lyukainak tömege tipikusan 10^6–10^10 naptömeg között van. A fényesség és a variabilitás vizsgálata (illetve reverberációs térképezés) segítségével meghatározhatók a fekete lyuk tömegei és az akkréció sebessége (Eddington-hözam). A nagy fényességű kvazárok gyakran közel vagy akár meghaladják az Eddington-luminozitás töredékét vagy egészét.
Típusok és unifikáció
A kvazárokat az AGN-család részének tekintjük; az AGN különböző osztályai (például Seyfert-galaxisok, rádiógalaxisok, blazárok) sokszor ugyanazon fizikai alapokon nyugszanak, csak a megfigyelési szögtől, a környezettől és az akkréció állapotától függenek (az ún. unifikációs modell szerint). A blazárok például olyan kvazárok, amelyeknél a relativisztikus jet közel van a látóirányunkhoz, ezért erős variabilitást és polározált sugárzást mutatnak.
Kvazárok a kozmológiában és a galaxisok életében
A kvazárok különösen gyakoriak voltak a korai világegyetemben. A kvazáraktivitás csúcsa a kozmikus idő ~2–3-as vöröseltolódásnál (kb. 10 milliárd évvel ezelőtt) következett be, amikor rengeteg gáz állt rendelkezésre a gyors fekete lyuk-növekedéshez.
- Fekete lyuk-növekedés: a kvazáridőszakok alatt a szupermasszív fekete lyukak rövid idő alatt hatalmas tömeget gyűjthetnek össze.
- Visszacsatolás (feedback): a kvazárokból származó sugárzás, szelek és jetek képesek az anya-galaxis gáztartalmát felfűteni vagy kipréselni, ami befolyásolja a csillagképzést — ez a mechanizmus fontos szerepet játszhat a galaxisok fejlődésében és a csillagképzés leállításában (quenching).
- Reionizáció: a legkorábbi kvazárok hozzájárulhattak az univerzum reionizációjához, bár a jelenlegi eredmények szerint valószínűleg nem ők voltak az egyedüli vagy domináns források.
Megfigyelések, történet és mérések
A kvazárokat először rádióforrásokhoz társítva fedezték fel; az egyik első és legismertebb korai azonosítás 3C 273 volt (Maarten Schmidt, 1963), amely megmutatta, hogy ezek nagyon nagy vöröseltolódású, tehát távoli objektumok. Azóta a kvazárok tanulmányozása több hullámban (rádió, optikai, infravörös, röntgen) fejlődött.
Gyakori vizsgálati módszerek:
- Spektroszkópia – vöröseltolódás és vonalprofilok meghatározása.
- Reverberációs térképezés – a BLR méretének és a fekete lyuk tömegének becslése.
- Szinkron megfigyelések több hullámsávban – a teljes energia-megoszlás feltérképezéséhez.
Legmagasabb vöröseltolódású kvazárok
A korábbi évtizedek felfedezései alapján a legnagyobb vöröseltolódású ismert kvazár (2011 júniusában[frissítés]) vöröseltolódása 7,085, ami azt jelenti, hogy körülbelül 29 milliárd fényévre van a Földtől. Ez a becslés a komoving távolság fogalmával készült. Azóta további magas vöröseltolódású kvazárokat fedeztek fel (például z ≈ 7.5 körüli objektumok), amelyek az univerzum nagyon korai fázisait tárják fel és segítenek megérteni a korai fekete lyuk-növekedést és a galaxisok kialakulását.
Összefoglalás
A kvazárok a kozmikus történelem fontos jelzői: fényük, spektrális tulajdonságaik és változékonyságuk révén a szupermasszív fekete lyukak és az aktív galaxisok fejlődésének kulcsfontosságú megfigyelési ablakai. Bár ma sok galaxis — így a Tejútrendszer is — nyugalmi állapotban van, a bizonyítékok azt mutatják, hogy a legtöbb galaxis korábban áteshetett aktív, kvazárszerű fázison, amikor elegendő anyag táplálta a központi fekete lyukat és erős sugárzást generált.
Az ULAS J1120+0641 művészi ábrázolása, egy nagyon távoli kvazár, amelyet egy, a Nap tömegének kétmilliárdszorosával rendelkező fekete lyuk táplál. Hitel: ESO/M. Kornmesser
A Chandra röntgenfelvétel a PKS 1127-145 kvazárról készült, amely a Földtől mintegy 10 milliárd fényévre található, nagy fényességű röntgen- és látható fényforrás. A kvazártól legalább egymillió fényévnyire egy hatalmas röntgensugárzási sugárnyaláb húzódik. A kép 60 ívmásodpercnyi oldalú. RA 11h 30m 7.10s Dec -14° 49' 27" a Kráterben. A megfigyelés időpontja: 2000. május 28. Műszer: ACIS.
HE 1104-1805 gravitációs lencsével rendelkező kvazár.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a kvazár?
V: A kvazár vagy kvázi-csillagászati rádióforrás egy aktív galaktikus mag (AGN), amely a legenergikusabb és legtávolabbi AGN-típus. Az általuk kibocsátott energiához képest meglehetősen kicsik, és nem sokkal nagyobbak, mint a Naprendszer.
K: Milyen messze találhatók kvazárok?
V: A 2011 júniusában ismert legnagyobb vöröseltolódású kvazár körülbelül 29 milliárd fényévre volt a Földtől.
K: Milyen mechanizmus áll a fényességváltozásuk mögött?
V: A fényességváltozások mechanizmusa valószínűleg a szinte közvetlenül felénk irányított sugárnyalábok relativisztikus sugárzását jelenti.
K: Mit feltételeznek a kvazárok középpontjában?
V: A tudósok ma már egyetértenek abban, hogy a kvazár egy tömör régió egy masszív galaxis közepén, amely egy központi szupermasszív fekete lyukat vesz körül. Mérete a fekete lyuk Schwarzschild-sugarának 10-10 000-szerese.
K: Honnan származik az energiája?
V: A kvazár által kibocsátott energia a fekete lyuk körüli akkréciós korongra hulló tömeg gravitációs energiájából származik.
K: Mennyire fényesek más galaxisokhoz képest?
V: A kvazárok rendkívül fényesek, fényességük akár százszor nagyobb is lehet, mint a mi Tejútrendszerünké.
K: Miért voltak gyakoribbak a korai világegyetemben?
V: A kvazárok azért voltak gyakoribbak a korai világegyetemben, mert ez az energiatermelés akkor ér véget, amikor a szupermasszív fekete lyuk felemészti az összes gázt és port a közelében, ami azt jelenti, hogy a legtöbb galaxis átmehetett egy aktív szakaszon, mint egy vagy más aktív galaxisosztály, mielőtt nyugalmi állapotba került volna, mert nem volt elég anyag, amely a központi fekete lyukakat a sugárzás termeléséhez táplálta volna.
Keres