Aktivna galaktična jedra in kvazarji

Izraz aktivno galaktično jedro oziroma AGN označuje kompakten osrednji vir, ki ga napaja akrecija na masivno črno luknjo. Izraz zajema vire z zelo različnim izsevom in videzom. Galaksija lahko ohrani osrednjo črno luknjo še dolgo po tem, ko se svetlo obdobje aktivnosti konča.

V številnih znanih AGN so črne luknje z maso od milijonov do milijard Sončevih mas, vendar se aktivnost črnih lukenj pojavlja tudi v sistemih z manjšo maso. Velika osrednja zvezdna kopica v galaksiji ni nujna.[16]

Tok se spreminja glede na pogoje dovajanja snovi. V slabo napajanih jedrih je lahko vroč, redek plin, ki seva neučinkovito. Pri zelo velikih hitrostih dotoka so lahko pomembni debelejši tokovi, močni vetrovi in ujeto sevanje.[1], [3]

Masa črne luknje torej sama po sebi ne določa njene svetilnosti. Pomembno je tudi, koliko snovi doseže notranji del akrecijskega toka in kako ta tok sprošča energijo.

Plin, ki prispe do črne luknje, ima navadno vrtilno količino, količino, povezano z njegovim orbitalnim gibanjem. Ne more kar pasti naravnost navznoter. Napetosti v toku prenašajo vrtilno količino med območji, zato se lahko del snovi približa črni luknji.

Magnetna polja in turbulenca so za ta proces prenosa ključnega pomena. Ko se plin pomika navznoter, se lahko energija orbitalnega gibanja pretvori v toploto, sevanje ali energijo, ki jo odnesejo odtoki.[2]

10-odstotna učinkovitost je uporaben primer, ne pa konstanta, ki bi veljala za vse črne luknje. Poleg tega ni nujno, da ves plin, doveden iz okolice na velikih razdaljah, doseže sevalni notranji del toka.[1]

Ta poimenovanja ne označujejo zaporednih stopenj razvoja galaksije. Zajemajo različne opazovane lastnosti, kategorije, ki jih označujejo, pa se lahko prekrivajo.[5], [7]

Tipa 1 in 2: kaj je vidno v spektru?

Osvetljeni plin blizu jedra se pogosto giblje z veliko hitrostjo in ustvarja široke emisijske črte. Plin, razpršen v večjem prostoru, običajno ustvarja ožje črte. Po standardnem modelu zakrivanja okoliška prašna snov določa, ali območje širokih črt v središču vidimo neposredno.

Vijolični ovali so površine preseka okoliške prašne snovi. Majhni oblaki ob disku prikazujejo plin, ki oddaja široke črte; oblaki, ki ležijo dlje vzdolž polarne odprtine, pa prikazujejo plin, ki oddaja ozke črte. Puščice označujejo smer pogleda opazovalca. V obeh shemah je uporabljena ista poenostavljena geometrija, merilo velikosti pa ni upoštevano; odprto območje ni curek.

Usmerjenost pojasni številne razlike med tipi, vendar se pravi AGN razlikujejo tudi po zgradbi, stanju akrecije in stopnji zastiranja.[5], [8]

Običajno prikazani prašni »torus« ni nujno gladka, toga struktura v obliki krofa. Opazovanja spodbujajo razmislek o modelih z ločenimi prašnimi kepami ter kombinacijami prašnih diskov in odtokov. Prah absorbira del osrednjega sevanja in ga ponovno oddaja v infrardečem območju.[6]

Plin mora pripotovati od galaktičnih razsežnosti do precej manjšega akrecijskega toka. K temu lahko prispeva več procesov, na vsaki stopnji pa se lahko dovod snovi prekine ali spremeni smer.

Doseči osrednji rezervoar plina je torej le del poti. Ni strogega pravila, da združitve ustvarijo kvazarje, prečke pa Seyfertove galaksije.[10]

Raziskave galaksij z AGN odkrivajo različne povezave z združitvami, odvisno od načina izbora jeder in motenih galaksij. V nekaterih populacijah so povezave močne; pri številnih aktivnih galaksijah ni očitnih znakov nedavne velike združitve. Samo svetlost ne pove, kaj je sprožilo aktivnost.[11]

Aktivnost se spreminja v različnih časovnih skalah

Svetlost se hitro spreminja, kar odraža spremembe v kompaktnih območjih sevanja. Daljša obdobja okrepljene akrecije prispevajo k rasti črne luknje, plin, razpršen v večjem prostoru, in strukture, vidne v radijskem območju, pa lahko ohranijo sledi pretekle aktivnosti. To so različni kazalniki zgodovine AGN.[12], [13]

AGN s spreminjajočim se videzom lahko začnejo kazati izrazite široke emisijske črte ali jih prenehajo kazati, čeprav se naša smer opazovanja bistveno ne spremeni. Spremembe v stanju akrecije ali zakritosti pomagajo pojasniti takšno vedenje in pokažejo, zakaj sama usmerjenost ne zadostuje.[8]

S kombiniranjem podatkov iz različnih spektralnih območij lažje ločimo AGN od njegove okolice in ocenimo njegovo skupno moč sevanja. Z opazovanji pri eni sami valovni dolžini ni mogoče zaznati vseh aktivnih jeder.[4], [5], [6], [7], [14]

Kartiranje z odmevom: merjenje svetlobnega odmeva

Ko se osrednje sevanje spremeni, se lahko bližnji plin ali prah odzoveta z določenim časovnim zamikom. Ta zamik v mirovalnem sistemu izvora— prilagojen zaradi kozmološkega raztezanja časa — omogoča določitev značilne razdalje do odzivajoče se snovi na podlagi časa potovanja svetlobe.

S povezavo odzivnega časa širokih emisijskih črt z njihovo širino, izraženo v enotah hitrosti, lahko ocenimo maso črne luknje. Rezultat je odvisen od geometrije sevajočega plina, zornega kota in gibanja; ne gre za neposredno tehtanje črne luknje.[13]

Spektroskopska opazovanja, ki omogočajo prostorsko ločevanje različnih območij, dajejo dodatne informacije o plinu in zvezdah, ki so bolj oddaljeni od jedra. Opazovanje osrednjega izvora in okoliške galaksije pomaga povezati hitre spremembe v jedru z učinki na večjih razdaljah.

Vsak AGN nima močnih curkov. Iztekajoči se tok velikih razsežnosti lahko vključuje tudi plin, zajet na poti, zato ni nujno sestavljen samo iz snovi, izvržene v bližini akrecijskega diska.[10], [14]

Po Blandford-Znajekovem mehanizmu magnetna polja, ki prečkajo vrtečo se črno luknjo, omogočajo izrabo njene rotacijske energije za vzdrževanje moči curka. Tako je opisana pridobitev energije prek okoliškega elektromagnetnega polja, ne pa uhajanje snovi iz notranjosti horizonta dogodkov.[3]

Curki in vetrovi lahko delujejo hkrati. Izraza, kot sta »radijski način« in »kvazarski način«, sta v nekaterih modelih uporabni okrajšavi, vendar dejanski viri ne ustrezajo nujno dvema medsebojno izključujočima se stanjema.[14]

Povratni vpliv AGN pomeni, da energija in gibalna količina aktivnega jedra vplivata na okoliško snov. Ta vpliv lahko spremeni količino plina, ki je na voljo za nastajanje zvezd, tako da ga segreje, spravi v gibanje ali spremeni njegovo sposobnost ohlajanja in krčenja.

Zaznava motenih ali iztekajočih plinov ne dokazuje, da je nastajanje zvezd v celotni galaksiji za vedno zatrto. Plin lahko ostane gravitacijsko vezan ali pa se vrne, lokalno okrepljeno nastajanje zvezd pa lahko poteka sočasno z njegovim zaviranjem v širšem merilu. Dolgoročni izid je odvisen od tega, kako iztekajoči se tok deluje z različnimi fazami plina.[14]

Urejeni podatki opazovanj: votline v vročih atmosferah

V osrednjih galaksijah številnih skupin in jat galaksij radijski curki napihujejo votline v okoliškem plinu, ki oddaja rentgenske žarke. Njihova mehanska energija pomaga uravnavati radiativno ohlajanje. Del plina se kljub temu ohlaja, nastajanje zvezd pa se deloma nadaljuje: opazovanja kažejo, da ga uravnavajo ponavljajoči se izbruhi aktivnosti.[15]

Povezava med črno luknjo in osrednjim območjem galaksije

Masa črne luknje korelira z lastnostmi osrednjih območij klasičnih galaksij in eliptičnih galaksij, med drugim z razpršenostjo hitrosti zvezd, označeno z σ. To je disperzija hitrosti zvezd v gostiteljski galaksiji - druga merljiva količina kot širina emisijske črte plina v jedru.

Te povezave utemeljujejo razmerje med rastjo črnih lukenj in nastajanjem galaksij, vendar ne dokazujejo nobenega posameznega mehanizma povratnega vpliva. Za druge sestavne dele galaksij veljajo drugačne povezave, vpliv pa imata lahko tudi skupna zgodovina rasti ali ponavljajoče se združitve.[16]

Modeli galaksij uporabljajo opise povratnih vplivov, ki fizikalne procese v središču, nerazločljive v modelu, povezujejo s plinom, porazdeljenim na večjih merilih. Njihovo uspešnost je najbolje ocenjevati na podlagi več vidikov opazovanj skupaj, vključno s porazdelitvijo plina, ohlajanjem, nastajanjem zvezd in populacijami črnih lukenj.[10], [14]

Pregledne raziskave kvazarjev omogočajo rekonstrukcijo, kako se je številčnost aktivnih črnih lukenj spreminjala skozi čas. Združevanje infrardečih, optičnih in rentgenskih vzorcev pomaga upoštevati vire, ki jih zaradi zakritosti ali izbora nismo zaznali. Ugotovljena zgodovina razvoja je odvisna tako od svetlosti kot od kozmičnega obdobja.[19]

Še preden se je iztekla prva milijarda let obstoja vesolja, so bile nekatere črne luknje z maso milijarde Sonc že aktivne. Njihova rast je odvisna od več dejavnikov skupaj: začetnega zametka, časa njegovega nastanka, neprekinjenega dotoka snovi, učinkovitosti sevanja in morebitnih obdobij zelo hitrega akrecijskega procesa.[18]

Več o tem zgodnjem obdobju preberite v člankih »Aktivna galaktična jedra v mladem vesolju« in »Zametki supermasivnih črnih lukenj«.

Zadnja svetloba za preučevanje plina na poti

Ko svetloba kvazarja potuje skozi vesolje, plin na poti absorbira svetlobo določenih valovnih dolžin. Nastale absorpcijske značilnosti razkrivajo snov med nami in virom. Pri velikem rdečem premiku znanstvenikom pomagajo preučevati spreminjajoče se stanje ionizacije v zgodnjem vesolju.[18]

Nekaj podob, različen čas prihoda svetlobe

Galaksija, ki leži med nami in kvazarjem, včasih pa skupina ali jata galaksij, lahko zaradi gravitacijskega lečenja ustvari več slik kvazarja. Spremembe svetlosti se na teh slikah pojavijo ob različnih časih, ker svetloba v gravitacijskem polju potuje po različnih poteh.

Ti zamiki skupaj z modelom leče in snovi vzdolž vidne linije omogočajo omejitev razdalje na podlagi časovnega zamika: določene kombinacije kozmoloških razdalj, ki je občutljiva na hitrost širjenja vesolja. Natančnost je odvisna od modeliranja porazdelitve mase; samo povečava ne zagotavlja natančne svetlobne razdalje.[20]

Pri raziskavah gravitacijskega lečenja nastanejo časovni zamiki, ko svetloba potuje po različnih poteh skozi vesolje. Zamik pri reverberaciji nastane, ko se plin ali prah blizu kvazarja odzove na spremembe sevanja njegovega osrednjega vira. Vsaka metoda spremenljivost pretvori v drugačno vrsto meritve.[13], [20]