Квазар — активное ядро галактики¶

Квазар (от англ. quasar, сокращение от quasi-stellar radio source — «квазизвёздный источник радиоизлучения») — это класс астрономических объектов, представляющих собой чрезвычайно яркие активные ядра галактик на ранних стадиях эволюции Вселенной. Квазары являются самыми мощными и светящимися известными постоянными источниками электромагнитного излучения во Вселенной, превосходя по светимости суммарное излучение всех звёзд своей галактики в сотни и тысячи раз.

¶Общая характеристика

Квазары относятся к подклассу активных галактических ядер (АЯГ). Их излучение возникает в результате аккреции вещества на сверхмассивную чёрную дыру, масса которой может достигать миллиардов масс Солнца. Падающее вещество разгоняется до околосветовых скоростей, разогревается до миллионов градусов и образует аккреционный диск, испускающий колоссальное количество энергии в широком диапазоне длин волн — от радиоволн до жёсткого гамма-излучения.

В оптическом диапазоне квазары выглядят как точечные звёздоподобные объекты, что и дало им название «квазизвёздные». Однако в отличие от звёзд, квазары обладают огромными красными смещениями (z от 0,1 до 7,6), что указывает на их нахождение на космологических расстояниях в миллиарды световых лет. Таким образом, наблюдая квазары, астрономы видят их состояние в ранней Вселенной, когда возраст космоса составлял менее миллиарда лет.

¶История открытия

Первые квазары были обнаружены в конце 1950-х — начале 1960-х годов благодаря развитию радиоастрономии. В 1960 году американский астроном Аллан Сэндидж отождествил радиоисточник 3C 48 с оптическим объектом, похожим на звезду, но имеющим необычный спектр. В 1962 году была точно определена позиция радиоисточника 3C 273, и в 1963 году Мартен Шмидт, работавший в Паломарской обсерватории, расшифровал его спектр, показав, что линии принадлежат водороду, смещённому в красную область на 16 % от стандартного положения.

Это открытие означало, что 3C 273 находится на расстоянии около 2,4 миллиарда световых лет, что делало его невероятно ярким объектом. Термин «квазар» предложил в 1964 году астрофизик Хун-И Чиу. К концу 1960-х годов было открыто около 150 квазаров, а к настоящему времени каталогизированы сотни тысяч таких объектов, в основном благодаря обзорам неба в рентгеновском и инфракрасном диапазонах.

¶Физическая природа

¶Аккреционный диск

Основным источником энергии квазара служит аккреция — гравитационный захват и падение вещества (газа, пыли, разрушенных звёзд) на центральную сверхмассивную чёрную дыру. При аккреции высвобождается до 10–40 % массы покоя вещества в виде энергии, что значительно эффективнее термоядерного синтеза (около 0,7 %).

Аккреционный диск квазара имеет температуру от нескольких тысяч до десятков миллионов кельвинов во внутренних областях. Внутренняя часть диска испускает рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, внешние — оптическое и инфракрасное.

¶Релятивистские джеты

Значительная часть квазаров (около 10 %) испускает релятивистские струи (джеты) — коллимированные потоки плазмы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Джеты простираются на сотни тысяч и миллионы световых лет, далеко за пределы родительской галактики, и являются источниками синхротронного радиоизлучения. Если джет направлен в сторону наблюдателя, объект наблюдается как блазар — подкласс АЯГ с экстремально переменным излучением.

¶Эмиссионные линии

В спектрах квазаров присутствуют яркие эмиссионные линии, возникающие в широких и узких областях ионизованного газа вокруг аккреционного диска. Широкие линии (скорости до 10 000 км/с) формируются в так называемой области широких линий на расстоянии световых недель от чёрной дыры, узкие — в области узких линий на расстоянии сотен парсек.

¶Классификация

Квазары классифицируют по нескольким признакам:

• Радиогромкие и радиотинхие — по интенсивности радиоизлучения. Радиогромкие квазары составляют около 10–15 % популяции и имеют мощные джеты.
• Квазары с широкими и узкими линиями поглощения — по наличию абсорбционных систем в спектре, возникающих в межгалактическом газе на луче зрения.
• Блазары — квазары, у которых джет направлен почти точно на наблюдателя, что приводит к эффектам релятивистского усиления яркости.
• Квазары с высокой поляризацией — объекты, излучение которых сильно поляризовано, что указывает на доминирование синхротронного механизма.

¶Связь с галактиками

Квазары не являются изолированными объектами — они расположены в центрах массивных галактик, преимущественно эллиптических. Сама галактика часто невидима из-за ослепительного блеска ядра, однако современные наблюдения с адаптивной оптикой и космическими телескопами позволяют обнаруживать родительские галактики квазаров.

Эпоха максимальной активности квазаров приходится на красные смещения z ≈ 2–3, что соответствует возрасту Вселенной около 2–3 миллиардов лет. В современной Вселенной квазары крайне редки, что связывают с исчерпанием доступного газа для аккреции и «выключением» активности ядер.

¶Наиболее известные квазары

• 3C 273 — первый идентифицированный квазар в созвездии Девы, ярчайший в оптическом диапазоне (звёздная величина около 12,9). Расстояние — около 2,4 миллиарда световых лет.
• TON 618 — один из самых массивных известных квазаров, масса центральной чёрной дыры оценивается в 66 миллиардов масс Солнца.
• J0313-1806 — квазар с красным смещением 7,64, наблюдаемый в состоянии, когда возраст Вселенной составлял около 670 миллионов лет.
• APM 08279+5255 — квазар с гравитационным линзированием, позволивший изучать химический состав ранней Вселенной.

¶Значение для космологии

Квазары играют ключевую роль в современной астрофизике. Они служат:

• Индикаторами ранней Вселенной — наличие квазаров при z > 7 накладывает ограничения на модели формирования сверхмассивных чёрных дыр.
• Фоновыми источниками для изучения межгалактической среды — абсорбционные линии в спектрах квазаров позволяют исследовать распределение водорода, металлов и тёмной материи.
• Стандартными свечами — корреляция между рентгеновской и ультрафиолетовой светимостью квазаров используется для измерения космологических расстояний.
• Инструментом проверки теорий гравитации — отклонение света в поле тяжёлых объектов наблюдалось именно на примере квазаров.

¶Современные исследования

Актуальные исследования квазаров ведутся с использованием космических обсерваторий «Хаббл», «Джеймс Уэбб», «Чандра», «Спектр-РГ» (российско-германский проект, запущенный в 2019 году), а также наземных телескопов, включая российский БТА (Большой телескоп азимутальный) Специальной астрофизической обсерватории РАН. Основные направления — поиск квазаров с максимальным красным смещением, изучение их химического состава, исследование связи активности ядер с эволюцией галактик и проверка моделей роста сверхмассивных чёрных дыр.