Aktivne galaktičke jezgre i kvazari

Pojam aktivna galaktička jezgra, odnosno AGN, označava kompaktan središnji izvor koji pokreće akrecija na masivnu crnu rupu. Obuhvaća izvore vrlo različite svjetline i izgleda. Galaksija može zadržati središnju crnu rupu još dugo nakon što se ugasi njezino sjajno aktivno razdoblje.

Mnoge poznate AGN-ove pokreću crne rupe čija se masa kreće od milijuna do milijardi Sunčevih masa, no aktivnost crnih rupa javlja se i u sustavima s manjom masom. Veliko središnje zvjezdano jato galaksije nije nužan uvjet.[16]

Tok se mijenja ovisno o uvjetima dovoda tvari. U slabo hranjenim jezgrama mogu biti prisutni vrući, rijetki plinovi koji neučinkovito zrače. Pri vrlo velikoj brzini dotoka tvari mogu postati važni deblji tokovi, snažni vjetrovi i zarobljeno zračenje.[1], [3]

Dakle, samo masa crne rupe ne određuje njezinu svjetlosnu snagu. Važno je i koliko tvari dospije do unutarnjeg dijela akrecijskog toka te kako taj tok oslobađa energiju.

Plin koji stiže do crne rupe obično ima kutni moment, veličinu povezanu s njegovim orbitalnim gibanjem. Ne može jednostavno padati ravno prema unutra. Naprezanja u toku prenose kutni moment između područja, pa se dio tvari može približiti crnoj rupi.

Magnetska polja i turbulencija iznimno su važni za ovaj prijenosni proces. Kako se plin kreće prema unutra, energija orbitalnog gibanja može se pretvoriti u toplinu, zračenje ili energiju koju odnose izlazni tokovi.[2]

Učinkovitost od 10 % koristan je primjer, a ne konstanta jednaka za sve crne rupe. Osim toga, ne dospijeva nužno sav plin koji se dovodi iz velike okolice do unutarnjeg dijela toka koji zrači.[1]

Ovi nazivi ne označavaju uzastopne faze razvoja galaksije. Obuhvaćaju različita opažena svojstva, a kategorije koje označavaju mogu se preklapati.[5], [7]

Tipovi 1 i 2: što je vidljivo u spektru?

Osvijetljeni plin blizu jezgre često se kreće velikom brzinom i stvara široke emisijske linije. Plin raspršen u većem prostoru obično stvara uže linije. Prema standardnom modelu zaklanjanja, okolni prašnjavi materijal određuje vidimo li područje širokih linija izravno.

Ljubičasti ovali površine su presjeka okolnog prašnjavog materijala. Mali oblaci uz disk prikazuju plin koji emitira široke linije; oblaci dalje duž polarne šupljine prikazuju plin koji emitira uske linije. Strelice označavaju smjer pogleda promatrača. U obje sheme koristi se ista pojednostavljena geometrija, mjerilo veličina nije očuvano; otvoreno područje nije mlaz.

Orientacija paaiškina daugelį tipų skirtumų, tačiau tikrieji AGN taip pat skiriasi sandara, akrecijos būsena ir užstojimo laipsniu.[5], [8]

Įprastai vaizduojamas dulkėtas „toras“ nebūtinai turi būti glotni, standi riestainio formos struktūra. Stebėjimai skatina svarstyti modelius su atskirais dulkių telkiniais ir dulkėtų diskų bei ištekų deriniais. Dulkės sugeria dalį centrinės spinduliuotės ir vėl ją išspinduliuoja infraraudonojoje srityje.[6]

Dujos turi nukeliauti nuo galaktikos mastelių iki gerokai mažesnio akrecinio srauto. Prie to gali prisidėti keli procesai, o kiekviename etape medžiagos tiekimas gali nutrūkti arba pakeisti kryptį.

Todėl pasiekti centrinį dujų telkinį – tik dalis kelionės. Nėra griežtos taisyklės, kad susiliejimai sukuria kvazarus, o skersės – Seiferto galaktikas.[10]

AGN turinčių galaktikų tyrimuose nustatomos skirtingos sąsajos su susiliejimais, priklausomai nuo to, kaip atrenkami branduoliai ir sutrikdytos galaktikos. Kai kuriose populiacijose sąsajos stiprios; daugelyje aktyvių galaktikų nėra akivaizdžių neseno stambaus susiliejimo požymių. Vien šviesis neparodo, kas sukėlė aktyvumą.[11]

Aktyvumas kinta įvairiais laiko masteliais

Spartūs šviesio svyravimai atspindi pokyčius kompaktiškuose spinduliuojančiuose regionuose. Ilgesni padidėjusios akrecijos epizodai prisideda prie juodosios skylės augimo, o didesnėje erdvėje išsklidusios dujos ir radijo diapazone matomos struktūros gali išsaugoti ankstesnio aktyvumo pėdsakus. Tai skirtingi AGN istorijos rodikliai.[12], [13]

AGN-i promjenjiva izgleda mogu početi pokazivati izražene široke emisijske linije ili ih prestati pokazivati, iako se naš smjer promatranja u biti ne mijenja. Promjene u stanju akrecije ili zaklanjanju pomažu objasniti takvo ponašanje i pokazuju zašto sama orijentacija nije dovoljna.[8]

Kombiniranje podataka iz različitih dijelova spektra olakšava razlikovanje AGN-a od njegove okoline i procjenu njegove ukupne snage zračenja. Nijednom pojedinačnom valnom duljinom ne mogu se otkriti sve aktivne jezgre.[4], [5], [6], [7], [14]

Reverberacijsko kartiranje: mjerenje svjetlosnog odjeka

Kad se promijeni središnje zračenje, obližnji plin ili prašina mogu reagirati nakon određenog vremena. Takvo kašnjenje u sustavu mirovanja izvora— korigirano za kozmološko rastezanje vremena — omogućuje određivanje karakteristične udaljenosti do materije koja reagira na temelju vremena putovanja svjetlosti.

Povezivanjem vremena odziva širokih emisijskih linija s njihovom širinom, izraženom u jedinicama brzine, može se procijeniti masa crne rupe. Rezultat ovisi o geometriji plina koji zrači, kutu gledanja i gibanju; to nije izravno vaganje crne rupe.[13]

Spektroskopska opažanja koja omogućuju prostorno razlučivanje različitih područja pružaju dodatne informacije o plinu i zvijezdama udaljenijima od jezgre. Opažanje središnjeg izvora i okolne galaksije pomaže povezati brze promjene u jezgri s učincima na većim razmjerima.

Nema svaki AGN snažne mlazove. U velikom istjecaju može biti i plina zahvaćenog putem, pa se on ne mora sastojati samo od tvari izbačene u blizini akrecijskog diska.[10], [14]

Prema Blandford-Znajekovu mehanizmu, magnetska polja koja prolaze kroz rotirajuću crnu rupu omogućuju korištenje energije njezine rotacije za održavanje snage mlaza. Time se opisuje izvlačenje energije kroz okolno elektromagnetsko polje, a ne bijeg tvari iz unutrašnjosti horizonta događaja.[3]

Mlazovi i vjetrovi mogu djelovati zajedno. Pojmovi poput „radijskog režima” i „kvazarskog režima” korisne su kratice u nekim modelima, no stvarni izvori ne moraju odgovarati dvama međusobno isključivim stanjima.[14]

Povratni utjecaj AGN-a znači da energija i količina gibanja aktivne jezgre utječu na okolnu tvar. Taj utjecaj može promijeniti količinu plina dostupnu za stvaranje zvijezda tako što ga zagrijava, pokreće ili mijenja njegovu sposobnost hlađenja i sažimanja.

Otkriveni poremećeni plinovi ili plinovi koji istječu ne dokazuju da je stvaranje zvijezda trajno potisnuto u cijeloj galaksiji. Plinovi mogu ostati gravitacijski vezani ili se vratiti, a lokalno pojačano stvaranje zvijezda može se odvijati istodobno s njegovim potiskivanjem na široj skali. Dugoročni ishod ovisi o tome kako tok koji istječe djeluje s različitim fazama plina.[14]

Čista opažajna baza: šupljine u vrućim atmosferama

U središnjim galaksijama mnogih skupina galaksija i jata radijski mlazovi stvaraju šupljine u okolnom plinu koji zrači rendgenskim zrakama. Njihova mehanička energija pomaže nadoknaditi gubitak energije zračenjem pri hlađenju. Dio plina ipak se hladi, a stvaranje zvijezda djelomično se nastavlja: opažanja pokazuju da se ono regulira ponavljanim epizodama aktivnosti.[15]

Veza između crne rupe i središnjeg skupa zvijezda galaksije

Masa crne rupe korelira sa svojstvima središnjih skupova zvijezda u klasičnim galaksijama i eliptičnih galaksija, uključujući disperziju brzina zvijezda, označenu s σ. To je disperzija brzina zvijezda galaksije domaćina - mjerena veličina koja se razlikuje od širine emisijskih linija plina u jezgri.

Te veze potkrepljuju povezanost rasta crnih rupa i nastanka galaksija, ali ne dokazuju nijedan pojedinačni mehanizam povratnog djelovanja. Druge sastavnice galaksija imaju drukčije veze, a utjecaja mogu imati i zajednička povijest rasta ili ponavljana spajanja.[16]

Modeliranje galaksija koristi opise povratnog djelovanja koji povezuju fizičke procese u središtu, nerazlučive u modelu, s plinom raspoređenim na većim mjerilima. Njihovu uspješnost najbolje je procjenjivati istodobno prema više aspekata opažanja, uključujući raspodjelu plina, hlađenje, stvaranje zvijezda i populacije crnih rupa.[10], [14]

Pregledna istraživanja kvazara omogućuju rekonstrukciju promjena u brojnosti aktivnih crnih rupa tijekom vremena. Kombiniranje infracrvenih, optičkih i rendgenskih uzoraka pomaže uzeti u obzir izvore koji nisu otkriveni zbog zaklanjanja ili odabira. Utvrđena povijest razvoja ovisi i o sjaju i o kozmičkoj epohi.[19]

Prije nego što je prošla prva milijarda godina postojanja svemira, neke crne rupe mase milijardu Sunaca već su bile aktivne. Njihov rast ovisi o nekoliko čimbenika zajedno: početnoj sjemenki, vremenu njezina nastanka, neprekidnoj opskrbi materijom, učinkovitosti zračenja i mogućim razdobljima vrlo brze akrecije.[18]

Više o tom ranom razdoblju pročitajte u člancima „Aktivne galaktičke jezgre u mladom svemiru“ i „Sjemenke supermasivnih crnih rupa“.

Pozadinska svjetlost za proučavanje plinova na putu

Dok se svjetlost kvazara širi svemirom, plinovi na njezinu putu apsorbiraju svjetlost određenih valnih duljina. Nastali apsorpcijski tragovi otkrivaju tvar između nas i izvora. Pri velikom crvenom pomaku pomažu znanstvenicima proučavati promjenjivo stanje ionizacije ranog svemira.[18]

Različite slike, različito vrijeme dolaska svjetlosti

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 paties centrinio šaltinio spinduliuotės pokyčius. Kiekvienas metodas kintamumą paverčia skirtingo pobūdžio matavimu.[13], [20]