Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Активні ядра галактик і квазари

Супермасивні чорні діри, що поглинають матерію, викиди та вплив на зореутворення

Один із найяскравіших і найдинамічніших явищ у Всесвіті виникає, коли супермасивні чорні діри (SMJS) у центрах галактик поглинають газ. У цих так званих активних ядрах галактик (AGB) великі обсяги гравітаційної енергії перетворюються на електромагнітне випромінювання, яке часто перевершує за яскравістю всю галактику. У найбільшій частині світлового спектра знаходяться квазари, яскраві AGN, видимі на космічних відстанях. Такі інтенсивні періоди "харчування" чорної діри можуть викликати потужні викиди – через тиск випромінювання, вітри або релятивістські струмені, які реорганізовують газ у галактиці та можуть навіть гасити зореутворення. У цій статті ми розглянемо, як SMJS керують активністю AGN, які спостережувані ознаки та класифікація квазарів, а також як важливий "зворотний зв’язок" (англ. feedback) пов’язує зростання чорної діри з майбутнім галактики.

1. Що таке активні галактичні ядра

1.1 Центральні двигуни: супермасивні чорні діри

У центрі активного галактичного ядра знаходиться супермасивна чорна діра, маса якої може сягати від кількох мільйонів до багатьох мільярдів мас Сонця. Ці діри розташовані у скупченнях або ядрах галактик. За звичайних умов з низьким поглинанням вони залишаються досить спокійними. Фаза AGN починається, коли достатньо газу або пилу починає надходити всередину – акретуючи на чорну діру – і формує обертовий акреційний диск, що випускає величезне випромінювання в електромагнітному спектрі [1, 2].

1.2 Класи AGB та спостережувані ознаки

AGB демонструють різні зовнішні прояви:

  • Галактики Seyfert: Помірно яскрава активність ядра у спіральних галактиках, яскраві емісійні лінії від іонізованих газових хмар.
  • Квазари (QSO): Найяскравіші AGB, часто домінують над світністю всієї галактики, легко помітні на космічних відстанях.
  • Радіогалактики / блейзари: AGB, що характеризуються потужними радіо струменями або сильно спрямованим випромінюванням у наш бік.

Незважаючи на очевидні відмінності, ці класи більше відображають властивості світності, кута огляду та оточення, а не принципово різні двигуни [3].

1.3 Уніфікована модель

Широка «уніфікована модель» передбачає центральний SMJS та акреційний диск, оточений зоною широких ліній (ЗШЛ) з високошвидкісними хмарами та пиловим тором. Спостережуване випромінювання (тип 1 або тип 2) залежить від орієнтації та геометрії тору. Різниця в масах світності або чорної діри може переводити AGN від слабкого світного Seyfert до яскравого квазара [4].

2. Процес акреції

2.1 Акреційні диски і світність

Падаючи газу в SMJS у глибокий гравітаційний колодязь, формується тонкий акреційний диск, у якому гравітаційна потенційна енергія перетворюється на тепло і світло. У класичній моделі диска Шакури-Суньєва випромінювання може бути великим, іноді досягаючи межі Еддінгтона:

ЛЕдд ≈ 1.3×1038 (MBH / М⊙) ерг с-1

якщо чорна діра поглинає на межі Еддінгтона, її маса може подвоїтися приблизно за ~108 років. Квазари зазвичай досягають або перевищують частку світності Еддінгтона, пояснюючи їхню особливу яскравість [5, 6].

2.2 «Годування» СМЧД

Галактичні процеси повинні перенести газ від кілопарсекового масштабу до підпарсекових областей навколо чорної діри:

  • Juostų valdomi srautai – vidinės juostos ar spiralinės vijų struktūros gali iš lėto (sekuliariai) perimti dujų kampinį momentą ir jas atgabenti į vidų.
  • Sąveikos ir susijungimai – didesniu smurtu dideli ar maži susijungimai greitai tiekia gausius dujų kiekius į branduolį, įžiebia kvazaro stadijas.
  • Aušimo tėkmės – turtinguose spiečių centruose auštančios spiečiaus dujos gali tekėti į galaktikos centrą, maitindamos juodąją skylę.

Priartėjus prie juodosios skylės, vietinės nestabilumos, smūgiai ir klampumas toliau lemia medžiagos patekimą į galutinį akrecinį diską [7].

3. Квазари: найяскравіші AGB

3.1 Історичне відкриття

Квазари (англ. “quasi-stellar objects”) у 1960-х були визнані точковими, але дуже високого червоного зсуву джерелами, що означає величезну яскравість. Швидко з'ясувалося, що це ядра галактик, в яких чорна діра інтенсивно поглинає газ, настільки, що вони видимі навіть за мільярди світлових років, тому вони стають важливими ознаками раннього дослідження Всесвіту.

3.2 Багатоспектральне випромінювання

Величезна яскравість квазарів охоплює радіо (якщо є струмені), інфрачервоні (пил у тораx), оптичні/УФ (спектр акреційного диска) та X-промені (вінчик диска, релятивістські викиди). У спектрах зазвичай присутні яскраві широкі емісійні лінії від високошвидкісних хмар біля чорної діри, а також, можливо, вузькі лінії від віддаленого газу [8].

3.3 Космологічне значення

Квазарна кількість часто досягає максимуму біля z ∼ 2–3, у той час, коли галактики активно формувалися. Вони позначають ранній ріст найбільших чорних дір у космічній історії. Дослідження ліній поглинання квазарів також виявляють проміжні гази та структуру міжгалактичного середовища.

4. Викиди та зворотний зв’язок

4.1 Вітри та струмені, викликані AGB

Акреційні диски створюють сильний тиск випромінювання або магнітні поля, з яких виникають дипольні викиди, що можуть досягати тисяч км/с. У радіояскравих AGB трапляються релятивістські струмені, близькі до швидкості світла і що простягаються далеко за межі галактики. Ці викиди можуть:

  • Виштовхувати або нагрівати газ, пригнічуючи зоряну активність у скупченні.
  • Транспортувати метали та енергію у гало або міжгалактичне середовище.
  • Пригнічувати або стимулювати зоряну активність локально, залежно від стиснення ударних хвиль або видалення газу [9].

4.2 Вплив на зоряну активність

Зворотний зв’язок AGN, тобто ідея, що активні чорні діри можуть суттєво змінювати стан усієї галактики, стала ключовою частиною сучасних моделей формування галактик:

  1. Квазарний режим: Епізоди високої яскравості зі сильними викидами, які можуть виносити величезні обсяги холодного газу і таким чином гасити зоряну активність.
  2. Радіорежим: Менш яскраві AGN з струменями, що нагрівають навколишній газ (наприклад, у центрах скупчень) і не дають йому охолоджуватися та збиратися.

Цей вплив допомагає пояснити «почервоніння» масивних еліптичних та спостережувані (наприклад, зв’язки маси чорної діри та маси скупчення) зв’язки, що пов’язують зростання SMJS і еволюцію галактики [10].

5. Єдність галактик-господарів і AGB

5.1 Злиття проти секулярного джерела активації

Дані спостережень показують, що активацію AGB можуть зумовлювати різні сценарії:

  • Великі злиття: Газонасичені зіткнення за короткий час доставляють у ядро великі обсяги газу, виводячи чорну діру у стан квазара. Це може збігатися з вибухом зоряного утворення, після якого воно пригнічується.
  • Секулярні причини: Стабільне «харчування» чорної діри, кероване смугами або невеликими потоками, може підтримувати середню яскравість ядра Seyfert.

Найяскравіші квазари часто демонструють припливні спотворення або морфологічні ознаки нещодавніх злиттів, тоді як менш яскраві AGN можна виявити майже недоторканих дискових галактиках з смугами або псевдоскупченнями.

5.2 Зв'язок між скупченням і чорною дірою

Спостереження показують тісний зв'язок між масою чорної діри (MBH) та дисперсією швидкостей зірок скупчення (σ) або масою – так званим законом MBH–σ. Це дозволяє припустити, що «харчування» чорної діри та формування скупчення тісно пов'язані, підтримуючи гіпотезу, що активне ядро може регулювати зоряну активність у скупченні і навпаки.

5.3 Цикли активності AGB

Протягом космічного часу кожна галактика може пройти багато етапів AGB. Часто чорна діра акретує близько до межі Еддінгтона лише частину часу, формуючи яскраві AGN або спалахи квазарів. Коли запаси газу вичерпуються або їх виштовхують, AGB згасає, і галактика знову стає «нормальною» зі сплячою центральною чорною дірою.

6. Спостереження AGB у космічному масштабі

6.1 Дослідження далеких квазарів

Квазари видно до дуже великих червоних зсувів, навіть понад z > 7, тож вони вже світили в першому мільярді років Всесвіту. Все ще залишається питання, як SMJS так швидко виросли: можливо, «насіння» вже були великими (наприклад, через прямий колапс) або відбувалися епізоди, що перевищують швидкості поглинання Еддінгтона. Спостерігаючи ці далекі квазари, ми можемо досліджувати епоху реіонізації та раннє формування галактик.

6.2 Багатохвильові кампанії

Огляди, такі як SDSS, 2MASS, GALEX, Chandra та нові місії, як JWST, а також майбутні потужні наземні телескопи охоплюють AGB від радіохвиль до рентгенівських променів, детальніше охоплюючи весь спектр від низької світності Seyfert до надзвичайно яскравих квазарів. Водночас інтегральна польова спектроскопія (наприклад, MUSE, MaNGA) виявляє кінематику господарів і розподіл зореутворення навколо ядра.

6.3 Гравітаційне лінзування

Іноді квазари, розташовані за масивними скупченнями, піддаються гравітаційному лінзуванню, що створює збільшені зображення, які розкривають дрібніші структури AGN або надзвичайно точну відстань до світла. Такі явища дозволяють уточнити оцінки маси чорної діри та дослідити космологічні параметри.

7. Теоретична та симуляційна перспектива

7.1 Фізика дискової акреції

Класичні моделі альфа-диска Shakura-Sunyaev, удосконалені магнітогідродинамічними (MHD) симуляціями акреції, пояснюють, як переноситься кутовий момент і як в’язкість у диску визначає швидкість акреції. Магнітні поля та турбулентність надзвичайно важливі для генерації викидів або струменів (наприклад, Blandford–Znajek механізм, пов’язаний із обертанням чорних дір).

7.2 Моделі еволюції галактик великого масштабу

Космологічні симуляції (наприклад, IllustrisTNG, EAGLE, SIMBA) дедалі більше включають деталізовані рецепти зворотного зв’язку AGB, щоб узгодити спостережувану двоїстість кольорів галактик, зв’язок маси чорної діри з масою скупчення та гальмування зореутворення у масивних гало. Ці моделі показують, що навіть короткі епізоди квазарів можуть суттєво змінити долю газу господаря.

7.3 Необхідність уточнення фізики зворотного зв’язку

Хоча прогрес значний, все ще залишаються невизначеності щодо того, як саме енергія взаємодіє з багатофазним міжзоряним газом. Щоб «зв’язати» акреційну фізику на парсековому масштабі з регулюванням зореутворення на кілопарсековому масштабі, необхідно зрозуміти деталі про струмені та взаємодію з міжзоряним середовищем, захоплення вітру або геометрію запилених торів.

8. Висновки

Активні ядра галактик і квазари відображають найенергійніші етапи ядер галактик, керовані акрецією надмасивних чорних дір. Випромінюючи енергію і спричиняючи викиди, вони роблять більше, ніж просто світяться – вони змінюють галактики-господарі, визначають історії зореутворення, розвиток скупчень і навіть масштабне оточення через зворотний зв’язок. Незалежно від того, чи активовані вони великими злиттями, чи повільним потоком неглибокого газу, AGN підкреслюють тісний зв’язок між чорною дірою і розвитком галактики – показуючи, що навіть невеликий акреційний диск може мати наслідки для галактики або навіть космічного масштабу.

Зі зростанням кількості спостережень на різних довжинах хвиль і вдосконаленням симуляцій ми дедалі краще розуміємо способи «харчування» AGN, життєві цикли квазарів і механізми зворотного зв’язку. Зрештою, розкриття взаємодії чорних дір і їхніх господарів є ключовим моментом у розумінні тканини Всесвіту – від ранніх квазарів до спокійніших чорних дір, що нині приховані в скупченнях еліптичних чи спіральних галактик.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Lynden-Bell, D. (1969). “Галактичні ядра як стислі старі квазари.” Nature, 223, 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). “Моделі чорних дір для активних ядер галактик.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). “Уніфіковані моделі активних ядер галактик і квазарів.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 31, 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). “Уніфіковані схеми для радіогучних активних ядер галактик.” Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). “Чорні діри в подвійних системах. Спостережний вигляд.” Astronomy & Astrophysics, 24, 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). “Маси залишків квазарів.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 200, 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). “Уніфікована модель походження зіркових вибухів, квазарів і сфероїдів, керована злиттями.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). “Спектральні енергетичні розподіли та багатохвильовий відбір квазарів типу 1.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 166, 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). “Спостережні докази зворотного зв’язку активних ядер галактик.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). “Співеволюція (або ні) надмасивних чорних дір і їхніх галактик-господарів.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653.
Повернутися до блогу