Kvasarer och aktiva galaxer
Radioastronomins födelse: 1931 - Grote Reber (1911 2002) Karl Guthe Jansky (1905 1950) Reber Radio Telescope in Wheaton, Illinois, 1937
Upptäckten av kvasarer Radioemission 230.000 ljusår ifrån galaxen som befinner sig 740 miljoner ljusår bort
3C 48 (objekt nr 48 i tredje Cambridgekatalogen över radiokällor), upptäckt av Alan Sandage 1960. Emissionslinjer i optiska våglängdsområdet, i kontrast till Absorptionslinjer normalt associerade med stjärnor. z=0,367 Hubbles lag: 4,6 miljarder ljusår bort.
Upptäckten av kvasarer 3C 273, upptäckt 1962; spektrum 1963 identifierat som emissionslinjer från väte i Balmerserien med z=0,158. Hubbles lag: 2 miljarder ljusår bort. Extraordinärt kraftig ljuskälla i både radio och synliga området! Ingen stjärna utan en kvasar (quasi-stellar radio sources = Quasar/ radiotysta quasi-stellar objects QSO nu, båda kallade kvasarer).
Mätning av kosmiska rödskift tolkade som avstånd
Luminositeten hos kvasarer är typiskt ~ 1000 ggr (varierar mellan 10-100.000 ggr) Vintergatans totala luminositet, som motsvarar luminositeten från 25 miljarder solar. Radiotysta kvasarer utgör 90%. Det finns inga närbelägna kvasarer. Idag är mer än 100.000 kvasarer kända där de flesta kvasarer är på ett avstånd på 3 miljarder ljusår eller mer.
Kvasarer är ultraljusa centra hos avlägsna galaxer Kvasarer är inte galaxer, men de är associerade med galaxers centrala delar där galaxen ses som ett svagt skimmer runt kvasaren. Många kvasarer är lokaliserade i galaxer som håller på att kollidera med andra galaxer. Kvasaren PG 0052+251 lokaliserad i en spiralgalax vid z=0.155. Kvasaren PG 1012+008 i ett system av kolliderande galaxer.
Bortblockerat ljus från kvasaren visar kvasarens omgivande galax Kvasarer i mitten på galaxer, men vad är kvasarer?
Seyfertgalaxer och radiogalaxer: Objekt med ljusstyrka mellan vanliga galaxer och kvasarer Seyfertgalaxer (efter Carl Seyfert 1943): Spiralgalaxer med ljusstarka kärnor. Total luminocitet ungefär som Vintergatan. Både Seyfertgalaxer och kvasarer har emissionslinjer i sina spektra. Dessa spänner den enorma energiskillnad som finns mellan vanliga galaxer och kvasarer. Seyfertgalax: Stavspiralgalax NGC 7742, 45 millioner ljusår bort med ljusstark kärna associerad med emissionsspektra. Det finns ingen klar skiljelinje mellan Seyfertgalaxer och kvasarer. Seyfertgalaxer kan ses som radiotysta (utstrålar endast svag radiostrålning) närbelägna lågluminositet kvasarer. Några % av de mest ljusstarka spiralgalaxerna är Seyfertgalaxer.
M87, 300.000 ljusår stor, 50 miljoner ljusår bort i Virgohopen; 6,5 ljusår stor kärna Radiogalaxer: Vissa elliptiska galaxer, kallade radiogalaxer, sänder ut mycket radiostrålning och liknar svaga radio-högljudda kvasarer, med ungefär samma totala luminocitet som Seyfertgalaxer. Exempel: M87 har en ljusstark kärna som sänder ut en jetstråle. Kärnan sänder ut termiskt ljus medan ljuset från jetstrålen är icke-termiskt. Termiskt ljus orsakas av atomernas slumpvisa rörelse och har ett spektrum i form av svartkroppsstrålning. M87s jetstråle sänder däremot ut ljus i ett mycket bredare frekvensområde, från radio till röntgenstrålning.
Synkrotronstrålning Ljuset som jetstrålen sänder ut är synkrotronstrålning. Synkrotronstrålning orsakas av laddade partiklar som rör sig i ett magnetfält Magnetfältet gör att partiklarna rör sig spiralformat och sänder ut ljus. Spektra från hos synkrotronstrålning har en helt annan karakteristisk form än termiska svartkroppsspektra. Förutom spektrumets form är en annan indikation på att jetstrålens ljus består av synkrotronstrålning är att ljuset är polariserat, vilket termisk strålning inte är.
Radiolober: Typiskt 5-10 ggr så stora som en moder -galax Exempel: Radiogalaxen Centaurus A, 13 miljoner ljusår bort. Fig a) Ett band av stoft skapad av en tidigare kollision med en annan galax. Fig b) Synkrotronstrålning i radioområdet med två radiolober på var sin sida om galaxkärnan. Fig c) En jetstråle som är vinkelrätt orienterad gentemot stoftbandet med relativistiska partiklar som skickar ut röntgenstrålning, riktad mot ena radioloben (skapad av att de relativistiska partiklarna förlorar fart då de brakar in i intergalaktisk gas).
Huvudsvans-källor består av en stark radiokälla med två svansar av radiostrålande material som böjer sig bakåt från radiokällans rörelseriktning. En konsekvens av en källa med jetstrålar som rör sig genom intergalaktiskt gas. Till skillnad från kvasarer så befinner sig många Seyfert- och radiogalaxer relativt kvasarer nära oss (i både rum och tid, eftersom avstånd svarar mot tid p.g.a. ljusets ändliga hastighet) Den centrala radiokällan här befinner sig i galaxen NGC 1265 i Perseushopen.
Blazarer Mycket ljusstarka objekt med knappt några emissionslinjer eller absorptionslinjer. Polariserad synkrotronstrålning. Svagt skimmer runt blazaren med absorptionslinjer som associerar dem med elliptiska galaxer på stora avstånd. Radioobservationer visar att blazarer antagligen är dubbla radiokällor där en jetstråle är riktade rakt mot oss. Blazaren BL Lac i stjärnbilden Lacerta (ödlan), som gav Blazarerna sitt namn. Analys av rödskiftet av det svaga skimmer av ljus som värdgalaxen avger, efter att synkronljuset filtrerats bort, indikerar att galaxen befinner sig 900 ljusår bort.
Skenbara superluminala hastigheter En klump materia i 3C 273 som tycks röra sig med 10c. En klump materia (= en stråle relativistiska partiklar) hos en blazar verkar röra sig snabbare än ljusets hastighet om rörelsens är riktad nästan rakt mot oss.
Kvasarer, blasarer, Seyfertgalaxer och radiogalaxer är alla exempel på aktiva galaxer som har en aktiv galaktisk kärna: AGN = Active Galactic Nuclei. Breda spektrallinjer skapas genom exciterade atomer i rörelse ifrån oss eller i mot oss (dopplerskiftbreddning). Dessa är typiska för kvasarer som därmed är associerade med upphettade gasmoln i rörelse.
Variationen i skenbar ljusstyrka hos kvasaren 3C 273. Alla AGN varierar i ljusstyrka.
Variationer av ljusstyrkan avslöjar att AGN är relativt små Ljusstyrkevariationer tillåter bestämning av maximal storlek hos ljuskällan. AGN uppvisar typiskt inte gradvisa förändring av ljusstyrka över tidsskalan år utan kan variera kraftigt på bara några timmar Objektets maximala storlek kan endast vara några ljustimmar i diameter, vilket är ungefär vårt solsystems storlek.
Supermassiva svarta hål motorn för aktiva galaxkärnor Indirekta observationer av supermassiva svarta hål i flera galaxer via påverkan av rörelsen hos materia (gas, stoft, stjärnor) i sin omgivning. Ex. Vintergatans supermassiva svarta hål har massan ca 3,7 miljoner solmassor, medan Andromedagalaxen har ett på ca 30 miljoner solmassor. Kvasarernas stora avstånd gör det svårt att studera deras närmaste omgivning. Dock, den enda kända mekanismen att skapa den enorma frigörelse av energi som sker i kvasarer är supermassiva svarta hål. Ett supermassivt svart hål i galaxen NGC 4261 100 miljoner ljusår bort med en skiva av gas och stoft. Gas och stoft Dopplerskift + skivans storlek Beräkning av det svarta hålets massa till 1,2 miljarder solmassor.
Strålning från infallande materia skapar ett utåtriktat tryck. Vid tillräckligt stort strålningstryck hindras ytterligare materia från att falla in och skapar därmed en övre gräns på hur mycket strålning som kan komma från infallande materia, Eddingtongränsen. Eddingtongränsen Eddingtongränsen beror på massan hos objektet och kan beräknas med formeln: LL EEEEEE = 30000 MM MM LL 3C 273: L = 3 10 13 LL Om LL = LL EEEEEE 10 9 MM LL EEEEEE = maximala luminositeten som kan skapas av ansamling av materia i ett kompakt objekts närhet. MM = det kompakta objektets massa. MM = solens massa. LL = solens luminositet.
Svarta håls ansamlingsskivor nyckeln till att förstå AGN
Supermassivt svart hål med ansamlingsskiva. Laddade partiklar rör sig i två jetstrålar utefter de magnetiska fältlinjerna. Den rådande modellen för kvasarer är att deras enorma energiflöde skapas av en ansamlingsskiva runt ett supermassivt svart hål. Skivan värms upp av friktion mellan de yttre delarna som rör sig saktare än de inre delarna. Kvasarers udda spektra som inkluderar bl.a. röntgenstrålning, är skapat av upphettad gas i skivan; varierande ljusstyrka en följd av täthetsvariationer i gasen. Upphettad gas joniseras och skapar starka magnetfält. Utefter dessa rör sig laddade partiklar som skapar de observerade jetstrålarna.
En förenad modell för kvasarer, blasarer och radiogalaxer Kvasarer, blasarer och radiogalaxer (= AGN) är samma typ av objekt sett från olika vinklar där ansamlingsskivan blockerar ljus från de inre delarna av AGN. Förklaring varför det inte finns några kvasarer kvar idag: Dagens supermassiva svarta hål har använt upp sina ansamlingsskivor. Synkrotronstrålning dominerar i jetstrålen (blazar). Sett lätt från sidan ses de inre delarna och man ser alla typer av strålning (radiostark kvasar). Sett från sidan blockerar torusen ansamlingsskivans inre delar, men synkrotronstrålning från jetstrålar syns fortfarande (radiogalax).
Unification by viewing angle. From bottom to top: down the jet - Blazar, at an angle to the jet - Quasar/Seyfert 1 Galaxy, at 90 degrees from the jet - Radio galaxy/seyfert 2 Galaxy