Квазары и блазары

Природа квазаров и блазаров

Квазары и блазары — одни из наиболее энергетически мощных объектов во Вселенной, относящиеся к классу активных галактических ядер (АГЯ). Их излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра, от радиоволн до гамма-лучей, не может быть объяснено только звёздным населением галактик. Основным источником энергии является аккреция вещества на сверхмассивную чёрную дыру (СМЧД), расположенную в центре галактики.

В процессе аккреции вещество из окрестного пространства — межзвёздного газа или звёзд — захватывается гравитационным полем СМЧД и формирует аккреционный диск. За счёт трения, магнитной турбулентности и высвобождения потенциальной энергии вещество нагревается до миллионов градусов и излучает колоссальное количество энергии.

Квазары: характеристики и наблюдаемые свойства

Квазары (квазизвёздные радиоисточники) были впервые идентифицированы как точечные объекты с необычайно высоким красным смещением. Несмотря на звездообразный вид на оптических изображениях, спектральный анализ показал наличие эмиссионных линий, характерных для сильно ионизированного газа, с широкими профилями, свидетельствующими о высоких скоростях движения вещества (до 0.1c и более).

Квазары демонстрируют:

Высокую светимость: до 10¹⁴ L☉, что в тысячи раз превышает светимость всей галактики Млечный Путь.
Сильное красное смещение: значительная часть известных квазаров имеет z > 2, что соответствует эпохе, когда Вселенной было менее 3 млрд лет.
Интенсивное переменное излучение: наблюдаются колебания потока на временных шкалах от дней до лет.
Наличие широких и узких эмиссионных линий: что указывает на присутствие как быстро движущегося газа вблизи СМЧД (широкая линия), так и более удалённого, медленного газа (узкая линия).
Излучение в разных диапазонах спектра: квазары могут быть источниками радиоволн, ИК-излучения, оптического, УФ, рентгеновского и даже гамма-излучения.

Блазары: наблюдение вдоль релятивистской струи

Блазары представляют собой подтип квазаров, у которых наблюдатель смотрит почти точно вдоль оси релятивистской струи, исходящей от СМЧД. Такое направление взгляда приводит к выраженному эффекту Доплера, усиливающему поток излучения, и делает блазары особенно яркими источниками в рентгеновском и гамма-диапазонах.

Ключевые особенности блазаров:

Сильная переменность: вплоть до колебаний яркости на временных шкалах от часов до минут.
Поляризация излучения: особенно в радиодиапазоне и оптическом свете, что свидетельствует о синхротронной природе излучения.
Спектральная энергетическая плотность (SED): имеет двухгорбовую структуру. Первый пик (радио–оптический) соответствует синхротронному излучению, второй (рентген–гамма) связан либо с инверсным комптоновским рассеянием, либо с процессами на более высоких энергиях.
Флатспектральные радиоквазары (FSRQ) и BL Lac объекты: два основных типа блазаров, различающихся по наличию (или отсутствию) эмиссионных линий и деталям спектра.

Аккреционный диск и корона

В центре квазара или блазара находится аккреционный диск, чьё тепловое излучение отвечает за оптический и ультрафиолетовый континуум. Над диском располагается рентгеновская корона — горячее электронное облако, в котором ультрафиолетовые фотоны подвергаются комптоновскому рассеянию и переходят в рентгеновский диапазон. Это объясняет наличие жёсткого рентгеновского излучения в спектрах АГЯ.

Джеты и релятивистские струи

Одним из наиболее впечатляющих явлений, сопровождающих активные ядра, являются релятивистские струи — джеты, выбрасываемые из полярных областей СМЧД. Джеты состоят из плазмы, ускоренной до скоростей, близких к световой, и простираются на расстояния в сотни тысяч световых лет. Механизмы их образования до конца не выяснены, однако предполагается участие сильных магнитных полей, переплетающихся с вращением аккреционного диска и чёрной дыры (механизм Бланда–Пэйн или Бландафорд–Знаека).

Джеты наблюдаются:

В радиодиапазоне, как вытянутые структуры с яркими “горячими пятнами” на концах.
В оптическом и рентгеновском диапазоне, при наличии сильных шоковых волн в струе.
В гамма-диапазоне, если струя направлена на нас (типично для блазаров).

Эволюция и космологическое значение

Квазары являются важными маяками ранней Вселенной. Благодаря их высокой светимости, они позволяют зондировать межгалактическую среду на больших красных смещениях. В спектрах квазаров наблюдаются линии Лайман-альфа леса — абсорбционные линии от облаков водорода, лежащих между нами и квазаром, что даёт информацию о структуре Вселенной на больших масштабах.

Квазары также играют важную роль в эволюции галактик. Существует тесная корреляция между массой центральной чёрной дыры и свойствами балджа галактики (корреляция M–σ). Излучение квазара может нагревать и выдувать межзвёздный газ, подавляя последующее звездообразование — процесс известен как AGN-фидбэк.

Спектры, поляризация и многоволновые наблюдения

Современные наблюдения квазаров и блазаров ведутся во всех диапазонах электромагнитного спектра. Синхронные наблюдения на радиотелескопах (VLA, ALMA), оптических телескопах (VLT, Hubble), рентгеновских обсерваториях (Chandra, XMM-Newton), а также на гамма-обсерваториях (Fermi-LAT) позволяют построить полную картину энергетического распределения объекта.

Изучение поляризации даёт информацию о структуре магнитного поля, а временные ряды — об изменениях в окрестности СМЧД. Интерферометрия очень длинной базы (VLBI) позволяет получать изображения джетов с угловым разрешением, достаточным для изучения субпарсековых структур.

Модели и численное моделирование

Теоретическое моделирование квазаров и блазаров опирается на уравнения магнитогидродинамики (МГД), общую теорию относительности и радиационную трансферную физику. Используются многозонные модели аккреции (тонкий диск, ADAF-модели, MAD-сценарии), расчёты синхротронного и инверсного комптоновского излучения, а также релятивистская кинематика струй.

Современные численные коды, такие как GRMHD-коды (например, HARM, KORAL), позволяют моделировать структуру аккреционных дисков, формирование джетов, тепловое и ненастойчивое излучение, учитывающее влияние кривизны пространства-времени.

Массы чёрных дыр и методы измерения

Массы чёрных дыр в центрах квазаров и блазаров определяются несколькими методами:

Метод широких линий: измеряется ширина эмиссионной линии и светимость, из чего по формуле вириала определяется масса.
Реверберационная картография: анализ временного лага между изменениями континуума и эмиссионных линий.
Фиттинг спектров аккреционного диска: сопоставление наблюдаемого спектра с теоретическим спектром излучающего диска.

Массы центральных объектов достигают 10⁶–10¹⁰ масс Солнца.

Космологическая роль и будущее исследований

Исследование квазаров и блазаров предоставляет ключ к пониманию процессов формирования и эволюции галактик, роста чёрных дыр, взаимодействия между излучением и веществом в экстремальных условиях. Новое поколение телескопов — JWST, SKA, Athena, ELT — обеспечит беспрецедентную детализацию в изучении самых далёких квазаров, а гравитационно-волновая астрономия откроет дополнительный канал для изучения их слияний и роста.