Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Активные ядра галактик и квазары

Сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие материю, выбросы и влияние на звездообразование

Один из самых ярких и динамичных явлений Вселенной возникает, когда сверхмассивные чёрные дыры (SMJS) в центрах галактик поглощают газы. В этих так называемых активных ядрах галактик (AGN) большие количества гравитационной энергии превращаются в электромагнитное излучение, часто затмевающее всю галактику. В самой яркой части шкалы света находятся квазары, ослепляющие AGN, видимые на космических расстояниях. Такие интенсивные периоды «питания» чёрной дыры могут вызывать мощные выбросы — из-за давления излучения, ветров или релятивистских струй, которые реорганизуют газы внутри галактики и могут даже подавлять звездообразование. В этой статье мы обсудим, как SMJS запускают активность AGN, какие наблюдаемые признаки и классификация квазаров, а также насколько важна «обратная связь» (англ. feedback), связывающая рост чёрной дыры с будущим галактики.

1. Что такое активные галактические ядра

1.1 Центральные двигатели: сверхмассивные чёрные дыры

В центре активного галактического ядра находится сверхмассивная чёрная дыра, масса которой может варьироваться от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс. Эти дыры располагаются в скоплениях или ядрах галактик. При обычных условиях с низким поглощением они остаются относительно спокойными. Фаза AGN начинается, когда достаточно газа или пыли начинает поступать внутрь – аккрецируя на чёрную дыру – и формирует вращающийся аккреционный диск, излучающий огромное количество электромагнитного излучения [1, 2].

1.2 Классы AGB и наблюдаемые признаки

AGB демонстрируют различные внешние проявления:

  • Галактики Seyfert: Умеренно яркая активность ядра в спиральных галактиках, яркие эмиссионные линии от ионизированных газовых облаков.
  • Квазары (QSO): Самые яркие AGB, часто доминирующие над светимостью всей галактики, легко заметные на космических расстояниях.
  • Радиогалактики / блейзары: AGB, характеризующиеся мощными радиоджетами или сильно направленным излучением в нашу сторону.

Несмотря на очевидные различия, эти классы скорее отражают особенности светимости, угла зрения и окружения, а не принципиально разные двигатели [3].

1.3 Унифицированная модель

Обширная «унифицированная модель» предполагает центральный SMJS и аккреционный диск, окружённый областью широких линий (PLS) с высокоскоростными облаками и пылевым тором. Наблюдаемое излучение (type 1 или type 2) зависит от ориентации и геометрии тора. Различия в массе светимости или чёрной дыры могут переводить AGN от слабосветящегося Seyfert к яркому квазару [4].

2. Процесс аккреции

2.1 Аккреционные диски и светимость

Когда материя падает в глубокий гравитационный колодец SMJS, формируется тонкий аккреционный диск, в котором гравитационная потенциальная энергия превращается в тепло и свет. В классической модели Shakura-Sunyaev диска излучение может быть значительным, иногда достигая предела Эддингтона:

ЛЭдд ≈ 1.3×1038 (MBH / М⊙) эрг с-1

если чёрная дыра поглощает на уровне светимости Эддингтона, её масса может удвоиться примерно за ~108 лет. Квазары обычно достигают или превышают часть светимости Эддингтона, объясняя их исключительную яркость [5, 6].

2.2 «Питание» SMBH

Галактические процессы должны перенести газ с килопарсекового масштаба до подпарсековых областей вокруг чёрной дыры:

  • Потоки, управляемые полосами – внутренние полосы или спиральные витки могут медленно (секулярно) переносить угловой момент газа и доставлять его внутрь.
  • Взаимодействия и слияния – более мощные крупные или мелкие слияния быстро поставляют большие количества газа в ядро, вызывая стадии квазара.
  • Потоки охлаждения – в богатых центрах скоплений охлаждающийся газ скопления может течь в центр галактики, питая чёрную дыру.

При приближении к чёрной дыре локальные нестабильности, удары и вязкость продолжают обеспечивать поступление вещества в конечный аккреционный диск [7].

3. Квазары: самые яркие AGB

3.1 Историческое открытие

Квазары (англ. “quasi-stellar objects”) в 1960-х были распознаны как точечные, но очень красноздвиговые источники, обладающие огромной светимостью. Быстро выяснилось, что это ядра галактик, в которых чёрная дыра поглощает газы с такой интенсивностью, что они видны даже на расстояниях в миллиарды световых лет, становясь важными маркерами ранней Вселенной.

3.2 Многочастотное излучение

Огромная светимость квазаров охватывает радиодиапазон (если есть струи), инфракрасный (пыль в торусах), оптический/УФ (спектр аккреционного диска) и X-лучи (корона диска, релятивистские выбросы). В спектрах обычно присутствуют яркие широкие эмиссионные линии от высокоскоростных облаков рядом с чёрной дырой, а также, возможно, узкие линии от более удалённых газов [8].

3.3 Космологическое значение

Изобилие квазаров часто достигает максимума при z ∼ 2–3, в то время как галактики активно формировались. Они отмечают ранний рост самых массивных чёрных дыр в космической истории. Исследования линий поглощения квазаров также выявляют промежуточные газы и структуру межгалактической среды.

4. Выбросы и обратная связь

4.1 Ветры и струи, вызванные AGB

Аккреционные диски создают сильное давление излучения или магнитные поля, из которых возникают дипольные выбросы, способные достигать тысяч км/с. В радиоярких AGB встречаются релятивистские струи, близкие к скорости света и простирающиеся далеко за пределы галактики. Эти выбросы могут:

  • Выбрасывать или нагревать газ, подавляя звездообразование в скоплении.
  • Транспортировать металлы и энергию в гало или межгалактическую среду.
  • Подавлять или стимулировать звездообразование локально, в зависимости от сжатия ударными волнами или удаления газа [9].

4.2 Влияние на звездообразование

Обратная связь AGN, то есть идея о том, что активные чёрные дыры могут значительно изменять состояние всей галактики, стала ключевой частью современных моделей формирования галактик:

  1. Квазарный режим: Эпизоды высокой яркости с мощными выбросами, способные выносить огромные объёмы холодного газа и тем самым подавлять звездообразование.
  2. Радиорежим: AGN с меньшей яркостью и струями, нагревающими окружающий газ (например, в центрах скоплений) и не позволяющими ему охлаждаться и скапливаться.

Этот эффект помогает объяснить «красноту» массивных эллиптических и наблюдаемые (например, связь массы чёрной дыры и массы скопления) связи, связывающие рост SMBH и эволюцию галактик [10].

5. Единство галактик-хозяев и AGB

5.1 Источник активации: слияние против секулярного

Данные наблюдений показывают, что активация AGB может быть вызвана разными сценариями:

  • Крупные слияния: Газонасыщенные столкновения за короткое время доставляют в ядро большие объёмы газа, переводя чёрную дыру в состояние квазара. Это может совпадать с вспышкой звездообразования, после которой звездообразование подавляется.
  • Секулярные причины: Стабильное «питание» чёрной дыры, управляемое полосами или малыми потоками, может поддерживать среднюю светимость ядра Seyfert.

Самые яркие квазары часто демонстрируют приливные искажения или морфологические признаки недавних слияний, тогда как менее яркие AGN можно обнаружить почти недистурбированных дисковых галактиках с полосами или псевдоскоплениями.

5.2 Связь между скоплением и чёрной дырой

Наблюдения показывают тесную связь между массой чёрной дыры (MBH) и дисперсией скоростей звёзд скопления (σ) или массой – так называемым законом MBH–σ. Это позволяет предположить, что «питание» чёрной дыры и формирование скопления тесно связаны, поддерживая гипотезу о том, что активное ядро может регулировать звездообразование в скоплении и наоборот.

5.3 Циклы активности AGB

За космическое время каждая галактика может пройти множество этапов AGB. Часто чёрная дыра аккрецирует близко к пределу Эддингтона лишь часть времени, формируя яркие AGN или вспышки квазаров. После исчерпания запасов газа или их выдутия AGB затухает, и галактика снова становится "нормальной" с дремлющей центральной чёрной дырой.

6. Наблюдение AGB в космическом масштабе

6.1 Исследования далеких квазаров

Квазары видны до очень больших красных смещений, даже выше z > 7, поэтому они уже светили в первый миллиард лет Вселенной. Всё ещё остаётся вопрос, как SMBH выросли так быстро: возможно, "семена" уже были большими (например, из-за прямого коллапса) или происходили эпизоды, превышающие скорости поглощения по Эддингтону. Наблюдая эти далекие квазары, мы можем изучать эпоху реионизации и раннее формирование галактик.

6.2 Многофильтровые кампании

Обзоры, такие как SDSS, 2MASS, GALEX, Chandra и новые миссии, например JWST, а также будущие мощные наземные телескопы охватывают AGB от радиоволн до рентгеновских лучей, более полно покрывая весь спектр от низкой светимости Seyfert до очень ярких квазаров. Одновременно интегральная полевая спектроскопия (например, MUSE, MaNGA) раскрывает кинематику хозяев и распределение звездообразования вокруг ядра.

6.3 Гравитационное линзирование

Иногда квазары, находящиеся за массивными скоплениями, подвергаются гравитационному линзированию, которое создаёт увеличенные изображения, раскрывающие более мелкие структуры AGN или очень точное расстояние до источника света. Такие явления позволяют уточнить оценки массы чёрной дыры и исследовать космологические параметры.

7. Теоретическая и симуляционная перспектива

7.1 Физика дисковой аккреции

Классические модели альфа-диска Shakura-Sunyaev, усовершенствованные магнитогидродинамическими (MHD) симуляциями аккреции, объясняют, как переносится угловой момент и как вязкость в диске определяет скорость аккреции. Магнитные поля и турбулентность особенно важны для генерации выбросов или струй (например, Blandford–Znajek механизм, связанный с вращающимися чёрными дырами).

7.2 Модели эволюции галактик большого объёма

Космологические симуляции (например, IllustrisTNG, EAGLE, SIMBA) всё больше включают детализированные рецепты обратной связи AGB, чтобы согласовать наблюдаемое двоичное распределение цветов галактик, связь массы чёрной дыры и гало, а также подавление звездообразования в массивных гало. Эти модели показывают, что даже короткие эпизоды квазаров могут значительно изменить судьбу газа в хозяине.

7.3 Необходимость уточнения физики обратной связи

Хотя прогресс значительный, остаются неясности в том, как именно энергия взаимодействует с многофазными межзвёздными газами. Чтобы "связать" аккреционную физику на парсековом масштабе с регулированием звездообразования на килопарсековом, необходимо понять детали взаимодействия струй и межзвёздной среды, захвата ветра и геометрию пылевых колец.

8. Выводы

Активные ядра галактик и квазары отражают самые энергичные этапы ядер галактик, управляемые аккрецией сверхмассивных чёрных дыр. Излучая энергию и вызывая потоки, они делают больше, чем просто светятся — они трансформируют галактики-хозяева, определяют истории звездообразования, рост скоплений и даже крупномасштабную среду через обратную связь. Независимо от того, вызваны ли они крупными слияниями или медленным потоком неглубокого газа, AGN подчёркивают тесную связь между чёрной дырой и эволюцией галактики — показывая, что даже небольшой аккреционный диск может иметь последствия для галактики или даже космического масштаба.

С развитием наблюдений на различных длинах волн и совершенствованием симуляций мы всё лучше понимаем способы «питания» AGN, жизненные циклы квазаров и механизмы обратной связи. В конечном итоге, распутывание взаимодействий чёрных дыр и их хозяев является ключевым моментом в понимании структуры Вселенной — от ранних квазаров до более спокойных чёрных дыр, ныне скрывающихся в скоплениях эллиптических или спиральных галактик.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Lynden-Bell, D. (1969). «Галактические ядра как сжатые старые квазары.» Nature, 223, 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). «Модели чёрных дыр для активных ядер галактик.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). «Объединённые модели активных ядер галактик и квазаров.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 31, 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). «Объединённые схемы для радиоизлучающих активных ядер галактик.» Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). «Чёрные дыры в двойных системах. Наблюдательный вид.» Astronomy & Astrophysics, 24, 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). «Массы остатков квазаров.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 200, 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). «Объединённая модель происхождения звёздообразований, квазаров и сфероидов, основанная на слияниях.» The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). «Спектральные энергетические распределения и многодлинноволновой отбор квазаров типа 1.» The Astrophysical Journal Supplement Series, 166, 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). «Наблюдательные доказательства обратной связи активных ядер галактик.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). «Коэволюция (или нет) сверхмассивных чёрных дыр и их галактик-хозяев.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653.
Вернуться в блог