Nuclee active de galaxii și quasaruri

Termenul nucleu galactic activ, sau AGN, desemnează o sursă centrală compactă, alimentată de acreția de materie într-o gaură neagră masivă. Termenul cuprinde surse cu luminozități și aspecte foarte diferite. O galaxie poate păstra o gaură neagră centrală mult timp după ce faza luminoasă de activitate se stinge.

Multe nuclee galactice active (AGN) cunoscute găzduiesc găuri negre cu mase de la milioane la miliarde de mase solare, dar activitatea găurilor negre apare și în sisteme cu masă mai mică. Un roi stelar central masiv al galaxiei nu este o condiție necesară.[16]

Fluxul se schimbă în funcție de condițiile de alimentare cu materie. Nucleele alimentate slab pot conține gaz fierbinte și rarefiat, care radiază ineficient. La rate foarte mari ale fluxului de materie spre interior, pot deveni importante fluxurile mai groase, vânturile puternice și radiația captată.[1], [3]

Așadar, masa găurii negre, de una singură, nu îi determină luminozitatea. Contează și câtă materie ajunge în regiunea interioară a fluxului de acreție și cum eliberează acesta energia.

Gazul care ajunge lângă gaura neagră are, de obicei, moment cinetic, o mărime asociată mișcării sale orbitale. Nu poate cădea pur și simplu direct spre interior. Tensiunile din flux transferă moment cinetic între regiuni, permițând unei părți din materie să se apropie de gaura neagră.

Câmpurile magnetice și turbulența sunt esențiale pentru acest proces de transport. Pe măsură ce gazul se deplasează spre interior, energia mișcării orbitale se poate transforma în căldură, radiație sau energie transportată de fluxurile de ieșire.[2]

O eficiență de 10 % este un exemplu util, nu o constantă universală pentru toate găurile negre. În plus, nu toate gazele furnizate din mediul la scară largă ajung neapărat în regiunea interioară a fluxului care radiază.[1]

Aceste denumiri nu reprezintă etape succesive ale evoluției unei galaxii. Ele cuprind diverse proprietăți observabile, iar categoriile pe care le indică se pot suprapune.[5], [7]

Tipurile 1 și 2: ce se vede în spectru?

Gazul iluminat din apropierea nucleului se deplasează adesea cu viteză mare și produce linii de emisie largi. Gazul răspândit într-o regiune mai largă produce de obicei linii mai înguste. Conform modelului standard al obscurării, materialul prăfuit din jur determină dacă vedem direct regiunea centrală a liniilor largi.

Suprafața tăiată a materialului prăfuit din jur este reprezentată prin ovale violete. Norii mici de lângă disc reprezintă gazul care emite linii largi; norii aflați mai departe, de-a lungul deschiderii polare, reprezintă gazul care emite linii înguste. Săgețile indică direcția privirii observatorului. Ambele scheme folosesc aceeași geometrie simplificată, fără respectarea scării dimensiunilor; regiunea deschisă nu este un jet.

Orientarea explică multe dintre diferențele dintre tipuri, însă AGN-urile reale diferă și prin structură, starea de acreție și gradul de obscurare.[5], [8]

„Torul” prăfuit reprezentat în mod obișnuit nu trebuie neapărat să fie o structură netedă și rigidă, în formă de gogoașă. Observațiile încurajează luarea în considerare a unor modele cu aglomerări distincte de praf și combinații de discuri prăfuite și fluxuri de ieșire. Praful absoarbe o parte din radiația centrală și o emite din nou în infraroșu.[6]

Gazul trebuie să parcurgă distanța de la scara galactică până la un flux de acreție mult mai mic. Pot contribui mai multe procese, iar alimentarea cu materie se poate întrerupe sau își poate schimba direcția în fiecare etapă.

Prin urmare, ajungerea la rezervorul central de gaz este doar o parte a călătoriei. Nu există o regulă strictă potrivit căreia fuziunile creează quasari, iar barele, galaxii Seyfert.[10]

Studiile galaxiilor care găzduiesc AGN identifică diferite asocieri cu fuziunile, în funcție de modul de selectare a nucleelor și a galaxiilor perturbate. În unele populații, asocierile sunt puternice; multe galaxii active nu prezintă semne evidente ale unei fuziuni majore recente. Luminozitatea singură nu arată ce a declanșat activitatea.[11]

Activitatea variază pe scări de timp diverse

Variațiile rapide de strălucire reflectă schimbările din regiunile compacte care emit radiație. Episoadele mai lungi de acreție intensificată contribuie la creșterea găurii negre, iar gazele răspândite pe o suprafață mai mare și structurile vizibile în domeniul radio pot păstra urmele activității anterioare. Acestea sunt indicatori diferiți ai istoricului AGN.[12], [13]

AGN-urile cu aspect variabil pot începe să prezinte linii de emisie largi și luminoase sau pot înceta să le mai prezinte, chiar dacă direcția noastră de observare rămâne în esență neschimbată. Schimbările stării de acreție sau ale ecranării ajută la explicarea acestui comportament și arată de ce orientarea singură nu este suficientă.[8]

Combinarea datelor din diferite regiuni ale spectrului facilitează diferențierea AGN-ului de mediul său și estimarea puterii totale a radiației emise de acesta. Niciun singur domeniu de lungimi de undă nu permite detectarea tuturor nucleelor active.[4], [5], [6], [7], [14]

Cartografierea reverberației: măsurarea ecoului luminii

Când radiația centrală se modifică, gazele sau praful din apropiere pot reacționa după un anumit timp. Această întârziere în sistemul de referință propriu al sursei— corectată pentru dilatarea cosmologică a timpului — permite determinarea unei distanțe caracteristice până la materia care reacționează, pe baza timpului de propagare a luminii.

Corelând timpul de răspuns al liniilor de emisie largi cu lățimea lor, exprimată în unități de viteză, se poate estima masa găurii negre. Rezultatul depinde de geometria gazului emitător, de unghiul de observare și de mișcare; nu este o cântărire directă a găurii negre.[13]

Observațiile spectroscopice care permit distingerea spațială a diferitelor regiuni oferă informații suplimentare despre gazele și stelele aflate mai departe de nucleu. Observarea atât a sursei centrale, cât și a galaxiei înconjurătoare ajută la corelarea schimbărilor rapide din nucleu cu efectele la scări mai mari.

Nu toate AGN-urile au jeturi puternice. Un flux de evacuare la scară largă poate conține și gaz antrenat pe parcurs, așadar nu este neapărat alcătuit doar din materie expulzată din apropierea discului de acreție.[10], [14]

Conform mecanismului Blandford–Znajek, câmpurile magnetice care traversează o gaură neagră în rotație permit folosirea energiei rotaționale pentru a susține puterea jetului. Acesta descrie extragerea energiei prin câmpul electromagnetic din jur, nu scăparea materiei din interiorul orizontului evenimentelor.[3]

Jeturi și vânturi pot acționa împreună. Termeni precum „modul radio” și „modul quasar” sunt scurtături utile în unele modele, însă sursele reale nu se încadrează neapărat în două stări incompatibile.[14]

Feedbackul AGN înseamnă că energia și impulsul nucleului activ afectează materia din jur. Acest efect poate schimba cantitatea de gaz disponibilă pentru formarea stelelor, încălzindu-l, punându-l în mișcare sau modificându-i capacitatea de a se răci și de a se contracta.

Detectarea gazului perturbat sau în curs de evacuare nu dovedește că formarea stelelor este suprimată definitiv în întreaga galaxie. Gazul poate rămâne legat gravitațional sau se poate întoarce, iar o intensificare locală a formării stelelor poate avea loc simultan cu suprimarea acesteia la scară mai largă. Rezultatul pe termen lung depinde de modul în care fluxul de evacuare interacționează cu diferitele faze ale gazului.[14]

Date observaționale de calitate: cavități în atmosfere fierbinți

În galaxiile centrale din multe grupuri și roiuri de galaxii, jeturile radio umflă cavități în gazele înconjurătoare care emit raze X. Energia lor mecanică ajută la compensarea răcirii radiative. O parte din gaz se răcește totuși, iar formarea stelelor continuă parțial: observațiile indică o reglare prin episoade de activitate repetate.[15]

Relația dintre gaura neagră și sferoidul central al galaxiei

Masa găurii negre se corelează cu proprietățile sferoidelor centrale ale galaxiilor clasice și ale galaxiilor eliptice, inclusiv cu dispersia vitezelor stelare, notată σ. Aceasta este dispersia vitezelor stelelor din galaxia gazdă - o mărime măsurată diferită de lățimea liniilor de emisie ale gazului din nucleu.

Aceste relații susțin legătura dintre creșterea găurilor negre și formarea galaxiilor, dar nu dovedesc existența unui singur mecanism de feedback. Alți constituenți ai galaxiilor prezintă relații diferite, iar istoricul comun al creșterii sau fuziunile repetate pot avea, de asemenea, un rol.[16]

Modelele de galaxii folosesc descrieri ale feedbackului care leagă procesele fizice din centru, nerezolvate în model, de gazele distribuite la scări mai mari. Succesul lor se evaluează cel mai bine luând în considerare împreună mai multe aspecte observate, inclusiv distribuția gazelor, răcirea, formarea stelelor și populațiile de găuri negre.[10], [14]

Studiile de cartografiere a quasarilor permit reconstituirea modului în care a evoluat în timp abundența găurilor negre active. Combinarea eșantioanelor în infraroșu, optic și în raze X ajută la includerea surselor care au rămas nedetectate din cauza obscurării sau a selecției. Istoricul evoluției stabilit depinde atât de luminozitate, cât și de epoca cosmică.[19]

Înainte ca primul miliard de ani din existența Universului să se fi scurs, unele găuri negre cu masa de un miliard de sori erau deja active. Creșterea lor depinde de mai mulți factori care acționează împreună: masa seminței inițiale, momentul formării sale, continuitatea alimentării cu materie, eficiența radiației și eventualele perioade de acreție foarte rapidă.[18]

Citiți mai multe despre această perioadă timpurie în articolele „Nuclee galactice active în Universul tânăr” și „Semințele găurilor negre supermasive”.

Lumina de fundal pentru studierea gazelor întâlnite pe drum

Pe măsură ce lumina unui quasar străbate spațiul, gazele întâlnite pe drum absorb lumina cu anumite lungimi de undă. Liniile de absorbție rezultate dezvăluie materia dintre noi și sursă. La deplasări spre roșu mari, ele îi ajută pe oamenii de știință să studieze starea de ionizare în schimbare a Universului timpuriu.[18]

Imagini vecine, timpuri diferite de sosire a luminii

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]