Kvasar (quasar): definition, egenskaber og dannelse
Kvasar (quasar): definition, egenskaber og dannelse — lær om ekstremt lysstærke AGN, supermassive sorte huller, akkretionsskiver og kvasarers rolle i universets tidlige udvikling.
Quasarer eller kvasi-stellare radiokilder er blandt de mest energirige og fjerneste aktive galaktiske kerner (AGN). De optræder som kompakte, meget lysstærke punkter i himlen og kan overskygge hele deres værtsgalakse på grund af den enorme strålingsenergi, der frigives i det centrale område.
Hvad er en kvasar?
En kvasar er et kompakt, ekstremt lyst område i midten af en massiv galakse, der omgiver et centralt supermassivt sort hul. Navnet "kvasi-stellar" kommer af, at de i optiske billeder ser ud som stjerner, men deres spektrer og energifordeling ligner ikke stjerner: de viser brede emissionslinjer og kraftig kontinuerlig emission, som afslører fysisk processer tæt ved et sort hul.
Størrelse og energikilde
På trods af deres enorme lysstyrke er quasarer fysisk ret små. Mange er ikke meget større end et solsystemet. Typisk ligger deres udstrækning på 10-10.000 gange Schwarzschild-radius for det centrale sorte hul, afhængig af massen og rotationshastigheden.
Den primære energikilde er gravitationsenergi, der er frigivet, når masse falder ind mod og føres ned på akkretionsskiven omkring det sorte hul. I en akkretionsskive kan en betydelig fraktion af massens hvileenergi omdannes til stråling—typisk omkring 10 % i mange modeller, men for hurtigt roterende (Kerr) sorte huller kan effektiviteten være endnu højere. Den effektive energiomdannelse og de høje massetilførselsrater forklarer quasarers ekstreme lysstyrke.
Observationelle kendetegn
- Bredt spektrum: Quasarer udsender over hele det elektromagnetiske spektrum, fra røntgen og elektromagnetisk stråling med høj rødforskydning til radiobølger og synligt lys.
- Brede emissionslinjer: Deres spektrer viser meget brede emissionslinjer, som skyldes hurtige gasbevægelser i den indre del af akkretionsskiven og i tilhørende vind- og broad-line regioner.
- Variabilitet: Quasarers lysstyrke kan variere på korte tidsskalaer (fra dage til måneder), hvilket peger på et fysisk lille udsende område.
- Jets: Mange kvasarer har relativistiske jets, der udsender kraftig radiostråling og nogle gange er rettet næsten direkte imod os, hvilket forstærker den observerede lysstyrke gennem Doppler-boosting.
- Radio-loud vs. radio-quiet: Ikke alle quasarer er stærke radiokilder; man skelner mellem radio-loud (med kraftige jets) og radio-quiet quasarer.
I udseende lignede quasarers optiske billedprofiler ofte stjerner og ikke store objekter som galakser, hvilket forklarede den oprindelige klassifikation som "kvasi-stellare".
Rødforskydning, afstand og kosmisk tid
Quasarer findes i det fjerne univers og kan have meget høje rødforskydninger. Rødforskydning giver os både et mål for, hvor langt lyset har rejst, og hvor langt tilbage i tiden vi ser objektet. Afhængig af den anvendte afstandsdefinition kan en høj rødforskydning svare til enorme afstande; for eksempel beregnes nogle meget fjerne kvasarer til at befinde sig på comoving-afstande på størrelsesordenen titusinder af millioner lysår, når man bruger begrebet comoving distance.
[opdatering: pr. 2021 fandtes bl.a. kvasarer med rødforskydning omkring z ≈ 7.6] Disse ekstremt høje rødforskydninger betyder, at vi ser kvasarer i en meget tidlig fase af universets historie.
Dannelse, udvikling og kosmisk betydning
Quasarer var langt mere almindelige i det tidlige univers (peak i aktivitet omkring rødforskydning z ≈ 2–3). Forklaringen er, at der dengang var rigeligt med kold gas og hyppigere galaksefusioner, som kunne forsyne de centrale sorte huller med massetilførsel. Når den tilgængelige gas er opbrugt eller udblæst af feedback (stråling og jets), aftager akkretionsraten, og den aktive fase dør ud.
Det betyder, at mange store galakser — herunder sandsynligvis vores egen Mælkevej — kan have gennemgået en aktiv fase som en kvasar eller en anden klasse af AGN. I dag er disse sorte huller ofte i dvale, fordi de mangler tilførsel af stof, der kan generere kraftig stråling.
Hvorfor er quasarer vigtige for astronomien?
- De fungerer som kraftige baggrundskilder til studier af mellemliggende gasskyer og kosmisk stof ved absorptionslinjer.
- Quasarer hjælper os med at kortlægge den tidlige strukturdannelse og væksten af supermassive sorte huller og deres værtsgalakser.
- Studier af quasarers spektrer og variability giver indsigt i fysikken i ekstremt tætte, relativistiske miljøer tæt på sorte huller.
Resume: Quasarer er små, men ekstremt energirige regioner i centrum af massive galakser, drevet af akkretionsprocesser omkring et supermassivt sort hul. De udsender store mængder energi fra gravitationsenergi, der er frigivet når masse falder ind på en akkretionsskive, og har været især vigtige i det tidlige univers. Deres ekstreme lysstyrke og høje rødforskydninger gør dem til værdifulde redskaber i kosmologisk forskning.
Kunstnerisk gengivelse af ULAS J1120+0641, en meget fjern kvasar, der drives af et sort hul med en masse, der er to milliarder gange større end Solens. Kilde: ESO/M. Kornmesser
Chandra-røntgenbilledet viser kvasaren PKS 1127-145, en meget lysstærk kilde til røntgenstråling og synligt lys omkring 10 milliarder lysår fra Jorden. En enorm røntgenjet strækker sig mindst en million lysår fra kvasaren. Billedet er 60 arcsec på en side. RA 11h 30m 7.10s Dec -14° 49' 27" i Crater. Observationsdato: 28. maj 2000. Instrument: ACIS.
Gravitationelt linset kvasar HE 1104-1805.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en kvasar?
A: En kvasar, eller kvasi-stellar radiokilde, er en aktiv galaktisk kerne (AGN), som er den mest energirige og fjerneste type AGN. De er ret små i forhold til den energi, de udsender, og er ikke meget større end solsystemet.
Spørgsmål: Hvor langt væk kan man finde kvasarer?
Svar: Den kvasar med den højeste rødforskydning, der var kendt i juni 2011, var ca. 29 milliarder lysår fra Jorden.
Spørgsmål: Hvad er mekanismen bag deres lysstyrkeændringer?
Svar: Mekanismen for lysstyrkeændringer involverer sandsynligvis relativistisk stråling af jets, der er rettet næsten direkte mod os.
Spørgsmål: Hvad menes at være i centrum af en kvasar?
Svar: Forskerne er nu enige om, at en kvasar er et kompakt område i midten af en massiv galakse, der omgiver et centralt supermassivt sort hul. Dens størrelse er 10-10.000 gange Schwarzschild-radius for dette sorte hul.
Sp: Hvor kommer dens energi fra?
Svar: Den energi, der udsendes af en kvasar, kommer fra gravitationsenergi, der skabes af masse, der falder ned på en akkretionsskive omkring det sorte hul.
Spørgsmål: Hvor lysstærke er de sammenlignet med andre galakser?
Svar: Quasarer er ekstremt lysstærke og kan være 100 gange så lysstærke som vores Mælkevejsgalakse.
Spørgsmål: Hvorfor var de mere almindelige i det tidlige univers?
Svar: Quasarer var mere almindelige i det tidlige univers, fordi denne energiproduktion ophører, når det supermassive sorte hul opbruger al gas og støv i nærheden af det, hvilket betyder, at de fleste galakser kan have gennemgået en aktiv fase som en eller en anden klasse af aktive galakser, før de blev hvilende på grund af mangel på stof til at tilføre deres centrale sorte huller til strålingsproduktion.
Søge