Kwazar to jeden z najbardziej niezwykłych rodzajów obiektów w kosmosie. Choć na pierwszy rzut oka, kwazar może się wydawać gwiazdą o wielkiej jasności, to jednak błędne założenie. Czym zatem jest i co różni go od gwiazd?
Czarna dziura najczęściej nie kojarzy nam się z jasnymi obiektami. Paradoksalnie jednak, te kosmiczne „odkurzacze” mogą tworzyć najjaśniejsze obiekty w kosmosie. Ich jasność jest tak ogromna, że przyćmiewa całą galaktykę – wszystkie gwiazdy, które się w niej znajdują! Czym dokładnie są rzeczone kwazary?
Kwazar: podstawowe informacje — czym są kwazary?
Nieznanej natury ciała niebieskie przypominające gwiazdy wzbudzały zainteresowanie astronomów już w XIX wieku. Wtedy nikt jednak nie przypuszczał, że obiekty te są czymś innym niż gwiazdami. Prowadzone w latach 1917-1922, przez Hebera Curtisa i Ernsta Öpika, obserwacje dowiodły, że są galaktykami. Pierwotne wyobrażenia miały jednak wpływ na ich nazwanie. Określono je mianem quasi-stellar radio source lub quasi-stellar object (w skrócie quasar), czyli gwiazdopodobnymi obiektami emitującymi fale radiowe — kwazarami.
Prowadzone w latach 50. i 60. badania doprowadziły astronomów do poznania natury kwazarów. Pierwszym opisanym kwazarem był 3C 273 znajdujący się w gwiazdozbiorze Panny. Oddalony jest o 2,44 mld lat świetlnych od Ziemi. Wyznaczenie dokładnych współrzędnych, pozwoliło otrzymać widmo tego promieniowania, które było ekstremalnie przesunięte ku czerwieni – świadczy to o niezwykle dużym oddaleniu tego obiektu od naszej galaktyki.
Holenderski astronom Maarten Schmidt uznał, że widmo to jest aktywnym jądrem galaktyki, świecącym 100 razy jaśniej, niż wszystkie gwiazdy Drogi Mlecznej razem wzięte. Hipoteza naukowca była kwestionowana, ponieważ nie potrafiono wówczas wyjaśnić, jak nieduży w kosmicznej skali obiekt może wytwarzać tak znaczne ilości promieniowania. Zgodnie z ówczesnym stanem wiedzy, jego aktywność radiowa i jasność sugerowały też, że musiał być blisko Ziemi, a nie bardzo daleko, jak postulował Schmidt. Dopiero późniejsze badania potwierdzające istnienie czarnych dziur, pozwoliły uzupełnić hipotezę i wyjaśnić czym są kwazary.
-75%
Odkrycia zakończyły dyskusję na temat tego, czy kwazar to gwiazda. Okazało się, że jest rodzajem galaktyki aktywnej. Tego typu ciała kosmiczne mogą być wielkości np. Układu Słonecznego. W sercu kwazara znajduje się bardzo aktywna supermasywna czarna dziura, czyli obiekt o masie co najmniej 100 000 Słońc. Dookoła niej jest dysk akrecyjny, w którym wirująca materia rozgrzewana jest do ogromnych temperatur i wytwarza promieniowanie w każdym zakresie – optycznym, radiowym, rentgenowskim i gamma. Najaktywniejsze dyski wyrzucają dodatkowo strumienie materii w postaci dżetów.
Wyjaśnione zostało w ten sposób, dlaczego tak odległe, a przy tym nieduże w skali kosmicznej, obiekty mogą być rejestrowane przez przyrządy pomiarowe na Ziemi. Dystans do nich wynosi miliardy lat świetlnych. Dla przykładu kwazar PSO J352.4034-15.3373 znajduje się w odległości 12,7 mld lat świetlnych.
Ich odległość pozwoliła z kolei zrozumieć, jak kwazary mogą kumulować taką ilość promieniowania. Wędrujące do nas miliardy lat światło kwazarów wskazuje, że powstały we wczesnej fazie istnienia kosmosu, najprawdopodobniej w ciągu pierwszego miliarda lat jego istnienia. Ilość materii była wówczas znacznie większa niż dziś, co umożliwiło jej wielkie nagromadzenie w kwazarach.
Jak powstają kwazary?
Praktycznie każdy zidentyfikowany kwazar znajduje się w centrum galaktyk. Ma to związek z tym że nieodłącznym elementem obiektu klasyfikowanego jako kwazar jest czarna dziura. Nie oznacza to jednak, że każda czarna dziura może nim być. Jedynie największe obiekty (zwane supermasywnymi czarnymi dziurami, w skrócie SMBH) w określonych okolicznościach mogą zostać kwazarami.
Badacze donoszą, że swobodne SMBH, choć są ekstremalnie rzadkie, to występują w przestrzeni kosmicznej. Niemniej jednak najczęściej pozostają „uśpione” przez brak materii w ich otoczeniu, którą mogłyby pochłonąć. W przeciwieństwie do nich supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk mogą posiadać dostateczną ilość materii do pochłonięcia. Co się wtedy dzieje?
Czarna dziura siłą swojego potężnego przyciągania zaczyna „wysysać” okoliczną materię. Dzieje się to jednak w określony sposób, gdyż nawet największa czarna dziura nie jest w stanie chłonąć materii szybko. Naukowcy nie potrafią tego fenomenu wytłumaczyć, jednak ma to ogromne znaczenie. Cała niewchłonięta materia zaczyna wirować dookoła horyzontu zdarzeń tego obiektu (strefy, spoza której żadna informacja nie może wrócić). Tworzy się tzw. dysk akrecyjny, który składa się z materii uwięzionej w pułapce grawitacyjnej i „oczekującej” na pochłonięcie.
Materia znajdująca się w dysku akrecyjnym jest poddawana ekstremalnym warunkom. Składa się na to ogromna siła tarcia i napór grawitacyjny czarnej dziury. Czynniki te sprawiają, że materia zostaje podgrzana do ogromnych temperatur i zaczyna świecić. Oznacza to, że otoczenie czarnej dziury zaczyna świecić tak mocno, że jego obserwacja z ogromnych odległości staje się możliwa. Specyfika ta sprawiała, że pierwsze kwazary były mylone z gwiazdami – kwazary są jednak rodzajem aktywnej galaktyki.
Czy nasza galaktyka mogłaby mieć kwazar w swoim centrum? Centrum Drogi Mlecznej posiada Sagittariusa A* – ogromną czarną dziurę o masie 4 milionów mas Słońca. Problemem jest jednak dostępność materii. Obiekt ten znany pod skrótem Sgr A* mógł być kiedyś kwazarem, obecnie jednak pochłonął zdecydowaną większość materii. Stan ten sprawia, że pozostaje w uśpieniu, co czyni „naszą” SMBH nieaktywną.
Wystarczająca ilość materii, aby zainicjować formowanie kwazara, znajduje się w młodych galaktykach i tych, które uległy kolizji. Wytłumaczeniem tego faktu jest to, że znane obecnie kwazary znajdują się w znacznej odległości od naszej planety. Światło potrzebowało miliardów lat, by do nas dotrzeć – oznacza to, że oglądamy je takimi, jakimi wyglądały miliardy lat temu. Obecnie wiele z nich najprawdopodobniej przypomina Sagittariusa A*, jednak światło z ich obecnym obrazem jeszcze do nas nie dotarło.
Wszystkie galaktyki w sąsiedztwie Drogi Mlecznej są zbyt stare, by sformować kwazar (cała materia została już wyssana). Wspominaliśmy, że Droga Mleczna we wczesnym stadium istnienia (około 13 miliardów lat temu), najprawdopodobniej miała w swoim centrum kwazara. Ten fenomen może jednak nastąpić ponownie – za około 4 miliardy lat. Drogę Mleczną czeka wtedy kolizja z galaktyką Andromedy. Doprowadzi to do znacznego zagęszczenia materii w centrum galaktyki, gdzie znajduje się uśpiony Sgr A*. Jeżeli będzie jej dostatecznie dużo, czarna dziura może zostać „uruchomiona” ponownie, tworząc kwazar.
Czym kwazar wyróżnia się na tle innych obiektów w kosmosie?
Jedną z cech wyróżniających kwazary jest ich silna aktywność radiowa. To właśnie emitowany przez nie punktowy sygnał radiowy był przyczyną uważania kwazarów za gwiazdy. Późniejsze badania dowiodły, że źródłem tego punktowego sygnału są rozpędzone, niemal do prędkości światła, cząstki materii.
Kwazary wyróżnia też jasność przewyższająca inne ciała niebieskie. Rozgrzana materia wirująca wokół dysku akrecyjnego przyćmiewa blask własnej galaktyki. Największe kwazary mogą świecić nawet miliony razy jaśniej od Słońca. Ekstremalne są również temperatury. Dysk akrecyjny jest rozgrzany do nawet 100 000 ℃. To wartość znacznie wyższa niż temperatura większości gwiazd. Dla porównania powierzchnia Słońca to 5500 ℃. Nawet otaczające wiele kwazarów (być może wszystkie) obłoki gazowe, zwane halo, bywają dużo gorętsze od niektórych gwiazd. Ich temperatura wynosi około 10 000 ℃.
Sprawdź też: Pulsary, czyli gwiazdy neutronowe – czym są? Co dało ludziom obserwowanie pulsarów?
Najjaśniejsze kwazary znane człowiekowi
Kwazary to najjaśniejsze obiekty kosmiczne znane człowiekowi. Największe z nich osiągają jasność przewyższającą Słońce o zawrotne wartości. Jakie są największe kwazary? Lider peletonu co jakiś czas się zmienia. W 2015 roku rekordowy wynik należał do SDSS J010013.02+280225.8. Kwazar ten świecił 429 bln (429 000 000 000 000) razy mocniej od Słońca. Znajduje się w odległości 13,8 mld lat świetlnych od Ziemi. Powstał w erze rejonizacji, czyli epoce powstawania pierwszych galaktyk i gwiazd. Miało to miejsce 875 mln lat po Wielkim Wybuchu, w skali kosmicznej krótko po powstaniu Wszechświata.
Obecnie pierwsze miejsce zajmuje kwazar J043947.08+163415.7. Jego jasność wynosi tyle, co 600 bln Słońc. Oddalony jest o 12,8 mld lat świetlnych. On także powstał w erze rejonizacji.
Najbliższy naszej planecie kwazar
Oprócz kwazarów znajdujących się na drugim końcu Wszechświata są również obiekty będące bliżej Ziemi. Niemniej, nawet bliskie kwazary są od nas oddalone o miliony lat świetlnych. Najbliżej Ziemi jest kwazar UGC 8058 (znany też jako Mrk 231 lub Markarian 231). Jego odległość od naszej planety wynosi 600 mln lat świetlnych. Położony jest w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy.
Kwazar ten ma wyjątkową cechę. Zazwyczaj dysk akrecyjny wokół czarnej dziury widoczny jest w promieniowaniu ultrafioletowym. U Markarian 231 wędruje on gwałtownie w kierunku jądra galaktyki. Oznacza to, że czarną dziurę otacza pusta przestrzeń. Dzieje się tak dlatego, że po wewnętrznej krawędzi dysku krąży druga czarna dziura, która pierwotnie była częścią innej galaktyki, wchłoniętej przez UGC 8058. Pierwsza z nich ma masę 150 mln mas Słońca, druga to zaś 4 mln mas Słońca. Okrążają się one wzajemnie w cyklu 1,2 roku ziemskiego.
Blazary i kwazary — różnice
Bogaty zbiór aktywnych jąder galaktyk obejmuje również blazary. Mianem tym określa się kwazary o ekstremalnych właściwościach. Blazar charakteryzuje się szybką zmiennością promieniowania radiowego na wszystkich częstotliwościach i skalach czasowych. Promieniowanie świetlne we wszystkich zakresach jest, w zależności od blazaru, albo silnie spolaryzowane, albo znajduje się w stanie niemal całkowitego zaniku.
Choć przyczyna tego zjawiska nie została jeszcze wyjaśniona, to astronomowie przypuszczają, że problemem może być obserwowanie go w pobliżu osi relatywistycznego dżetu (strumienia). Taki strumień zdaje się pozornie zmieniać jasność wiązki światła, gdy tak naprawdę emisja promieni jest wzmacniana przez efekt Dopplera. Oznacza to, że fale emitowane przez źródło mają zupełnie inną częstotliwość, niż ta z jaką obserwator widzi strumień.
Sprawdź też: Życie na księżycu Saturna? Enceladus zaskakuje badaczy. Informacje o szóstym największym satelicie Saturna
Termin blazar pochodzi od nazwy nadanej przez niemieckiego astronoma Cuno Hoffmeistera jednemu z ciał niebieskich. W 1929 roku opublikował on katalog 354 gwiazd zmiennych, czyli takich, które zmieniają jasność w krótkich odstępach czasu. Jedna z nich, znajdująca się w gwiazdozbiorze Jaszczurki została nazwa BL Lacertae, w skrócie BL Lac. Jak wiemy, badania nad tego typu obiektami w latach 60. i 70. wykazały, że nie są to gwiazdy a kwazary. Z połączenia nazw BL Lac i quasar powstała nazwa blazar. Najbliższy z nich znajduje się 2,5 mld lat świetlnych od Ziemi.
Wszechświat to miejsce pełne niezwykłych zjawisk i obiektów, których naturę dopiero zaczynamy pojmować. Znalezienie każdej kolejnej przeszkody prowadzi do pytań, czy w kosmosie istnieje coś jeszcze większego, jaśniejszego lub cięższego. Gdzie leży granica? A może powinniśmy zapytać — czy istnieje jakakolwiek granica?
