Квазар ( / ˈ k w eɪ z ɑːr / KWAY -zar ) является чрезвычайно ярким активным галактическим ядром (AGN). Иногда его называют квазизвездным объектом , сокращенно QSO . Излучение AGN обеспечивается сверхмассивной черной дырой с массой от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс , окруженной газообразным аккреционным диском . Газ в диске, падающий в сторону черной дыры, нагревается и выделяет энергию в виде электромагнитного излучения . Лучистая энергия квазаров огромна; самые мощные квазары имеют светимость в тысячи раз больше, чем у галактики, такой как Млечный Путь . [2] [3] Квазары обычно классифицируются как подкласс более общей категории AGN. Красное смещение квазаров имеет космологическое происхождение . [4]
Термин квазар возник как сокращение от «квазизвездный [звездоподобный] радиоисточник» — потому что они были впервые идентифицированы в 1950-х годах как источники радиоволнового излучения неизвестного физического происхождения — и когда они были идентифицированы на фотографических изображениях на видимых длинах волн, они напоминали слабые, похожие на звезды точки света. Изображения квазаров с высоким разрешением, в частности с космического телескопа Хаббл , показали, что квазары возникают в центрах галактик , и что некоторые родительские галактики являются сильно взаимодействующими или сливающимися галактиками. [5] Как и в случае с другими категориями активных ядер галактик, наблюдаемые свойства квазара зависят от многих факторов, включая массу черной дыры, скорость аккреции газа, ориентацию аккреционного диска относительно наблюдателя, наличие или отсутствие струи и степень затенения газом и пылью внутри родительской галактики.
Около миллиона квазаров были идентифицированы с помощью надежных спектроскопических красных смещений [6] и около 2-3 миллионов идентифицированы в фотометрических каталогах. [7] [8] Ближайший известный квазар находится примерно в 600 миллионах световых лет от Земли, в то время как рекорд для самого дальнего известного квазара составляет 31,7 миллиарда световых лет. [9] [10]
Исследования по обнаружению квазаров показали, что активность квазаров была более распространена в далеком прошлом; пик пришелся примерно на 10 миллиардов лет назад. [11] Концентрации множественных квазаров известны как большие группы квазаров и могут представлять собой некоторые из крупнейших известных структур во Вселенной, если наблюдаемые группы являются хорошими индикаторами распределения массы.
Термин «квазар» впервые был использован в статье астрофизика Хонг-Йи Чиу в мае 1964 года в журнале Physics Today для описания некоторых астрономически загадочных объектов: [12]
До сих пор для описания этих объектов используется неуклюже длинное название «квазизвездные радиоисточники». Поскольку природа этих объектов совершенно неизвестна, трудно подготовить для них короткую, подходящую номенклатуру, чтобы их основные свойства были очевидны из их названия. Для удобства в этой статье будет использоваться сокращенная форма «квазар».
Между 1917 и 1922 годами из работ Хебера Дуста Кертиса , Эрнста Эпика и других стало ясно , что некоторые объекты (« туманности »), наблюдаемые астрономами, на самом деле были далекими галактиками, такими как Млечный Путь. Но когда в 1950-х годах началась радиоастрономия , астрономы обнаружили среди галактик небольшое количество аномальных объектов со свойствами, которые не поддавались объяснению.
Объекты испускали большое количество излучения многих частот, но ни один источник не мог быть обнаружен оптически, или в некоторых случаях только слабый и точечный объект, несколько похожий на далекую звезду . Спектральные линии этих объектов, которые идентифицируют химические элементы , из которых состоит объект, также были чрезвычайно странными и не поддавались объяснению. Некоторые из них очень быстро меняли свою светимость в оптическом диапазоне и еще быстрее в рентгеновском диапазоне, что предполагает верхний предел их размера, возможно, не больше Солнечной системы . [13] Это подразумевает чрезвычайно высокую плотность мощности . [14] Состоялось значительное обсуждение того, чем могут быть эти объекты. Их описывали как «квазизвездные [что означает: похожие на звезды] радиоисточники» или «квазизвездные объекты» (QSO), название, которое отражало их неизвестную природу, и оно стало сокращено до «квазар».
Первые квазары ( 3C 48 и 3C 273 ) были обнаружены в конце 1950-х годов как радиоисточники в радиообзорах всего неба. [15] [16] [17] [18] Сначала они были отмечены как радиоисточники без соответствующего видимого объекта. Используя небольшие телескопы и телескоп Ловелла в качестве интерферометра , было показано, что они имеют очень малый угловой размер. [19] К 1960 году сотни этих объектов были зарегистрированы и опубликованы в Третьем Кембриджском каталоге, в то время как астрономы сканировали небо в поисках их оптических аналогов. В 1963 году Аллан Сэндидж и Томас А. Мэтьюз опубликовали точную идентификацию радиоисточника 3C 48 с оптическим объектом . Астрономы обнаружили то, что казалось слабой голубой звездой в месте расположения радиоисточника, и получили ее спектр, который содержал много неизвестных широких линий излучения. Аномальный спектр не поддавался интерпретации.
Британско-австралийский астроном Джон Болтон провел много ранних наблюдений квазаров, включая прорыв в 1962 году. Другой радиоисточник, 3C 273 , был предсказан, что подвергнется пяти покрытиям Луной . Измерения , проведенные Сирилом Хазардом и Джоном Болтоном во время одного из покрытий с помощью радиотелескопа Паркса, позволили Маартену Шмидту найти видимый аналог радиоисточника и получить оптический спектр с помощью 200-дюймового (5,1 м) телескопа Хейла на горе Паломар . Этот спектр показал те же странные линии излучения. Шмидт смог продемонстрировать, что это, вероятно, обычные спектральные линии водорода, смещенные в красную область на 15,8%, в то время, высокое красное смещение (известно лишь несколько гораздо более слабых галактик с более высоким красным смещением). Если это было связано с физическим движением «звезды», то 3C 273 удалялся с огромной скоростью, около47 000 км/с , что намного превышает скорость любой известной звезды и не поддается никакому очевидному объяснению. [20] Экстремальная скорость также не помогла бы объяснить огромное радиоизлучение 3C 273. Если красное смещение было космологическим (теперь известно, что это правильно), большое расстояние означало бы, что 3C 273 была намного более яркой, чем любая галактика, но гораздо более компактной. Кроме того, 3C 273 была достаточно яркой, чтобы ее можно было обнаружить на архивных фотографиях, датируемых 1900-ми годами; было обнаружено, что она меняется в годовых временных масштабах, что подразумевает, что значительная часть света испускалась из области размером менее 1 светового года, крошечной по сравнению с галактикой.
Хотя это вызвало много вопросов, открытие Шмидта быстро произвело революцию в наблюдении за квазарами. Странный спектр 3C 48 был быстро идентифицирован Шмидтом, Гринстейном и Оке как водород и магний, смещенные в красную область на 37%. Вскоре после этого еще два спектра квазаров в 1964 году и еще пять в 1965 году также были подтверждены как обычный свет, смещенный в красную область до экстремальной степени. [21] Хотя сами наблюдения и красные смещения не подвергались сомнению, их правильная интерпретация была предметом интенсивных споров, и предположение Болтона о том, что излучение, обнаруженное от квазаров, было обычными спектральными линиями от далеких источников с сильным красным смещением и экстремальной скоростью, не было широко принято в то время.
Экстремальное красное смещение может подразумевать большое расстояние и скорость, но также может быть вызвано чрезвычайной массой или, возможно, какими-то другими неизвестными законами природы. Экстремальная скорость и расстояние также подразумевают огромную выходную мощность, которая не имеет объяснения. Малые размеры были подтверждены интерферометрией и наблюдением за скоростью, с которой квазар в целом изменялся в выходной мощности, и их невозможностью быть обнаруженными даже в самые мощные телескопы видимого света как что-то большее, чем слабые звездообразные точки света. Но если бы они были маленькими и далеко в космосе, их выходная мощность должна была бы быть огромной и труднообъяснимой. Точно так же, если бы они были очень маленькими и намного ближе к этой галактике, было бы легко объяснить их кажущуюся выходную мощность, но сложнее объяснить их красные смещения и отсутствие обнаруживаемого движения на фоне вселенной.
Шмидт отметил, что красное смещение также связано с расширением Вселенной, как это закодировано в законе Хаббла . Если измеренное красное смещение было вызвано расширением, то это подтвердило бы интерпретацию очень далеких объектов с чрезвычайно высокой светимостью и выходной мощностью, намного превосходящей любой объект, наблюдаемый до сих пор. Эта экстремальная светимость также объяснила бы большой радиосигнал. Шмидт пришел к выводу, что 3C 273 может быть либо отдельной звездой шириной около 10 км внутри (или вблизи) этой галактики, либо далеким активным галактическим ядром. Он заявил, что далекий и чрезвычайно мощный объект, по всей вероятности, был бы правильным. [20]
Объяснение Шмидта высокого красного смещения не было широко принято в то время. Главной проблемой было огромное количество энергии, которое должны были бы излучать эти объекты, если бы они были далеки. В 1960-х годах ни один общепринятый механизм не мог объяснить это. Принятое в настоящее время объяснение, что это происходит из-за материи в аккреционном диске , падающей в сверхмассивную черную дыру , было предложено только в 1964 году Эдвином Э. Солпитером и Яковом Зельдовичем [22] , и даже тогда оно было отвергнуто многими астрономами, поскольку в то время существование черных дыр вообще широко рассматривалось как теоретическое.
В 1960-х и 1970-х годах предлагались различные объяснения, каждое из которых имело свои собственные проблемы. Было высказано предположение, что квазары были близкими объектами, и что их красное смещение было вызвано не расширением пространства , а скорее светом, выходящим из глубокой гравитационной ямы . Для этого потребовался бы массивный объект, что также объяснило бы высокую светимость. Однако звезда достаточной массы для получения измеренного красного смещения была бы нестабильной и превышала бы предел Хаяши . [23] Квазары также показывают запрещенные спектральные линии излучения, ранее наблюдавшиеся только в горячих газовых туманностях низкой плотности, которые были бы слишком рассеянными, чтобы как генерировать наблюдаемую мощность, так и помещаться в глубокую гравитационную яму. [24] Также были серьезные опасения относительно идеи космологически далеких квазаров. Одним из сильных аргументов против них было то, что они подразумевали энергии, которые намного превышали известные процессы преобразования энергии, включая ядерный синтез . Были предположения, что квазары состоят из какой-то до сих пор неизвестной стабильной формы антиматерии в столь же неизвестных типах областей пространства, и что это может объяснять их яркость. [25] Другие предполагали, что квазары являются белой дырой, оканчивающейся червоточиной , [ 26] [27] или цепной реакцией многочисленных сверхновых . [28]
В конце концов, начиная примерно с 1970-х годов, многочисленные доказательства (включая первые рентгеновские космические обсерватории , знания о черных дырах и современные модели космологии ) постепенно продемонстрировали, что красные смещения квазаров являются подлинными и обусловлены расширением пространства , что квазары на самом деле настолько мощные и далекие, как предполагали Шмидт и некоторые другие астрономы, и что их источником энергии является вещество из аккреционного диска, падающего на сверхмассивную черную дыру. [29] Это включало в себя важные доказательства, полученные в результате оптического и рентгеновского наблюдения за родительскими галактиками квазаров, обнаружения «промежуточных» линий поглощения, которые объясняли различные спектральные аномалии, наблюдений гравитационного линзирования , открытия Ганна 1971 года о том, что галактики, содержащие квазары, показывают такое же красное смещение, как и квазары, [30] и открытия Кристиана 1973 года о том, что «размытое» окружение многих квазаров соответствует менее яркой родительской галактике. [31]
Эта модель также хорошо согласуется с другими наблюдениями, предполагающими, что многие или даже большинство галактик имеют массивную центральную черную дыру. Это также объяснило бы, почему квазары более распространены в ранней Вселенной: по мере того, как квазар вытягивает материю из своего аккреционного диска, наступает момент, когда материи поблизости становится меньше, и производство энергии падает или прекращается, поскольку квазар становится более обычным типом галактики.
Механизм производства энергии аккреционным диском был окончательно смоделирован в 1970-х годах, и черные дыры также были напрямую обнаружены (включая доказательства, показывающие, что сверхмассивные черные дыры могут быть обнаружены в центрах этой и многих других галактик), что разрешило опасения, что квазары слишком яркие, чтобы быть результатом очень далеких объектов, или что подходящий механизм не может быть подтвержден для существования в природе. К 1987 году было «общепринято», что это было правильным объяснением квазаров, [32] и космологическое расстояние и выход энергии квазаров были приняты почти всеми исследователями.
Позже было обнаружено, что не все квазары имеют сильное радиоизлучение; фактически только около 10% являются «радиогромкими». Отсюда название «QSO» (квазизвездный объект) используется (в дополнение к «квазару») для обозначения этих объектов, далее подразделяющихся на классы «радиогромкие» и «радиотихие». Открытие квазара имело большие последствия для области астрономии в 1960-х годах, включая сближение физики и астрономии. [34]
В 1979 году эффект гравитационной линзы , предсказанный общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, был впервые подтвержден наблюдениями с помощью изображений двойного квазара 0957+561. [35]
Исследование, опубликованное в феврале 2021 года, показало, что в одном направлении (к Гидре ) находится больше квазаров, чем в противоположном направлении, что, по-видимому, указывает на то, что Земля движется в этом направлении. Но направление этого диполя примерно на 28° отличается от направления движения Земли относительно космического микроволнового фонового излучения. [36]
В марте 2021 года совместная работа ученых, связанных с телескопом Event Horizon , впервые представила поляризованное изображение черной дыры , в частности черной дыры в центре Мессье 87 , эллиптической галактики, расположенной примерно в 55 миллионах световых лет от нас в созвездии Девы , что позволило выявить силы, приводящие к возникновению квазаров. [37]
Теперь известно, что квазары — это далекие, но чрезвычайно яркие объекты, поэтому любой свет, достигающий Земли , смещается в красную область спектра из-за расширения Вселенной . [38]
Квазары обитают в центрах активных галактик и являются одними из самых ярких, мощных и энергичных объектов, известных во Вселенной, излучая до тысячи раз больше энергии, чем Млечный Путь , который содержит 200–400 миллиардов звезд. Это излучение испускается по всему электромагнитному спектру почти равномерно, от рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного диапазона с пиком в ультрафиолетовом оптическом диапазоне, причем некоторые квазары также являются сильными источниками радиоизлучения и гамма-излучения. С помощью изображений высокого разрешения с наземных телескопов и космического телескопа Хаббл в некоторых случаях были обнаружены «галактики-хозяева», окружающие квазары. [39] Эти галактики обычно слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть на фоне яркого света квазара, за исключением специальных методов. Большинство квазаров, за исключением 3C 273 , средняя видимая величина которого составляет 12,9, невозможно увидеть с помощью небольших телескопов.
Считается, что квазары — и во многих случаях это подтверждается — питаются аккрецией материала в сверхмассивные черные дыры в ядрах далеких галактик, как предположили в 1964 году Эдвин Солпитер и Яков Зельдович . [15] Свет и другое излучение не могут вырваться из-за горизонта событий черной дыры. Энергия, производимая квазаром, генерируется за пределами черной дыры, гравитационными напряжениями и огромным трением внутри материала, ближайшего к черной дыре, когда он вращается по орбите и падает внутрь. [32] Огромная светимость квазаров является результатом аккреционных дисков центральных сверхмассивных черных дыр, которые могут преобразовывать от 5,7% до 32% массы объекта в энергию , [40] по сравнению с всего лишь 0,7% для процесса ядерного синтеза p–p цепи , который доминирует в производстве энергии в звездах, подобных Солнцу. Центральные массы от 10 5 до 10 9 солнечных масс были измерены в квазарах с помощью реверберационного картирования . Подтверждено, что несколько десятков близлежащих крупных галактик, включая галактику Млечный Путь , которые не имеют активного центра и не проявляют никакой активности, подобной квазарам, содержат в своих ядрах (галактическом центре) похожую сверхмассивную черную дыру . Таким образом, теперь считается, что все крупные галактики имеют черную дыру такого типа, но только небольшая часть имеет достаточно материи на правильном типе орбиты в своем центре, чтобы стать активными и обеспечить излучение таким образом, чтобы их можно было рассматривать как квазары. [41]
Это также объясняет, почему квазары были более распространены в ранней Вселенной, поскольку это производство энергии заканчивается, когда сверхмассивная черная дыра поглощает весь газ и пыль вблизи нее. Это означает, что возможно, что большинство галактик, включая Млечный Путь, прошли через активную стадию, проявляясь как квазары или какой-то другой класс активных галактик, который зависел от массы черной дыры и скорости аккреции, и теперь находятся в состоянии покоя, потому что им не хватает запаса материи для питания их центральных черных дыр для генерации излучения. [41]
Вещество, аккрецирующее на черную дыру, вряд ли упадет прямо внутрь, но будет иметь некоторый угловой момент вокруг черной дыры, что заставит материю собраться в аккреционный диск . Квазары также могут воспламеняться или повторно воспламеняться, когда обычные галактики сливаются, и черная дыра наполняется свежим источником материи. [43] Фактически, было высказано предположение, что квазар может образоваться, когда галактика Андромеды столкнется с галактикой Млечный Путь примерно через 3–5 миллиардов лет. [32] [44] [45] [46]
В 1980-х годах были разработаны унифицированные модели, в которых квазары были классифицированы как особый вид активных галактик , и возник консенсус, что во многих случаях это просто угол обзора, который отличает их от других активных галактик, таких как блазары и радиогалактики . [47]
Самый высокий из известных квазаров (по состоянию на август 2024 года [обновлять]) — это UHZ1 , с красным смещением приблизительно 10,1 [48] , что соответствует сопутствующему расстоянию приблизительно в 31,7 миллиарда световых лет от Земли (эти расстояния намного больше расстояния, которое свет мог бы пройти за 13,8 миллиарда лет истории Вселенной, поскольку Вселенная расширяется).
В настоящее время известно, что многие квазары возникают в результате столкновений галактик, в результате которых масса галактик перемещается в сверхмассивные черные дыры в их центрах.
Больше, чемБыло обнаружено 900 000 квазаров (по состоянию на июль 2023 г.), [6] большинство из которых получены в ходе Sloan Digital Sky Survey . Все наблюдаемые спектры квазаров имеют красные смещения от 0,056 до 10,1 (по состоянию на 2024 г.), что означает, что они находятся на расстоянии от 600 миллионов до 30 миллиардов световых лет от Земли . Из-за больших расстояний до самых дальних квазаров и конечной скорости света они и окружающее их пространство выглядят такими, какими они были в очень ранней Вселенной.
Сила квазаров исходит от сверхмассивных черных дыр, которые, как полагают, существуют в ядре большинства галактик. Доплеровские смещения звезд вблизи ядер галактик указывают на то, что они вращаются вокруг огромных масс с очень крутыми градиентами гравитации, что предполагает наличие черных дыр.
Хотя квазары кажутся слабыми при наблюдении с Земли, они видны с огромных расстояний, являясь самыми яркими объектами в известной Вселенной. Самый яркий квазар на небе — 3C 273 в созвездии Девы . Его средняя видимая величина составляет 12,8 (достаточно ярко, чтобы его можно было увидеть в любительский телескоп среднего размера ), но его абсолютная величина составляет −26,7. [50] С расстояния около 33 световых лет этот объект будет светить на небе примерно так же ярко, как Солнце . Таким образом, светимость этого квазара составляет около 4 триллионов (4 × 1012 ) раз больше, чем у Солнца, или примерно в 100 раз больше, чем от общего света гигантских галактик, таких как Млечный Путь . [50] Это предполагает, что квазар излучает энергию во всех направлениях, но активное ядро галактики, как полагают, излучает преимущественно в направлении своей струи. Во вселенной, содержащей сотни миллиардов галактик, большинство из которых имели активные ядра миллиарды лет назад, но видны только сегодня, статистически определенно, что тысячи энергетических струй должны быть направлены на Землю, некоторые более прямо, чем другие. Во многих случаях вероятно, что чем ярче квазар, тем более прямо его струя направлена на Землю. Такие квазары называются блазарами .
Гиперяркий квазар APM 08279+5255 , когда его обнаружили в 1998 году, имел абсолютную величину −32,2. Высокоразрешающие изображения с помощью космического телескопа Хаббл и 10-метрового телескопа Кека показали, что эта система гравитационно линзирована . Исследование гравитационного линзирования этой системы показывает, что излучаемый свет был увеличен примерно в 10 раз. Он по-прежнему значительно более яркий, чем близлежащие квазары, такие как 3C 273.
Квазары были гораздо более распространены в ранней Вселенной, чем сегодня. Это открытие Маартена Шмидта в 1967 году стало ранним веским доказательством против стационарной космологии и в пользу космологии Большого взрыва . Квазары показывают места, где сверхмассивные черные дыры быстро растут (за счет аккреции ). Детальное моделирование, представленное в 2021 году, показало, что структуры галактик, такие как спиральные рукава, используют гравитационные силы, чтобы «затормозить» газ, который в противном случае вечно вращался бы вокруг центров галактик; вместо этого механизм торможения позволил газу упасть в сверхмассивные черные дыры, высвобождая огромную лучистую энергию. [51] [52] Эти черные дыры ко-эволюционируют с массой звезд в своей родительской галактике способом, который в настоящее время полностью не изучен. Одна из идей заключается в том, что струи, излучение и ветры, создаваемые квазарами, останавливают образование новых звезд в родительской галактике, процесс, называемый «обратной связью». Известно, что струи, которые производят сильное радиоизлучение в некоторых квазарах в центрах скоплений галактик, обладают достаточной мощностью, чтобы не дать горячему газу в этих скоплениях остыть и упасть на центральную галактику.
Светимость квазаров изменчива, с временными масштабами от месяцев до часов. Это означает, что квазары генерируют и излучают свою энергию из очень маленькой области, поскольку каждая часть квазара должна была бы контактировать с другими частями в таком временном масштабе, чтобы обеспечить координацию изменений светимости. Это означало бы, что квазар, изменяющийся в масштабе времени в несколько недель, не может быть больше нескольких световых недель в поперечнике. Излучение большого количества энергии из небольшой области требует источника энергии, гораздо более эффективного, чем ядерный синтез, который питает звезды. Преобразование гравитационной потенциальной энергии в излучение при падении в черную дыру преобразует от 6% до 32% массы в энергию, по сравнению с 0,7% для преобразования массы в энергию в звезде, такой как Солнце. [40] Это единственный известный процесс, который может производить такую высокую мощность в течение очень длительного периода. (Звездные взрывы, такие как сверхновые и гамма-всплески , а также прямая аннигиляция материи и антиматерии также могут производить очень высокую выходную мощность, но сверхновые живут всего несколько дней, и во Вселенной, по-видимому, не было больших количеств антиматерии в соответствующие моменты времени.)
Поскольку квазары демонстрируют все свойства, общие для других активных галактик , таких как сейфертовские галактики , излучение квазаров можно легко сравнить с излучением меньших активных галактик, питаемых меньшими сверхмассивными черными дырами. Чтобы создать светимость в 10 40 Вт (типичная яркость квазара), сверхмассивной черной дыре пришлось бы потреблять материальный эквивалент 10 солнечных масс в год. Самые яркие известные квазары поглощают 1000 солнечных масс материала каждый год. По оценкам, самый большой из известных потребляет материю, эквивалентную 10 массам Земли в секунду. Светимость квазаров может значительно меняться со временем в зависимости от их окружения. Поскольку квазары трудно подпитывать в течение многих миллиардов лет, после того, как квазар заканчивает аккрецию окружающего газа и пыли, он становится обычной галактикой.
Излучение квазаров частично «нетепловое» (т. е. не из-за излучения черного тела ), и примерно у 10% также наблюдаются струи и доли, подобные тем, что есть у радиогалактик , которые также несут значительные (но плохо изученные) количества энергии в виде частиц, движущихся с релятивистскими скоростями . Чрезвычайно высокие энергии могут быть объяснены несколькими механизмами (см. Ускорение Ферми и Центробежный механизм ускорения ). Квазары можно обнаружить во всем наблюдаемом электромагнитном спектре , включая радио , инфракрасное , видимое излучение , ультрафиолетовое , рентгеновское и даже гамма-излучение . Большинство квазаров наиболее яркие в своей ультрафиолетовой системе отсчета с длиной волны 121,6 нм эмиссионной линии Лайман-альфа водорода, но из-за огромных красных смещений этих источников эта пиковая светимость наблюдалась вплоть до красного цвета, до 900,0 нм, в ближнем инфракрасном диапазоне. Меньшинство квазаров демонстрируют сильное радиоизлучение, которое генерируется струями материи, движущимися со скоростью, близкой к скорости света. При взгляде сверху вниз они выглядят как блазары и часто имеют области, которые, как кажется, удаляются от центра быстрее скорости света ( сверхсветовое расширение). Это оптическая иллюзия, обусловленная свойствами специальной теории относительности .
Красные смещения квазаров измеряются по сильным спектральным линиям , которые доминируют в их видимых и ультрафиолетовых спектрах излучения. Эти линии ярче непрерывного спектра. Они демонстрируют доплеровское уширение , соответствующее средней скорости в несколько процентов от скорости света. Быстрые движения явно указывают на большую массу. Линии излучения водорода (в основном серий Лаймана и Бальмера ), гелия, углерода, магния, железа и кислорода являются самыми яркими линиями. Атомы, испускающие эти линии, варьируются от нейтральных до сильно ионизированных, оставляя его сильно заряженным. Этот широкий диапазон ионизации показывает, что газ сильно облучается квазаром, а не просто горячим, и не звездами, которые не могут производить такой широкий диапазон ионизации.
Как и все (незатененные) активные галактики, квазары могут быть сильными источниками рентгеновского излучения. Радиогромкие квазары также могут производить рентгеновское излучение и гамма-излучение путем обратного комптоновского рассеяния фотонов с более низкой энергией радиоизлучающими электронами в джете. [54]
Железные квазары демонстрируют сильные эмиссионные линии, обусловленные низкой ионизацией железа (Fe II ), например, IRAS 18508-7815.
Квазары также дают некоторые подсказки относительно окончания реионизации Большого взрыва . Самые старые известные квазары ( z = 6) [ нужно обновление ] демонстрируют провал Ганна-Петерсона и имеют области поглощения перед собой, что указывает на то, что межгалактическая среда в то время была нейтральным газом. Более поздние квазары не показывают области поглощения, но вместо этого их спектры содержат остроконечную область, известную как лес Лаймана-альфа ; это указывает на то, что межгалактическая среда подверглась реионизации в плазму , и что нейтральный газ существует только в небольших облаках.
Интенсивное производство ионизирующего ультрафиолетового излучения также имеет значение, поскольку оно обеспечивает механизм для реионизации, происходящей при формировании галактик. Несмотря на это, современные теории предполагают, что квазары не были первичным источником реионизации; первичными причинами реионизации, вероятно, были самые ранние поколения звезд , известные как звезды населения III (возможно, 70%), и карликовые галактики (очень ранние небольшие высокоэнергетические галактики) (возможно, 30%). [55] [56] [57] [58] [59] [60]
Квазары демонстрируют наличие элементов тяжелее гелия , что указывает на то, что галактики прошли через массивную фазу звездообразования , создав звезды населения III между Большим взрывом и первыми наблюдаемыми квазарами. Свет от этих звезд, возможно, наблюдался в 2005 году с помощью космического телескопа Spitzer NASA [ 61] , хотя это наблюдение еще предстоит подтвердить.
Таксономия квазаров включает различные подтипы, представляющие собой подмножества популяции квазаров, обладающие различными свойствами .
Поскольку квазары чрезвычайно далеки, ярки и малы по кажущемуся размеру, они являются полезными опорными точками при создании измерительной сетки на небе. [67] Международная небесная система отсчета (ICRS) основана на сотнях внегалактических радиоисточников, в основном квазаров, распределенных по всему небу. Поскольку они так далеки, они, по-видимому, неподвижны для современных технологий, однако их положения можно измерить с максимальной точностью с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI). Положения большинства из них известны с точностью до 0,001 угловой секунды или лучше, что на порядки точнее лучших оптических измерений.
Группировка двух или более квазаров на небе может быть результатом случайного выравнивания, когда квазары физически не связаны, фактической физической близости или эффектов гравитации, искривляющих свет одного квазара в два или более изображений посредством гравитационного линзирования .
Когда два квазара кажутся очень близкими друг к другу, если смотреть с Земли (разделенными несколькими угловыми секундами или меньше), их обычно называют «двойным квазаром». Когда они также близки друг к другу в космосе (т.е. наблюдаются с похожими красными смещениями), их называют «парой квазаров» или «двойным квазаром», если они достаточно близки, чтобы их родительские галактики, вероятно, физически взаимодействовали. [68]
Поскольку квазары в целом являются редкими объектами во Вселенной, вероятность того, что три или более отдельных квазаров будут обнаружены вблизи одного и того же физического местоположения, очень мала, и определение того, является ли система близко разделенной физически, требует значительных наблюдательных усилий. Первый настоящий тройной квазар был обнаружен в 2007 году наблюдениями в обсерватории WM Keck в Мауна-Кеа , Гавайи . [69] LBQS 1429-008 (или QQQ J1432-0106) был впервые обнаружен в 1989 году и в то время был обнаружен как двойной квазар. Когда астрономы обнаружили третьего члена, они подтвердили, что источники были разделены и не были результатом гравитационного линзирования. Этот тройной квазар имеет красное смещение z = 2,076. [70] Компоненты разделены примерно на 30–50 килопарсеков (примерно 97 000–160 000 световых лет), что типично для взаимодействующих галактик. [71] В 2013 году был обнаружен второй истинный триплет квазаров, QQQ J1519+0627, с красным смещением z = 1,51, вся система укладывается в физическое разделение в 25 килопарсеков (около 80 000 световых лет). [72] [73]
Первая настоящая четверная квазарная система была обнаружена в 2015 году при красном смещении z = 2,0412 и имеет общий физический масштаб около 200 кпк (примерно 650 000 световых лет). [74]
Квазар с множественными изображениями — это квазар, свет которого подвергается гравитационному линзированию , что приводит к появлению двойных, тройных или четверных изображений одного и того же квазара. Первой такой гравитационной линзой, которая была обнаружена, был квазар с двойным изображением Q0957+561 (или квазар-близнец) в 1979 году. [75] Примером квазара с тройными линзами является PG1115+08. [76] Известно несколько квазаров с четверными изображениями, включая квазар Эйнштейна и квазар Клеверный лист , первые такие открытия произошли в середине 1980-х годов.
![Изображения квазара SDSS J165202.64+172852.3 в центре и справа представляют новые наблюдения с JWST в нескольких длинах волн, демонстрирующие распределение газа вокруг объекта. [78]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/26/Webb's_View_Around_the_Extremely_Red_Quasar_SDSS_J165202_64+172852_3_(weic2217a).jpeg/1280px-Webb's_View_Around_the_Extremely_Red_Quasar_SDSS_J165202_64+172852_3_(weic2217a).jpeg)
![Эти два снимка, полученные с помощью космического телескопа «Хаббл» NASA/ESA, демонстрируют две пары квазаров, которые существовали 10 миллиардов лет назад и находятся в центрах сливающихся галактик.[77]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg/1280px-Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg)
_(aspire1).jpg/1280px-Webb_identifies_the_earliest_strands_of_the_cosmic_web_(annotated)_(aspire1).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )модель, показывающая, как газ течет через вселенную в центр сверхмассивной черной дыры.
