Quasarii sunt obiecte cosmice fascinante, descoperite la începutul anilor 1960 şi care emit unde radio foarte puternice. În prezent se ştie că sunt nuclee foarte active de galaxii masive. În continuare, răspunsurile oferite de NASA la întrebările despre quasari.
Ce sunt quasarii? Este Pământul afectat de ei?
Cuvântul englezesc “quasar" este o prescurtare de la "sursa radio cvasi-stelară" (“quasi-stellar radio source”). Primii quasari au fost descoperiţi la începutul anilor 1960, când astronomii au măsurat emisiile radio foarte puternice ale acestora. Cercetătorii au fost ulterior surprinşi să vadă puncte de lumină slabă asemănătoare stelelor albastre când se uitau cu telescoape optice în locurile unde se aşteptau să fie o galaxie. Când lumina quasarilor a fost analizată, au fost observate tipare studiate în laborator ale proceselor atomice cu deplasări mari spre rosu (ceea ce înseamnă că obiectele se depărtează de noi cu viteze foarte mari!).
Acum ştim că, de fapt, multi quasari au emisii radio foarte slabe, dar numele este păstrat în continuare. Ştim, de asemenea, că multi (posibil toţi) quasari reprezintă mici regiuni cu activitate intensă în galaxii altfel normale.
Ce este responsabil pentru toată energia pe care quasarii o produc - uneori de sute de ori mai multă decât a galaxiilor normale? Cea mai bună explicaţie este că aceştia sunt găuri negre supermasive situate în centrul galaxiilor. Pe măsură ce materia cade într-o gaură neagră, o mare parte a masei este convertită în energie, iar aceasta este energia pe care o detectăm.
Din cauza distanţei mari la care se află, quasarii nu nu au niciun efect măsurabil asupra Pământului.
*****************
Cine a descoperit quasarii?
Descoperirea quasarilor nu are o datare precisă, ci putem spune mai degrabă că a avut loc de-a lungul timpului. Quasar este o prescurtare de la “quasi stellar radio source” (“sursă radio cvasi-stelară”) şi a fost denumit şi obiect cvasi-stelar sau QSO (Quasi-Stellar Object). La sfârşitul anilor 50, câteva surse radio au fost identificate ca obiecte optice cu lumină de intensitate scăzută asemănătoare stelelor, dar cu un spectru neobişnuit, cu exces de ultraviolete. Unul dintre ele, 3C273, avea poziţia foarte precis măsurată de către C. Hazard şi colegii de echipă ai acestuia, folosind eclipsări lunare. În 1962, M. Schmidt a obţinut un spectru al acestei "stele", care prezenta o deplasare spre roşu de 0.158. Atunci a apărut termenul de “obiect cvasi-stelar”, deoarece acesta era un obiect aflat la distanţă foarte mare similar unei stele.
Această descriere a fost preluată din cartea "High Energy Astrophysics", de M.S. Longhair.
De asemenea, puteţi citi mai multe detalii aici.
Eric Christian şi Maggie Masetti pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
Cum putem afla mai multe despre quasari, la nivel de detaliu?
"Sunt student la fizică în Canada şi mă întrebam cum pot afla mai multe despre quasari, la un nivel detaliat."
Din moment ce ştii ceva despre găurile negre, presupun că ştii că aceşti quasari sunt un subset al unei clase de galaxii, numite nuclee galactice active (Active Galactic Nuclei - AGN) a căror energie, probabil, provine de la o gaură neagră supermasivă. Dacă nu ai făcut-o deja, consultă “Active Galaxies” sub “Advance High-Energy Astrophysics” la biblioteca noastră (Learning Center). Dacă eşti mai mult interesat de fizica capturării materiei de către găurile negre, textul standard este "Accretion Processes in Astrophysics" scris de Frank, King şi Raine.
Pe de altă parte, dacă eşti interesat mai mult de AGN în general, atunci cartea de bază este "The Astrophysics of Gaseous Nebulae and Active Galactic Nuclei" de Osterbrock (accentul aici este pus pe spectrul optic, dar conţine multe despre fizica foto-ionizării care este importantă în AGN).
Quasarii sunt AGN-uri foarte luminoase şi care emit puternic în spectrul radio şi credem că sunt în general emiţători puternici în domeniul radio pentru că vedem emisiile de radiaţie de sincrotron ale unui jet de particule relativiste provenind dinspre AGN. În AGN-ul care aparent nu emite în spectrul radio, fie jetul nu este prezent, fie este emis în direcţie opusă faţă de noi (pentru că particulele sunt relativiste, emisia este direcţionată de-a lungul direcţiei jetului). Există câteva radio-galaxii apropiate care ar putea fi urmaşii cu luminozitate mică ai unor quasari şi care prezintă jeturi radio şi oferă dovezi ale prezenţei masive de particule cu energie mare (vezi cărţile de mai jos). Blazarii sunt un caz extrem al quasarilor pentru care noi credem că ne uităm direct în jet.
Câteva cărţi despre radio galaxii şi jeturi sunt:
• Capitolul 13 al "Galactic and Extragalactic Radio Astronomy", editat de G.L. Vershuur şi K.I. Kellermann, 1988, Springer-Verlag.
• "Beams and Jets în Astrophysics", de P.A. Hughes, c. 1991 Cambridge University Press
• "Extragalactic Radio Jets" în Ann. Reviews of Astrophysics, 1984, 22:319-58 de A.H. Bridle şi R.A. Perley
Andy Ptak şi Jonathan Keohane pentru Imagine the Universe!
*****************
A fost cândva Calea Lactee un quasar?
Răspunsul este că nu ştim acest lucru cu certitudine. Galaxia noastră are o gaură neagră supermasivă în centrul ei, entitate despre care cercetătorii cred că alimentează emisiile enorme ale quasarilor. Cu toate acestea, dacă galaxia noastră a fost sau nu cândva un quasar rămâne să fie dovedit. Este posibil să fi fost, dar nu avem nicio dovadă în acest sens.
Barbara şi Stefan pentru echipa "Ask an Astrophysicist".
*****************
Câţi quasari sunt cunoscuţi şi câţi se estimează că există?
Există aproximativ 12000 de quasari cunoscuţi până azi. Pe măsură ce telescoapele noastre se vor îmbunătăţi, acest număr va creşte. Cred că există foarte mulţi.
Mike Arida pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
A calculat cineva limita superioară şi cea inferioară a masei Universului în funcţie de numărul probabil de quasari?
În primul rând, masa quasarilor pare să fie inclusă în masă galaxiilor, deci nu aceasta este masa lipsă.
Pentru galaxiile apropiate de noi, masa este adesea estimată măsurând curba rotaţiei (pentru galaxiile spirală) sau dispersia vitezei (pentru galaxiile eliptice). Cu cât sunt mai mari vitezele, cu atât este mai mare masa. Aceasta este, de fapt, o aplicaţie directă a gravitaţiei newtoniene (care încă reprezintă o aproximaţie rezonabilă la distanţă mare de gaura neagră). Această metodă include masa oricărei găuri negre centrale singulare (sau a unei găuri negre de masă stelară).
Corelând aceste mase cu luminozitatea galaxiei, găsim o relaţie masă-luminozitate pentru galaxii care se aplică pentru a estima masa galaxiilor la distanţă prea mare pentru a obţine o curbă de rotaţie sau dispersie a vitezei.
Având în vedere observaţiile recente ale telescopului Hubble, care sugerează că găurile negre se află în centrul multor, dacă nu a tuturor, galaxiilor, atunci masa acestor găuri negre este deja inclusă în masă estimată de noi a galaxiilor şi, prin urmare, a întregului Univers. Modelul nostru prezent de quasari sugerează că aceştia sunt galaxii obişnuite, observate de-a lungul unui jet din apropierea găurii negre centrale. Jeturile sunt probabil formate din interacţiuni magneto-hidrodinamice complexe în discul de acumulare, odată cu rotirea găurilor negre.
Prin urmare, quasarii şi masele lor sunt incluse în masa Universului pe care o estimăm noi. Au existat unele studii care căutau posibile populaţii de mici găuri negre în tranziţie între galaxii, dar constrângerile observaţionale nu sugerează că acestea ar fi sursa "materiei întunecate" sau a "luminii lipsă", oricum am alege să o numim.
Tom Bridgman şi David Palmer pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
De ce nu putem detecta în cazul tuturor quasarilor nebulozităţile care ar trebui să fie asociate cu prezenţa galaxiilor gazdă?
"Cei mai cunoscuţi quasari “dezgoliţi” nu au nebulozităţi. Acest fapt pune sub semnul întrebării câteva teorii importante despre quasari. Aveţi vreo idee despre lipsa galaxiilor gazdă ale acestor quasari?"
Este, cu siguranţă, o întrebare fascinantă: de ce, în unele cazuri, nu vedem nebulozităţile pe care ne aşteptam să le vedem înconjurând quasarii, în contextul ipotezei curente despre quasari, şi anume că sunt nuclee galactice? Mulţi astronomi cred că acei "quasari goi" sunt, pur şi simplu, nuclee ale unor galaxii mici, pe care nu le-am descoperit cu cele mai sensibile instrumente disponibile în prezent, precum camerele de la bordul Telescopului Spaţial Hubble. Acesta este un domeniu intens studiat şi nu a fost atins până acum vreun consens. Este inutil să zicem că descoperirea unui răspuns alternativ ar avea un rezultat enorm: infirmarea actualei teorii despre natura quasarilor ar conduce la faimă (dar, probabil, nu şi la avere, întrucât astronomii nu sunt, în general, plătiţi cu salarii foarte mari...). Desigur, este posibil ca regiunea centrală a galaxiei gazdă să fi format stelele întâi, şi regiunile mai îndepărtate să aibă o rată de formare a stelelor mult mai mică... (nebulozităţile pe care le vedem sunt din cauza stelelor).
Greg Madejski şi Damian Audley pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
Este deplasarea spre roşu a quasarilor un indicator bun al distanţei până la aceştia?
"Credeţi într-adevăr că deplasarea spre roşu (redshift) poate fi utilizată ca un mijloc valid de identificare a distanţei, şi dacă da, bazându-ne pe ce? Eu întâlnesc un număr crescând de persoane care susţin că în spectrul quasarilor nu există un redshift mare (chiar dacă unii dintre ei susţin că un redshift mic (z<2x103) poate fi totuşi prezent între spectre)."
În ceea ce priveşte problema deplasării spre roşu: în general, galaxiile cu deplasări mai intense sunt mai slabe şi subîntind unghiuri mai mici pe cer, deci, pentru galaxii, relaţia deplasare spre roşu - distanţă este bine stabilită. În ceea e priveşte quasarii, există un număr substanţial care prezintă creşteri în lungimile de undă determinate de liniile de absorbţie - şi acestea sunt similare cu deplasările spre roşu măsurate de la liniile de emisie prezente în mod normal la quasari. Aceste linii rezultă din atmosfera stelelor din galaxia gazdă. Acestea pot fi adesea măsurate fie atunci când quasarul este slab (mulţi quasari variază destul de mult, uneori de 100 de ori!), fie printr-un studiu al spectrului cu obiectul central mascat, pentru a evita „inundarea” spectrului galaxiei gazdă cu lumină intensă a quasarului. În unele cazuri, avem deplasări spre roşu de absorbţie de până la z ~0.25. Avem, de asemenea, câteva cazuri de quasari care se află în spatele unor galaxii intermediare, iar gazul din acestea imprimă o deplasare spre roşu în spectrul quasarului. Un exemplu cunoscut este AO 0235+164; strict vorbind este un obiect BL Lac, însemnând că liniile de emisie sunt foarte slabe, însă măsurabile la Z=0.94. Spectrul arată o deplasare spre roşu de absorbţie de z=0.524, din cauza unei galaxii intermediare uşor de identificat. Înseamnă că quasarul se află în spatele galaxiei intermediare!
Greg Madejski şi Damian Audley pentru "Ask an Astrophysicist."
*****************
Cât de mare este durata de viaţă a unui quasar şi ce se întâmplă atunci când "moare" unul?
Întrebarea pe care ai pus-o despre durata de viaţă a unui quasar este excelentă, dar singurul lucru pe care îl ştim pe baza unor argumente teoretice susţinute de observaţii este că orice quasar descoperit vreodată (prima descoperire a fost făcută cu aproximativ 35 de ani în urmă) există încă, deci aceasta este singura observaţie indiscutabilă despre durata lor de viaţă. Dă-mi voie să descriu ce ştim despre quasari şi, pornind de la asta, îţi voi da unele argumente în ceea ce priveşte durata lor de viaţă.
În general, quasarii sunt surse puternice de lumină; noi credem că sunt centre, sau "nuclee", ale galaxiilor. Ei prezintă deplasări mari spre roşu, ceea ce înseamnă că se deplasează faţă de noi cu viteze mari. Din scenariul acceptat în prezent, acela că Universul se lărgeşte astfel încât viteza creşterii este proporţională cu distanţa noastră faţă de un obiect, rezultă că quasarii sunt obiecte foarte îndepărtate, aflate adesea la jumătatea distanţei de la noi până la marginea Universului. Două lucruri sunt importante aici:
În primul rând, fiindcă quasarii sunt observaţi ca fiind relativ luminoşi, deşi foarte îndepărtaţi, aceştia trebuie să fie, în mod intrinsec, extrem de luminoşi - poate de o mie de ori mai luminoşi decât toate stelele dintr-o galaxie la un loc. Totuşi, această putere imensă trebuie să provină dintr-o regiune comparativă cu mărimea Sistemului Solar, şi ştim lucrul acesta din faptul că strălucirea lor variază pe o scală relativ mică. Din moment ce niciun obiect nu poate fi mai mare decât distanţa pe care o poate parcurge lumina în timp ce obiectul îşi schimbă luminozitatea, să zicem, cu un factor de 2, rezultă că puternica lor strălucire are loc într-un volum relativ mic. Credem că cel mai bun scenariu este acela conform căruia quasarii sunt alimentaţi de căderea materiei într-o gaură neagră supermasivă, având o masă echivalentă cu cea a 1 milion sau 100 de milioane de sori.
Cu toate acestea, există o limită legată de cantitatea de materie per unitate de timp pe care o gaură neagră o poate "înghiţi" - aceasta este, de obicei, pentru o gaură neagră cu masa de ordinul unu - zece milioane de sori, de ordinul a masei unui soare, pe an. Deci, durata de viaţă a unui quasar trebuie să fie mai mare de un milion - zece milioane de ani.
În al doilea rând se are în vedere densitatea quasarilor în funcţie de distanţa până la ei. La distanţe mari - de exemplu, la jumătatea distanţei până la marginea Universului - există mult mai mulţi quasari decât vedem în vecinătatea noastră. Cu toate acestea, deoarece lumina călătoreşte cu o viteză finită, vedem aceste obiecte în poziţia în care se aflau cu mult timp în urmă. Ce s-a întâmplat cu acei quasari? Să considerăm vârsta Universului (însemnând timpul trecut de la Big Bang) ca fiind de 12 miliarde de ani. La o distanţă corespunzând timpului de acum 9 miliarde de ani, deja vedem multe galaxii şi mulţi quasari, şi deducem că masa găurilor negre corespunzătoare acestora este de aproximativ 1-10 milioane de mase solare. Ce s-a întâmplat cu ele? Pentru a justifica existenţa acestor quasari din trecut, ar trebui să avem o mulţime de galaxii anonime locale având găuri negre foarte masive, dar inactive în centru.
Se pare că studiile teoretice recente sugerează faptul că pentru un număr dat de grame de materie căzând într-o gaură neagră pe secundă, eficienţa conversiei de energie gravitaţională în radiaţie (lumină) scade pe măsură ce masa găurii negre creşte, şi, în final, quasarul devine din ce în ce mai slab chiar cu aceeaşi rată de acumulare de masă. Deci, acest lucru poate justifica faptul că quasarii locali sunt slab luminoşi. De fapt, studii foarte recente făcute cu ajutorul Telescopului Spaţial Hubble arată clar că există multe galaxii locale (unii cercetători cred că în jur de 50% din galaxii!) care au găuri negre inactive în centrul lor. Asta implică faptul că viaţa unui quasar este mai scurtă decât câteva miliarde de ani.
Asta îţi dă o idee generală: nu ştim, dar cele mai bune estimări din prezent sunt că durata de viaţă a quasarilor - însemnând faza luminoasă a unei găuri negre supermasive care acumulează materie - este între 10 milioane şi câteva miliarde de ani.
Greg Madejski pentru "Ask an Astrophysicist."
*****************
De ce nu există quasari relativ aproape de noi?
De ce galaxiile active de astăzi sunt în general mai puţin luminoase decât quasarii cu redshift mare (presupuşii lor precursori)?
Aceasta este o întrebare bună, una care se află la limitele cercetărilor curente. Nu există un răspuns sigur. Este posibil ca lipsa aparentă a luminozităţii mari lângă AGN-uri să fie un artefact al observaţiilor incomplete şi că unele căutări mai precise ar putea să dezvăluie mai multe obiecte slab luminoase cu deplasări mari spre roşu. Mai probabil este că faza puternic luminoasă are durata relativ mică şi că multe galaxii cu deplasări spre roşu reduse conţin AGN-uri inactive. Fenomenul AGN (nucleu galactic activ) poate fi controlat de transferul de gaz de la galaxie la gaura neagră supermasivă din centru, iar un eveniment relativ neobişnuit şi violent (precum coliziunea dintre galaxii sau explozia formaţiunilor de stele) este necesar pentru a oferi suficient combustibil.
Spre deosebire de cele mai multe obiecte, găurile negre masive nu pot fi distruse, iar la un anumit nivel ar trebui să fie detectabile prin influenţa gravitaţională pe care o au asupra stelelor din galaxiile gazdă. Pe măsură ce tehnologia telescoapelor se îmbunătăţeşte, aceste căutări devin din ce în ce mai precise şi apar mai multe dovezi pentru existenţa de obiecte compacte şi masive în galaxii de altfel inactive.
Tim Kallman pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
Putem se împacă relativitatea şi jeturile superluminice provenind de la 3C273?
Întrebarea originală suna aşa: "Eu sunt oarecum cunoscător în materie de astronomie şi relativitate. Întrebarea mea este aceasta: quasarul 3C273 are un jet ce se mişcă cu de 9 ori viteza luminii, observat de pe Pământ. Acest lucru a fost explicat de ştiinţă spunând că unghiul jetului cu Pământul este destul de mic pentru a da de fapt iluzia unei viteze mai mare decât cea a luminii relativ la Pământ.
Cu toate acestea, ar trebui să existe un contra-jet şi mi s-a spus de către un astronom de la Flagstaff, AZ că acest lucru este adevărat. Existenţa unui contra-jet cu aceeaşi viteză relativă ar înlătura desigur explicaţia “unghiului mic” şi ar dovedi că viteze mai mari decât viteza luminii faţă de Pământ există în Univers. Aceasta ar indica apoi că relativitatea este greşită atunci când afirmă că nimic nu poate călători mai rapid decât lumina faţă de Pământ. Aţi putea vă rog să îmi spuneţi unde greşesc? Acesta este un obstacol major în ceea ce priveşte acceptarea relativităţii de către mine. Vă mulţumesc foarte mult.
Nu ştiu dacă s-a observat un contrajet pentru 3C273. Aici se sugerează că nu. Ar fi de aşteptat să fie mai slab (din moment ce radiaţia tinde să fie aruncată în direcţia mişcării) şi să nu arate mişcare superluminică. Ai dreptate că dacă s-ar observa un contrajet superluminic, ar însemna că ceva este foarte greşit în ceea ce priveşte înţelegerea noastră în ceea ce priveşte sistemul sau teoria relativităţii.
Ştiu că "micro-quasarul" din galaxia noastră 1915+105 prezintă ambele jeturi, şi cel îndreptat înspre noi este aparent superluminic, iar celălalt nu.
David Palmer şi Samar Safi-Harb pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
Ce sunt blazarii?
Aceasta este o întrebare bună şi ar fi bine să o împărţim în 2 părţi: în primul rând, cum arată un blazar pentru astronomi, şi în al doilea rând, ce anume se întâmplă într-un blazar? Astronomii nu pot răspunde cu certitudine la prima întrebare. Eu aş spune că pentru a fi numit blazar, un obiect trebuie să aibă următoarele caracteristici:
- trebuie să apară ca un punct pe cer, adică să nu apară neclar precum o galaxie sau o nebuloasă. Unii blazari au nebuloase în jurul lor, dar majoritatea luminii provine dintr-un punct luminos.
- spectrul lor pare să fie omogen (să nu prezinte linii puternice de absorbţie pe care o stea ar putea să le aibă). Aceste 2 proprietăţi ar caracteriza un quasar.
- lumina lor vizibilă este adesea parţial polarizată.
- capacitatea lor în întreaga bandă a lungimilor de undă variază mai rapid şi cu o cantitate mai mare decât în cazul unui quasar.
Acum, ce se întâmplă? E posibil să fie vorba despre un jet de materie ce vine din apropierea unei găuri negre, cu gazul din jet mişcându-se cu o viteză apropiată de cea a luminii şi care să vină aproape direct către noi.
Sper că această explicaţie a fost de ajutor!
Articol scris de Tim Kallman pentru the Ask an Astrophysicist.
*****************
De ce unele galaxii au un nucleu activ şi altele nu?
Conform teoriilor curente, un nucleu galactic este activ dacă are o gaură neagră mare, care consumă cantităţi mari de materie.
Dacă un nucleu nu are o gaură neagră de mari dimensiuni, atunci nu este un AGN. Dacă are o gaură neagră mare, dar stelele etc. nu cad în ea, atunci el nu este, de asemenea, un AGN. Dacă toate stelele care au fost situate pe orbite ce se apropie foarte mult de de gaura neagră au fost deja înghiţite, atunci stelele rămase sunt în siguranţă, iar nucleul nu mai este activ.
David Palmer pentru "Ask an Astrophysicist".
*****************
Ce este AGN-ul? Ce implicaţii are în înţelegerea funcţionării Universului?
AGN-ul este prescurtarea de la “nucleu activ galactic” (Active Galactic Nucleus). Unele galaxii au nuclee (centre) care sunt “active”, ceea ce înseamnă că emit cantităţi mari de radiaţii (radio, optice, raze X, raze gama, jeturi de particule, etc.) şi/sau care variază mult. (De exemplu, un nucleu galactic, poate să fie la început de 30 de miliarde de ori mai luminos decât Soarele şi să ajungă să fie de 45 de miliarde de ori mai luminos în doar o jumătate de oră).
Din moment ce variază atât de repede, regiunea importantă trebuie să fie mică, nu mai mare decât interiorul sistemului solar (din moment ce timpul în care ceva poate să varieze, se limitează la timpul de care lumina are nevoie pentru a ajunge dintr-un capăt în celălalt). Din moment ce ei sunt atât de luminoşi, regiunea aceea mică trebuie să conţină în ea energii inimaginabile.
Găurile negre gigantice, de miliarde de ori mai masive decât Soarele, înghiţind stele şi nori de gaz, sunt singurele entităţi ce pot fi teoretizate şi care par să se potrivească în mod rezonabil datelor.
David Palmer pentru "Ask an Astrophysicist".
Articol tradus de pe site-ul NASA de Alexandru Staeţu, Adrian Velicu şi Daniela Florescu.
