Квазары: природа и характеристики¶

Квазары (квазизвёздные радиоисточники, от англ. quasi-stellar radio source) — класс астрономических объектов, являющихся активными ядрами галактик на ранних стадиях их эволюции. Они представляют собой сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие окружающее вещество, и характеризуются чрезвычайно высокой светимостью, превосходящей суммарную светимость всех звёзд в обычной галактике в сотни и тысячи раз, при относительно небольших угловых размерах.

¶Открытие и история исследования

Первые квазары были обнаружены в конце 1950-х — начале 1960-х годов как источники мощного радиоизлучения, отождествлённые со звёздоподобными объектами. В 1963 году голландский астроном Мартен Шмидт, работавший в Паломарской обсерватории, установил, что спектральные линии объекта 3C 273 сильно смещены в красную сторону. Величина красного смещения (z = 0,158) указывала на то, что объект удаляется от Земли со скоростью около 47 000 км/с и находится на расстоянии более 2 миллиардов световых лет. При такой удалённости видимая яркость объекта означала, что его светимость в сотни раз превышает светимость типичной галактики.

Термин «квазар» предложил китайско-американский астрофизик Хун-И Чиу в 1964 году. К концу XX века было открыто несколько десятков тысяч квазаров, а современные обзоры неба, такие как SDSS (Слоановский цифровой небесный обзор), каталогизировали сотни тысяч этих объектов.

¶Природа квазаров

Современная астрофизика рассматривает квазары как одну из разновидностей активных галактических ядер (АЯГ). В центре квазара находится сверхмассивная чёрная дыра с массой от миллионов до десятков миллиардов масс Солнца. Вещество (газ, пыль, звёзды), попадающее в сферу гравитационного влияния чёрной дыры, образует вокруг неё аккреционный диск. При падении на чёрную дыру вещество разогревается до миллионов градусов, излучая огромное количество энергии в широком диапазоне длин волн — от радиоволн до рентгеновского и гамма-излучения.

Часть вещества выбрасывается из окрестностей чёрной дыры в виде двух узких релятивистских джетов — струй плазмы, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Излучение квазаров часто является переменным: их яркость может меняться на протяжении дней, часов и даже минут, что указывает на малые размеры излучающей области (не более нескольких световых часов в поперечнике).

¶Основные характеристики

Ключевые параметры квазаров:

• Светимость: типичные значения — от 10^39 до 10^42 ватт (10^12–10^15 светимостей Солнца). Наиболее яркие квазары, например HS 1946+7658, достигают светимости более 10^41 ватт.
• Красное смещение: наблюдаются в диапазоне от z ≈ 0,05 до z > 7. Рекордные объекты, такие как ULAS J1342+0928 (z = 7,54), существовали уже через 690 миллионов лет после Большого взрыва.
• Масса чёрной дыры: от 10^6 до 2×10^10 масс Солнца. Масса чёрной дыры в квазаре TON 618 оценивается примерно в 66 миллиардов масс Солнца.
• Размеры: излучающая область имеет диаметр порядка 10^14–10^16 метров (сопоставимо с размерами Солнечной системы).
• Спектр: непрерывный, с яркими эмиссионными линиями водорода, углерода, кислорода и других элементов, сильно уширенными вследствие эффекта Доплера.
• Радиоизлучение: около 10 % квазаров являются мощными радиоисточниками («радиогромкие» квазары), остальные («радиотихие») слабо излучают в радиодиапазоне.

¶Классификация

Квазары подразделяют по нескольким признакам:

• По радиоизлучению: радиогромкие и радиотихие квазары.
• По характеру спектра: квазары с широкими эмиссионными линиями (тип 1) и объекты с узкими линиями (тип 2), что связано с ориентацией аккреционного диска относительно наблюдателя.
• По красному смещению: близкие (z < 1) и далёкие (z > 1) квазары; последние наблюдаются в состоянии молодой Вселенной.
• По переменности: оптически violent переменные (OVV) и блазары — подклассы, для которых характерны сильные и быстрые изменения блеска.

¶Эволюция и роль в формировании галактик

Квазары представляют собой раннюю, наиболее активную фазу существования галактик. Считается, что практически каждая крупная галактика, включая Млечный Путь, в прошлом проходила через стадию квазара. По мере истощения запасов газа в окрестностях центральной чёрной дыры активность ядра затухает, и квазар превращается в обычную галактику с остаточным слабым ядром.

Наблюдения показывают корреляцию между массой центральной чёрной дыры и массой балджа (центрального сфероидального компонента) галактики, что указывает на совместную эволюцию чёрной дыры и её галактики-хозяина. Излучение квазаров, особенно джеты и звёздные ветры, может нагревать и выталкивать межзвёздный газ, тем самым регулируя темпы звездообразования в галактике.

¶Наблюдательные методы

Квазары изучаются методами оптической, инфракрасной, рентгеновской и радиоастрономии. Основные инструменты — крупные наземные телескопы (VLT, Keck, GTC) и космические обсерватории («Хаббл», «Спитцер», «Чандра», XMM-Newton). Для поиска новых квазаров используются широкоугольные обзоры, такие как SDSS, Pan-STARRS и DESI. Далёкие квазары служат важным инструментом для изучения межгалактической среды: их свет, проходя сквозь облака водорода, позволяет реконструировать состояние Вселенной в первые миллиарды лет её существования.

¶Значение для космологии

Квазары играют ключевую роль в современной космологии. Они используются как «стандартные свечи» для измерения расстояний, как зонды для изучения распределения тёмной материи и как индикаторы плотности барионного вещества в ранней Вселенной. Наблюдения квазаров с высоким красным смещением накладывают ограничения на модели формирования сверхмассивных чёрных дыр и на время начала эпохи реионизации.

¶Источники

• Шкловский И. С. «Квазары и активные ядра галактик» — М.: Наука, 1982.
• Карташов В. М., Сизых М. В. «Активные ядра галактик» — Екатеринбург: УрФУ, 2017.
• Петерсон Б. «Введение в исследование активных галактических ядер» — М.: Физматлит, 2003.
• Schneider P. «Extragalactic Astronomy and Cosmology» — Springer, 2015.