Kvazarji

“Grozno! Zgodilo se je nekaj groznega.” S temi besedami je ob pozni večerni uri Maarten Schmidt pozdravil svojo ženo. Bilo je 5. februarja 1963. Maarten je bil šele kratek čas na California Institute of Technology v ZDA, kamor je prišel iz rodne Nizozemske, in mu je angleščina povzročala še preglavice. Žena je z zaskrbljenostjo pogledala svojega moža astronoma. Ko je ta videl njen prestrašen obraz, jo je takoj potolažil z besedami: “Oprosti, draga, mislil sem reči, da se je zgodilo nekaj čudovitega.”

Odkritje

Kvazarje so astronomi poznali že od konca tridesetih let tega stoletja, vendar so mislili, da so to le zvezde z nenavadnimi spektri. Opazili so jih kot šibke modre zvezde na fotografskih ploščah, ki sta jih posnela Zwicky in Humason. Njihovo ekstragalaktično naravo pa je pokazala šele natančnejša radijska astronomija, ki se je razvila po drugi svetovni vojni. Avstralski astronomi so leta 1960 s 64-metrskim radioteleskopom natančno določili položaje dveh kompaktnih izvorov radijskega valovanja, 3C 48 in 3C 273. Kmalu za tem sta T. Matthews in A. Sandage na mestu 3C 48 odkrila zvezdico šestnajste magnitude, ki je bila obkrožena s šibko meglico. M. Schmidt pa je na mestu 3C 273 odkril zvezdo trinajste magnitude. Za zvezdi so poznali tudi spektre, v katerih so bile emisijske črte razporejene tako, da jih niso mogli pripisati nobenemu znanemu spektralnemu tipu zvezd.

Na posnetku je kvazar 3C 273 zakrit (krožec), da je okoliška
meglica bolje vidna. Meglica sveti 100.000-krat šibkeje kot jedro kvazarja.

Dve leti je problem klasifikacije “skoraj” zvezdnih objektov ostal nerazrešen, dokler se ni Schmidt lotil analize spektra vizualne komponente 3C 273. Razporeditev nekaterih spektralnih črt se mu je zdela znana in kmalu je odkril, da je to Balmerjeva serija vodikovih emisijskih črt, toda premaknjena proti rdečemu delu spektra. Rdeči premik je ocenil na z=0,16. Odkritje kvazarjev je močno vznemirilo astronomsko javnost, saj “normalne” zvezde naše Galaksije nimajo tako velikih rdečih premikov. Če ima prvi odkriti kvazar “le” z=0,158, danes kvazarji z rdečim premikom okrog 2 niso več nobena redkost. Takrat je bil Hubblov zakon že dolgo zelo dobra metoda pri razlagi spektrov in seveda določanju razdalj oddaljenih galaksij. Če je bil torej rdeči premik v svetlobi kvazarjev kozmološkega izvora, je to pomenilo, da 3C 273 ne pripada Galaksiji, temveč je oddaljen več kot dve milijardi svetlobnih let!

Rdeči premik je postal ključ v razlagi spektrov kvazarjev in iskanje novih kandidatov ni bilo več prepuščeno naključju. Prvi kriterij, po katerem so kompaktnim radijskim izvorom poiskali še njihov optični del, je bogato obrodil. Že sredi šestdesetih let pa se je izkazalo, da obstajajo kvazarji, ki jih s to metodo ne bo mogoče odkriti. Leta 1965 je Sandage prišel do sklepa, da obstaja še veliko več kvazarjev, ki ne sevajo v radijskem delu spektra. V začetku je predpostavljal, da je večina modrih zvezd, ki ležijo daleč od Galaktičnega ekvatorja in imajo navidezno magnitudo nad 15, kvazarjev. Potemtakem bi moralo biti teh “optičnih” kvazarjev vsaj 500-krat več kot radijskih. Kasnejša opazovanja so pokazala, da je bila ta ocena pretirana. Med kandidati za kvazarje se je namreč znašlo tudi veliko oddaljenih nadorjakinj, zvezd, ki pripadajo naši Galaksiji. V današnjih katalogih je radijsko neaktivnih kvazarjev le 10-krat več kot aktivnih. O uspešnosti lova na kvazarje po njihovem odkritju leta 1963 pričajo številke: 150 leta 1967, več kot 200 v zgodnjih sedemdesetih in 500 v drugi polovici sedemdesetih let. Danes šteje družina kvazarjev okrog tri tisoč članov.

Kaj je kvazar?

Za kratek čas se pomudimo v prvi polovici našega stoletja. E. Hubble je z razlago rdečega premika v svetlobi oddaljenih galaksij pokazal, da se vesolje širi. Hitrosti, izračunane iz rdečega premika, in razdalje je povezal z znano enačbo (glej pojasnila v okvirju). Pri tako velikih premikih k rdečemu, kot jih imajo kvazarji, se kar sama ponuja kozmološka razlaga. Torej s Hubblovimi besedami: kvazarji so najbolj oddaljeni objekti v znanem vesolju. Vzemimo našega znanca 3C 273, ki ima z=0,158 in se potemtakem oddaljuje s hitrostjo približno 44.000 km/s; torej je 2,6 milijarde svetlobnih let daleč. Povedali smo že, da na nebu sije kot zvezda trinajste magnitude; nekaj takega, kot da bi opazovali naše Sonce z razdalje 1300 svetlobnih let. Kvazar pa je dvamilijonkrat dlje, kar pomeni, da ima za 4000 milijard večji izsev kot Sonce. Vas zanima, kako smo prišli do zadnje številke? Spomnite se, da navidezni sij kake zvezde pada s kvadratom oddaljenosti. Če se nam zdita dve zvezdi na nebu enako svetli, pa je prva dvakrat dlje kot druga, mora prva imeti štirikrat večji izsev. Za razmerje izsevov kvazarja in Sonca smo dobili zares astronomsko vrednost. Izsev kvazarja vsaj za velikostni razred presega integralni izsev srednje velike galaksije. Omenjeni kvazar pa ni absolutno najsvetlejši. Ko listamo po katalogu kvazarjev (večina ima magnitudo med 15 in 18), se znajdemo pred objekti, ki izsevajo tisočkrat več energije kot najsvetlejše galaksije. Kratkoperiodične spremembe sija pa kažejo, da sevalno področje ne more biti veliko, mogoče celo nič večje od Osončja. Tako velika produkcija energije v tako majhnem prostoru nima primere v vesolju in zasenči celo eksplozije supernov. Le kaj mora biti kotel v središču kvazarja in kakšni so procesi, pri katerih se lahko sprošča toliko energije? Seveda pa je problem visokih energij nastal, ker smo rdečemu premiku pripisali kozmološko naravo in zaradi tega sklepali na veliko oddaljenost kvazarjev. Ko bi bili kvazarji bližje, bi bil njihov izsev mnogo manjši in bi jih lažje uvrstili med druge manj nenavadne astronomske objekte. Kmalu po odkritju se je razvila polemika o izvoru rdečega premika kvazarjev, saj v naravi obstaja več razlogov za povečanje valovne dolžine svetlobe.

Hubblov diagram za galaksije in kvazarje: hitrost oddaljevanja
objektov v odvisnosti od navidezne magnitude. Ravna črta
predstavlja Hubblov zakon. Odmik kvazarjev od te linije kaže,
da ti ne sledijo Hubblovemu zakonu.

Leta 1964 se je rodila ideja, da je rdeči premik posledica Dopplerjevega efekta. Po tej teoriji naj bi kvazarje z vrtoglavo hitrostjo izvrglo jedro naše Galaksije. Večina astronomov je to razlago kmalu zavrnila, saj v jedru Galaksije ni opaziti izbruhov, ki bi omogočili nastanek podobnih objektov. Galaksija tudi nima primernih “rezervoarjev” energije, ki bi bili potrebni za nastanek takih kvazarjev. Teorijo so kasneje nekoliko popravili in za nastanek kvazarjev obdolžili bližnje galaksije. Močan ugovor tej ideji pa je izostanek premika k modremu (blue shift). Izotropna emisija kvazarjev bi pomenila, da se morajo nekateri gibati tudi proti nam in bi zaradi tega opazili skrajšanje valovnih dolžin njihove svetlobe. Drugi mehanizem, ki bi še lahko povzročal velike rdeče premike, je gravitacijskega izvora. To je efekt, ki ga napoveduje splošna teorija relativnosti, lahko pa ga intuitivno razumemo z analogijo. Kamen, ki ga vržemo navpično, z višino izgublja kinetično energijo. Nekaj podobnega se dogaja tudi s svetlobo, ki zapušča močna gravitacijska polja. Energija svetlobe pa je povezana z njeno valovno dolžino; izguba energije pomeni podaljšanje valovne dolžine oziroma rdeči premik. Ta efekt so nesporno ugotovili pri svetlobi, ki jo izsevajo zelo goste zvezde, kjer je na površju gravitacijsko polje zelo močno. Ker imajo kvazarji veliko maso in so zelo zgoščeni, se zdi predpostavka o močnih gravitacijskih poljih dokaj naravna. Največja težava te teorije je razlaga ostrih spektralnih črt. Svetloba, ki prihaja iz različnih predelov kvazarja, bi morala imeti različen gravitacijski rdeči premik, kar bi imelo za posledico razširitev spektralnih črt. To nevšečnost so poskušali razrešiti z idejo, da se izvori svetlobe nahajajo v središču kvazarja. Tak model odgovori uspešno tudi na problem, da imajo emisijske ter absorpcijske črte istega objekta različne premike; absorpcija poteka v zunanjih plasteh, kjer je gravitacijski potencijal manjši. Seveda pa bi morali biti kvazarji z velikim rdečim premikom kompaktnejši od tistih z manjšim. Dosedanja opazovanja tega niso potrdila.

Večina astronomov meni, da je danes kozmološka razlaga kvazarjev sprejemljivejša od vseh ostalih teorij. Le redki “heretični” astronomi se upirajo tej razlagi.

Kot ugovor kozmološki razlagi navajajo nekoreliranost Hubblovega diagrama (rdeči premik – magnituda) za kvazarje. Tisti, ki branijo kozmološko razlago, trdijo, da so za disperzijo Hubblovega diagrama krivi različni izsevi kvazarjev. Drugi ugovor izhaja iz predpostavke, da se v medgalaktičnem prostoru nahajajo oblaki nevtralnega vodika. Zaradi velike razdalje, ki jo svetloba prepotuje, bi moral biti del spektra v področju modre svetlobe močno oslabljen, kot posledica absorpcije. Te pa pri svetlobi kvazarjev ni moč opaziti. Potrditev o kozmološki naravi rdečega premika bi dalo odkritje združb galaksij in kvazarjev, ki bi zaradi enake oddaljenosti imeli enak z.

Odkritja takih združb so zelo težavna, saj ni lahko ugotoviti, ali gre za telesa na enaki oddaljenosti ali pa se zdijo skupaj le zaradi perspektive. Opazovanja parov galaksija – kvazar dajejo zelo različne z za posamezni objekt. V prid kozmološki naravi govorijo šibke meglice, ki so jih odkrili okoli kvazarjev in katerih spektri so na moč podobni spektrom zunanjih delov galaksij. Vse pa kaže, da je narava rdečega premika v spektrih kvazarjev posledica kombinacije vseh treh pojavov, ki smo jih omenili.

Sorodniki

Leta 1943 je Seyfert preučeval poseben tip galaksij, ki imajo jedra podobna zvezdam in so dobile po njem tudi ime. V svetlobi, ki prihaja iz jeder Seyfertovih galaksij, so vidne močne emisijske črte. Prav ta lastnost jih bistveno loči od drugih galaksij. Ocenjujejo, da Seyfertove galaksije predstavljajo 1 do 2 odstotka populacije spiralnih galaksij. Mnogi menijo, da bi bila Seyfertova galaksija iz razdalje 2 do 3 milijarde svetlobnih let prav takšna kot kvazarji. Ko bi lahko te galaksije premaknili v področja, poseljena s kvazarji, bi ostala vidna samo kompaktna jedra. Podobnost s kvazarji pa ni omejena le na videz. Iz jeder nekaterih Seyfertovih galaksij so opazili emisijo svetlobe, ki ni termičnega izvora. Da svetloba ni termičnega izvora, torej posledica segretosti kakega telesa, je moč razbrati iz oblike spektra oziroma iz deležev tokov elektomagnetnega valovanja v radijskem, vidnem in ultravijoličnem pasu. Pri Seyfertovih galaksijah in kvazarjih pripisujejo spektralno porazdelitev sinhrotronskemu sevanju: elektoni, ki imajo skoraj svetlobno hitrost, se v magnetnem polju gibljejo po spiralnih tirih in pri tem sevajo.

V kvazarjih in v jedrih Seyfertovih galaksij potekajo sorodni fizikalni procesi. Bistvena razlika je le v mnogo večjem izsevu in rdečem premiku, ki ga imajo kvazarji.

Šele leta 1968 so odkrili objekte BL Lacertae, ki so dobili ime po prototipu tega razreda v ozvezdju Kuščarice. BL Lac so po svojih karakteristikah nekje med Seyfertovimi galaksijami in kvazarji.

Omenjena objekta prav gotovo zaslužita veliko večjo pozornost, kot smo jima jo namenili v tem sestavku. Naš namen je bil le opozoriti na do sedaj zamolčano dejstvo. Ko gledamo oddaljena vesoljska telesa, vidimo svetlobo, ki je do nas potovala milijone ali celo milijarde let. Pogled v kozmična prostranstva je torej tudi pogled v čas nazaj. Oddaljene kvazarje vidimo, kakršni so bili v času, ko je življenje na Zemlji šele nastajalo, svetloba z nekaterih najbolj oddaljenih kvazarjev pa je starejša od Osončja. Težko je verjeti, da je bilo vesolje pred nekaj milijardami let enako kot danes. Kvazarji so se verjetno tudi razvijali in prav gotovo predstavljajo radijske, Seyfertove galaksije ter BL Lac člene v razvoju velikih zvezdnih združb.

Kotel

Če verjamemo v veliko oddaljenost kvazarjev, so nam težave znane – ogromno energije na majhnem prostoru. Bolj natančno povedano, razložiti moramo okrog 1040 wattov, oziroma 10¹¹-krat več od moči, ki jo izseva Sonce; prostor, kjer ta energija nastaja, pa ni večji od Osončja. O masah kvazarjev ne vemo veliko. Ocenjujejo jih na desetkratno maso Galaksije. V preteklosti so bile popularne teorije, ki so predvidevale gosta zvezdna področja, kjer naj bi se zaradi trkov in verižnih eksplozij supernov sproščala energija. Tako so poskušali razložiti tudi spremenljive izseve. Največji problemi teh modelov so bili dolgi razvojni časi takih sistemov, ki so primerljivi s starostjo vesolja in pa relativno kratki časi aktivnosti. Na podobne težave je naletel model “superzvezde”, ki bi energijo izgubljala z gravitacijskim krčenjem ali posredno s pospeševanjem nabitih delcev v magnetnem polju, kjer naj bi prišlo do sinhrotronskega sevanja. In tako smo prišli do modela s črno luknjo. Črna luknja z 10⁸ sončevih mas bi zavzemala prostor, kot je naše Osončje. Plinasta snov okoli nje bi se v gravitacijskem polju pospešila do relativističnih hitrosti in med padanjem sproščala energijo. Za ocenjeno produkcijo energije bi letno v črno luknjo morala pasti masa, enakovredna Sončevi. Z neravnovesji v plinastem obroču okoli črne luknje poskušajo razložiti nihanja v siju kvazarjev. S pomočjo modela črne luknje lahko ekstrapoliramo evolucijo galaktičnih jeder. Ko zmanjka okoliške snovi, živi črna luknja mirnejše življenje. Tako gre lahko tak energijski stroj skozi različne razvojne stadije, od močnega optičnega, UV in X sevanja pri kvazarjih, do šibkega infrardečega in radijskega šepeta v jedru naše Galaksije.

Živalski vrt

Tam kjer se končujejo “normalne” galaksije, se pričenja svet, ki šele čaka svojega Linneja, da ga uredi. Več milijard svetlobnih let oddaljeni kvazarji so priča dogajanj, ki jih šele pričenjamo dobro spoznavati.

Čeprav so minila že tri desetletja od odkritja, ostajajo kvazarji ena največjih ugank sodobne astrofizike. Spor med večino astronomske javnosti, ki ima kvazarje za ekstragalaktična telesa, in manjšino, ki si njihov obstoj razlaga drugače, je še vedno aktualen. Prav gotovo bi natančna določitev narave teh teles postavila marsikatero kozmološko teorijo ter teorije o razvoju in zgradbi zvezdnih sistemov na hudo preizkušnjo.

Andrej Guštin, ponatis članka iz revije Spika (avgust 1993)

-