Активни галактични ядра и квазари

Терминът активно галактично ядро, или AGN, обозначава компактен централен източник, захранван от акреция върху масивна черна дупка. Терминът обхваща източници с много различна светимост и външен вид. Галактиката може да запази централната си черна дупка дълго след като ярката активна фаза затихне.

В много от добре познатите активни галактични ядра (AGN) има черни дупки с маса от милиони до милиарди слънчеви маси, но активност на черна дупка се среща и в системи с по-малка маса. Голямото централно звездно струпване в галактиката не е задължително условие.[16]

Потокът се променя в зависимост от условията на снабдяване с материя. В бедно захранваните ядра може да има горещ газ с ниска плътност, който излъчва неефективно. При много висока скорост на вливане важни могат да станат по-дебелите потоци, силните ветрове и уловеното излъчване.[1], [3]

Следователно само масата на черната дупка не определя светимостта ѝ. Важно е и колко материя достига до вътрешната част на акреционния поток и как този поток освобождава енергия.

Газът, който достига до черната дупка, обикновено има ъглов момент — величина, свързана с орбиталното му движение. Той не може просто да пада право навътре. Напреженията в потока пренасят ъглов момент между областите, така че част от материята може да се приближи до черната дупка.

Магнитните полета и турбуленцията са особено важни за този процес на пренос. Докато газът се движи навътре, енергията на орбиталното движение може да се превърне в топлина, излъчване или енергия, отнасяна от изходящи потоци.[2]

Ефективност от 10 % е полезен пример, а не константа, еднаква за всички черни дупки. Освен това не непременно целият газ, подаван от околната среда в голям мащаб, достига до излъчващата вътрешна част на потока.[1]

Тези наименования не означават последователни етапи в развитието на галактиката. Те обхващат различни наблюдавани свойства, а категориите, които обозначават, може да се припокриват.[5], [7]

Типове 1 и 2: какво се вижда в спектъра?

Осветеният газ близо до ядрото често се движи с висока скорост и създава широки емисионни линии. Газът, разпръснат в по-голям обем, обикновено създава по-тесни линии. Според стандартния модел на закриване околният прашен материал определя дали виждаме пряко централната област на широките линии.

Лилавите овали са повърхности на сечение на околния прашен материал. Малките облаци близо до диска изобразяват газ, излъчващ широки линии; облаците по-далеч по протежение на полярния отвор изобразяват газ, излъчващ тесни линии. Стрелките обозначават посоката на погледа на наблюдателя. И в двете схеми е използвана една и съща опростена геометрия, мащабът на размерите не е спазен; отворената област не е струя.

Ориентацията обяснява много от разликите между типовете, но истинските AGN се различават и по своята структура, състояние на акреция и степен на закриване.[5], [8]

Обичайно изобразяваният прашен „тор“ не е задължително гладка, твърда структура с форма на поничка. Наблюденията насърчават разглеждането на модели с отделни прахови сгъстявания и комбинации от прашни дискове и изтичания. Прахът поглъща част от централното излъчване и го излъчва отново в инфрачервения диапазон.[6]

Газът трябва да измине пътя от галактичните мащаби до акреционния поток, който е значително по-малък. Няколко процеса могат да допринесат за това, а на всеки етап снабдяването с материя може да се прекъсне или да промени посоката си.

Следователно достигането до централен газов резервоар е само част от пътя. Няма строго правило, според което сливанията създават квазари, а прътите - сейфертoви галактики.[10]

Изследванията на галактики с AGN установяват различни връзки със сливанията в зависимост от начина на подбор на ядрата и нарушените галактики. В някои популации връзките са силни; при много активни галактики няма очевидни признаци за скорошно мащабно сливане. Само яркостта не показва какво е предизвикало активността.[11]

Активността се променя в различни времеви мащаби

Бързите колебания на яркостта отразяват промените в компактни излъчващи области. По-продължителните епизоди на засилена акреция допринасят за растежа на черната дупка, а разпръснатият на по-големи пространства газ и структурите, видими в радиодиапазона, могат да запазят следи от предишна активност. Това са различни показатели за историята на AGN.[12], [13]

AGN с променящ се вид може да започне да показва ярки широки емисионни линии или те да изчезнат, въпреки че посоката на наблюдение по същество не се променя. Промените в състоянието на акреция или в засенчването помагат да се обясни това поведение и показват защо само ориентацията не е достатъчна.[8]

Комбинирането на данни от различни части на спектъра улеснява разграничаването на AGN от околната му среда и оценяването на общата му мощност на излъчване. Невъзможно е да се открият всички активни ядра в един-единствен диапазон от дължини на вълните.[4], [5], [6], [7], [14]

Реверберационно картографиране: измерване на светлинното ехо

Когато централното излъчване се промени, газът или прахът наблизо може да реагира след известно време. Това закъснение в отправната система на покой на източника— коригирано за космологичното забавяне на времето — позволява характерното разстояние до реагиращата материя да се определи по времето за разпространение на светлината.

Чрез свързване на времето за реакция на широките емисионни линии с ширината им, изразена в единици за скорост, може да се оцени масата на черната дупка. Резултатът зависи от геометрията и движението на излъчващия газ, както и от ъгъла на наблюдение; това не е пряко претегляне на черната дупка.[13]

Спектроскопските наблюдения, които позволяват пространствено да се разграничат различни области, дават допълнителна информация за газа и звездите по-далеч от ядрото. Наблюдението както на централния източник, така и на околната галактика помага да се свържат бързите промени в ядрото с въздействието им в по-голям мащаб.

Не всеки AGN има мощни джетове. В големия изтичащ поток може да има и увлечен по пътя газ, така че той не е задължително съставен само от материя, изхвърлена близо до акреционния диск.[10], [14]

Според механизма на Бландфорд–Знайек магнитните полета, пресичащи въртящата се черна дупка, позволяват енергията ѝ на въртене да се използва за поддържане на мощността на джета. Така се описва извличането на енергия чрез околното електромагнитно поле, а не излизането на материя от вътрешността на хоризонта на събитията.[3]

Джетовете и ветровете могат да действат заедно. Термини като „радиорежим“ и „квазарен режим“ са полезни съкратени названия в някои модели, но реалните източници не е задължително да съответстват на две взаимно изключващи се състояния.[14]

Обратното въздействие на AGN означава, че енергията и импулсът на активното ядро въздействат върху околната материя. Това въздействие може да промени количеството газ, достъпно за формиране на звезди, като го нагрее, раздвижи или промени способността му да се охлажда и свива.

Откритите разбъркани или изтичащи газове не доказват, че звездообразуването е потиснато завинаги в цялата галактика. Газът може да остане гравитационно свързан или да се върне, а локално засилване на звездообразуването може да протича едновременно с потискането му в по-широк мащаб. Дългосрочният резултат зависи от това как изтичащият поток взаимодейства с различните фази на газа.[14]

Качествени наблюдателни данни: кухини в горещи атмосфери

В централните галактики на много групи и купове от галактики радиоструи образуват кухини в околните рентгеново излъчващи газове. Механичната им енергия помага да се компенсира радиационното охлаждане. Част от газа все пак се охлажда, а звездообразуването продължава отчасти: наблюденията показват регулиране чрез повтарящи се епизоди на активност.[15]

Връзката между черната дупка и централната изпъкналост на галактиката

Масата на черната дупка корелира със свойствата на централните изпъкналости на класическите галактики и на елиптичните галактики, включително дисперсията на скоростите на звездите, означена с σ. Това е дисперсията на скоростите на звездите в галактиката домакин – величина, различна от ширината на емисионните линии на газа в ядрото.

Тези връзки подкрепят взаимовръзката между растежа на черните дупки и формирането на галактиките, но не доказват някой конкретен механизъм на обратна връзка. Други компоненти на галактиките имат различни връзки, а общата история на растежа или повтарящите се сливания също може да оказват влияние.[16]

В моделите на галактики се използват описания на обратната връзка, които свързват физичните процеси в центъра, неразличими в модела, с газовете, разпределени в по-големи мащаби. Успехът им се оценява най-добре чрез съвместно разглеждане на няколко наблюдателни показателя, включително разпределението на газа, охлаждането, звездообразуването и популациите от черни дупки.[10], [14]

Обзорните изследвания на квазарите позволяват да се проследи как се е променял броят на активните черни дупки с течение на времето. Съчетаването на инфрачервени, оптични и рентгенови извадки помага да се отчетат източниците, останали незабелязани поради закриване или подбор. Установената история на еволюцията зависи както от светимостта, така и от космическата епоха.[19]

Още преди да е изминал първият милиард години от съществуването на Вселената, някои черни дупки с маса от милиард слънчеви маси вече са били активни. Растежът им зависи от съчетанието на няколко фактора: първоначалния зародиш, времето на образуването му, непрекъснатостта на снабдяването с материя, ефективността на излъчване и възможните периоди на много бърза акреция.[18]

Прочетете повече за този ранен период в статиите „Активни галактични ядра в младата Вселена“ и „Зародишите на свръхмасивните черни дупки“.

Фонова светлина за изследване на газовете по пътя ѝ

Докато светлината от квазара се разпространява през пространството, газовете по пътя ѝ поглъщат светлина с определени дължини на вълната. Получените характеристики на поглъщане разкриват материята между нас и източника. При голямо червено отместване те помагат на учените да изследват променящото се състояние на йонизация на ранната Вселена.[18]

Множество изображения, различно време на пристигане на светлината

Tarp mūsų ir kvazaro esanti galaktika, o kartais galaktikų grupė ar spiečius, dėl gravitacinio lęšio efekto gali sukurti kelis kvazaro atvaizdus. Šviesio svyravimas šiuose atvaizduose pasirodo skirtingu metu, nes šviesa gravitaciniame lauke sklinda skirtingais keliais.

Šios delsos kartu su lęšio ir išilgai regėjimo linijos esančios medžiagos modeliu leidžia apriboti laiko delsos atstumą: tam tikrą kosmologinių atstumų derinį, jautrų plėtimosi spartai. Tikslumas priklauso nuo masės pasiskirstymo modeliavimo; vien didinimas savaime neužtikrina tikslaus šviesio atstumo.[20]

Gravitacinio lęšiavimo tyrimuose naudojamos delsos susidaro šviesai sklindant atskirais keliais per kosminę erdvę. Reverberacijos delsos atsiranda, kai šalia kvazaro esančios dujos ar dulkės reaguoja į jo centrinio šaltinio spinduliuotės pokyčius. Kiekvienas metodas kintamumą paverčia skirtingo pobūdžio matavimu.[13], [20]