Квазары — сверхмассивные ядра галактик¶

Квазары (от англ. quasi-stellar radio source — квазизвёздный радиоисточник) — сверхъяркие активные ядра галактик, излучение которых обусловлено аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру. Квазары относятся к наиболее энергоёмким объектам Вселенной: светимость некоторых из них в тысячи и миллионы раз превышает суммарную светимость галактик, содержащих их. Термин введён в 1964 году американским физиком Чжэнем Цзе-Вэем.

¶История открытия

Первые квазары были обнаружены как мощные радиоисточники. В 1959 году британские радиоастрономы Джон Гейл, Хью Джексон и Патрик Мейн-Смит из Кавендишской лаборатории в Кембридже идентифицировали источник 3C 273 из Третьего Кембриджского каталога радиоисточников. Его оптический спектр оказался сходен со спектром звезды, однако с аномально большим красным смещением z = 0,158, что соответствовало расстоянию около 2,4 млрд световых лет. В 1963 году Мартин Шмидт объяснил наблюдаемые линии смещённым по красному спектральным линиям водорода, что подтвердило космологическую природу смещения.

В 1964 году Цзе-Вэй предложил термин «квазистеллярный радиоисточник», сокращённо «квазар». Позднее было установлено, что подавляющее большинство квазаров не излучает в радиодиапазоне заметно сильнее оптического, и термин стал трактоваться как «квазистеллярный объект» (КСО, англ. QSO).

¶Природа и устройство

Современная модель объясняет квазар сверхмассивной чёрной дырой массой от сотен миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс, в которую падает вещество окружающей галактики. При аккреции газ разогревается до температур в миллионы кельвинов и испускает мощное излучение в широком диапазоне — от радиоволн до рентгеновских. КПД преобразования энергии при аккреции на чёрную дыру может достигать около 40 % для быстро вращающихся дыр, что на порядки превышает КПД термоядерного синтеза.

Стандартная модель активного ядра включает:

• сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики;
• аккреционный диск из нагретого газа;
• область тормозного излучения (корону) вокруг диска;
• релятивистские струи (джеты), выбрасывающие плазму вдоль оси вращения — характерны для радиоквазаров;
• облака пыли и газа, формирующие биполярную структуру.

Излучение квазара нестабильно: светимость меняется на временах от дней до месяцев, что ограничивает размеры области излучения — она не может быть существенно больше светового месяца.

¶Свойства и характеристики

Квазары наблюдаются на больших красных смещениях, то есть в далёком прошлом Вселенной. Наибольшее их число приходится на z ≈ 2–3, соответствующее эпохе 2–3 млрд лет после Большого взрыва — «пик активности» квазаров. Вблизи Солнечной системы квазары практически отсутствуют: ближайший яркий квазар 3C 273 удалён на 2,4 млрд св. лет.

Типичная светимость квазара — 10¹²–10¹⁴ солнечных. Наиболее удалённый из известных квазар, UHZ1, обнаруженный в 2023 году с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», имеет красное смещение z ≈ 10,1 и удалён примерно на 13,2 млрд световых лет. Рекордсмен по светимости — SMSS J2157−3602 (z ≈ 4,7), превосходящий Солнце по светимости более чем в 100 триллионов раз.

¶Классификация

Квазары выделяют по спектральным и морфологическим признакам:

¶Роль в астрономии

Квазары используются как «маяки» для изучения межгалактического и межзвёздного газа: их спектры содержат линии поглощения вещества на луче зрения. Линии Лаймана-альфа в спектрах далёких квазаров позволили обнаружить «Лес Лаймана-альфа» — систему нейтральных водородных облаков, заполняющих межгалактическое пространство.

Квазары играют роль в эволюции галактик: мощное излучение и джеты нагревают и вытесняют газ, подавляя звездообразование. Современные модели связывают массу сверхмассивной чёрной дыры с массой балджа галактики, что указывает на коэволюцию ядра и галактики в целом.

¶Интересные факты

• 3C 273 остаётся одним из немногих квазаров, видимых с Земли в любительский телескоп (видимая звёздная величина ≈ 12,9).
• Квазар J0437+2456, открытый в 2020 году, удалён на 13,1 млрд св. лет и является одним из самых ранних известных объектов.
• Термин «квазар» первоначально применялся только к радиоисточникам, но позднее был распространён на все активные ядра галактик с подобными свойствами.

¶Источники

• Шкловский И. С. «Квазары». — М.: Наука, 1966.
• Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. «Релятивистская астрофизика». — М.: Наука, 1967.
• Schmidt M. «3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift». Nature, 1963.
• Каталогы активных ядра галактик (Véron-Cetty & Véron, SDSS).