Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Активни галактически ядра и квазари

Супермасивни черни дупки, поглъщащи материя, изхвърляния и влияние върху звездната формация

Едни от най-ярките и динамични явления във Вселената се появяват, когато супермасивни черни дупки (SMJS) в центровете на галактиките поглъщат газове. В тези т.нар. активни галактични ядра (AGB) големи количества гравитационна енергия се превръщат в електромагнитно излъчване, често заслепяващо цялата галактика. В най-ярката част от спектъра са квазари, блестящи AGN, видими на космически разстояния. Тези периоди на интензивно "хранене" на черната дупка могат да предизвикат мощни изхвърляния – поради радиационен натиск, ветрове или релативистични струи, които пренареждат газа вътре в галактиката и дори могат да потиснат звездната формация. В тази статия ще обсъдим как SMJS задвижват активността на AGN, какви са наблюдаваните характеристики и класификация на квазарите и колко важна е "обратната връзка" (англ. feedback), която свързва растежа на черната дупка с бъдещето на галактиката.

1. Какво са активните галактични ядра

1.1 Централни двигатели: супермасивни черни дупки

В центъра на активното галактично ядро се намира супермасивна черна дупка, чиято маса може да варира от няколко милиона до много милиарди слънчеви маси. Тези дупки резидират в клъстери или ядра на галактики. При нормални, ниски условия на поглъщане, те остават сравнително спокойни. Фазата AGN започва, когато достатъчно газ или прах започне да тече навътре – акретирайки към черната дупка – и образува въртящ се акреционен диск, освобождаващ огромно излъчване в електромагнитния спектър [1, 2].

1.2 Класове AGB и наблюдавани характеристики

AGB показват различни външни проявления:

  • Seyfert галактики: Средно ярка активност на ядро в спирални галактики, ярки емисионни линии от йонизирани газови облаци.
  • Квазари (QSO): Най-ярките AGB, често доминиращи над светимостта на цялата галактика, лесно забележими на космически разстояния.
  • Радиогалактики / блейзъри: AGB, характеризиращи се с мощни радио струи или силно насочено излъчване към нас.

Въпреки очевидните разлики, тези класове по-скоро отразяват особеностите на светимостта, ъгъла на виждане и околната среда, а не съществено различни двигатели [3].

1.3 Унифициран модел

Обширният „унифициран модел“ предполага централен SMJS и акреционен диск, заобиколен от област на широки линии (PLS) с бързо движещи се облаци и прашен тор. Наблюдаваното излъчване (тип 1 или тип 2) зависи от ориентацията и геометрията на тора. Разликите в масата на светимостта или черната дупка могат да прехвърлят AGN от ниска светимост Seyfert към ярък квазар [4].

2. Процес на акреция

2.1 Акреционни дискове и светимост

Когато газът пада към дълбокия гравитационен кладенец на SMJS, се образува тънък акреционен диск, в който гравитационната потенциална енергия се превръща в топлина и светлина. В класическия модел на Shakura-Sunyaev диск излъчването може да бъде голямо, понякога достигащо Едингтънската граница:

LEdd ≈ 1.3×1038 (MBH / M⊙) ерг с-1

ако черната дупка се поглъща при границата на Едингтън, нейната маса може да се удвои за ~108 години. Квазарите обикновено достигат или надвишават част от светимостта на Едингтън, обяснявайки тяхната изключителна яркост [5, 6].

2.2 Захранване на SMBH

Галактическите процеси трябва да пренесат газа от мащаба на килопарсеци до подпарсекови области около черната дупка:

  • Juostų valdomi srautai – vidinės juostos ar spiralinės vijų struktūros gali iš lėto (sekuliariai) perimti dujų kampinį momentą ir jas atgabenti į vidų.
  • Sąveikos ir susijungimai – didesniu smurtu dideli ar maži susijungimai greitai tiekia gausius dujų kiekius į branduolį, įžiebia kvazaro stadijas.
  • Aušimo tėkmės – turtinguose spiečių centruose auštančios spiečiaus dujos gali tekėti į galaktikos centrą, maitindamos juodąją skylę.

Priartėjus prie juodosios skylės, vietinės nestabilumos, smūgiai ir klampumas toliau lemia medžiagos patekimą į galutinį akrecinį diską [7].

3. Квазари: най-ярките AGB

3.1 Историческо откритие

Квазарите (англ. “quasi-stellar objects”) бяха разпознати през 1960-те като точкови, но с много голям червен отместване източници, което означава огромна светимост. Бързо стана ясно, че това са ядра на галактики, в които черната дупка поглъща газ толкова интензивно, че са видими дори на милиарди светлинни години, което ги прави важни маркери за изследване на ранната Вселена.

3.2 Многообхватно излъчване

Огромната светимост на квазарите обхваща радио (ако има струи), инфрачервени (прах в тороидите), оптични/UV (спектър на акреционния диск) и X-лъчи (корона на диска, релативистични изтичания). В спектрите обикновено има ярки широки емисионни линии от високоскоростни облаци близо до черната дупка и евентуално тесни линии от по-отдалечен газ [8].

3.3 Космологично значение

Изобилието на квазари често достига максимум при z ∼ 2–3, когато галактиките активно се формират. Те отбелязват ранния растеж на най-големите черни дупки в космическата история. Изследванията на линиите на поглъщане на квазари също разкриват междинен газ и структурата на междугалактическата среда.

4. Изтичания и обратна връзка

4.1 Ветрове и струи, предизвикани от AGB

Акреционните дискове създават силно радиационно налягане или магнитни полета, от които произлизат диполни изтичания, достигащи хиляди км/с. В радиоярки AGB се срещат релятивистки струи, близки до скоростта на светлината и простиращи се далеч извън границите на галактиката. Тези изтичания могат:

  • Изтласкване или нагряване на газове, потискайки звездообразуването в купа.
  • Транспортиране на метали и енергия към халото или междугалактическата среда.
  • Потискане или стимулиране на звездообразуването локално, в зависимост от компресията на ударни вълни или отстраняването на газ [9].

4.2 Влияние върху звездообразуването

Обратна връзка на AGN, т.е. идеята, че активните черни дупки могат значително да променят състоянието на цялата галактика, се превърна в съществена част от съвременните модели за формиране на галактики:

  1. Квазарен режим: Епизоди с висока яркост и силни изтичания, които могат да изнесат огромни количества студен газ и така да потиснат звездообразуването.
  2. Радиорежим: По-слабо ярки AGN с струи, които нагряват околните газове (напр. в центровете на клъстери) и не им позволяват да се охлаждат и да се събират.

Този ефект помага да се обясни "червенината" на масивните елиптични и наблюдаваните (напр. връзките между масата на черната дупка и масата на купа), свързващи растежа на SMBH и еволюцията на галактиката [10].

5. Галактически домакини и единство на AGB

5.1 Сливане срещу секуларен източник на активиране

Наблюдателните данни показват, че активирането на AGB може да бъде предизвикано от различни сценарии:

  • Големи сливане: Газово богати сблъсъци доставят големи количества газ в ядрото за кратко време, издигайки черната дупка в квазарно състояние. Това може да съвпадне с изблик на звездообразуване, последван от неговото потискане.
  • Секуларни причини: Стабилното "хранене" на черната дупка, управлявано от ленти или малки потоци, може да поддържа средната яркост на Seyfert ядро.

Най-ярките квазари често показват приливни изкривявания или морфологични признаци за наскоро настъпили сливане, докато по-слабо ярки AGN могат да се открият в почти недокоснати дискови галактики с ленти или псевдокупи.

5.2 Връзка между купа и черна дупка

Наблюденията показват тясна връзка между масата на черната дупка (MBH) и дисперсията на скоростите на звездите в купа (σ) или масата – т.нар. MBH–σ връзка. Това позволява да се предположи, че "храненето" на черната дупка и формирането на купа са тясно свързани, подкрепяйки хипотезата, че активното ядро може да регулира звездното образуване в купа и обратно.

5.3 Цикли на активност на AGB

През космическото време всяка галактика може да премине през множество етапи на AGB. Често черната дупка акретира близо до границата на Едингтън само част от времето, формирайки ярки AGN или квазарни избухвания. След изчерпване или издухване на газовите запаси, AGB затихва и галактиката отново става "нормална" с дремещо централно черна дупка.

6. Наблюдение на AGB в космически мащаб

6.1 Изследвания на далечни квазари

Квазарите се наблюдават до много големи червени измествания, дори над z > 7, така че те вече са светели в първия милиард години на Вселената. Все още остава въпросът как SMBH са пораснали толкова бързо: може би "семената" вече са били големи (напр. поради директен колапс) или са се случвали епизоди, надвишаващи скоростите на поглъщане на Едингтън. Наблюдавайки тези далечни квазари, можем да изследваме епохата на реонизация и ранното формиране на галактики.

6.2 Многообхватни кампании

Прегледи като SDSS, 2MASS, GALEX, Chandra и нови мисии като JWST, както и бъдещи мощни наземни телескопи обхващат AGB от радио до рентгенови лъчи, покривайки по-подробно целия спектър от нисколуминесцентни Seyfert до изключително ярки квазари. В същото време интегралната полева спектроскопия (напр. MUSE, MaNGA) разкрива кинематиката на домакините и разпределението на звездната формация около ядрото.

6.3 Гравитационно лещиране

Понякога квазарите, разположени зад масивни купове, са повлияни от гравитационно лещиране, което създава увеличени образи, разкриващи по-фини структури на AGN или изключително точни разстояния на светлината. Тези явления позволяват уточняване на оценките за масата на черната дупка и изследване на космологичните параметри.

7. Теоретична и симулационна перспектива

7.1 Физика на дисковата акреция

Класическите Shakura-Sunyaev алфа модели на дискове, усъвършенствани с магнито-хидродинамични (MHD) симулации на акреция, обясняват как се пренася ъгловият момент и как вискозитетът в диска определя скоростта на акреция. Магнитните полета и турбуленцията са изключително важни за генериране на изтичания или струи (напр. Blandford–Znajek механизъм, свързан с въртящи се черни дупки).

7.2 Модели на еволюцията на галактиките с голям обем

Космологичните симулации (напр. IllustrisTNG, EAGLE, SIMBA) все повече включват детайлни рецепти за обратна връзка от AGB, с цел да съгласуват наблюдаваната двуполюсност на цветовете на галактиките, връзката между масата на черната дупка и тази на купа, както и потискането на звездната формация в масивни халота. Тези модели показват, че дори кратки квазарни епизоди могат значително да променят съдбата на газа в домакинската галактика.

7.3 Необходимост от уточняване на физиката на обратната връзка

Въпреки значителния напредък, все още има неясноти как точно енергията взаимодейства с многофазните междузвездни газове. За да се "свърже" акреционната физика в мащаба на парсека с регулирането на звездната формация в мащаба на килопарсека, е необходимо да се разберат детайлите за взаимодействието на струите и междузвездната среда, въвличането на вятъра и геометрията на прашните торове.

8. Заключения

Активните галактични ядра и квазари отразяват най-енергичните етапи на галактичните ядра, управлявани от акреция на свръхмасивни черни дупки. Излъчвайки енергия и задвижвайки изтичания, те правят повече от просто да блестят – те променят домакинските галактики, определят звездната история, растежа на купа и дори мащабната среда чрез обратна връзка. Независимо дали са предизвикани от големи сливане или бавен плитък газов поток, AGN подчертават тясната връзка между черната дупка и развитието на галактиката – показвайки, че дори малък акреционен диск може да има последици за галактиката или дори космически мащаб.

С нарастващия брой наблюдения на различни дължини на вълната и усъвършенстването на симулациите, все по-добре разбираме начините на „захранване“ на AGN, жизнените цикли на квазарите и механизмите на обратната връзка. В крайна сметка разплитането на взаимодействията между черните дупки и техните домакински галактики е ключов момент за разбирането на тъканта на Вселената – от ранните квазари до по-спокойните черни дупки, които сега се крият в купове от елиптични или спирални галактики.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Lynden-Bell, D. (1969). „Галактични ядра като срутени стари квазари.“ Nature, 223, 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). „Модели на черни дупки за активни галактични ядра.“ Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). „Обединени модели за активни галактични ядра и квазари.“ Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 31, 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). „Обединени схеми за радио-силни активни галактични ядра.“ Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). „Черни дупки в двойни системи. Наблюдателен вид.“ Astronomy & Astrophysics, 24, 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). „Маси на останки от квазари.“ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 200, 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). „Обединен, задвижван от сливане модел за произхода на звездни избухвания, квазари и сфеоиди.“ The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). „Спектрални енергийни разпределения и много дължиново селектиране на квазари тип 1.“ The Astrophysical Journal Supplement Series, 166, 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). „Наблюдателни доказателства за обратна връзка от активни галактични ядра.“ Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). „Коеволюция (или не) на свръхмасивните черни дупки и техните галактики домакини.“ Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653.
Върнете се в блога