Galaktyka NGC 4319 z kwazarem Markarian 205 (w prawym górnym rogu)
Kwazary to niezwykłe zjawisko kosmiczne. Nurtujące naukowców, nie do końca poznane ale wciąż budzące podziw i fascynację. Obiekty te będące gwiazdami emitującymi fale radiowe wykryto w XIX wieku. Wtedy to wykonano pierwsze ich zdjęcia. Ale nie zdawano sobie sprawy czym w istocie jest kwazar. Dopiero od lat pięćdziesiątych XX wieku zaczęto dokładniej się mu przyglądać. Radioteleskopy pozwoliły dostrzec emisję radiową pochodzącą z kwazarów. A pierwsze widmo pojawiło się w roku 1963. Silne przesunięcie linii emisyjnych ku czerwieni wskazuje jednoznacznie na to, że kwazary obecne w kosmosie znajdują się w bardzo dużej odległości od Drogi Mlecznej. Obserwując kwazary obserwujemy przeszłość naszego wszechświata, gdyż światło kwazarów, które dotarło do nas dziś pochodzi sprzed miliardów lat.
To szczególnie interesujące, obserwacje dalekich gwiazd dostarczają nam informację na temat wydarzeń z wszechświata sięgających dziesiątek lub setek miliardów lat, wiedza zebrana z ich obserwacji jest bezcenna, o ileż cenniejsza może być wiedza sprzed miliarda lat? Lub też dwóch czy trzech?
Kwazary, ze względu na ich ogromną jasność, muszą mieć bardzo dużą moc promieniowania, rzędu 1041 W – taką jak cała galaktyka. Jednocześnie niektóre kwazary zauważalnie zmieniają swoją jasność w czasie rzędu dni, zatem muszą być względnie małymi obiektami, wielkości mniej więcej Układu Słonecznego (obiekt nie może zmienić się w czasie krótszym, niż czas potrzebny światłu na dotarcie z centrum do krańców). Obecnie wiemy, że kwazar jest rodzajem aktywnej galaktyki, a obserwowane światło pochodzi z obszaru jej jądra.
Wróćmy jednak do samego początku. Punktowe obiekty optyczne widoczne na niebie w miejscach niektórych radioźródeł zostały na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych nazwane kwazarami (QSO, ang. quasi-stellar object - obiekt gwiazdopodobny). W wyniku systematycznych poszukiwań kwazarów różnymi metodami współczesna definicja tych obiektów zawiera następujące elementy: a) obraz kwazara na zdjęciu jest nieodróżnialny od gwiazdy; b) w widmie kwazara występują szerokie linie emisyjne; c) widmo kwazara jest silnie przesunięte w stronę fal długich (przesunięcie widma ku czerwieni); d) widmo ciągłe (kontinuum) wykazuje nadwyżkę promieniowania w nadfiolecie (ultrafiolecie). Blask wielu kwazarów zmienia się w skali miesięcy lub lat. Natomiast duża jasność radiowa cechuje jedynie około 10% kwazarów. To doskonała ilustracja roli, jaką w astronomii odgrywa selekcja obserwacyjna. Po raz pierwszy kwazary zwróciły uwagę astronomów promieniowaniem radiowym, gdyż w dziedzinie optycznej mają niepozorny wygląd, przypominając gwiazdy z naszej Galaktyki. Gdyby w poszukiwaniach kwazarów stosować nadal tylko kryterium radiowe, 90% tych obiektów wciąż czekałoby na odkrycie.
Zdjęcie: Kwazar znajdujący się w galaktyce Centaurus A (NGC 5120).)
Linie emisyjne dzielą się na dwie grupy: stosunkowo wąskie, odpowiadające zarówno przejściom dozwolonym, jak i wzbronionym o szerokościach dopplerowskich w przedziale 300-1500 km/s (typowo 600 km/s) oraz szerokie linie dozwolone z charakterystycznymi szerokościami 1000-10 000 km/s. W niektórych obiektach obserwujemy zmianę natężenia szerokich linii podobne do zmian widma ciągłego; wąskie linie nie wykazują zauważalnej zmienności. Obecność dwu grup linii oznacza istnienie dwóch obszarów o odmiennych własnościach fizycznych. Wąskie linie są emitowane przez otaczające aktywne centrum obłoki gazu, w których gęstość cząstek wynosi 109-1012 m-3, a temperatura (1-2) x 104 kelwinów. Najczęściej obserwuje się linie wodoru (H), helu (He), węgla ©, azotu (N), tlenu (O), magnezu (Mg) oraz żelaza (Fe), jedno- i wielokrotnie zjonizowanych. Względne natężenia linii są podobne do rozkładu natężeń obserwowanych w widmach mgławic planetarnych. Oznacza to, że głównym mechanizmem wzbudzenia jest fotojonizacja.
Obraz jednej z najjaśniejszych galaktyk radiowych: Cygnus A. Widać dżety wypływające z jądra (gdzie znajduje się czarna dziura i dysk akrecyjny) oraz tzw. gorące plamy. źródło: Internet.
Promieniowanie jonizujące pochodzi z kontinuum emitowanego z rejonów leżących bliżej środka obiektu. Obszar zajmowany przez świecące w wąskich liniach obłoki rozciąga się do odległości rzędu 100 parseków (pc) od źródła promieniowania ciągłego, ale obłoki wypełniają jedynie ułamek tej objętości. Ruch obłoków w zajmowanym obszarze pozostaje niewyjaśniony
Widmo ciągłe kwazarów obejmuje bardzo szeroki zakres promieniowania. Typowy obiekt jest silnym źródłem od podczerwieni do twardych promieni X. Ilość energii wysyłana przez kwazar w każdym z tych przedziałów widma pozostaje w przybliżeniu jednakowa. Dla kwazarów aktywnych radiowo regułę tę można rozszerzyć na fale radiowe. W obszarze widzialnym i bliskiego nadfioletu występuje z reguły nadwyżka promieniowania, którą przypisuje się emisji termicznej dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę. Mechanizmu produkcji całego kontinuum nie udało się jeszcze w pełni wyjaśnić. W niektórych obiektach jest to zapewne promieniowanie synchrotronowe, jednakże za emisję w podczerwieni często odpowiada gorący pył znajdujący się w obszarach zewnętrznych w stosunku do dysku akrecyjnego.
Różne galaktyki zawierające kwazary. Obrazy w lewej kolumnie przedstawiają galaktyki o normalnej budowie: na górze - kwazar PG0052-251 z przesunięciem widma ku czerwieni wynoszącym z = 0,155 znajduje się w centrum "zwyczajnej" galaktyki spiralnej; na dole - kwazar PHL 909 (z = 0,171) w centrum galaktyki eliptycznej. W kolumnie środkowej: na górze - kwazar IRAS04505-2958 (z = 0,286) znajduje się w środku obrazu i jest związany ze zdeformowaną galaktyką spiralną, której najwyraźniejsze fragmenty są widoczne w dolnej części zdjęcia (obiekt powyżej jest gwiazdą Drogi Mlecznej); na dole - kwazar PG1012-008 (z = 0,185) (w środku obrazu) znajduje się w odległości około 10 kiloparseków od zniekształconej galaktyki leżącej bezpośrednio poniżej kwazara; zwarta galaktyka po lewej stronie również może należeć do układu. W kolumnie prawej: na górze - z galaktyki zawierającej kwazar 0316-346 (z = 0,26) rozciąga się rozległy warkocz materii, świadczący o niedawnym oddziaływaniu z inną (niewidoczną na zdjęciu) galaktyką; na dole - kwazar IRAS13218-0552 (z = 0,205) w centrum dwóch galaktyk, znajdujących się zapewne w fazie łączenia. Fot. HST/NASA.
Obecnie znamy już ponad milion kwazarów przede wszystkim dzięki przeglądowi nieba Sloan Digital Sky Survey. We współczesnej epoce (czyli w odległościach mniejszych niż miliard lat świetlnych) kwazary występują rzadko. Większość kwazarów jest bardzo odległa, najliczniej występują w odległościach około 10 miliardów lat świetlnych (przy przesunięciu ku czerwieni około 2). W jeszcze większych odległościach liczba kwazarów wydaje się maleć, ale poszukiwania najbardziej odległych obiektów są trudne.
Przez kilka lat najodleglejszym znanym kwazarem był obiekt odkryty w 2007 roku, którego przesunięcie ku czerwieni wynosi 6,43. Światło od tego kwazara biegło do nas około 12,7 mld lat. Obecnie znany jest już kwazar ULAS J1120+0641, który powstał najprawdopodobniej zaledwie 770 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Światło wyemitowane przez niego, które dociera teraz do Ziemi, biegło 12,9 mld lat. Jego odległość od Ziemi we współrzędnych współporuszających się wynosi zatem 28,85 mld lat świetlnych.
Należy w tym miejscu wyróżnić także obiekty pokrewne. Należą do nich min:
- Galaktyki radiowe (aktywna) - Galaktyka aktywna to galaktyka, w której energia w znaczącej ilości nie jest emitowana przez jej normalne składniki, czyli: gwiazdy, pył i gaz międzygwiazdowy. Ta część energii, zależnie od typu galaktyki aktywnej, może być emitowana w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego jako podczerwień, fale radiowe, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma. Aktywność galaktyki jest wynikiem procesów zachodzących w jej jądrze, stąd często wymiennie używa się określenia "aktywne galaktyki" i "aktywne jądra galaktyk", szczególnie w języku angielskim ("Active galaxies" oraz Active Galactic Nuclei, w skrócie AGN). W części aktywnych galaktyk obserwuje się dżety - strugi materii mogące rozciągać się na bardzo duże odległości, zasilając tym samym rozległe struktury. Kwazary to jedna z form aktywności. Jednakże we wszystkich przypadkach aktywne jądro lub centralny 'silnik' jest fundamentalnym źródłem energii. Około 10 procent aktywnych galaktyk jest zdecydowanie jaśniejsza w zakresie radiowym niż pozostałe, nazywane w związku z tym radiowo cichymi. Formalnym parametrem opisującym radiową głośność jest stosunek strumienia promieniowania w zakresie fal radiowych do strumienia promieniowania w zakresie optycznym. Badanie rozkładu wartości tych parametrów w bardzo dużej próbce obiektów wykazuje, że ok. 90 procent galaktyk ma radiową głośność w granicach od 0 do 10 (typowa wartość to około 2), po czym 10 procent obiektów ma wartości sięgające z niemal równomiernym rozkładem aż do koło 1000. Radiogalaktyki są heterogeniczną grupą obiektów emitujących promieniowanie radiowe. Większość z nich posiada duże symetryczne płaty, z których pochodzi duża część promieniowania radiowego. Niektóre z nich posiadają dżet bądź dżety (jedna z najbardziej znanych to gigantyczna galaktyka M87 w Gromadzie w Pannie) wychodzące wprost z jądra i podążające do płatów. Spowodowane jest to w głównej mierze zależnością od pozostałych parametrów (jasność i kąt obserwacji), znaczenie może mieć także wiek obiektu.
- Galaktyki Seyferta - spiralne bądź nieregularne galaktyki zawierające niezwykle jasne jądro, którego źródłem jest najprawdopodobniej czarna dziura, która może czasem przebić blaskiem całą otaczającą galaktykę. Emisja światła przez centralne jądro zmienia się w okresie mniejszym niż rok, co oznacza, że obszar emitujący musi mieć średnicę mniejszą niż rok świetlny. Nazwa tego typu galaktyk wywodzi się od astronoma Karla Seyferta, który badał je w latach 40. XX w.
Galaktyki Seyferta należą do podklasy galaktyk aktywnych.
Galaktyki Seyferta charakteryzują się bardzo jasnymi jądrami oraz widmami, w których występują jasne linie emisyjne wodoru, helu, azotu i tlenu. Te linie emisyjne wykazują silne przesunięcia dopplerowskie (zarówno w kierunku fal krótkich, jak i długich, co powoduje, że linie ulegają poszerzeniu), które wskazują na prędkości rzędu 500 do 4000 km/s i uważa się, że miejscem ich podchodzenia są rejony dysku akrecyjnego otaczającego centralną czarną dziurę. - Blazary - to typ galaktyki aktywnej, której obserwowane widmo promieniowania w znacznej mierze pochodzi od relatywistycznego dżetu skierowanego pod niewielkim kątem w stronę obserwatora. Do klasy blazarów należą niektóre radiowo głośne kwazary oraz lacertydy – obiekty typu BL Lacertae. Nazwa blazar jest kombinacją słowną wyrazów BL Lac i kwazar. Najdalsze odkryte blazary mają przesunięcie ku czerwieni , a zatem ich światło zostało wyemitowane miliardów lat temu.
- Lacertydy - Lacertydy (obiekty typu BL Lacertae, często nazywane ,,BL Lac") – gwiazdopodobne obiekty pozagalaktyczne, charakteryzujące się silnym promieniowaniem w zakresie fal radiowych oraz bardzo szybkimi zmianami jasności i polaryzacji. Podobne cechy wykazuje podgrupa kwazarów – blazary, od których lacertydy odróżnia mniejsze natężenie linii widmowych. Lacertydy uważane są za rodzaj aktywnych jąder galaktyk, których szczególne właściwości spowodowane są skierowaniem strumienia wyrzucanej materii w kierunku obserwatora. Nazwa pochodzi od pierwszego odkrytego obiektu tego typu – BL Lacertae, który znajduje się w gwiazdozbiorze Jaszczurki. Pierwotnie uznano go za gwiazdę zmienną, dopiero w latach 70. XX wieku poznano jego prawdziwą naturę.