Квазары: Сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик

Введение

Активное галактическое ядро, содержащее сверхмассивную черную дыру

Квазар (англ. Quasar) — чрезвычайно яркое активное галактическое ядро (англ. Active Galactic Nucleus, AGN). Иногда его называют квазизвёздным объектом, сокращенно QSO. Излучение от AGN питается сверхмассивной чёрной дырой с массой от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс, окружённой газообразным аккреционным диском. Газ в диске, падающем к чёрной дыре, нагревается и высвобождает энергию в виде электромагнитного излучения. Энергия излучения квазаров огромна; самые мощные квазары имеют светимость в тысячи раз больше, чем у галактики, такой как Млечный Путь. Квазары обычно классифицируются как подкласс более общей категории AGN. Красное смещение квазаров имеет космологическое происхождение. Термин «квазар» возник как сокращение от «квазизвёздный [звёздный] радиоисточник», поскольку они были впервые идентифицированы в 1950-х годах как источники радиоволн неизвестного физического происхождения, а при идентификации на фотографических изображениях в видимом диапазоне длин волн напоминали слабые, звёздоподобные точки света. Изображения квазаров с высоким разрешением, особенно полученные с космического телескопа Хаббл, показали, что квазары находятся в центрах галактик, и что некоторые галактики-хозяева сильно взаимодействуют или сливаются. Как и в случае с другими категориями AGN, наблюдаемые свойства квазара зависят от множества факторов, включая массу чёрной дыры, скорость аккреции газа, ориентацию аккреционного диска относительно наблюдателя, наличие или отсутствие джета и степень затмения газом и пылью в галактике-хозяине. Около миллиона квазаров были идентифицированы с надёжными спектроскопическими красными смещениями, а от 2 до 3 миллионов — в фотометрических каталогах. Ближайший известный квазар находится на расстоянии около 600 миллионов световых лет от Земли. Рекорд самого далёкого известного квазара продолжает меняться. В 2017 году квазар ULAS J1342+0928 был обнаружен при красном смещении z = 7.54. Свет, наблюдаемый от этого квазара массой 800 миллионов солнечных масс, был испущен, когда Вселенной было всего 690 миллионов лет. В 2020 году квазар Pōniuāʻena был обнаружен спустя всего 700 миллионов лет после Большого взрыва, с оценочной массой в 1,5 миллиарда масс Солнца. В начале 2021 года был зарегистрирован квазар QSO J0313–1806 с чёрной дырой массой 1,6 миллиарда солнечных масс при z = 7,64, спустя 670 миллионов лет после Большого взрыва. Обзоры по поиску квазаров показали, что квазарная активность была более распространённой в далёком прошлом; пиковая эпоха наступила примерно 10 миллиардов лет назад. Концентрации множества квазаров известны как большие группы квазаров и могут составлять одни из самых крупных известных структур во Вселенной, если наблюдаемые группы хорошо отслеживают распределение массы.

A quasar ('/k//w//eɪ//z//ɑːr/ KWAYzar) is an extremely luminous active galactic nucleus (AGN). It is sometimes known as a quasi stellar object, abbreviated QSO. The emission from an AGN is powered by a supermassive black hole with a mass ranging from millions to tens of billions of solar masses, surrounded by a gaseous accretion disc. Gas in the disc falling towards the black hole heats up and releases energy in the form of electromagnetic radiation. The radiant energy of quasars is enormous; the most powerful quasars have luminosities thousands of times greater than that of a galaxy such as the Milky Way. Quasars are usually categorized as a subclass of the more general category of AGN. The redshifts of quasars are of cosmological origin. The term quasar originated as a contraction of "quasi stellar [star like] radio source"—because they were first identified during the 1950s as sources of radio wave emission of unknown physical origin—and when identified in photographic images at visible wavelengths, they resembled faint, star like points of light. High resolution images of quasars, particularly from the Hubble Space Telescope, have shown that quasars occur in the centers of galaxies, and that some host galaxies are strongly interacting or merging galaxies. As with other categories of AGN, the observed properties of a quasar depend on many factors, including the mass of the black hole, the rate of gas accretion, the orientation of the accretion disc relative to the observer, the presence or absence of a jet, and the degree of obscuration by gas and dust within the host galaxy. About a million quasars have been identified with reliable spectroscopic redshifts, and between 2 3 million identified in photometric catalogs. The nearest known quasar is about 600 million light years from Earth. The record for the most distant known quasar continues to change. In 2017, quasar ULAS J1342+0928 was detected at redshift z = 7.54. Light observed from this 800 million solar mass quasar was emitted when the universe was only 690 million years old. In 2020, quasar Pōniuāʻena was detected from a time only 700 million years after the Big Bang, and with an estimated mass of 1.5 billion times the mass of the Sun. In early 2021, the quasar QSO J0313–1806, with a 1.6 billion solar mass black hole, was reported at z = 7.64, 670 million years after the Big Bang. Quasar discovery surveys have shown that quasar activity was more common in the distant past; the peak epoch was approximately 10 billion years ago. Concentrations of multiple quasars are known as large quasar groups and may constitute some of the largest known structures in the universe if the observed groups are good tracers of mass distribution.

Предыстория

Между 1917 и 1922 годами работы Хебера Дуста Кертиса, Эрнста Опика и других показали, что некоторые объекты, известные как "туманности", на самом деле являются далёкими галактиками, подобными Млечному Пути. Однако, с началом развития радиоастрономии в 1950-х годах, астрономы обнаружили среди галактик небольшое число аномальных объектов, чьи свойства не поддавались объяснению. Эти объекты излучали огромное количество энергии в широком диапазоне частот, но оптическое обнаружение источника было невозможно, либо находился лишь слабый, точечный объект, напоминающий далёкую звезду. Спектральные линии этих объектов, позволяющие определить их химический состав, также были крайне необычными и необъяснимыми. Некоторые из них демонстрировали очень быстрое изменение светимости в оптическом диапазоне и ещё более быстрое – в рентгеновском, что указывало на ограничение их размера, возможно, не превышающее размеров Солнечной системы. Это подразумевало чрезвычайно высокую плотность энергии. Велись активные дискуссии относительно природы этих объектов. Их описывали как "квазизвёздные [то есть, звездоподобные] радиоисточники" или "квазизвёздные объекты" (QSO) – название, отражающее их неизвестную природу, которое впоследствии сократилось до "квазары".

Ранние наблюдения (1960-е и ранее)

Первые квазары (3C 48 и 3C 273) были обнаружены в конце 1950-х годов как радиоисточники в ходе всенебесных радиообследований. Впервые они были отмечены как радиоисточники, не имеющие соответствующих видимых объектов. С использованием небольших телескопов и телескопа Ловелл в качестве интерферометра было показано, что они обладают очень малым угловым размером. К 1960 году сотни таких объектов были зарегистрированы и опубликованы в Третьем Кембриджском каталоге, пока астрономы сканировали небо в поисках их оптических соответствий. В 1963 году Аллан Сэндидж и Томас А. Мэтьюз опубликовали однозначную идентификацию радиоисточника 3C 48 с оптическим объектом. Астрономы обнаружили слабую голубую звезду в месте расположения радиоисточника и получили её спектр, содержащий множество неизвестных широких эмиссионных линий. Аномальный спектр не поддавался интерпретации. Британский астроном австралийского происхождения Джон Болтон выполнил множество ранних наблюдений квазаров, включая прорывное открытие в 1962 году. Предсказывалось, что другой радиоисточник, 3C 273, подвергнется пяти затмениям Луной. Измерения, выполненные Сирилом Хазардом и Джоном Болтоном во время одного из затмений с помощью радиотелескопа Паркса, позволили Мартену Шмидту найти видимое соответствие радиоисточнику и получить оптический спектр с использованием телескопа Хейла на горе Паломар. Этот спектр выявил те же странные эмиссионные линии. Шмидт смог продемонстрировать, что это, вероятно, обычные спектральные линии водорода, смещенные в красную область спектра на 15,8% – в то время очень большое красное смещение (известно лишь небольшое количество гораздо более слабых галактик с ещё большим красным смещением). Если это было вызвано физическим движением "звезды", то 3C 273 удалялась с огромной скоростью, около 47 000 км/с, что значительно превышало скорость любой известной звезды и не имело очевидного объяснения. Даже экстремальная скорость не могла объяснить огромные радиоизлучения 3C 273. Если красное смещение было космологическим (что впоследствии подтвердилось), то большое расстояние подразумевало, что 3C 273 была намного ярче любой галактики, но гораздо компактнее. Кроме того, 3C 273 была достаточно яркой, чтобы её можно было обнаружить на архивных фотографиях, датируемых началом 1900-х годов; было установлено, что она изменчива в годовом масштабе времени, что указывает на то, что значительная часть света испускается из области размером менее 1 светового года, что ничтожно мало по сравнению с галактикой. Несмотря на множество вопросов, открытие Шмидта быстро произвело революцию в наблюдениях квазаров. Странный спектр 3C 48 был быстро идентифицирован Шмидтом, Гринштейном и Оке как водород и магний, смещенные в красную область спектра на 37%. Вскоре после этого, в 1964 году ещё два спектра квазаров, а в 1965 году – ещё пять, также были подтверждены как обычный свет, подвергшийся экстремальному красному смещению. Хотя сами наблюдения и значения красного смещения не вызывали сомнений, их правильная интерпретация активно обсуждалась, а предложение Болтона о том, что излучение, обнаруженное от квазаров, представляет собой обычные спектральные линии от далёких источников с высоким красным смещением и экстремальной скоростью, в то время не получило широкого признания.

The first quasars (3C 48 and 3C 273) were discovered in the late 1950s, as radio sources in all sky radio surveys. They were first noted as radio sources with no corresponding visible object. Using small telescopes and the Lovell Telescope as an interferometer, they were shown to have a very small angular size. By 1960, hundreds of these objects had been recorded and published in the Third Cambridge Catalogue while astronomers scanned the skies for their optical counterparts. In 1963, a definite identification of the radio source 3C 48 with an optical object was published by Allan Sandage and Thomas A. Matthews. Astronomers had detected what appeared to be a faint blue star at the location of the radio source and obtained its spectrum, which contained many unknown broad emission lines. The anomalous spectrum defied interpretation. British Australian astronomer John Bolton made many early observations of quasars, including a breakthrough in 1962. Another radio source, 3C 273, was predicted to undergo five occultations by the Moon. Measurements taken by Cyril Hazard and John Bolton during one of the occultations using the Parkes Radio Telescope allowed Maarten Schmidt to find a visible counterpart to the radio source and obtain an optical spectrum using the Hale Telescope on Mount Palomar. This spectrum revealed the same strange emission lines. Schmidt was able to demonstrate that these were likely to be the ordinary spectral lines of hydrogen redshifted by 15.8%, at the time, a high redshift (with only a handful of much fainter galaxies known with higher redshift). If this was due to the physical motion of the "star", then 3C 273 was receding at an enormous velocity, around 47,000, far beyond the speed of any known star and defying any obvious explanation. Nor would an extreme velocity help to explain 3C 273's huge radio emissions. If the redshift was cosmological (now known to be correct), the large distance implied that 3C 273 was far more luminous than any galaxy, but much more compact. Also, 3C 273 was bright enough to detect on archival photographs dating back to the 1900s; it was found to be variable on yearly timescales, implying that a substantial fraction of the light was emitted from a region less than 1 light year in size, tiny compared to a galaxy. Although it raised many questions, Schmidt's discovery quickly revolutionized quasar observation. The strange spectrum of 3C 48 was quickly identified by Schmidt, Greenstein and Oke as hydrogen and magnesium redshifted by 37%. Shortly afterwards, two more quasar spectra in 1964 and five more in 1965 were also confirmed as ordinary light that had been redshifted to an extreme degree. While the observations and redshifts themselves were not doubted, their correct interpretation was heavily debated, and Bolton's suggestion that the radiation detected from quasars were ordinary spectral lines from distant highly redshifted sources with extreme velocity was not widely accepted at the time.

Развитие физического понимания (1960-е годы)

Экстремальное красное смещение может указывать на большое расстояние и скорость, но также может быть обусловлено экстремальной массой или, возможно, некоторыми другими неизвестными законами природы. Экстремальная скорость и расстояние также подразумевают огромную мощность, для которой не было объяснения. Малые размеры были подтверждены интерферометрией и наблюдением скорости изменения светимости квазара в целом, а также невозможностью увидеть их даже в самые мощные телескопы видимого света как нечто большее, чем слабые, похожие на звезды точки света. Но если они малы и далеки в пространстве, их мощность должна быть огромной и труднообъяснимой. Аналогично, если бы они были очень маленькими и намного ближе к этой галактике, было бы легко объяснить их кажущуюся мощность, но сложнее объяснить их красное смещение и отсутствие обнаружимого движения на фоне Вселенной. Шмидт отметил, что красное смещение также связано с расширением Вселенной, как это сформулировано в законе Хаббла. Если измеренное красное смещение было вызвано расширением, это поддержало бы интерпретацию очень далеких объектов с исключительно высокой светимостью и выходной мощностью, намного превосходящей все известные объекты на сегодняшний день. Эта экстремальная светимость также объяснила бы сильный радиосигнал. Шмидт заключил, что 3C 273 может быть либо отдельной звездой шириной около 10 км внутри (или вблизи) этой галактики, либо далеким активным галактическим ядром. Он заявил, что более вероятным представляется удаленный и чрезвычайно мощный объект. Объяснение Шмидтом высокого красного смещения не было широко принято в то время. Основной проблемой была огромная энергия, которую эти объекты должны были бы излучать, если бы они были далекими. В 1960-х годах ни один общепринятый механизм не мог это объяснить. В настоящее время принятое объяснение, связанное с материей в аккреционном диске, падающей в сверхмассивную черную дыру, было предложено только в 1964 году Эдвином Э. Сальпетером и Яковом Зельдовичем, и даже тогда оно было отвергнуто многими астрономами, поскольку в то время существование черных дыр вообще рассматривалось как теоретическое. В 1960-х и 1970-х годах было предложено множество объяснений, каждое из которых имело свои недостатки. Предполагалось, что квазары — это близлежащие объекты, и что их красное смещение вызвано не расширением пространства, а светом, выходящим из глубокого гравитационного колодца. Для этого потребовался бы массивный объект, что также объяснило бы высокую светимость. Однако звезда с достаточной массой для создания измеренного красного смещения была бы нестабильной и превысила бы предел Хаяши. Квазары также демонстрируют запрещенные спектральные линии излучения, ранее наблюдавшиеся только в горячих газовых туманностях низкой плотности, которые были бы слишком разреженными, чтобы генерировать наблюдаемую мощность и поместиться в глубоком гравитационном колодце. Существовали также серьезные опасения относительно идеи космологически далеких квазаров. Одним из сильных аргументов против них было то, что они подразумевали энергии, намного превышающие известные процессы преобразования энергии, включая ядерный синтез. Были предположения, что квазары состоят из некоей неизвестной стабильной формы антиматерии в аналогичных неизвестных областях пространства, и что это может объяснить их яркость. Другие предполагали, что квазары являются белыми дырами на конце червоточины или цепной реакцией многочисленных сверхновых. В конечном итоге, начиная примерно с 1970-х годов, множество доказательств (включая первые рентгеновские космические обсерватории, знания о черных дырах и современные модели космологии) постепенно продемонстрировали, что красное смещение квазаров является подлинным и связано с расширением пространства, что квазары на самом деле так же мощны и так же далеки, как предполагали Шмидт и некоторые другие астрономы, и что их источник энергии — это материя из аккреционного диска, падающая на сверхмассивную черную дыру. Это включало в себя решающие доказательства, полученные в результате оптических и рентгеновских наблюдений галактик-хозяев квазаров, обнаружение "вмешавшихся" линий поглощения, которые объясняли различные спектральные аномалии, наблюдения эффекта гравитационного линзирования, вывод Ганна в 1971 году о том, что галактики, содержащие квазары, демонстрируют то же красное смещение, что и квазары, и вывод Кристьяна в 1973 году о том, что "размытое" окружение многих квазаров соответствует менее яркой галактике-хозяину. Эта модель также хорошо согласуется с другими наблюдениями, указывающими на то, что многие или даже большинство галактик имеют массивную центральную черную дыру. Это также объясняет, почему квазары более распространены в ранней Вселенной: поскольку квазар извлекает материю из своего аккреционного диска, наступает момент, когда поблизости остается меньше материи, и выработка энергии снижается или прекращается, поскольку квазар превращается в более обычный тип галактики. Механизм выработки энергии в аккреционном диске был окончательно смоделирован в 1970-х годах, и черные дыры также были непосредственно обнаружены (включая доказательства того, что сверхмассивные черные дыры можно найти в центрах этой и многих других галактик), что разрешило опасения, что квазары слишком ярки, чтобы быть результатом очень далеких объектов, или что подходящий механизм не может быть подтвержден в природе. К 1987 году было "общепринято", что это правильное объяснение квазаров.

An extreme redshift could imply great distance and velocity but could also be due to extreme mass or perhaps some other unknown laws of nature. Extreme velocity and distance would also imply immense power output, which lacked explanation. The small sizes were confirmed by interferometry and by observing the speed with which the quasar as a whole varied in output, and by their inability to be seen in even the most powerful visible light telescopes as anything more than faint starlike points of light. But if they were small and far away in space, their power output would have to be immense and difficult to explain. Equally, if they were very small and much closer to this galaxy, it would be easy to explain their apparent power output, but less easy to explain their redshifts and lack of detectable movement against the background of the universe. Schmidt noted that redshift is also associated with the expansion of the universe, as codified in Hubble's law. If the measured redshift was due to expansion, then this would support an interpretation of very distant objects with extraordinarily high luminosity and power output, far beyond any object seen to date. This extreme luminosity would also explain the large radio signal. Schmidt concluded that 3C 273 could either be an individual star around 10 km wide within (or near to) this galaxy, or a distant active galactic nucleus. He stated that a distant and extremely powerful object seemed more likely to be correct. Schmidt's explanation for the high redshift was not widely accepted at the time. A major concern was the enormous amount of energy these objects would have to be radiating, if they were distant. In the 1960s no commonly accepted mechanism could account for this. The currently accepted explanation, that it is due to matter in an accretion disc falling into a supermassive black hole, was only suggested in 1964 by Edwin E. Salpeter and Yakov Zeldovich, and even then it was rejected by many astronomers, as at this time the existence of black holes at all was widely seen as theoretical. Various explanations were proposed during the 1960s and 1970s, each with their own problems. It was suggested that quasars were nearby objects, and that their redshift was not due to the expansion of space but rather to light escaping a deep gravitational well. This would require a massive object, which would also explain the high luminosities. However, a star of sufficient mass to produce the measured redshift would be unstable and in excess of the Hayashi limit. Quasars also show forbidden spectral emission lines, previously only seen in hot gaseous nebulae of low density, which would be too diffuse to both generate the observed power and fit within a deep gravitational well. There were also serious concerns regarding the idea of cosmologically distant quasars. One strong argument against them was that they implied energies that were far in excess of known energy conversion processes, including nuclear fusion. There were suggestions that quasars were made of some hitherto unknown stable form of antimatter in similarly unknown types of region of space, and that this might account for their brightness. Others speculated that quasars were a white hole end of a wormhole, or a chain reaction of numerous supernovae. Eventually, starting from about the 1970s, many lines of evidence (including the first X ray space observatories, knowledge of black holes and modern models of cosmology) gradually demonstrated that the quasar redshifts are genuine and due to the expansion of space, that quasars are in fact as powerful and as distant as Schmidt and some other astronomers had suggested, and that their energy source is matter from an accretion disc falling onto a supermassive black hole. This included crucial evidence from optical and X ray viewing of quasar host galaxies, finding of "intervening" absorption lines, which explained various spectral anomalies, observations from gravitational lensing, Gunn's 1971 finding that galaxies containing quasars showed the same redshift as the quasars, and Kristian's 1973 finding that the "fuzzy" surrounding of many quasars was consistent with a less luminous host galaxy. This model also fits well with other observations suggesting that many or even most galaxies have a massive central black hole. It would also explain why quasars are more common in the early universe: as a quasar draws matter from its accretion disc, there comes a point when there is less matter nearby, and energy production falls off or ceases, as the quasar becomes a more ordinary type of galaxy. The accretion disc energy production mechanism was finally modeled in the 1970s, and black holes were also directly detected (including evidence showing that supermassive black holes could be found at the centers of this and many other galaxies), which resolved the concern that quasars were too luminous to be a result of very distant objects or that a suitable mechanism could not be confirmed to exist in nature. By 1987 it was "well accepted" that this was the correct explanation for quasars,]]

Впоследствии было обнаружено, что не все квазары имеют сильное радиоизлучение; на самом деле только около 10% являются "радиояркими". Поэтому название "QSO" (квазизвездный объект) используется (в дополнение к "квазару") для обозначения этих объектов, которые далее подразделяются на классы "радиоярких" и "радиотихих". Открытие квазаров оказало большое влияние на область астрономии в 1960-х годах, в том числе сблизив физику и астрономию. В 1979 году эффект гравитационной линзы, предсказанный общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, был впервые подтвержден наблюдательно с помощью изображений двойного квазара 0957+561. Исследование, опубликованное в феврале 2021 года, показало, что квазаров больше в одном направлении (в сторону Гидры), чем в противоположном, что, по-видимому, указывает на то, что Земля движется в этом направлении. Однако направление этого диполя отклоняется примерно на 28° от направления движения Земли относительно космического микроволнового фона. В марте 2021 года группа ученых, связанная с проектом Event Horizon Telescope, впервые представила изображение, основанное на поляризации, черной дыры, а именно черной дыры в центре галактики M87, эллиптической галактики на расстоянии около 55 миллионов световых лет в созвездии Девы, раскрывая силы, порождающие квазары.

Современное понимание

Теперь известно, что квазары – это далёкие, но чрезвычайно яркие объекты, поэтому любой свет, достигающий Земли, испытывает красное смещение из-за расширения Вселенной. Квазары находятся в центрах активных галактик и являются одними из самых ярких, мощных и энергичных объектов, известных во Вселенной, излучая до тысячи раз больше энергии, чем Млечный Путь, содержащий 200–400 миллиардов звёзд. Это излучение почти равномерно испускается по всему электромагнитному спектру, от рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного, с пиком в ультрафиолетовом и оптическом диапазонах, причём некоторые квазары также являются сильными источниками радиоизлучения и гамма-лучей. С помощью изображений высокого разрешения, полученных с наземных телескопов и космического телескопа Хаббл, в некоторых случаях были обнаружены "галактики-хозяева", окружающие квазары. Эти галактики обычно слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть на фоне сияния квазара, за исключением использования специальных методов. Большинство квазаров, за исключением 3C 273, средняя видимая звёздная величина которого составляет 12,9, не могут быть обнаружены в небольшие телескопы. Считается – и во многих случаях подтверждено – что квазары питаются за счёт аккреции вещества на сверхмассивные чёрные дыры в ядрах далёких галактик, как было предложено в 1964 году Эдвином Сальпетером и Яковом Зельдовичем. Огромная светимость квазаров обусловлена аккреционными дисками центральных сверхмассивных чёрных дыр, которые могут преобразовывать от 5,7% до 32% массы объекта в энергию, по сравнению с всего 0,7% для ядерного синтеза p–p цепи, который доминирует в выработке энергии в звёздах, подобных Солнцу. Центральные массы от 10⁵ до 10⁹ солнечных масс были измерены в квазарах с использованием метода реверберационного картирования. Несколько десятков близлежащих крупных галактик, включая галактику Млечный Путь, не имеющих активного центра и не проявляющих активности, подобной квазару, подтверждено содержат аналогичную сверхмассивную чёрную дыру в своих ядрах (галактическом центре). Таким образом, теперь считается, что все крупные галактики имеют чёрную дыру такого рода, но лишь небольшая их часть обладает достаточным количеством вещества на подходящей орбите в центре, чтобы стать активной и излучать энергию таким образом, чтобы быть видимой как квазар. Это также объясняет, почему квазары были более распространены в ранней Вселенной, поскольку это производство энергии прекращается, когда сверхмассивная чёрная дыра поглощает весь газ и пыль вблизи неё. Это означает, что возможно, большинство галактик, включая Млечный Путь, прошли активную стадию, проявляясь как квазары или другой класс активных галактик, зависящий от массы чёрной дыры и скорости аккреции, и теперь находятся в состоянии покоя из-за отсутствия притока вещества к их центральным чёрным дырам для генерации излучения. Вещество, аккрецирующее на чёрную дыру, вряд ли будет падать непосредственно в неё, но будет обладать некоторым угловым моментом вокруг чёрной дыры, что заставит вещество собираться в аккреционный диск. Квазары также могут активироваться или повторно активироваться, когда нормальные галактики сливаются, и чёрная дыра получает новый источник вещества. Фактически, было предположено, что квазар может сформироваться, когда галактика Андромеды столкнётся с галактикой Млечный Путь примерно через 3–5 миллиардов лет. В 1980-х годах были разработаны унифицированные модели, в которых квазары классифицировались как особый вид активных галактик, и сложилось мнение, что во многих случаях их отличает от других активных галактик, таких как блазары и радиогалактики, лишь угол наблюдения. Самым далёким известным квазаром (по состоянию на 2017 год) был ULAS J1342+0928, с красным смещением 7.54, что соответствует расстоянии примерно 29.36 миллиарда световых лет от Земли (эти расстояния намного больше, чем расстояние, которое свет мог бы пройти за 13.8 миллиарда лет истории Вселенной, поскольку Вселенная расширяется). Теперь известно, что многие квазары запускаются столкновениями галактик, которые направляют массу галактик в сверхмассивные чёрные дыры в их центрах.

It is now known that quasars are distant but extremely luminous objects, so any light that reaches the Earth is redshifted due to the expansion of the universe. Quasars inhabit the centers of active galaxies and are among the most luminous, powerful, and energetic objects known in the universe, emitting up to a thousand times the energy output of the Milky Way, which contains 200–400 billion stars. This radiation is emitted across the electromagnetic spectrum almost uniformly, from X rays to the far infrared with a peak in the ultraviolet optical bands, with some quasars also being strong sources of radio emission and of gamma rays. With high resolution imaging from ground based telescopes and the Hubble Space Telescope, the "host galaxies" surrounding the quasars have been detected in some cases. These galaxies are normally too dim to be seen against the glare of the quasar, except with special techniques. Most quasars, with the exception of 3C 273, whose average apparent magnitude is 12.9, cannot be seen with small telescopes. Quasars are believed—and in many cases confirmed—to be powered by accretion of material into supermassive black holes in the nuclei of distant galaxies, as suggested in 1964 by Edwin Salpeter and Yakov Zeldovich. The huge luminosity of quasars results from the accretion discs of central supermassive black holes, which can convert between 5.7% and 32% of the mass of an object into energy, compared to just 0.7% for the p–p chain nuclear fusion process that dominates the energy production in Sun like stars. Central masses of 105 to 109 solar masses have been measured in quasars by using reverberation mapping. Several dozen nearby large galaxies, including the Milky Way galaxy, that do not have an active center and do not show any activity similar to a quasar, are confirmed to contain a similar supermassive black hole in their nuclei (galactic center). Thus it is now thought that all large galaxies have a black hole of this kind, but only a small fraction have sufficient matter in the right kind of orbit at their center to become active and power radiation in such a way as to be seen as quasars. This also explains why quasars were more common in the early universe, as this energy production ends when the supermassive black hole consumes all of the gas and dust near it. This means that it is possible that most galaxies, including the Milky Way, have gone through an active stage, appearing as a quasar or some other class of active galaxy that depended on the black hole mass and the accretion rate, and are now quiescent because they lack a supply of matter to feed into their central black holes to generate radiation.]] The matter accreting onto the black hole is unlikely to fall directly in, but will have some angular momentum around the black hole, which will cause the matter to collect into an accretion disc. Quasars may also be ignited or re ignited when normal galaxies merge and the black hole is infused with a fresh source of matter. In fact, it has been suggested that a quasar could form when the Andromeda Galaxy collides with the Milky Way galaxy in approximately 3–5 billion years. In the 1980s, unified models were developed in which quasars were classified as a particular kind of active galaxy, and a consensus emerged that in many cases it is simply the viewing angle that distinguishes them from other active galaxies, such as blazars and radio galaxies. The highest redshift quasar known (as of 2017) was ULAS J1342+0928, with a redshift of 7.54, which corresponds to a comoving distance of approximately 29.36 billion light years from Earth (these distances are much larger than the distance light could travel in the universe's 13.8 billion year history because the universe is expanding). It is now understood that many quasars are triggered by the collisions of galaxies, which drives the mass of the galaxies into the supermassive black holes at their centers.

Свойства

На данный момент обнаружено более 900 000 квазаров (по состоянию на июль 2023 года). С расстояния около 33 световых лет этот объект сиял бы в небе примерно так же ярко, как Солнце. Следовательно, светимость этого квазара примерно в 4 триллиона (4) раз превышает светимость Солнца, или примерно в 100 раз больше, чем суммарная светимость гигантских галактик, таких как Млечный Путь. Эти черные дыры эволюционируют совместно с массой звезд в их галактике-хозяине, однако этот процесс до конца не изучен. Одна из гипотез заключается в том, что струи, излучение и ветры, генерируемые квазарами, подавляют образование новых звезд в галактике-хозяине – этот процесс называется «обратной связью». Известно, что струи, вызывающие мощное радиоизлучение в некоторых квазарах в центрах скоплений галактик, обладают достаточной энергией, чтобы предотвратить охлаждение горячего газа в этих скоплениях и его аккрецию на центральную галактику. Светимость квазаров переменна, с временными масштабами от месяцев до часов. Это указывает на то, что квазары генерируют и излучают энергию из очень небольшого региона, поскольку для координации изменений светимости каждой части квазара необходимо находиться в контакте с другими частями за столь короткий промежуток времени. Таким образом, квазар, изменяющий свою светимость в течение нескольких недель, не может быть больше нескольких световых недель в поперечнике. Выброс огромного количества энергии из небольшого региона требует источника энергии, значительно более эффективного, чем ядерный синтез, питающий звезды. Преобразование гравитационной потенциальной энергии в излучение при аккреции на черную дыру преобразует от 6% до 32% массы в энергию, в то время как в звезде, подобной Солнцу, преобразование массы в энергию составляет 0,7%. Железные квазары демонстрируют сильные эмиссионные линии, возникающие в результате низкоионизированного железа (Fe II (одиночно ионизированный)), например, IRAS 18508-7815.

Спектровые линии, реионизация и ранняя Вселенная

Квазары также предоставляют некоторые сведения о завершении реионизации после Большого взрыва. Самые старые известные квазары (z = 6) демонстрируют эффект потока Гунна — Петерсона и области поглощения перед собой, что указывает на то, что межгалактическая среда в то время представляла собой нейтральный газ. Более молодые квазары не показывают областей поглощения, а их спектры содержат изрезанную область, известную как лес Лаймана-альфа; это свидетельствует о том, что межгалактическая среда претерпела реионизацию в плазму, и нейтральный газ существует лишь в небольших облаках. Интенсивное производство ионизирующего ультрафиолетового излучения также важно, поскольку оно обеспечивает механизм для реионизации по мере формирования галактик. Тем не менее, современные теории предполагают, что квазары не были основным источником реионизации; основными причинами реионизации, вероятно, были самые ранние поколения звезд, известные как звёзды III популяции (возможно, 70%), и карликовые галактики (очень ранние небольшие галактики с высокой энергией) (возможно, 30%). Квазары демонстрируют наличие элементов тяжелее гелия, что указывает на то, что галактики пережили масштабную фазу звездообразования, в результате которой образовались звёзды III популяции в период между Большим взрывом и первыми наблюдаемыми квазарами. Свет от этих звёзд, возможно, был зафиксирован в 2005 году с помощью космического телескопа Spitzer, однако это наблюдение пока не подтверждено.

Подтипы квазаров

Таксономия квазаров включает различные подтипы, представляющие собой подмножества популяции квазаров, обладающие различными свойствами. Радиогромкие квазары – это квазары с мощными джетами, являющимися сильными источниками радиоизлучения. Они составляют около 10% от общей популяции квазаров. Радиотихие квазары – это квазары, лишенные мощных джетов, с относительно слабым радиоизлучением по сравнению с радиогромкими квазарами. Большинство квазаров (около 90%) являются радиотихими. Красные квазары – это квазары, имеющие оптические цвета, более красные, чем у обычных квазаров, что, предположительно, является результатом умеренного поглощения пылью в галактике-хозяине квазара. Инфракрасные обзоры показали, что красные квазары составляют значительную долю общей популяции квазаров. Оптически сильно переменные (OVV) квазары – это радиогромкие квазары, у которых джет направлен в сторону наблюдателя. Релятивистское усиление излучения джета приводит к сильной и быстрой изменчивости яркости квазара. OVV квазары также рассматриваются как тип блазаров. Квазары со слабыми эмиссионными линиями – это квазары, характеризующиеся необычно слабыми эмиссионными линиями в ультрафиолетовом и видимом спектрах.

Роль в небесных системах отсчета

Поскольку квазары чрезвычайно далеки, ярки и имеют малые угловые размеры, они служат полезными опорными точками для создания измерительной сетки на небесной сфере. Международная небесная система отсчета (ICRS) базируется на сотнях внегалактических радиоисточников, преимущественно квазарах, распределенных по всему небу. Благодаря огромному расстоянию до них, квазары кажутся неподвижными при использовании современных технологий, однако их координаты могут быть измерены с высочайшей точностью методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI). Координаты большинства из них известны с точностью 0,001 угловой секунды или выше, что на несколько порядков превосходит точность наилучших оптических измерений.

Многократные квазары

Группировка двух или более квазаров на небе может быть результатом случайного выравнивания, когда квазары физически не связаны, фактической физической близости или эффектов гравитации, искривляющей свет одного квазара в два или более изображений посредством гравитационного линзирования. Когда два квазара кажутся очень близкими друг к другу с Земли (разделены несколькими угловыми секундами или меньше), их обычно называют "двойным квазаром". Если они также близки друг к другу в пространстве (то есть наблюдаются с похожими значениями красного смещения), их называют "парой квазаров" или "бинарным квазаром", если они достаточно близки, чтобы их галактики-хозяева, вероятно, физически взаимодействовали. Поскольку квазары – редкие объекты во Вселенной, вероятность обнаружения трех или более отдельных квазаров вблизи одного и того же физического местоположения очень мала, и определение того, действительно ли система физически близка, требует значительных наблюдательных усилий. Первый настоящий тройной квазар был обнаружен в 2007 году в обсерватории В. М. Кека на Мауна-Кеа, Гавайи. LBQS 1429 008 (или QQQ J1432 0106) был впервые зарегистрирован в 1989 году и тогда был идентифицирован как двойной квазар. Когда астрономы обнаружили третий компонент, они подтвердили, что источники разделены и не являются результатом гравитационного линзирования. У этого тройного квазара красное смещение z = 2,076. Компоненты разделены на расстояние около 30–50 килопарсек (примерно 97 000–160 000 световых лет), что типично для взаимодействующих галактик. В 2013 году была обнаружена вторая настоящая тройка квазаров, QQQ J1519+0627, с красным смещением z = 1,51, при этом вся система умещается в пределах физического разделения 25 кпс (около 80 000 световых лет). Первая настоящая квадропольная система квазаров была обнаружена в 2015 году при красном смещении z = 2,0412 и имеет общий физический масштаб около 200 кпц (примерно 650 000 световых лет). Квазар с множественными изображениями – это квазар, свет которого подвергается гравитационному линзированию, в результате чего образуются двойные, тройные или четверные изображения одного и того же квазара. Первым обнаруженным таким гравитационным линзой был двойной квазар Q0957+561 (или Квазар-близнец) в 1979 году. Примером квазара с тройным линзированием является PG1115+08. Известно несколько квазаров с четырьмя изображениями, включая Крест Эйнштейна и Клеверный квазар, первые открытия которых произошли в середине 1980-х годов.

A grouping of two or more quasars on the sky can result from a chance alignment, where the quasars are not physically associated, from actual physical proximity, or from the effects of gravity bending the light of a single quasar into two or more images by gravitational lensing. When two quasars appear to be very close to each other as seen from Earth (separated by a few arcseconds or less), they are commonly referred to as a "double quasar". When the two are also close together in space (i. e. observed to have similar redshifts), they are termed a "quasar pair", or as a "binary quasar" if they are close enough that their host galaxies are likely to be physically interacting. As quasars are overall rare objects in the universe, the probability of three or more separate quasars being found near the same physical location is very low, and determining whether the system is closely separated physically requires significant observational effort. The first true triple quasar was found in 2007 by observations at the W. M. Keck Observatory in Mauna Kea, Hawaii. LBQS 1429 008 (or QQQ J1432 0106) was first observed in 1989 and at the time was found to be a double quasar. When astronomers discovered the third member, they confirmed that the sources were separate and not the result of gravitational lensing. This triple quasar has a redshift of z = 2.076. The components are separated by an estimated 30–50 kiloparsecs (roughly 97,000–160,000 light years), which is typical for interacting galaxies. In 2013, the second true triplet of quasars, QQQ J1519+0627, was found with a redshift z = 1.51, the whole system fitting within a physical separation of 25 kpc (about 80,000 light years). The first true quadruple quasar system was discovered in 2015 at a redshift z = 2.0412 and has an overall physical scale of about 200 kpc (roughly 650,000 light years). A multiple image quasar is a quasar whose light undergoes gravitational lensing, resulting in double, triple or quadruple images of the same quasar. The first such gravitational lens to be discovered was the double imaged quasar Q0957+561 (or Twin Quasar) in 1979. An example of a triply lensed quasar is PG1115+08. Several quadruple image quasars are known, including the Einstein Cross and the Cloverleaf Quasar, with the first such discoveries happening in the mid 1980s.