Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Aktīvie galaktiku kodoli un kvazāri

Supermasīvas melnās caurums, kas rij vielu, izplūdes un ietekme uz zvaigžņu veidošanos

Viens no spožākajiem un dinamiskākajiem Visuma notikumiem parādās tad, kad supermasīvas melnās caurums (SMJS) galaktiku centros rij gāzes. Šajos tā sauktajos aktīvajos galaktiku kodolos (AGB) liels daudzums gravitācijas enerģijas pārvēršas elektromagnētiskajā starojumā, bieži pārsniedzot visu galaktiku. Lielākajā gaismas spektra daļā ir kvazāri, spoži AGN, redzami kosmiskos attālumos. Šie intensīvie melnās cauruma "barošanas" periodi var radīt spēcīgus izplūdus – starojuma spiediena, vēju vai relativistisku strūklu dēļ, kas pārkārto gāzes galaktikas iekšienē un pat var nomākt zvaigžņu veidošanos. Šajā rakstā apskatīsim, kā SMJS vada AGN aktivitāti, kādi ir kvazāru novērojamie pazīmes un klasifikācija, kā arī cik svarīga ir "atgriezeniskā saite" (angl. feedback), kas saista melnās cauruma augšanu ar galaktikas nākotni.

1. Kas ir aktīvās galaktikas kodoli

1.1 Centrālie dzinēji: supermasīvi melnie caurumi

Aktīvās galaktikas kodola centrā atrodas supermasīva melnā cauruma, kuras masa var sasniegt no vairākiem miljoniem līdz daudziem miljardiem Saules masu. Šie caurumi atrodas galaktiku kopās vai kodolos. Parastajos, zemas uzņemšanas apstākļos tie paliek diezgan mierīgi. AGN fāze sākas, kad pietiekami daudz gāzu vai putekļu sāk plūst iekšā – akretējot melnajā caurumā – un veido rotējošu akrecijas disku, atbrīvojot milzīgu elektromagnētiskā spektra starojumu [1, 2].

1.2 AGB klases un novērojumi

AGB rāda dažādas ārējās izpausmes:

  • Seyfert galaktikas: Vidēji spoža kodola aktivitāte spirālveida galaktikās, spilgtas emisijas līnijas no jonizētiem gāzu mākoņiem.
  • Kvazāri (QSO): Spilgtākie AGB, bieži dominē virs visas galaktikas gaismas, viegli pamanāmi kosmiskos attālumos.
  • Radio galaktikas / bleizari: AGB ar spēcīgām radio strūklām vai stipri virzītu starojumu mūsu virzienā.

Neskatoties uz acīmredzamām atšķirībām, šīs klases vairāk atspoguļo gaismas, redzes leņķa un vides īpatnības, nevis būtiski atšķirīgus dzinējus [3].

1.3 Vienotais modelis

Plašs „vienotais modelis“ pieņem centrālo SMJS un akrecijas disku, ko ieskauj platu līniju zona (PLS) ar ātras kustības mākoņiem un putekļainu toru. Novērotā starojuma veids (type 1 vai type 2) ir atkarīgs no orientācijas un torusa ģeometrijas. Gaismas vai melno caurumu masu atšķirības var pārvietot AGN no vāja gaismas Seyfert uz spožu kvazāru [4].

2. Akrecijas process

2.1 Akrecijas diski un gaisma

Dujoms krentant į SMJS gilų gravitacinį šulinį, formuojasi plonas akrecinis disks, kuriame gravitacinė potencialinė energija virsta šiluma ir šviesa. Klasikiniame Shakura-Sunyaev disko modelyje spinduliuotė gali būti didelė, kartais siekdama Eddingtono ribą:

LEdd ≈ 1.3×1038 (MBH / M⊙) erg s-1

ja melnais caurums rij pie Eddingtona robežas, tā masa var dubultoties aptuveni ~108 gadi. Kvazāri parasti sasniedz vai pārsniedz daļu no Eddingtona spožuma, izskaidrojot to īpašo spožumu [5, 6].

2.2 SMJS “barošana”

Galaktiku procesiem jānogādā gāzes no kiloparseku mēroga līdz subparseku apgabaliem ap melno caurumu:

  • Lentu vadīti plūsmas – iekšējās lentes vai spirālveida vijumu struktūras var lēnām (sekulāri) pārņemt gāzu leņķa momentu un nogādāt tās iekšā.
  • Saskares un saplūšanas – ar lielāku spēku lielas vai mazas saplūšanas ātri piegādā lielu gāzu daudzumu kodolam, iedegot kvazāra stadijas.
  • Atdzišanas plūsmas – bagātīgos kopu centros atdziestošās kopu gāzes var plūst uz galaktikas centru, barojot melno caurumu.

Priartējoties pie melnā cauruma, vietējās nestabilitātes, triecieni un viskozitāte turpina noteikt vielas pieplūdi galīgajā akrecijas diskā [7].

3. Kvazāri: spožākie AGB

3.1 Vēsturiska atklāšana

Kvazāri (angļu val. “quasi-stellar objects”) 1960. gados tika atpazīti kā punktveida, bet ļoti lielā sarkanā nobīdes avoti, kas nozīmē milzīgu spožumu. Drīz kļuva skaidrs, ka tie ir galaktiku kodoli, kuros melnais caurums tik intensīvi rij gāzes, ka tie ir redzami pat miljardu gaismas gadu attālumā, tādējādi kļūstot par svarīgiem agrīnas Visuma pētījumu rādītājiem.

3.2 Daudzspektrāla starojuma izplatība

Kvazāru milzīgā spožuma diapazons aptver radio (ja ir strūklas), infrasarkanos (putekļi toros), optiskos/UV (akrecijas diska spektrs) un X starus (diska vainags, relativistiskie izvadi). Spektrā parasti ir spilgtas platas emisijas līnijas no lielas ātruma mākoņiem tuvu melnajai caurumam un iespējams šaurās līnijas no tālākām gāzēm [8].

3.3 Kosmoloģiskā nozīme

Kvazāru daudzums bieži sasniedz maksimumu pie z ∼ 2–3, laikā, kad galaktikas aktīvi veidojās. Tie iezīmē agrīnu lielāko melno caurumu augšanu kosmiskajā vēsturē. Kvazāru absorbcijas līniju pētījumi arī atklāj starpējās gāzes un starpgalaktiskās vides struktūru.

4. Izplūdi un atgriezeniskā saite

4.1 AGB izraisīti vēji un strūklas

Akrecijas diski rada spēcīgu starojuma spiedienu vai magnētiskos laukus, no kuriem rodas dipolāri izplūdi, kas var sasniegt tūkstošiem km/s. Radio spožos AGB sastopamas relativistiskas strūklas, kas tuvojas gaismas ātrumam un stiepjas tālu aiz galaktikas robežām. Šie izplūdi var:

  • Izstumt vai uzkarsēt gāzes, nomācot zvaigžņu veidošanos telpā.
  • Transportēt metālus un enerģiju uz halu vai starpgalaktisko vidi.
  • Nomākt vai veicināt zvaigžņu veidošanos lokāli, atkarībā no triecienviļņu saspiešanas vai gāzu izvadīšanas [9].

4.2 Ietekme uz zvaigžņu veidošanos

AGN atgriezeniskā saite, t.i., doma, ka aktīvie melnie caurumi var būtiski mainīt visas galaktikas stāvokli, ir kļuvusi par būtisku mūsdienu galaktiku veidošanās modeļu daļu:

  1. Kvazāra režīms: Augstas spožuma epizodes ar spēcīgām strūklām, kas var aiznest milzīgu aukstu gāzu daudzumu un tādējādi nomākt zvaigžņu veidošanos.
  2. Radio režīms: Mazāk spoži AGN ar strūklām, kas silda apkārtējās gāzes (piemēram, kopu centros) un neļauj tām atdzist un sakrist.

Šī ietekme palīdz izskaidrot masīvo eliptisko "sarkano" krāsu un novērotās (piemēram, melnā cauruma masas un telpas masas) saistības, kas sasaista SMJS izaugsmi un galaktikas evolūciju [10].

5. Galaktiku saimnieki un AGB vienotība

5.1 Saplūšana pret sekulāru aktivizācijas avotu

Novērojumu dati liecina, ka AGB aktivizāciju var izraisīt dažādi scenāriji:

  • Lielās saplūšanas: Gāzēm bagātas sadursmes īsā laikā piegādā kodolam lielu gāzu daudzumu, pacēšot melno caurumu kvazāra stāvoklī. Tas var sakrist ar zvaigžņu veidošanās uzliesmojumu, pēc kura zvaigžņu veidošanās tiek nomākta.
  • Sekulāras cēloņi: Joslu vai nelielu plūsmu vadīta stabila melnā cauruma "barošana" var uzturēt vidēju Seyfert kodola spožumu.

Visgaišākie kvazāri bieži rāda plūdu izkropļojumus vai morfoloģiskas pazīmes par nesenām saplūšanām, kamēr mazāk spožus AGN var atrast gandrīz netraucētās diska galaktikās ar joslām vai pseidotelpām.

5.2 Saistība starp telpu un melno caurumu

Novērojumi liecina par ciešu saistību starp melno caurumu masu (MBH) un zvaigžņu dispersijas ātrumu (σ) vai masu telpā – tā saukto MBH–σ likumu. Tas liek domāt, ka melnā cauruma "barošana" un telpas veidošanās ir cieši saistītas, atbalstot hipotēzi, ka aktīvais kodols var regulēt zvaigžņu veidošanos telpā un otrādi.

5.3 AGB aktivitātes cikli

Kosmiskā laikā katra galaktika var piedzīvot daudzus AGB posmus. Bieži melnā cauruma akrecija notiek tikai daļu laika tuvu Eddingtona robežai, veidojot spožus AGN vai kvazāru uzliesmojumus. Kad gāzu rezerves izsīkst vai tiek izpūstas, AGB norimst, un galaktika atkal kļūst "normāla", ar miegainu centrālo melno caurumu.

6. AGB novērošana kosmiskā mērogā

6.1 Tālo kvazāru pētījumi

Kvazāri ir redzami līdz ļoti lieliem sarkano nobīžu rādītājiem, pat virs z > 7, tāpēc tie jau spīdēja Visuma pirmajā miljardā gadu. Joprojām pastāv jautājums, kā SMJS tik ātri izauga: iespējams, "sēklas" jau bija lielas (piemēram, tiešas sabrukšanas dēļ) vai notika epizodes, kas pārsniedza Eddingtona akrecijas ātrumu. Novērojot šos tālos kvazārus, varam pētīt jonizācijas laikmetu un agrīnu galaktiku veidošanos.

6.2 Daudzkanālu kampaņas

Tādas pārskata programmas kā SDSS, 2MASS, GALEX, Chandra un jaunas misijas kā JWST, kā arī nākotnes jaudīgie zemes teleskopi aptver AGB no radio līdz rentgena starojumam, plašāk aptverot visu spektru no zema spožuma Seyfert līdz ļoti spožiem kvazāriem. Tajā pašā laikā integrālā lauku spektroskopija (piemēram, MUSE, MaNGA) atklāj saimniekorganisma kinemātiku un zvaigžņu veidošanās sadalījumu ap kodolu.

6.3 Gravitācijas lēšošana

Dažkārt kvazārus, kas atrodas aiz masīviem kopumiem, ietekmē gravitācijas lēšošana, kas rada palielinātus attēlus, atklājot AGN smalkākas struktūras vai ļoti precīzu spožuma attālumu. Šādi fenomeni ļauj precizēt melno caurumu masas novērtējumus un pētīt kosmoloģiskos parametrus.

7. Teorētiskā un simulāciju perspektīva

7.1 Disku akrecijas fizika

Klasiskie Shakura-Sunyaev alfa diska modeļi, uzlaboti ar magnetohidrodinamikas (MHD) akrecijas simulācijām, izskaidro, kā tiek pārnests leņķiskais moments un kā diska viskozitāte nosaka akrecijas ātrumu. Magnētiskie lauki un turbulences ir īpaši svarīgas, ģenerējot izvades plūsmas vai strūklas (piemēram, Blandford–Znajek mehānisms, kas saistīts ar rotējošām melnajām caurumiem).

7.2 Liela mēroga galaktiku evolūcijas modeļi

Kosmoloģiskās simulācijas (piemēram, IllustrisTNG, EAGLE, SIMBA) arvien vairāk iekļauj detalizētas AGB atgriezeniskās saites receptes, lai saskaņotu novēroto galaktiku krāsu divdabību, melno caurumu–kodolmasas saikni un zvaigžņu veidošanās nomākšanu masīvos haloes. Šie modeļi rāda, ka pat īsi kvazāru epizodi var būtiski mainīt saimniekorganisma gāzu likteni.

7.3 Nepieciešamība precizēt atgriezeniskās saites fiziku

Lai arī progress ir liels, joprojām pastāv neskaidrības par to, kā tieši enerģija mijiedarbojas ar daudzfāzu starpzvaigžņu gāzēm. Lai "saistītu" parseka mēroga akrecijas fiziku ar kiloparseka mēroga zvaigžņu veidošanās regulēšanu, ir nepieciešams izprast detaļas par strūklu un starpzvaigžņu vides mijiedarbību, vēja ieplūdi vai putekļaino toru ģeometriju.

8. Secinājumi

Aktīvie galaktiku kodoli un kvazāri atspoguļo enerģētiski visjaudīgākos galaktiku kodolu posmus, ko vada supermasīvo melno caurumu akrecija. Izstarojot enerģiju un izraisot plūsmas, tie dara vairāk nekā tikai spīd – tie maina mātes galaktikas, nosaka zvaigžņu veidošanās vēsturi, kopu attīstību vai pat plaša mēroga vidi caur atgriezenisko saiti. Neatkarīgi no tā, vai tos iedarbina lielas apvienošanās vai lēna, sekla gāzu plūsma, AGN uzsver ciešo saikni starp melno caurumu un galaktiku attīstību – parādot, ka pat neliels akrecijas disks var ietekmēt galaktiku vai pat kosmiskā mērogā.

Ar novērojumu dažādos viļņu garumos un simulāciju pilnveidošanos mēs arvien labāk izprotam AGN "barošanas" mehānismus, kvazāru dzīves ciklus un atgriezeniskās saites mehānismus. Galu galā melno caurumu un to mātes galaktiku mijiedarbības izpēte ir izšķirošs moments Visuma auduma izpratnē – no agrīnajiem kvazāriem līdz mierīgākiem melnajiem caurumiem, kas pašlaik atrodas eliptisko vai spirālveida galaktiku kopās.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Lynden-Bell, D. (1969). “Galaktiku kodoli kā sabrukuši veci kvazāri.” Nature, 223, 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). “Melno caurumu modeļi aktīviem galaktiku kodoliem.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). “Vienoti modeļi aktīviem galaktiku kodoliem un kvazāriem.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 31, 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). “Vienoti modeļi radio skaļiem aktīviem galaktiku kodoliem.” Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). “Melnie caurumi binārajās sistēmās. Novērojumu izskats.” Astronomy & Astrophysics, 24, 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). “Kvazāru atliekas masas.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 200, 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). “Vienots, apvienojumu virzīts modelis zvaigžņu sprādzienu, kvazāru un sfēroīdu izcelsmei.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). “Spektrālās enerģijas sadalījumi un daudzviļņu garuma 1. tipa kvazāru atlase.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 166, 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). “Novērojumu pierādījumi par aktīvo galaktiku kodolu atgriezenisko saiti.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). “Supermasīvo melno caurumu un to mātes galaktiku koevolūcija (vai tās neesamība).” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653.
Atgriezties emuārā