Quásar

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Un cuásar ( en inglés  quasar ) es una clase de objetos astronómicos que se encuentran entre los más brillantes (en términos absolutos) del universo visible . El término inglés quasar se deriva de las palabras quas i-stell ar ("cuasi-estelar" o "similar a una estrella " ) y r adiosource (" fuente de radio ") y literalmente significa "fuente de radio similar a una estrella" [1] .

Un quásar compacto se llama blazar [2] .

Según los conceptos modernos, los cuásares son núcleos galácticos activos en la etapa inicial de desarrollo, en la que un agujero negro supermasivo absorbe la materia circundante, formando un disco de acreción . Es la fuente de radiación, excepcionalmente poderosa (a veces decenas y cientos de veces mayor que la potencia total de todas las estrellas de galaxias como la nuestra ) y que tiene, además del corrimiento al rojo gravitatorio cosmológico , predicho por A. Einstein en el general teoría de la relatividad (RG) [3] [4 ] [5] .

Los cuásares se descubrieron como objetos de alto corrimiento al rojo con radiación electromagnética (incluidas las ondas de radio y la luz visible) y dimensiones angulares tan pequeñas que durante varios años después del descubrimiento no se pudieron distinguir de las "fuentes puntuales": estrellas (por el contrario, las fuentes extendidas son más grandes). corresponden a galaxias [6] ; la magnitud del quásar más brillante es +12,6). Los rastros de galaxias progenitoras alrededor de cuásares (y lejos de todo) se descubrieron solo más tarde.

Los cuásares son detectables en un rango muy amplio de distancias, y los estudios de detección de cuásares han demostrado que la actividad de los cuásares era más común en el pasado lejano. El pico de la era de la actividad de los cuásares fue hace unos 10 mil millones de años [7] .

Los cuásares son llamados los faros del universo . Son visibles desde grandes distancias [8] [9] [10] [11] (hasta un redshift superior a z = 7,5) [12] [13] , estudian la estructura y evolución del Universo , determinan la distribución de la materia en la vista del haz: fuertes líneas de absorción espectral de hidrógeno se despliegan en un bosque de líneas a lo largo del corrimiento al rojo de las nubes absorbentes [14] . Debido a su gran distancia, los cuásares, a diferencia de las estrellas, se ven prácticamente inmóviles (no tienen paralaje ), por lo que la emisión de radio de un cuásar se utiliza para determinar con precisión los parámetros de la trayectoria de una estación interplanetaria automática desde la Tierra [15] .

A finales de 2017, el cuásar más distante descubierto es ULAS J1342+0928 con un corrimiento al rojo de 7,54 [12] [13] . La luz que se ve desde este quásar se emitió cuando el universo tenía solo 690 millones de años. El agujero negro supermasivo de este cuásar, estimado en 800 millones de masas solares, es el agujero negro más distante identificado hasta la fecha.

En enero de 2019, se anunció el descubrimiento del quásar más brillante: su brillo se estima en 600 billones de solares [16] . El cuásar se llama J043947.08+163415.7 , la distancia al objeto es de aproximadamente 12,8 mil millones de años luz (desplazamiento al rojo z = 6,51 [17] ) [18] [19] .

La definición original del término "quasar"

Además de la definición moderna, también existía la original [20] : “Un cuásar (objeto cuasi-estelar) es una clase de objetos celestes que son similares a una estrella en el rango óptico, pero tienen una fuerte emisión de radio y son extremadamente pequeñas dimensiones angulares (menos de 10″)”; un cuerpo cósmico que se irradia a sí mismo similar a las estrellas, muchas veces más grande que el Sol en masa y luminosidad [21] [22] .

La definición original se formó a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960, cuando se descubrieron los primeros cuásares y recién comenzaba su estudio. Esta definición es generalmente correcta, sin embargo, con el tiempo, se descubrieron cuásares radio silenciosos que no crean fuertes emisiones de radio [20] [23] ; a partir de 2004, alrededor del 90% de los cuásares conocidos son tales.

Historial de observaciones

La historia de los cuásares comenzó con el programa del observatorio de radio de Jodrell Bank para medir las dimensiones angulares aparentes de las fuentes de radio.

El primer cuásar, 3C 48 , fue descubierto a fines de la década de 1950 por Allan Sandage y Thomas Matthews durante un estudio de radio del cielo. En 1963 ya se conocían 5 cuásares. El nuevo tipo de objetos combinaba algunas propiedades anómalas que no podían explicarse en ese momento. Emitieron una gran cantidad de radiación de amplio espectro, pero la mayoría de ellos no fueron detectados ópticamente, aunque en algunos casos fue posible identificar un objeto tenue y puntiagudo, similar a una estrella distante. Las líneas espectrales que identifican los elementos químicos que componen el objeto también eran extremadamente extrañas y no se podían descomponer en los espectros de todos los elementos conocidos en ese momento y sus diversos estados ionizados.

En el mismo año, el astrónomo holandés Martin Schmidt demostró que las líneas en los espectros de los cuásares están fuertemente desplazadas hacia el rojo . Schmidt, Greenstein y Ocke identificaron rápidamente el extraño espectro de 3C 48 como líneas de hidrógeno y magnesio muy desplazadas hacia el rojo. Si esto se debía al movimiento físico de la "estrella", entonces 3C 273 se alejaba de nosotros a una velocidad tremenda, de unos 47.000 km/s, superando con creces la velocidad de cualquier estrella conocida [24] . Además, la velocidad extrema no ayudaría a explicar las enormes emisiones de radio de 3C 273. Si el corrimiento al rojo fuera cosmológico (ahora se sabe que esta suposición es correcta ), la gran distancia significaba que 3C 273 era mucho más brillante que cualquier galaxia, pero mucho más compacta.

Casi inmediatamente, el 9 de abril de 1963, Yu. N. Efremov y A. S. Sharov, utilizando medidas fotométricas de imágenes de la fuente 3C 273, descubrieron la variabilidad del brillo de los cuásares con un período de solo unos pocos días [25] [26 ] . La variabilidad de brillo irregular de los cuásares en escalas de tiempo de menos de un día indica que la región de generación de su radiación tiene un tamaño pequeño, comparable al tamaño del sistema solar , pero su brillo superó muchas veces el brillo de las galaxias ordinarias. Además, 3C 273 era lo suficientemente brillante como para ser visto en fotografías de archivo de la década de 1900; se encontró que variaba en una escala de tiempo anual, lo que implica que una parte significativa de la luz se emitía desde una región de menos de 1 año luz de tamaño, pequeña en comparación con la galaxia. Suponiendo que este corrimiento hacia el rojo se deba al efecto del corrimiento hacia el rojo cosmológico resultante de la eliminación de los cuásares, la distancia a ellos fue determinada por la ley de Hubble .

Uno de los cuásares más cercanos y brillantes, 3C 273, tiene una magnitud de unos 13 m [27] y un corrimiento al rojo de z = 0,158 [28] (que corresponde a una distancia de unos 3.000 millones de años luz ) [29] . Los cuásares más distantes, debido a su gigantesca luminosidad, cientos de veces mayor que la luminosidad de las galaxias ordinarias, se registran mediante radiotelescopios a una distancia de más de 12 mil millones de años luz. años _ En julio de 2011, el quásar más distante ( ULAS J112001.48+064124.3 ) estaba a una distancia de unos 13 mil millones de años luz. años de la Tierra [30] .

Es muy difícil determinar el número exacto de cuásares descubiertos hasta la fecha. Esto se explica, por un lado, por el constante descubrimiento de nuevos cuásares, y por otro lado, por la falta de un límite claro entre los cuásares y otro tipo de galaxias activas . En la lista de Hewitt-Burbridge publicada en 1987, el número de cuásares es de 3594. En 2005, un grupo de astrónomos utilizó datos de 195 000 cuásares en su estudio [31] .

La evolución de la comprensión de la naturaleza de los cuásares

Los cuásares inmediatamente desde el momento de su descubrimiento causaron mucha discusión y controversia en la comunidad científica. El pequeño tamaño fue confirmado por interferometría y la observación de la velocidad a la que el cuásar en su conjunto cambiaba de poder, y la incapacidad de ver algo más que débiles fuentes puntuales estelares, incluso en los telescopios ópticos más potentes. Pero si los objetos fueran pequeños y estuvieran muy lejos en el espacio, su liberación de energía sería extremadamente grande y difícil de explicar. Por el contrario, si estuvieran mucho más cerca de nuestra galaxia con su tamaño, entonces sería fácil explicar su poder aparente, pero entonces es difícil explicar sus desplazamientos hacia el rojo y la ausencia de movimientos detectables contra el fondo del Universo (parallax). ).

Si el corrimiento al rojo medido fue causado por una expansión, entonces esto respaldaría la interpretación de objetos muy distantes con un brillo inusualmente alto y una potencia de salida muy superior a la de cualquier objeto visto hasta la fecha. Este brillo extremo también explica la gran señal de radio. Schmidt concluyó que 3C 273 podría ser una sola estrella de unos 10 km de diámetro dentro (o cerca) de nuestra galaxia, o un núcleo galáctico activo distante. Afirmó que la suposición de un objeto distante y extremadamente poderoso probablemente sea correcta [24] .

La explicación del fuerte corrimiento al rojo no fue generalmente aceptada en ese momento. El principal problema era la enorme cantidad de energía que tendrían que irradiar estos objetos si estuvieran a tal distancia. En la década de 1960, ningún mecanismo conocido generalmente aceptado podría explicar esto. La explicación actualmente aceptada, de que esto se debe a la caída de materia en el disco de acreción en un agujero negro supermasivo, fue propuesta recién en 1964 por Zeldovich y Edwin Salpeter [32] , e incluso entonces fue rechazada por muchos astrónomos, porque en 1960: a principios del siglo XX, la existencia de agujeros negros todavía se consideraba teórica y demasiado exótica, y aún no se había confirmado que muchas galaxias (incluida la nuestra) tuvieran agujeros negros supermasivos en sus centros. Se ha explicado a muchos astrónomos y cosmólogos que las extrañas líneas espectrales en su emisión y la tasa de cambio observada en algunos cuásares son comparativamente pequeñas y, por lo tanto, posiblemente brillantes, masivas, pero no tan lejanas; en consecuencia, que sus desplazamientos hacia el rojo no se debieron a la distancia o al alejamiento de la velocidad de nosotros debido a la expansión del universo, sino a alguna otra causa o proceso desconocido, lo que significa que los cuásares no eran realmente objetos tan brillantes a distancias extremas.

Se ofrecieron varias explicaciones en las décadas de 1960 y 1970, cada una con sus propias deficiencias. Se ha sugerido que los cuásares son objetos cercanos y que su corrimiento al rojo no se debe a la expansión del espacio (explicado por la relatividad especial ), sino a la luz que emerge de un pozo gravitacional profundo (el corrimiento al rojo gravitatorio se explica por la relatividad general ). Esto requeriría un objeto masivo, lo que también explicaría el alto brillo. Sin embargo, una estrella con suficiente masa para obtener el corrimiento al rojo medido será inestable y excederá el límite de Hayashi [33] . Los cuásares también muestran líneas de emisión espectral prohibidas que anteriormente solo se veían en nebulosas gaseosas calientes de baja densidad, que serían demasiado difusas para generar energía observable y encajar en un pozo gravitacional profundo [34] . También hubo serias preocupaciones cosmológicas sobre la idea de cuásares distantes. Un fuerte argumento en su contra era que implicaban energías que superaban con creces los procesos de conversión de energía conocidos, incluida la fusión nuclear. Ha habido algunas sugerencias de que los cuásares se formaron a partir de alguna forma previamente desconocida de regiones estables de antimateria y estamos viendo una región de su aniquilación con la materia ordinaria, y esto podría explicar su brillo [35] . Otros han sugerido que los cuásares eran el final de un agujero de gusano de agujero blanco [36] [37] o una reacción en cadena de numerosas supernovas.

Eventualmente, comenzando alrededor de la década de 1970, muchas pruebas (incluidos los primeros observatorios espaciales de rayos X, el conocimiento de los agujeros negros y los modelos actuales de cosmología) demostraron gradualmente que los desplazamientos al rojo de los cuásares son genuinos y, debido a la expansión espacial, que los cuásares de hecho tan poderosos y tan lejanos como han sugerido Schmidt y algunos otros astrónomos, y que su fuente de energía es la materia de un disco de acreción que cae en un agujero negro supermasivo. Esta suposición se vio reforzada por los datos más importantes de las observaciones ópticas y de rayos X de las galaxias anfitrionas de cuásares, el descubrimiento de líneas de absorción "intermedias" que explican varias anomalías espectrales, las observaciones de lentes gravitacionales, el descubrimiento por Peterson y Gann en 1971 del hecho que las galaxias que contenían cuásares mostraban el mismo desplazamiento rojo que los cuásares y el descubrimiento de Christian en 1973 de que el entorno "brumoso" de muchos cuásares correspondía a una galaxia anfitriona menos luminosa.

Este modelo también concuerda con otras observaciones, que sugieren que muchas o incluso la mayoría de las galaxias tienen un agujero negro central masivo. Esto también explica por qué los cuásares son más comunes en el universo primitivo: cuando un cuásar está comiendo materia de su disco de acreción, llega un punto en el que hay poca materia en los alrededores y el flujo de energía cae o se detiene, y luego el cuásar se convierte en un galaxia normal.

El mecanismo de producción de energía en un disco de acreción finalmente se modeló en la década de 1970, y la evidencia de la existencia de agujeros negros también se complementó con nuevos datos (incluida la evidencia de que los agujeros negros supermasivos se pueden encontrar en los centros de nuestro propio y muchos). otras galaxias), lo que permitió resolver el problema de los cuásares.

Vistas modernas

Los cuásares están en el centro de las galaxias activas y se encuentran entre los objetos más brillantes conocidos en el universo, irradiando mil veces más energía que la Vía Láctea, que contiene de 200 a 400 mil millones de estrellas. La luminosidad bolométrica (integrada en todo el espectro ) de los cuásares puede alcanzar 1046-1047 erg / s [ 38] . En promedio, un cuásar produce alrededor de 10 billones de veces más energía por segundo que nuestro Sol (y un millón de veces más energía que la estrella más poderosa conocida) y tiene una variabilidad de radiación en todos los rangos de longitud de onda [20] . La densidad espectral de la emisión de un cuásar se distribuye casi uniformemente desde los rayos X hasta el infrarrojo lejano , alcanzando su punto máximo en el ultravioleta y el visible , y algunos cuásares también son fuertes fuentes de radiación gamma y de radio . Utilizando imágenes de alta resolución de telescopios terrestres y el Telescopio Espacial Hubble, en algunos casos se han detectado "galaxias anfitrionas" que rodean a los cuásares [25] . Estas galaxias suelen ser demasiado débiles para ser vistas a la luz brillante de un cuásar. La magnitud aparente promedio de la mayoría de los cuásares es pequeña y no se puede ver con telescopios pequeños. La excepción es el objeto 3C 273 , cuya magnitud aparente es 12,9.

El mecanismo de radiación de los cuásares es conocido: la acumulación de materia en agujeros negros supermasivos ubicados en los núcleos de las galaxias. La luz y otras radiaciones no pueden abandonar la región dentro del horizonte de sucesos del agujero negro, pero la energía creada por el cuásar se genera desde el exterior cuando, bajo la influencia de la gravedad y la enorme fricción (debido a la viscosidad del gas en el disco de acreción) , la materia que cae en el agujero negro se calienta a temperaturas muy altas . Con este mecanismo se puede convertir del 6% al 32% de la masa del objeto en energía de radiación, que por ejemplo es un orden de magnitud superior al 0,7% para el proceso de fusión termonuclear en el ciclo protón-protón , que prevalece en estrellas similares al Sol. Las masas centrales de los cuásares se han medido utilizando mapas de reverberación y oscilan entre 10 5 y 10 9 masas solares. Se ha confirmado que varias docenas de galaxias grandes cercanas, incluida nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, que no tienen un centro activo y no muestran ninguna actividad similar a los cuásares, contienen un agujero negro supermasivo similar (centro galáctico) en sus núcleos. Así, ahora se cree que aunque todas las galaxias grandes tienen un agujero negro de este tipo, solo una pequeña parte tiene suficiente materia en su vecindad para activarse e irradiar energía de tal manera que se puede considerar como un cuásar [39] .

También explica por qué los cuásares eran más comunes en el universo primitivo, ya que la liberación de energía termina cuando el agujero negro supermasivo consume todo el gas y el polvo a su alrededor. Esto significa que es posible que la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, hayan pasado su etapa activa, pareciéndose a un cuásar o alguna otra clase de galaxia activa, que dependía de la masa del agujero negro y la tasa de acreción, y ahora están en resto, porque no hay suficiente materia en las inmediaciones para generar radiación. Para nuestra galaxia, hay evidencia de actividad de agujeros negros en el pasado, como las burbujas de Fermi. .

Es poco probable que la materia que se acumula cerca del agujero negro caiga directamente en él, pero debido a un momento angular inicial, la materia se acumulará en el disco de acreción y, debido a la ley de conservación del momento angular, cuanto más cerca esté del agujero negro agujero, cuanto mayor sea la velocidad de rotación, en realidad se acerca a la velocidad de la luz. Los cuásares también pueden volver a encenderse cuando las galaxias normales se fusionan y el vecindario del agujero negro se llena con una nueva fuente de materia. Se ha sugerido que podría formarse un quásar después de la colisión de la galaxia vecina de Andrómeda con nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, en unos 3-5 mil millones de años [40] [41] [42] .

Propiedades

Variaciones de brillo

Muchos cuásares cambian su luminosidad en cortos períodos de tiempo. Esta es, aparentemente, una de las propiedades fundamentales de los cuásares (la variación más corta con un período t ≈ 1 h, el brillo máximo cambia en 50 veces). Dado que las dimensiones de un objeto con brillo variable no pueden exceder ct ( c  es la velocidad de la luz) , las dimensiones de los cuásares (o sus partes activas) son muy pequeñas, del orden de horas luz.

Véase también

Notas

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Literatura

Enlaces