Квазар представляет собой тип астрономических объектов, относящихся к наиболее светимым во вселенной, считая по абсолютным меркам. Слово «quasar» в английском происходит от сочетания терминов quasi-stellar (что означает «почти как звезда» или «звездоподобный») и radiosource («источник радиоволн»), что в переводе означает «звездоподобный источник радиоволн».
Блазар является частным случаем квазара, обладающим особыми свойствами.
Согласно текущим научным теориям, квазары являются активными центрами галактик, находящихся на ранних этапах своего развития, где сверхмассивная черная дыра захватывает и поглощает вещество из окружающего пространства, образуя вокруг себя аккреционный диск. Этот диск становится источником чрезвычайно мощного излучения, часто превосходящего общую светимость всех звезд целых галактик, подобных Млечному Пути, и сопровождается космологическим гравитационным красным смещением, которое было предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности.
Изначально квазары были замечены как объекты с значительным красным смещением, испускающие электромагнитное излучение в широком спектре, от радиоволн до видимого света, и имеющие столь незначительные угловые размеры, что на протяжении многих лет после их открытия они не могли быть различимы от звезд, в отличие от галактик, которые представляют собой протяженные источники света. Вокруг некоторых квазаров со временем были обнаружены следы материнских галактик, однако это касается не всех таких объектов.
Квазары были зарегистрированы на различных расстояниях от нас, и исследования показали, что активность квазаров в прошлом была гораздо более высокой, чем сегодня. Вершина периода квазарной активности пришлась на примерно 10 миллиардов лет назад.
Квазары часто упоминаются как фонари вселенной из-за их способности быть заметными с колоссальных дистанций (достижения красного смещения превышают значения z = 7,5), что делает их важными инструментами для анализа структуры и развития Вселенной и картографирования распределения материи на пути их света: интенсивные абсорбционные линии водорода превращаются в плотный спектр линий по мере увеличения красного смещения поглощающих облаков. Из-за их значительного удаления, в отличие от звезд, квазары кажутся практически статичными (отсутствует параллакс), что позволяет использовать их радиоизлучение для точного определения с Земли параметров пути космических аппаратов.
К окончанию 2023 года самым далеким идентифицированным квазаром стал UHZ1, достигающий красного смещения 10,1, ставшим самым удаленным из всех изученных квазаров на данный момент. Свет, который мы видим от данного квазара, был излучен в момент, когда Вселенной исполнилось лишь 470 миллионов лет. Сверхмассивная черная дыра, расположенная в центре этого квазара и оцененная в 40 миллионов масс Солнца, представляет собой самую отдаленную черную дыру, найденную на сегодняшний день.
В январе 2019 года был обнаружен самый яркий из когда-либо зарегистрированных квазаров, его светимость была оценена в 600 триллионов солнц. Названный J043947.08+163415.7 квазар находится на расстоянии около 12,8 миллиарда световых лет от нас (с красным смещением z = 6,51).
Первоначальные открытия
В дополнение к современному толкованию, имелось также исходное определение: «Квазар (или квазистеллярный объект) – это категория астрономических объектов, которые визуально напоминают звезды в оптическом спектре, однако выделяются интенсивным радиоизлучением и крайне незначительными угловыми размерами (менее 10 угловых секунд)»; это самосветящееся космическое тело, значительно превосходящее по массе и яркости Солнце.
Изначальное описание было сформулировано в конце 1950-х — начале 1960-х годов после обнаружения первых квазаров, когда их исследования только зарождались. Это описание было в целом корректным, однако с течением времени были обнаружены квазары, не производящие интенсивного радиоизлучения; на 2004 год таких составляют примерно 90% от общего числа известных квазаров.
История наблюдений
Зарождение изучения квазаров связано с исследовательской программой радиотелескопа «Джодрелл-Бэнк», направленной на анализ угловых размеров источников радиоволн.
Объект под названием 3C 48, ставший первым открытым квазаром, был выявлен в конце 50-х годов прошлого века исследователями Алланом Сэндиджем и Томасом Метьюзом в рамках радионаблюдений небесной сферы. К 1963 году ученые уже знали о существовании пяти таких объектов. Эти новооткрытые астрономические явления демонстрировали необычные характеристики, которые на тот момент оставались неразгаданными. Они излучали интенсивное многоспектральное излучение, в то время как в оптическом диапазоне оставались практически невидимыми, за исключением единичных случаев, когда удавалось обнаружить слабые точечные источники, схожие с удаленными звездами. Спектральные линии этих объектов, отражающие состав вещества, были необычайно странными и не соответствовали спектрам известных на тот момент химических элементов и их ионов.
В том же 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт сделал революционное открытие, установив, что спектральные линии квазаров испытывают значительное красное смещение, что свидетельствует о их удалении от нас на огромные расстояния с высокой скоростью. Особенно это касалось квазара 3C 273, спектр которого был точно идентифицирован как содержащий линии водорода и магния, смещенные в красную область спектра. Такое явление указывало на то, что если подобное смещение обусловлено движением объекта, то 3C 273 удаляется от нас со скоростью около 47 000 км/с, что значительно превышает скорости движения всех известных звезд. Эта высокая скорость сама по себе не могла объяснить мощное радиоизлучение квазара. Если предположить, что красное смещение носит космологический характер (что впоследствии подтвердилось), то огромное удаление квазара говорило о том, что он значительно ярче любой известной галактики, при этом оставаясь гораздо более компактным объектом.
Уже в начале апреля 1963 года, благодаря работе Ю.Н. Ефремова и А.С. Шарова, были проанализированы фотометрические данные квазара 3C 273. Исследования показали, что его светимость изменяется с периодичностью всего несколько дней. Такие быстрые колебания блеска свидетельствуют о том, что область, генерирующая излучение этих объектов, обладает сравнительно малыми размерами, аналогичными размерам нашей Солнечной системы, при этом светимость квазаров значительно выше, чем у обычных галактик. К тому же, 3C 273 был настолько ярок, что его удалось выявить на фотоснимках начала XX века; он демонстрировал изменения яркости на протяжении года, что указывает на то, что основная часть излучения исходила из зоны, меньшей 1 светового года. Эти изменения подтвердили, что красное смещение связано с космологическим расширением Вселенной, и на основе закона Хаббла было определено расстояние до квазаров.
Квазар 3C 273, один из самых светлых и близких к нам, имеет видимую звездную величину около 13m и красное смещение z = 0,158, что соответствует удаленности примерно в 3 миллиарда световых лет. В то же время, самые отдаленные из известных квазаров, обладающие огромной светимостью, в сотни раз превышающей светимость типичных галактик, наблюдаются на расстояниях свыше 12 миллиардов световых лет. По состоянию на июль 2011 года, наиболее удаленный квазар (ULAS J112001.48+064124.3) находился на расстоянии приблизительно 13 миллиардов световых лет от нашей планеты.
Точное количество квазаров, известных на сегодняшний день, установить сложно. Это связано с тем, что новые объекты этого типа обнаруживаются регулярно, а также с трудностью отделения квазаров от других видов активных галактических ядер. В каталоге Хьюитта-Бэрбриджа, опубликованном в 1987 году, было зарегистрировано 3594 квазара. К 2005 году количество известных квазаров увеличилось до 195 тысяч, согласно исследованиям группы астрономов.
Современные данные
Квазары располагаются в сердцевинах активных галактик и представляют собой чрезвычайно светящиеся космические объекты, излучение которых в сотни раз превосходит светимость нашей Галактики, насчитывающей от 200 до 400 миллиардов звезд. Их болометрическая светимость, то есть суммарная светимость по всему спектру, может достигать значений от 10^{46} до 10^{47} эрг в секунду.
В среднем квазар испускает энергию, превышающую в 10 триллионов раз энергию, производимую Солнцем, и в миллион раз — энергию наиболее яркой из известных звезд, демонстрируя при этом изменчивость излучения по всему спектру волн. Спектральная плотность излучения квазара отличается равномерным распределением от рентгеновских до дальних инфракрасных волн, с максимумами в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. При этом некоторые квазары также могут быть мощными источниками радио и гамма-излучений.
Благодаря снимкам высокой четкости, полученным благодаря наземным телескопам и космическому телескопу Хаббл, в ряде случаев удалось выявить «хозяйские галактики», окружающие квазары, которые зачастую оказываются слишком слабыми, чтобы быть заметными на фоне ослепительного света квазара. Большинство квазаров имеют низкую звездную величину, делая их недоступными для наблюдения через маломощные телескопы. Однако существуют исключения, например, квазар 3C 273, звездная величина которого достигает 12,9.
Процесс излучения квазаров установлен и связан с аккрецией материи на сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах галактик. Хотя свет и различные виды излучений не способны покидать пространство за пределами горизонта событий черной дыры, сама энергия квазара производится вне его, когда материя, притягиваемая гравитацией и подвергаясь интенсивному трению (вследствие вязкости газа в аккреционном диске), нагревается до экстремальных температур. В таком процессе до 6-32% массы падающего вещества может трансформироваться в излучаемую энергию, что значительно превышает эффективность трансформации в 0,7%, характерную для термоядерного синтеза в протон-протонном цикле, характерного для звезд, аналогичных Солнцу.
Сверхмассивные черные дыры в центре квазаров, чьи массы были определены методом реверберационного картирования, варьируются в пределах от 10^5 до 10^9 солнечных масс. Исследования показывают, что множество близких к нам крупных галактик, включая Млечный Путь, несмотря на отсутствие активного ядра и квазарной активности, все же содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры. Следовательно, теперь принято считать, что, хотя большинство крупных галактик обладают такими черными дырами, лишь ограниченное количество из них имеет достаточный запас материи в окружающем пространстве, чтобы активизироваться и излучать энергию, позволяющую их классифицировать как квазары.