Kvasary (quasars), blazary a AGN jsou vskutku mimořádné objekty ve vesmíru s velice vysokou svítivostí

Kvasar neboli kvázihvězdný rádiový zdroj. Kvasary, blazary a AGN

Kvasary (quasary), které objevil Maartene Schmidt v roce 1963, vědce skutečně notně zaskočily. Objekt (kvasar) ztotožněný M. Schmidtem (ve spolupráci s australskými radioastronomy pod vedením C. Hazarda) během zákrytu rádiového zdroje 3C-273 v souhvězdí Panny Měsícem s optickým protějškem, byl opravdu mimořádný.

S pomocí 5metrového Haleova teleskopu na Mt. Palomaru pořízené spektrum objektu (kvasar) o zdánlivé jasnosti 13^m bylo podivné. Z pořízeného spektra a z naměřeného rudého posuvu Schmidt vypočetl, že pozorovaný objekt musí být mimořádně daleko. Asi 600 Mpc. Svítivost kvasarů, které mají stelární vzhled, musí být tedy extrémně vysoká.

Čtěte také: ALMA objevila intenzivní magnetické pole v blízkosti supermasivní černé…

Nově objevený objekt (třída objektů), kvasar, předčil vše, co astronomové do té doby znali a nebo to, na co se opovážili byť jen pomyslet. A zpočátku si nikdo nevěděl rady s tím, jak vysvětlit mimořádnou svítivost těchto objektů, pojmenovaných zanedlouho kvasary (pojmenování kvasar navrhl americký fyzik Hong-Yee Chiu). Co to tedy kvasary jsou? Kvasary jsou nejvzdálenější a nejsvítivější známé objekty ve vesmíru.

První objevený kvasar

Prvním objeveným kvasarem se stal rádiový zdroj 3C 273 v souhvězdí Panny, jehož zdánlivá jasnost dosahuje 12,6^m. Spektrum tohoto objektu vykazuje nápadný rudý posuv z = 0,158, což odpovídá vzdálenosti asi 2 miliardy světelných let. Jedná se tak o objekty ve velkých, tzv. kosmologických vzdálenostech. Průměrná vzdálenost známých kvasarů činí 2,9 Gpc.

Absolutní hvězdnou velikost kvasaru 3C 273 činí -26,2^m! Jen pro srovnání - absolutní hvězdná velikost našeho Slunce činí 4,79^m… Svítivost 3C 273 činí asi stonásobek úhrnného výkonu naší Galaxie. Dnes jsou však známy kvasary, jejichž absolutní hvězdná velikost činí neuvěřitelných -29^m i více! Svítivost kvasarů je však velice rozdílná, některé dosahují absolutní hvězdné velikosti jen -22^m.

Kolik kvasarů dnes známe?

Další objevený kvasar nenechal na sebe dlouho čekat. Byl jím rádiový zdroj 3C 48, jenž byl s optickým protějškem, hvězdou 16,2^m v souhvězdí Trojúhelník, ztotožněn již v roce 1960. Že je rádiový zdroj 3C 48, hvězda jasnosti 16,2^m, ve skutečnosti kvasarem se zjistilo až po objevu 3C 273 v Panně. Z rudého posuvu z = 0,367 byla vzdálenost 3C 48 spočtena na 4,5 miliardy světelných let.

Postupně byly objeveny další podobné rádiové zdroje s extrémní svítivostí a vysokým rudým posuvem, pro něž se začalo používat pojmenování quasar jako zkratka anglického quasistellar radio source (kvázihvězdný rádiový zdroj).

Do konce 60. let minulého století bylo objeveno asi 100 kvasarů. Dnešní věda zná díky přehlídce SDSS asi 300 000 těchto neobyčejně svítivých objektů (k roku 2013). Hranice 100 000 kvasarů bylo dosaženo již před deseti lety (v roce 2006), především díky přehlídkám oblohy SDSS, 2dF a 2MASS.

I přes tento zdánlivě vysoký počet známých kvasarů se jedná o mimořádně zřídkavé objekty. To proto, že kvasary jsou objekty, které v naprosté většině pozorujeme ve velkých kosmologických vzdálenostech a tudíž v dávné minulosti. Tyto objekty dnes (většinou) již neexistují. Badatelé to alespoň odvozují z toho, že v blízkém vesmíru žádné takovéto objekty nepozorujeme.

Přestože jsou kvasary velice zřídkavými objekty, podařilo se S. Djorgovskému nalézt v souhvězdí Panny trojitý kvasar LBQS 1429-008, jenž je od Země vzdálen asi 3,2 Gpc. Zřejmě jde o případ splynutí tři galaxií s aktivními jádry. Mnohem lépe jsou na tom binární kvasary. Jen na základě přehlídky SDSS objevil J. Hennawi a další 27 binárních kvasarů ve vzdálenostech 3,2 - 3,7 Gpc. Další fyzickou trojici kvasarů QQQ J1519+0627 objevil tým E. Farina. Jedná se teprve o druhý známý triplet kvasarů.

Jaká je svítivost kvasarů?

Kvasary jsou v průměru 100× svítivější než nejjasnější superobří galaxie (eliptické galaxie typu E0), ty nejsvítivější pak dokonce až 10 000×. V spojitém spektru tak svítivost kvasarů činí až 10⁴¹ W i více!

Zatím nejsvítivější známý kvasar ULAS J1120+0641 dosahuje svítivosti 6,3 × 10¹⁶ L_S(L_S je svítivost Slunce). Tento objekt s rudým posuvem z = 7,1 se od nás nachází ve vzdálenosti asi 4 Gpc. Jeho stáří je odhadováno na 770 miliónů let po velkém třesku.

Dnes nejvzdálenějším známým rádiově "hlučným" kvasarem je objekt J1145-0033 ve vzdálenosti 3,2 miliardy ly a s rudým posuvem z = 2,06. Objekt se vyznačuje obřími rádiovými laloky, které jsou známy i u prvního objeveného kvasaru 3C 273. Rádiový tok objektu J1145-0033 činí asi 3,9 mJy.

Avšak ne všechny kvasary jsou zdroji rádiového záření. Pro ty rádiově tiché byl po objevu prvních zástupců používán název quasag. To však jen dočasně, než byl rozpoznán totožný charakter těchto objektů. Podle dnešních poznatků patří k rádiově hlučným kvasarům jen asi 10 % těchto objektů.

Co to kvasar vlastně je?

Co to vlastně kvasar je? Již v roce 1978 přišel A. Stockton s prací, že kvasary jsou v podstatě jádra aktivních galaxií (AGN). Průměrná velikost kvasarů je asi 10¹⁰ km, tedy nějakých 70 AU. To je zhruba průměr naší Sluneční soustavy. Takže odpovědí na výše uvedenou otázku je, že kvasar je mimořádně svítivé jádro neobyčejně aktivní galaxie (AGN, z anglického Active Galactic Nuclei) v raném vesmíru. Zdá se, že všechny galaxie mohou procházet stádiem kvasaru, které hraje ve vývoji galaxií velice důležitou roli. A to dokonce opakovaně. Galaxie tak může ve stádiu kvasaru strávit asi 10 % svého života.

Dnešní věda říká, že kvasary, blazary, Seyfertovy galaxie či rádiové galaxie jsou v podstatě jedno a to samé. Záleží pouze na tom, pod jakým úhlem jsou k nám jako pozorovatelům natočeny a jak daleko se od nás nacházejí a jak mohutná černá díra se nachází v jejich jádrech. A také na tom, jak to vypadá s přísunem materiálu k černé díře, která je motorem onoho obrovského zářivého výkonu kvasarů. Záleží jen na tom, zda-li pozorujeme přímo aktivní jádro galaxie (kvasaru) či akreční disk, který zcela či částečně ono aktivní jádro (kvasar) zastiňuje. Kvasary, blazary, Seyfertovy galaxie aj. tedy patří do AGN, třídy aktivních galaxií.

Kvasary jsou tedy nejextrémnějším typem galaxií s akrečními disky okolo černých veleděr, kterým říkáme aktivní galaktická jádra.

Kvasary jsou charakteristické svým stelárním vzhledem, velice silným zářením v UV a IR oblasti ve srovnání s obyčejnými hvězdami. Některé z kvasarů jsou nejen silnými rádiovými zdroji, ale také silnými zdroji rentgenového záření a nebo dokonce gama záření o obrovských energiích. Tak například galaxie Cen A je zdrojem extrémního kosmického záření. Leptony jsou v tomto objektu urychlovány na energie řádu TeV a hadrony na energie až několika desítek EeV!

Například u kvasaru PKS 1510-089 v souhvězdí Váhy (asi 1,2 Gpc) byly v letech 2008 - 2009 s pomocí satelitu Fermi pozorovány velké výkyvy jasnosti v pásmu gama v periodě okolo 6 hodin. Podobně byly fluktuace gama záření v roce 2009 pozorovány i u prvního objeveného kvasaru 3C 273. Ten, mimo jiné, vyzařuje v X oblasti asi 50× více energie než v oblasti rádiové a je nejjasnějším známým kvasarem. A také jedním z nejbližších.

Kvasar 3C 273, jak plyne z výše uvedeného odstavce, není úplně nejbližším objektem "kvasarového" typu. Mnohem blíže se nacházejí blazary Mrk 421 (z = 0,034, 140 Mpc) či blazar Mrk 501 (z = 0,031, 130 Mpc). Prototypem blazarů (tento pojem zavedl v roce 1978 Ed Spiegel) se stal pekuliární rádiový zdroj BL Lacertae v souhvězdí Ještěrky.

Kvasary jsou charakteristické rovněž proměnným tokem zářením v neobyčejně širokém spektrálním pásmu s periodou několika hodin až let, což svědčí o poměrně malých rozměrech těchto objektů, širokými emisními čárami ve spektru a velkým rudým posuvem.

Co je zdrojem záření kvasarů?

Co stojí za tak extrémní svítivostí kvasarů? Astronomové dnes obrovskou svítivost kvasarů vysvětlují pomocí obřích Kerrových (rotujících) černých děr, tzv. veleděr, jejichž hmotnosti se pohybují v řádech miliard hmotností Slunce. Nejtěžší známá černá veledíra detekovaná u kvasaru OJ 287 má hmotnost asi 18 × 10⁹ Sluncí! O teoretické vysvětlení zdroje záření kvasarů se zasloužili J. Zeldovič, E. Salpeter, D. Lynden-Bell, I. Novikov a M. Rees již v letech 1964 - 1968.

Hmota řítící se do hladového jícnu obří černé díry po spirále se velice silně zahřívá. Plyn se v plochém akrečním disku zahřívá na teploty miliónů stupňů a stává se zdrojem elektromagnetického záření v širokém spektrálním pásmu. Pokud je navíc přítomno silné magnetické pole, mohou se vytvořit u kvasaru mohutné výtrysky, laloky jako u rádiových galaxií. A ty se u řady kvasarů skutečně pozorují. Právě tyto kvasary (rádiové galaxie) se stávají rádiově hlučnými a patří mezi oněch asi 10 % kvasarů, které jsou silnými zdroji rádiového záření.

Nezdá se pravděpodobné, že by zdrojem záření kvasarů byly termonukleární reakce. Ani ty nejsou natolik účinné, že by dokázaly v tak malém objemu vyprodukovat tak enormní množství energie. Ani anihilace nebude tím správným zdrojem. Jednak ve vesmíru je citelný nedostatek antihmoty, jednak spektrum kvasarů této možnosti neodpovídá. Takže nám již asi opravdu zbývají ony černé veledíry a jejich mohutné akreční disky.

Další související články: