Τι είναι τα κβάζαρ και γιατί είναι τα πιο λαμπρά αντικείμενα στον Κόσμο

από **Kapitol Era** 27/4/2022, 2:01 pm

Ως κβάζαρ (quasar, προφορά στα αγγλικά «κουέιζαρ», σύντμηση από τη φράση QUASi-stellAR object ή QSO) στην Αστρονομία εννοείται κάθε εξαιρετικά λαμπρός και μακρινός ενεργός γαλαξιακός πυρήνας, που εμφανίζεται στο ορατό φως ως σημειακή πηγή (σαν αστέρας), παρά ως εκτεταμένο σώμα (όπως οι γαλαξίες). Από εκεί προέρχεται και η ονομασία των κβάζαρ, αφού quasi-stellar σημαίνει «παρόμοιος με αστέρα». Μάλιστα μία αρχική απόδοση του όρου στα ελληνικά, όταν πρωτοανακαλύφθηκαν περί το 1960, ήταν ημιαστέρας. Διακρίνονται από τους αστέρες (και έτσι ανακαλύφθηκαν) από τη μεγάλη μετατόπιση προς το ερυθρό που παρουσιάζουν τα φάσματά τους, ενώ ταυτοχρόνως αποτελούν και σημειακές ραδιοπηγές. Παρότι υπήρχε (μέχρι τη δεκαετία του 1990) κάποια αμφιβολία ως προς τη φύση τους, όλοι σχεδόν οι αστροφυσικοί συμφωνούν σήμερα ότι αυτό που βλέπουμε ως κβάζαρ είναι μία σχετικώς πυκνή άλως υλικού που περιβάλλει την κεντρική μαύρη τρύπα μεγάλης μάζας ενός νεαρού γαλαξία.

Ιδιότητες των κβάζαρ

Η ενέργεια των κβάζαρ πιστεύεται ότι παρέχεται από την πρόσπτωση υλικού σε μαύρες τρύπες στα κέντρα των φιλοξενούντων μακρινών γαλαξιών, πράγμα που τους καθιστά μια κατηγορία των ενεργών γαλαξιών ή «ενεργών γαλαξιακών πυρήνων» (AGN, Active Galactic Nuclei). Κανένας άλλος μηχανισμός που να είναι σε θέση να εξηγήσει την τεράστια εκπεμπόμενη ενέργεια και την ταχεία μεταβλητότητα δεν είναι σήμερα γνωστός.

Πάνω από 100 χιλιάδες κβάζαρ έχουν ανακαλυφθεί. Η μετατόπιση των φασμάτων τους προς το ερυθρό είναι από 0,06 μέχρι 6,4. Επομένως ο κοντινότερος απέχει περί τα 780 εκατομμύρια έτη φωτός από εμάς, με τους περισσότερους να υπερβαίνουν τα τρία δισεκατομμύρια έτη φωτός. Οι μακρινότεροι εμφανίζονται όπως ήταν στη νεαρή ηλικία του Σύμπαντος.

Ο απόλυτα λαμπρότερος κβάζαρ είναι ίσως ο APM 08279+5255 που όταν ανακαλύφθηκε το 1998 το απόλυτο μέγεθος υπολογίσθηκε σε –32,2, παρότι μεταγενέστερη απεικόνιση αποκάλυψε ότι η λαμπρότητά του ενισχύεται από βαρυτική εστίαση του φωτός κατά σχεδόν μία τάξη μεγέθους.

Η λαμπρότητα των κβάζαρ μεταβάλλεται σε ποικιλία περιόδων. Κάποιοι εμφανίζουν μεταβολή σε κλίμακα μηνών, ενώ άλλοι σε λίγες ημέρες ή και μερικές ώρες. Οι πλέον δραστήριοι από αυτή την άποψη ονομάζονται OVV κβάζαρ (= Optically Violently Variable, Οπτικώς Βιαίως Μεταβλητοί). Οι κβάζαρ εμφανίζουν πολλές από τις ιδιότητες των ενεργών γαλαξιών: μη θερμική ακτινοβολία, ύπαρξη πιδάκων (jets) και λοβών όπως στους ραδιογαλαξίες. Μόλις ο ένας στους 10 κβάζαρ έχει ισχυρή εκπομπή στα ραδιοκύματα (οι λεγόμενοι radio-loud), ενώ οι υπόλοιποι είναι σχετικώς radio-quiet. Εκτός από το ορατό φως και τα ραδιοκύματα, οι κβάζαρ έχουν παρατηρηθεί και σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όπως το υπέρυθρο, το υπεριώδες, τις ακτίνες Χ, ακόμα και τις ακτίνες γ. Οι περισσότεροι είναι λαμπρότεροι (αν αφαιρεθεί η μετατόπιση προς το ερυθρό) στο εγγύς υπεριώδες (κοντά στη γραμμή εκπομπής Lyman α των 121,6 nm), αλλά εξαιτίας των μεγάλων μετατοπίσεων προς το ερυθρό, αυτή η μέγιστη λαμπρότητα έχει παρατηρηθεί μέχρι και στα 900 nm, στο εγγύς υπέρυθρο.

Οι λεγόμενοι «κβάζαρ σιδήρου» (Iron Quasars) εμφανίζουν ισχυρές φασματικές γραμμές εκπομπής του ιονισμένου σιδήρου, όπως ο κβάζαρ IRAS 18508-7815.

Τι είναι τα κβάζαρ και γιατί είναι τα πιο λαμπρά αντικείμενα στον Κόσμο Yi10

Τα κβάζαρ στην πραγματικότητα είναι οι πυρήνες των ενεργών γαλαξιών, έχοντας έκταση ίση με το ένα εκατομμυριοστό της έκτασης του γαλαξία που τους φιλοξενεί. Είναι τεράστιες 'κοσμικές μηχανές' που αντλούν την ενέργεια τους από τον δίσκο συσσώρευσης του υλικού, που βρίσκεται γύρω από τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία τους. Εκπέμπουν δε ενέργεια (ραδιοκύματα, φωτεινή ενέργεια, υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες-Χ μέχρι και ακτίνες-γ) εκατομμύρια φορές αυτής που εκπέμπουν όλα τα άστρα ενός γαλαξία. Η δε ύλη που πέφτει μέσα στις μαύρες τρύπες είναι και ο κινητήριος μηχανισμός αυτής της 'κοσμικής μηχανής'. Σήμερα υπάρχει συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων ότι τα κβάζαρ είναι η συμπαγής άλως του υλικού που περιβάλλει την υπερβαρέα μαύρη τρύπα του ενεργού γαλαξία.

Οι δύο πίδακες με υλικό που εκτοξεύονται λόγω της διατήρησης της ορμής από τον δίσκο συσσώρευσης του κβάζαρ

ού Πιο αναλυτικά όταν οι γαλαξίες μόλις είχαν σχηματιστεί στις απαρχές του σύμπαντος, υπήρχε πολύ 'αδέσποτο' αέριο διαθέσιμο για να πέσει μέσα στις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών, και οι μαύρες τρύπες έλαμπαν ως κβάζαρ. Μόλις οι γαλαξίες 'γέρασαν', το αέριο που ανεφοδίαζε τις τρύπες καταναλώθηκε και έτσι η λάμψη τους εξασθένισε και 'έσβησε'.

Για να δημιουργηθεί μια φωτεινότητα των 1040 W (η τυπική φωτεινότητα ενός κβάζαρ), η υπερβαρέα μαύρη τρύπα πρέπει να καταναλώνει ύλη ισοδύναμη με 10 άστρα κάθε χρόνο. Τα πιο φωτεινά γνωστά κβάζαρ καταναλώνουν 1000 ηλιακές μάζες κάθε χρόνο ή μάζα ισοδύναμη με 600 γήινες μάζες την ώρα. Τα κβάζαρ ανάβουν ή σβήνουν ανάλογα με το υλικό του περιβάλλοντος τους, και επειδή τα κβάζαρ δεν μπορούν να συνεχίσουν να τροφοδοτούνται με υψηλούς ρυθμούς για 10 δισεκατομμύρια χρόνια, μόλις τελειώσει η συσσώρευση στο περιβάλλον της μαύρης τρύπας αερίου και σκόνης, το κβάζαρ γίνεται ένας κανονικός γαλαξίας.

Λόγω της μεγάλης λαμπρότητας τους είναι ορατά από μεγάλες αποστάσεις. Έχουν ανακαλυφθεί κβάζαρ με μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) z = 6.2. Ακόμα πιο εκπληκτικό από τη λαμπρότητα τους είναι το μικρό τους μέγεθος. Η ανάλυση δείχνει ότι πρέπει να έχουν μέγεθος παρόμοιο με του ηλιακού συστήματος. Έτσι, τα φωτεινότερα αντικείμενα στο σύμπαν είναι και τα μικρότερα.

Η μόνη θεωρία που έχει αποδειχθεί ικανή να εξηγήσει την καταπληκτική φωτεινότητα των κβάζαρ, λέει ότι εξαρτώνται από τις βαριές μαύρες τρύπες, στα κέντρα των γαλαξιών.

Πώς όμως μπορεί μια μαύρη τρύπα να 'ακτινοβολεί' τόσο πολύ;

Είναι από τα πιο παράδοξα φαινόμενα. Θεωρητικά μια μαύρη τρύπα είναι ανίκανη να ακτινοβολήσει, στην πραγματικότητα όμως τα κβάζαρ (η ευρύτερη περιοχή μιας μαύρης τρύπας όπως είπαμε) είναι τα φωτεινότερα γνωστά αντικείμενα στον Κόσμο.

Να θυμηθούμε ότι ο περιορισμός στην ακτινοβολία μιας μαύρης τρύπας, αναφέρεται μόνο στην ύλη που είναι μέσα στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας και δεν μπορεί να ακτινοβολήσει. Όμως, η έντονη ακτινοβολία από τα κβάζαρ προέρχεται έξω από αυτήν την περιοχή.

Τα κβάζαρ ακτινοβολούν επειδή το αέριο που πέφτει στη μαύρη τρύπα πρέπει να μειώσει τη μεγάλη στροφορμή που έχει. Δεν είναι εύκολο να πέσει υλικό μέσα σε μια μαύρη τρύπα έχοντας μεγάλη στροφορμή. Ο ορίζοντας γεγονότων γύρω από τη μαύρη τρύπα είναι μικρός, και τα σωματίδια πέφτοντας πρέπει να κατευθύνονται ακριβώς στο κέντρο της. Διαφορετικά ταλαντεύονται γύρω από τον ορίζοντα σε μια τροχιά γύρω από αυτήν. Ένα ανάλογο παράδειγμα είναι το νερό που πέφτει σε ένα νεροχύτη. Το νερό αναπόφευκτα στροβιλίζεται γύρω από την τρύπα του νεροχύτη, και πρέπει να μειώσει τη στροφορμή του προτού να μπορέσει να πάει κάτω. Το αέριο που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα, όπως το νερό, χάνει τη στροφορμή του με τον ίδιο τρόπο, σχηματίζοντας ένα στροβιλιζόμενο δίσκο του υλικού κοντά στον αγωγό - τον ορίζοντα γεγονότων στην περίπτωση μας.

Το υλικό κοντά στον 'αγωγό' περιστρέφεται γρηγορότερα και "τρίβεται" σε σχέση με το υλικό που βρίσκεται πιο μακριά και έτσι περιστρέφεται ολοένα πιο αργά. Η ταχύτητα του υλικού λόγω των τριβών μειώνεται, οπότε κινείται αργά σπειροειδώς προς το κέντρο. Τελικά, πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων και χάνεται για πάντα. Στα κβάζαρ, τέτοιοι περιστρεφόμενοι δίσκοι από υλικό ονομάζονται δίσκοι συσσώρευσης ή προσαύξησης.

Προσέξτε τώρα. Στο στάδιο που τρίβονται μεταξύ τους τα σωματίδια - καθώς περιστρέφονται πολύ γρήγορα τα στρώματα του αερίου και της σκόνης - αποκτούν θερμοκρασίες τεράστιες, ακόμα και εκατομμύρια βαθμούς για αυτά που είναι πιο κοντά στην τρύπα. Το δε αέριο με την πυράκτωση αυτή εκπέμπει έντονη θερμική ακτινοβολία σε λευκό χρώμα. Στα πιο φωτεινά άρα και μεγάλα κβάζαρ, αυτός ο πυρακτωμένος δίσκος του αερίου μπορεί να εκτείνεται σε μια απόσταση 10.000 φορές μεγαλύτερη από την απόσταση της Γης από τον ήλιο, ή περίπου το 5% της απόστασης του ήλιου από το πιο κοντινό μας αστέρι. Φανταστείτε τώρα έναν πυρακτωμένο δίσκο πολύ πιο καυτό από την επιφάνεια ενός άστρου με τόση μεγάλη ακτίνα. Ο συνδυασμός της θερμικής ακτινοβολίας σε λευκό χρώμα συν το μεγάλο μέγεθος του δίσκου, κάνουν τα κβάζαρ τα πιο φωτεινά αντικείμενα στο σύμπαν.

Τελικά, η ενέργεια που ακτινοβολείται από τα κβάζαρ προέρχεται από τη σταδιακή μείωση της ταχύτητας του αερίου καθώς πέφτει στην τρύπα. Το μεγαλύτερο μέρος της της κινητικής ενέργειας γίνεται θερμότητα με τη βοήθεια του έργου των τριβών, και ακτινοβολείται έπειτα ως θερμική ακτινοβολία. Ένα συνηθισμένο κβάζαρ για να στηρίξει τη λαμπρότητα του πρέπει να καταπιεί περίπου 1 ηλιακή μάζα σε αέριο ετησίως, ενώ τα μεγαλύτερα ακόμα και 1000 ηλιακές μάζες.

Οι δίσκοι συσσώρευσης ακτινοβολούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους στο υπεριώδες, ενώ ένα μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας είναι πιθανόν ακτινοβολία σύγχροτρον. Ο δίσκος ενός κβάζαρ λόγω του πάχους του συλλαμβάνει αρκετή από την υπεριώδη ακτινοβολία των κεντρικών του τμημάτων (κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας) και την επανεκπέμπει στο υπέρυθρο.

Πολύ συχνά οι δίσκοι συσσώρευσης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, έναν σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Το σχήμα και η συμπεριφορά των πιδάκων διέπονται από τη διατήρηση της ορμής (σε αντιδιαστολή με τη διατήρηση της στροφορμής, που διέπει τους δίσκους συσσώρευσης). Ένας πίδακας εξακολουθεί να κινείται σε ευθεία γραμμή έως ότου επιβραδυνθεί μεταβιβάζοντος την ορμή του στα γύρω αέρια. Καθώς ο πίδακας επιβραδύνεται, μετατρέπει την κινητική του ενέργεια σε θερμότητα και ακτινοβολία, όπως ακριβώς και οι δίσκοι συσσώρευσης.

Η δράση των κβάζαρ έφτασε στο απόγειο της λίγα δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, γι αυτό τότε υπήρχαν χίλιες φορές περισσότερα κβάζαρ από αυτά που υπάρχουν σήμερα. Θεωρούμε, όπως προαναφέραμε, ότι η εξαφάνιση των κβάζαρ οφείλεται στο τέλος του ανεφοδιασμού τους με καύσιμα. Παλιότερα υπήρχε άφθονο αέριο, προτού να συμπυκνωθεί στα αστέρια. Τώρα το μεγαλύτερο μέρος αυτού του αερίου είναι 'κλειδωμένο' και δεν είναι πια διαθέσιμο για να πέσει στις κεντρικές μαύρες τρύπες.

Στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα με 1 εκατομμύριο ηλιακές μάζες, και σε απόσταση μόνο 30.000 έτη φωτός από τον ήλιο. Αλλά το αέριο που την τροφοδοτούσε τελείωσε και γι αυτό εκπέμπει μόνο μια εξασθενημένη ραδιοακτινοβολία, ένα 'χλωμό' φως από αυτό που πρέπει να ήταν πριν μερικά δισεκατομμύρια χρόνια.

ΠΗΓΗ:Περισσότερα στο wikipedia
ΠΗΓΗ: physics4u
[/center]