Obraz radioźródła 3C 273 i superszybka struga materii tryskająca z niego w naszym kierunku

Kwazary są to obiekty poruszające się z bardzo dużymi prędkościami. W latach sześćdziesiątych poprzedniego stulecia zaobserwowano obiekt oznaczony symbolem 3C 273, który oddala się od nas z prędkością prawie 50 000 km/s. Zgodnie z prawem Hubble'a, które głosi, iż w naszym rozszerzającym się Wszechświecie prędkość oddalania się jest proporcjonalna do odległości obiektu od obserwatora, odpowiadało to odległości 2 mld lat świetlnych. Obiekt, który znajdował się tak daleko od nas, a mimo to był widoczny, musiał emitować olbrzymie ilości energii. Wkrótce potem odkryto kolejne wysokoenergetyczne źródła o charakterystykach zbliżonych do 3C 273. Ze względu na pozorne podobieństwo do zwykłych gwiazd nazwano je kwazarami (nazwa ta jest skrótem od angielskiego określenia Quasi-Stellar Radio Source - gwiazdopodobne źródło radiowe). Jak obecnie wiemy, obiekty te są jednymi z najbardziej wydajnych źródeł energii we Wszechświecie. Najdalszy kwazar zaobserwowano w odległości 13,7 miliardów lat świetlnych od Ziemi i na tyle mniej więcej lat szacujemy istnienie Wszechświata w obecnej postaci

Schemat kwazara. Gaz międzygalaktyczny opada na czarną dziurę, formując dysk i świecąc> Jednocześnie z centrum dysku wyrzucane są strugi materii czyli dżety.

Po wielu latach obserwacji udało się dowieść, że kwazary tkwią w centralnych częściach galaktyk. Ich galaktyczne otoczki było bardzo trudno zaobserwować po prostu dlatego, że typowy kwazar emituje znacznie więcej energii niż wszystkie gwiazdy znajdujące się w jego macierzystej galaktyce (najjaśniejsze kwazary w ciągu sekundy wyświecają tyle energii, co sto bilionów naszych Słońc). Odkrywszy ścisły związek kwazarów z galaktykami, stwierdzono, że stanowią one tylko niewielką podgrupę licznej klasy obiektów zwanych aktywnymi jądrami galaktyk, które w astronomii określa się skrótem AGN (od ang. Active Galactic Nuclei). Wśród AGN znaleziono liczne przykłady obiektów, które miały wszelkie cechy kwazarów poza jedną: były zupełnie "ciche" radiowo. Okazało się, że jest ich dziesięciokrotnie więcej niż kwazarów radiowo głośnych.
Problem ogromnych ilości energii emitowanej przez kwazary nurtował naukowców od momentu ich odkrycia. Bardzo wcześnie, jeszcze w latach sześćdziesiątych, zaczęto podejrzewać, że w proces emisji muszą być zaangażowane obiekty o masach miliardy razy większych niż masa Słońca. Rozważano różne możliwości, wśród nich i taką, że w centrum galaktyki znajduje się ogromna gromada gwiazd, które jedna po drugiej wybuchają jako supernowe. Ostatecznie jednak zwyciężył pogląd, że za aktywność AGN w ogólności, a kwazarów w szczególności, odpowiedzialne są supermasywne czarne dziury. W centrum galaktyki zazwyczaj znajdują się znaczne ilości materii międzygwiazdowej. Przyjęty obecnie model AGN zakłada, że pod działaniem potężnych sił grawitacyjnych materia ta formuje wokół czarnej dziury rozciągłą strukturę w dysku - tzw. dysk akrecyjny. Gaz w dysku wiruje z

Rekonstrukcja dysku otaczającego czarną dziurę w centrum galaktyki NGC 4258. Dokonano jej na podstawie radiowego widma dysku, które widać na dole rysunku.

dużymi prędkościami wokół czarnej dziury i jednocześnie powoli ku niej spływa (porusza się więc po bardzo ciasno nawiniętej spirali). W miarę zbliżania się do czarnej dziury nagrzewa się do temperatury rzędu stu tysięcy stopni i zaczyna emitować promieniowanie widzialne oraz ultrafioletowe.
Jeszcze bardziej gorąca jest warstwa rzadkiego gazu, która znajduje się bezpośrednio nad dyskiem i którą określa się - tak jak na Słońcu -mianem korony. Jej temperatura sięga miliarda stopni, dzięki czemu cały obszar korony jest źródłem promieniowania rentgenowskiego (promieniowanie to zaobserwowano w AGN za pomocą urządzeń wyniesionych poza obręb atmosfery). Fantastycznie duże tempo produkcji energii w kwazarach można odtworzyć, zakładając, że w ciągu roku przez dysk akrecyjny wpływa do czarnej dziury gaz o łącznej masie kilku mas Słońca.
W radiowo głośnych AGN oprócz dysku z koroną, torusa i dwóch grup obłoków znajdują się dżety - wąskie strugi materii przenikniętej polem magnetycznym, które wytryskują z otoczenia czarnej dziury w kierunku prostopadłym do powierzchni dysku i pędzą z prędkością bliską prędkości światła. To właśnie one są źródłem silnej emisji radiowej (ściślej rzecz ujmując, fale radiowe są wytwarzane przez znajdujące się w dżetach elektrony, które oddziałują z polem magnetycznym). Choć elektrony w dżetach promieniują głównie w zakresie radiowym, to jednak wytwarzają pewne ilości światła

Galaktyka NGC 4261. Obraz po lewej stronie jest złożeniem obserwacji optycznych (jasne jądro) i radiowych (dżety), po lewej stronie fotografia otoczenia jądra M87 otrzymana przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a.

widzialnego. I to właśnie dzięki obserwacjom optycznym zawdzięczamy odkrycie dżetów: długą, wąską strugę wypływającą z galaktyki M87 zaobserwowano już w 1917 roku (co ciekawe, w chwili jej odkrycia w ogóle nie zdawano sobie sprawy z tego, że M87 jest odległą galaktyką)!
Większość dżetów to strugi niemal idealnie proste. Tor, po którym porusza się gaz wypływający z aktywnego centrum, zachowuje dokładnie ten sam kierunek bez względu na to, czy obserwujemy okolice odległe od centrum o lata świetlne, czy o miliony lat świetlnych. Niektóre dżety są jednak silnie powyginane. Czasami takie wygięcia można tłumaczyć oporem

Kwazar PKS 1127-145 odległy o 10 mld lat świetlnych wyrzuca gigantyczną ilość materii w postaci dżeta.

ośrodka międzygalaktycznego, w którym porusza się kwazar (dżety są wtedy po prostu zwiewane - tak samo, jak dym bijący z komina parowozu). W innych obiektach kierunek przepływu ulega cyklicznym zmianom, a dżet przypomina strugę wypływającą z węża ogrodowego, którym ktoś zatacza okręgi.
I te, i inne jeszcze obserwacje dżetów okazały się jednak niewystarczające dla zrozumienia ich natury. Przyczyna, dla której jedne kwazary mają dżety i są radiowo głośne, zaś ich inne nie mają i są radiowo ciche, pozostaje nieznana. Równie tajemniczy pozostaje mechanizm, dzięki któremu część gazu spływającego poprzez dysk akrecyjny na czarną dziurę, zamiast wpaść do niej, skupia się w wąską strugę i ucieka gdzieś w przestrzeń międzygalaktyczną, rozpędzając się przy tym do prędkości bliskiej prędkości światła. Przypuszcza się jedynie, że kluczową rolę odgrywają tu wytwarzane przez dysk pola magnetyczne.

---

Artystyczna wizja obiektu SS433

W roku 1979 odkryto źródło promieniowania rentgenowskiego oznaczone symbolem SS433, znajdujące się w naszej galaktyce. Był to pierwszy obiekt galaktyczny, w którym zaobserwowano radiowo aktywne strugi przypominające dżety wystrzeliwane przez kwazary. Duże podobieństwo do kwazarów, przy znacznie zmniejszonej skali zjawiska, sprawiło, że nowo odkryte źródła nazwano mikrokwazarami. Użycie przedrostka "mikro" jest tym bardziej trafne, że masa czarnej dziury w tych obiektach rzeczywiście jest około 1 mln razy mniejsza niż masy czarnych dziur (wynosi na ogół zaledwie kilka mas Słońca), jakie spodziewamy się znaleźć w centrach kwazarów.

Schemat mikrokwazara.

Wkrótce zaobserwowano następne źródła tego typu. Są to układy podwójne składające się z czarnej dziury ze zwykłą gwiazdą czyli gwiazdą ciągu głównego, która co kilkadziesiąt dni wyrzuca strugi materii. Wyrzuty te poprzedza okres wzmożonej emisji rentgenowskiej. Gaz porusza się z rzeczywistą prędkością bliską szybkości światła.
Oba składniki układu krążą dookoła siebie, przy czym grawitacja czarnej dziury jak odkurzacz wysysa materię z atmosfery towarzysza. Materia powoli opada na czarną dziurę, tworząc wirujący wokół niej dysk. Ten dysk jest bardzo silnym źródłem promieniowani ultrafioletowego i rentgenowskiego. Jak widać, podstawowa różnica w porównaniu z kwazarami oczywiście poza masą czarnej dziury leży w źródle, z którego pochodzi znajdujący się w dysku gaz. W kwazarze są to obłoki międzygwiazdowe, w mikrokwazarze atmosfera sąsiedniej gwiazdy.
Kiedy zgromadzonej energii jest zbyt wiele, następuje potężny wybuch, podczas którego strugi materii wyrzucane są z prędkościami bliskimi światłu w kierunku prostopadłym do powierzchni dysku. Takie strugi materii nazywamy dżetami. Dzieje się to jednak w sposób nieregularny zmieniają się zarówno odstępy czasu pomiędzy poszczególnymi wybuchami, jak i energia kolejnych wybuchów. Dżety są wystrzeliwane i rozbudowują się w ciągu kilku, kilkunastu dni. Obserwujemy

Mikrokwazar GRO J1655-40 wędrujący w kierunku Drogi Mlecznej.

więc, jak energia uwalniana w procesie opadania materii na czarną dziurę stopniowo gromadzi się w dysku, czemu najprawdopodobniej towarzyszy rozbudowywanie się przenikającego dysk pola magnetycznego. Niestety szczegóły mechanizmu wystrzeliwania dżetów pozostają po dziś dzień niewyjaśnione.
Przypuszcza się, że dżety pojawiają się tylko w tych obiektach, w których oprócz niestabilnych dysków znajdują się szybko rotujące czarne dziury. Hipoteza ta znajduje oparcie nie tylko we obserwacjach mikrokwazarów, lecz także niektórych aktywnych jąder galaktyk.
Ostatnio zaobserwowano mikrokwazar GRO J1655-40. Porusza się on z dużą prędkością w kierunku Drogi Mlecznej.

---

« Poprzednia  Następna »