Kvazary – definice, vznik a role supermasivních černých děr

Kvazary: definice, vznik a role supermasivních černých děr — objevte, jak akreční disky a relativistické jety pohání nejjasnější objekty vesmíru. Zjistěte více.

Kvasary neboli kvazi-hvězdné rádiové zdroje jsou nejenergetičtější a nejvzdálenější aktivní galaktická jádra (AGN). Jsou to extrémně jasné jádra galaxií poháněné akrecí hmoty na centrální supermasivní černou díru; jejich energie převažuje nad světlem celé hostitelské galaxie.

V porovnání s energií, kterou vydávají, jsou poměrně malé. Kvasary nejsou o mnoho větší než Sluneční soustava. Mechanismus změn jasnosti pravděpodobně spočívá v relativistickém vyzařování jetů namířených téměř přímo k nám. Variabilita na časových škálách od hodin po měsíce ukazuje, že vyzařující oblast je kompaktní (světelná doba omezuje rozměr zdroje).

Nejvyšší známé kvazary mají červený posuv přesahující 7 (tedy pocházejí z velmi raného vesmíru). Takové objekty odpovídají vzdálenostem řádu desítek miliard světelných let, pokud se používá pojem komovingové vzdálenosti, a jsou důležitými sondami raných fází vzniku galaxií a černých děr.

Vědci se nyní shodují, že kvazar je kompaktní oblast v centru masivní galaxie, která obklopuje centrální supermasivní černou díru. Její velikost je typicky 10–10 000krát větší než Schwarzschildův poloměr černé díry. Energie vyzařovaná kvasarem je gravitační energie, která vzniká z hmoty dopadající na akreční disk kolem černé díry. Akrece přeměňuje potenciální energii hmoty na teplo a záření velmi efektivně; typická účinnost je řádově 10 % hmotnostní energie, u rychle rotujících (Kerrových) černých děr může být účinnost ještě vyšší (desítky procent).

Spektrální vlastnosti a klasifikace

Kvasary jsou extrémně svítivé. Poprvé byly identifikovány jako zdroje elektromagnetického záření s vysokým červeným posuvem, včetně rádiových vln a viditelného světla. Jejich spektra obvykle obsahují silné kontinuum a velmi široké emisní čáry vznikající v tzv. broad-line region (BLR), zatímco užší čáry pocházejí z vzdálenějšího narrow-line region (NLR). Emisní čáry jsou dalším důvodem názvu "kvazihvězdné" – v optickém zobrazení připomínaly hvězdy, ale spektrálně se chovaly úplně jinak.

Existují různé typy kvazarů:

• Radio-loud (rádiově silné) — produkují silné relativistické jety pozorovatelné v rádiu.
• Radio-quiet — nejsou signifikantně zářivé v rádiových pásmech, přesto mohou mít silné optické a rentgenové emise.
• BAL (broad absorption line) kvazary — vykazují silné široké absorpční čáry způsobené větry a výtoky z akreční disků.

Fyzika akrece, jetů a limitní jasnost

Akreční disk přeměňuje hmotu na energii efektivněji než termonukleární reakce ve hvězdách, což umožňuje kvazarům dosahovat extrémních světelností (až desítky až stovky bilionů násobku sluneční svítivosti u nejsilnějších kvazarů). Svítivost kvazaru je omezena Eddingtonovým limitem; mnoho kvazarů září blízko nebo pod tímto limitem, což poskytuje informaci o hmotnosti a akreční rychlosti centrální černé díry.

Relativistické jety, které některé kvazary tvoří, mohou přepravovat energii na extragalaktické škály a jsou zodpovědné za silné rádiové emise a za vytváření radio-lobů. Pokud jsou tyto jety orientované směrem k nám, může docházet k zesílení pozorovaného vyzařování vlivem relativistického beamingu (blazary jsou extrémním případem tohoto jevu).

Měření hmotnosti a rozměrů

Hmotnosti supermasivních černých děr v kvasarech se odhadují na přibližně 10^6 až 10^10 hmotností Slunce. Tyto odhady se získávají ze šířek emisních čar (dopplerovské rozšíření) a z reverberation mappingu (měření zpoždění mezi změnami kontinuálního záření a odpovědí emisních čar), které dává rozměr BLR.

Role kvazarů v evoluci galaxií

Kvazary hrají klíčovou roli v evoluci galaxií. Silné emise, jety a větry mohou vyhazovat plyn z centrálních oblastí galaxií, čímž regulují tvorbu hvězd – tento proces se nazývá AGN feedback. Kvazary v raném vesmíru mohly významně přispět k reionizaci mezihvězdného média a ovlivnit růst struktur ve vesmíru.

To znamená, že většina galaxií, včetně naší Mléčné dráhy, mohla projít aktivní fází jako kvasar nebo jiná třída aktivních galaxií. Nyní jsou v klidovém stavu, protože jim chybí zásoba hmoty, kterou by mohly přivádět do svých centrálních černých děr a generovat tak záření. Pozorováním reliktních stop této aktivity (např. zbytkových radio-lobů, rozšířených emisních oblastí nebo rychlých outflowů) astronomové rekonstruují historii růstu černých děr a jejich interakce s hostitelskými galaxiemi.

Historie objevů a pozorovací techniky

Kvasary byly poprvé rozpoznány v 50. a 60. letech 20. století jako silné rádiové zdroje s hvězdným vzhledem, později bylo zjištěno, že mají extrémně vysoké červené posuvy. Dnes se kvazary objevují ve všech vlnových délkách – od rádiových, infračervených, optických, ultrafialových přes rentgenové až po gama záření. Moderní průzkumy (optické a infračervené) objevují kvazary i v největších červených posuvech a poskytují statistiky o jejich výskytu a evoluci v čase.

Pozorování kvasarů poskytují důležité informace o formování a růstu nejstarších supermasivních černých děr, o chemickém složení raného vesmíru (z emisních a absorpčních čar) i o dynamice mezihvězdného a mezigalaktického plynu.

Shrnutí: Kvazary jsou extrémně svítivé aktivní jádra galaxií poháněná akrecí na supermasivní černé díry. Díky vysoké svítivosti a velkým červeným posuvům jsou cennými sondami raného vesmíru a důležitými činiteli v evoluci galaxií prostřednictvím energetického feedbacku.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to kvazar?

Otázka: Jak daleko se dají najít kvazary?

Otázka: Jaký mechanismus stojí za změnami jejich jasnosti?

Otázka: Co se pravděpodobně nachází v centru kvazaru?

Otázka: Odkud pochází jeho energie?

Otázka: Jak jsou svítivé ve srovnání s jinými galaxiemi?

Otázka: Proč byly v raném vesmíru častější?

Hledání podle dopisu