Znanstveni radovi

Što su Kvazari?

01 Tra 2009

Ispis
E-mail

(Reading time: 5 - 9 minutes)

Detalji: Kategorija: Znanstveni radovi; Kreirano: Srijeda, 01 Travanj 2009 14:09; Hitovi: 5973

kvazari2 Što se krije iza tog čudnog imena ? Dugo vremena je trebalo astronomima da odgovore na ovo pitanje, nakon što su ti udaljeni objekti zapravo bili otkriveni i imenovani. Kako se je do samog imena došlo, mnogo je jednostavnija priča.
Riječ quasar (kvazar) sastoji se od dijelova riječi "quasi-stellar radio" ("kvazi stelarni radio izvor"). Izvorište tog imena je blisko povezano sa njegovim otkrićem: Astronomi su dodijelili ime ovoj vrsti objekata tako što su otkriveni po svojoj radio emisiji te po načinu na koji su izgledali kroz optički teleskop, kao zvijezda.
Kako se je kasnije pokazalo da većina objekata ne pokazuje radio emisiju i uglavnom se detektiraju u vidljivom dijelu spektra, tada su ti objekti prozvani "kvazi stelarni objekti". Ime "kvazar" ostalo je u upotrebi samo za objekte koji pokazuju radio emisiju, iako se ta definicija u praksi baš i ne prati previše.

Postavlja se pitanje, kako to da su otkriveni kao radio izvori, obzirom da ih se može vidjeti kroz optički teleskop ? Budući da kvazari izgledaju kao zvijezde na "vidljivom" nebu (a znamo dobro koliko puno zvijezda ima u našoj galaksiji), malo je čudno da se je netko išao zabavljati i pobliže provjeravati nešto što izgleda kao još jedna takva, obična zvijezda. Pa ipak, na "radio" nebu (nebo promatrano kroz radio teleskop), kvazari izgledaju drugačije od bilo kojeg objekta; od zvijezda se naime ne očekuje da emitiraju tako velike količine radio zračenja. Dakle očito je da se radi o objektima koji na nebu izgledaju kao obične zvijezde, međutim emitiraju neobično velike količine radio zračenja. Otuda i njihovo ime "kvazi stelarni objekti". Dakle, izgleda kao zvijezda, ali emitira jako veliku količinu radio zračenja.

Povijest Stvaranja
kvazari Od 1920-tih godina ideja o širenju svemira bila je poduprta Hubbleovim otkrićem da se većina galaksija udaljuju jedna od druge. To je osnova modela Velikog Praska svemira, jer iz toga proizlazi da su nekada te galaksije bile bliže jedna drugoj, ako se uzme u obzir da su se isto pomicale u svakom dijelu svemira. Ta pretpostavka, zvana "kozmološki princip" je startna točka našeg cjelokupnog znanja o svemiru.
Da bi odredili brzinu kojom se galaksije udaljuju od nas, astronomi koriste nešto što se zove "redshift" (crveni pomak). Dok čekamo prelazak preko ceste, možemo primijetiti da se frekvencija zvuka auta koji se približava povisuje, te se nakon toga naglo snizuje, kako se auto udaljava. Taj efekt - promjene u frekvenciji kada se izvor zvuka pomiče prema ili od nas - matematički je objasnio Hans Doppler. A ono što važi za zvuk, također važi i za svjetlost: Ako se izvor svjetlosti udaljava u odnosu na promatrača, frekvencija svjetlosti koju prima promatrač je niža i stoga "crvenija". Što je veća brzina izvora, to će pomak biti veći. Uzet zajedno s pojmom širenja svemira, u kojemu vidimo da se najudaljeniji objekti pomiču najbrže, "redshift" nam omogućuje da odredimo udaljenost nekog objekta: što je veći "redshift" to je objekt udaljeniji.
U 60'tim godinama, znalo se je za galaksije koje su imale redshift do 0.2. Zamislite iznenađenje koje je nastalo kada je 1963. Maarten Schmidt, astronom na sveučilištu Cambridge, otkrio zvijezdu s "redshiftom" 0.158. Taj objekt je do tada bio samo poznat kao nešto za što se je mislio da je neobična zvijezda s radio zračenjem (kvazar). Takav redshift je pokazivao da se ta zvijezda nalazi na nemoguće velikoj udaljenosti koja se može mjeriti sa udaljenostima galaksija. Ali kako jedna zvijezda može sijati s tako jakom svjetlošću da ju možemo optički vidjeti na tako velikoj udaljenosti ? Mogućnost da je to zvijezda odmah je isključena. Isto tako, bilo je previše svijetlo da bi bilo identificirano čak i kao galaksija.
Nakon toga su i ostale "neobične zvijezde s radio emisijom" otkrivene da imaju veliki "redshift", iako je njihova priroda ostala još nepoznata neko vrijeme, ovi snažni objekti su odmah prepoznati od astronoma kao najudaljeniji objekti u Svemiru. Od Schmidt'ovog otkrića prije gotovo četiri desetljeća, utrka za otkrivanjem još većeg "redshift"-a se je pojačala; trenutno najveći rekord je blizu "redshifta" koji iznosi 5.
Ali želja da se pronađu najudaljeniji kvazari ne dolazi samo od dokazivanja za najveći rekord. Činjenica da se tako svijetli objekti mogu promatrati, i da se zbog svoje svjetline mogu detektirati na jako velikim udaljenostima, je omogućilo kvazarima da ih se koristi kao istraživačke "sonde" za najudaljenije poznate dijelove Svemira: Ne samo dijelove na kojima se oni nalaze, nego i dijelove kroz koje je ta svijetlost putovala prije nego je došla do nas.
Postoji velika praznina "prostora" (vidi sliku 2) između najudaljenijih galaksija (koje trenutno možemo vidjeti) i dijelova gdje se nalaze kvazari. Iako u toj praznini ima vjerojatno mnogo galaksija, njihova svjetlost je previše slaba da bismo ih mogli uočiti. O njihovom postojanju možemo doznati kroz efekte koje oni rade na svjetlost koja dolazi od kvazara koji su u pozadini (iza njih). Ista stvar važi i za galaksije i oblake plina koji su, iako bliže, također teško uočljivi. Postoje dva načina na koji te galaksije međudjeluju sa svjetlošću iz kvazara: Mogu apsorbirati dio te svjetlosti, ako se nalaze točno na njenom putu, ili njihova gravitacijska sila može zakriviti zrake svjetlosti koje prolaze pored njih.

Što je to ?
kvazari1 Da bi bili vidljivi za nas sa tako velikih udaljenosti, kvazari moraju stvarati enormno velike količine energije - oni su naime, 1000 puta svjetliji od prosječne galaksije! A što je još neobičnije, ta energija dolazi sa područja koje je manje od jedne jedine zvijezde! Fizičari nisu ni pomišljali o mehanizmima koji mogu stvoriti toliko energije iz tako malog volumena, dok se nisu sreli s kvazarima.
Jedan od izbora za izvor energije bila bi crna rupa. Kako materija pada na crnu rupu, dolazi do njenog jakog sažimanja, tako da trenje između čestica koje upadaju, čini te čestice jako vrućima. Svjetlost se emitira sa zagrijane materije i što je vrućija ta materija to je viša frekvencija emitiranog svjetla. Kao analogiju, zamislite što se dešava na izlazu sa stadiona poslije nogometne utakmice. Kada rulja navali i svi žele izići van čim prije i to kroz jedan jedini izlaz. Temperatura u masi raste, prvo zbog blizine između dvije osobe, a nakon toga zbog trenja koje nastaje između tijela tih ljudi. Na prvi pogled, čini se teško shvatiti da najobičnije trenje između čestica materije može stvoriti energiju za kvazar, ali valja imati na umu da se pored crne rupe nalazi nezamislivo velika gravitacija.
Zapravo, rješenje problema kvazara s crnom rupom je ujedno i najjednostavnije rješenje. Neki znanstvenici su bili dosta skeptični po pitanju crnih rupa uopće (iako postoji mnogo indirektnog dokaza o njihovom postojanju, niti jedna crna rupa nikada nije viđena na uvjerljiv način) pa su pokušavali naći alternativno objašnjenje crnih rupa. U jednom od takvih objašnjenja stoji kako velik broj supernova koje se događaju simultano kroz jako dugo vrijeme (dugo koliko kvazari siju) može stvoriti sličan efekt. Trenutno se čini da kombinacija ova dva objašnjenja može biti prihvatljiva. Crna rupa u centru može biti odgovorna za stvaranje energije trenja kao i za "okidanje" velikog broja supernova. Pogledajmo pobliže u okolinu te crne rupe. Kako materija zapravo juri prema crnoj rupi? Ključna riječ je prirast (veće i veće gomilanje) materije, poznatije kao prirast akcesijom. To nije ništa drugo do akumulacija mase na objekt iz njegove okoline. Poput kotrljanja lopte snijega. Ali postoji nešto posebno u astrofizičkoj akcesiji, nešto po čemu se razlikuje od kotrljanja veće i veće lopte snijega.

kvazari4 Prirast akcesijom u svemiru ima tenziju da se događa u strukturi oblika diska koja okružuje objekt na kojemu se događa prirast. Ne podsjeća li vas to na Sunčev sustav ? Svakako, najprihvatljivija teorija o formaciji Sunčevog sustava uključuje i prirast (gomilanje) materije u gusti paket materije koji je eventualno stvorio i Sunce. Kod kvazara i njihovih crnih rupa se dakle događa nešto slično, samo mnogo mnogo veće. To sada zapravo nije točno: crne rupe su naime jako mali objekti i kao što smo rekli energija kvazara dolazi sa područja koje je manje od jedne jedine zvijezde. U čemu je dakle razlika ? U gustoći. Ovdje se naime radi o crnoj rupi i gravitacijskom privlačenju koje ona proizvodi - prisjetimo se, gravitacija nema veze sa veličinom, nego sa masom i gustoćom !
Ujedinjen model za jezgre aktivnih galaksija
Netko se može pitati, zar ta materija oko crne rupe ne sakriva mjesto gdje se stvara energija ? Kako onda možemo vidjeti kvazare tako svjetlima ? To je zapravo i točno, naime postoji materija koja sakriva svijetli centar kvazara. Prije no što se približi relativno malom akrecijskom disku (eng. accretion disk), materija se skuplja u velik i ne baš previše ravan oblik koji podsjeća na oblik krafne i okružuje crnu rupu. Ovisno o uglu iz kojeg promatramo taj torus (astronomi tu krafnu češće zovu torus) on može sakriti direktni pogled na akrecijski disk koji proizvodi energiju.
Kako onda vidimo kvazar ako ne možemo vidjeti akrecijski disk koji okružuje tu crnu rupu ? Odgovor na ovo pitanje je dio onoga što upravo čini kvazare najzanimljivijima: Kroz povijest moderne astronomije, promatrali smo mnogo objekata koje smo teško klasificirali. Moderni model kvazara nudi nam posve prirodna objašnjenja tih naočigled različitih objekata. Frapantne stvari poput radio galaksija i "blazar"-a mogu biti objašnjeni kao isti objekti, kvazari, ali viđeni pod različitim kutovima.

Galaktičke jezgre: Stari kvazari ?
kvazari3 Jedno pitanje ipak ostaje bez odgovora: Obzirom da vidimo kvazare isključivo na velikim udaljenostima, to znači da svjetlost koju primamo od njih dolazi iz davnog vremena - dali to znači da su sve galaksije imale u prošlosti aktivnu galaktičku jezgru u svojem centru, tokom određenog perioda. Ili je to slučaj sa samo nekim galaksijama tokom kratkog perioda u povijesti ? Pokušajte sami stvoriti teoriju o ovome. Pronađite prvo informaciju o relativnom broju normalnih galaksija, a zatim o broju kvazara sa velikim "redshift"-om i onih nešto "bližih".