Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai

Supermasyvios juodosios skylės, ryjančios medžiagą, ištekėjimai ir poveikis žvaigždėdarai

Vieni iš šviesiausių ir dinamiškiausių Visatos reiškinių pasirodo tada, kai supermasyvios juodosios skylės (SMJS) galaktikų centruose ryja dujas. Šiuose vadinamuosiuose aktyviuosiuose galaktikų branduoliuose (AGB) dideli kiekiai gravitacinės energijos virsta elektromagnetine spinduliuote, dažnai nustelbiančia visą galaktiką. Didžiausioje šviesio skalės dalyje yra kvazarai, akinantys AGN, matomi kosminiais atstumais. Tokio intensyvaus juodosios skylės „maitinimo“ laikotarpiai gali sukelti galingus ištekėjimus – dėl spinduliavimo slėgio, vėjų ar reliatyvistinių čiurkšlių, kurie perorganizuoja dujas galaktikos viduje bei gali netgi gesinti žvaigždėdarą. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip SMJS varo AGN veiklą, kokie yra kvazarų stebimieji požymiai ir klasifikacija bei kaip svarbus „grįžtamasis ryšys“ (angl. feedback) sieja juodosios skylės augimą su galaktikos ateitimi.

1. Kas yra aktyvieji galaktikų branduoliai

1.1 Centriniai varikliai: supermasyvios juodosios skylės

Aktyviojo galaktikos branduolio centre glūdi supermasyvi juodoji skylė, kurios masė gali siekti nuo kelių milijonų iki daugelio milijardų Saulės masių. Šios skylės reziduoja galaktikų telkiniuose ar branduoliuose. Įprastomis, nedidelio ryjimo sąlygomis, jos išlieka gana ramios. AGN fazė prasideda, kai užtektinai dujų ar dulkių ima tekėti vidun – akretuodamos į juodąją skylę – ir sudaro besisukantį akrecinį diską, išlaisvinantį didžiulę spinduliuotę elektromagnetiniame spektre [1, 2].

1.2 AGB klasės ir stebimieji požymiai

AGB rodo skirtingus išorinius pasireiškimus:

  • Seyfert galaktikos: Vidutiniškai ryškus branduolio aktyvumas spiralinėse galaktikose, ryškios emisijos linijos iš jonizuotų dujų debesų.
  • Kvazarai (QSO): Ryškiausi AGB, dažnai dominuojantys virš visos galaktikos šviesio, lengvai pastebimi kosminiais atstumais.
  • Radijo galaktikos / bleizarai: AGB, pasižymintys galingomis radijo čiurkšlėmis arba smarkiai nukreiptu spinduliavimu mūsų link.

Nepaisant akivaizdžių skirtumų, šios klasės labiau atspindi šviesio, regėjimo kampo ir aplinkos ypatybes, o ne iš esmės skirtingus variklius [3].

1.3 Vieningasis modelis

Platus „vieningasis modelis“ suponuoja centrinę SMJS bei akrecinį diską, apsuptą plačiųjų linijų sritimi (PLS) su didelio greičio debesimis ir dulkėtu toru. Stebima spinduliuotė (type 1 ar type 2) priklauso nuo orientacijos ir toruso geometrijos. Šviesio ar juodosios skylės masės skirtumai gali AGN perkelti nuo nedidelio šviesio Seyfert prie ryškaus kvazaro [4].

2. Akrecijos procesas

2.1 Akreciniai diskai ir šviesis

Dujoms krentant į SMJS gilų gravitacinį šulinį, formuojasi plonas akrecinis diskas, kuriame gravitacinė potencialinė energija virsta šiluma ir šviesa. Klasikiniame Shakura-Sunyaev disko modelyje spinduliuotė gali būti didelė, kartais siekdama Eddingtono ribą:

LEdd ≈ 1.3×1038 (MBH / M⊙) erg s-1

jei juodoji skylė ryjama ties Eddingtono riba, jos masė gali padvigubėti per ~108 metus. Kvazarai paprastai pasiekia ar viršija dalį Eddingtono šviesio, paaiškindami jų ypatingą ryškumą [5, 6].

2.2 SMJS „maitinimas“

Galaktikos procesai turi nunešti dujas nuo kiloparsekų masto iki pogarsekinių sričių aplink juodąją skylę:

  • Juostų valdomi srautai – vidinės juostos ar spiralinės vijų struktūros gali iš lėto (sekuliariai) perimti dujų kampinį momentą ir jas atgabenti į vidų.
  • Sąveikos ir susijungimai – didesniu smurtu dideli ar maži susijungimai greitai tiekia gausius dujų kiekius į branduolį, įžiebia kvazaro stadijas.
  • Aušimo tėkmės – turtinguose spiečių centruose auštančios spiečiaus dujos gali tekėti į galaktikos centrą, maitindamos juodąją skylę.

Priartėjus prie juodosios skylės, vietinės nestabilumos, smūgiai ir klampumas toliau lemia medžiagos patekimą į galutinį akrecinį diską [7].

3. Kvazarai: ryškiausi AGB

3.1 Istorinis atradimas

Kvazarai (angl. “quasi-stellar objects”) 1960-aisiais buvo atpažinti kaip taškiniai, bet labai didelio raudonojo poslinkio šaltiniai, reiškiantys didžiulį šviesį. Greitai paaiškėjo, jog tai galaktikų branduoliai, kuriuose juodoji skylė ryja dujas taip intensyviai, kad regimi net už milijardų šviesmečių, tad jie tampa svarbiais ankstyvos Visatos tyrimų ženklais.

3.2 Daugialangė spinduliuotė

Kvazarų didžiulis šviesis apima radijo (jei yra čiurkšlės), infraraudonuosius (dulkės toruose), optinius/UV (akrecinio disko spektras) ir X spindulius (disko vainikas, reliatyvistiniai ištekėjimai). Spektruose paprastai yra ryškios plačiosios emisijos linijos iš didelio greičio debesų arti juodosios skylės bei galbūt siaurosios linijos iš tolimesnių dujų [8].

3.3 Kosmologinė reikšmė

Kvazarų gausa dažnai siekia maksimumą ties z ∼ 2–3, tuo metu, kai galaktikos aktyviai formavosi. Jie žymi ankstyvą stambiausių juodųjų skylių augimą kosminėje istorijoje. Kvazaro sugerties linijų tyrimai taip pat atskleidžia tarpines dujas ir tarpgalaktinės terpės struktūrą.

4. Ištekėjimai ir grįžtamasis ryšys

4.1 AGB sukelti vėjai ir čiurkšlės

Akreciniai diskai sukuria stiprų spinduliavimo slėgį ar magnetinius laukus, iš kurių kyla dvipoliai ištekėjimai, galintys siekti tūkstančius km/s. Radijo ryškiuose AGB pasitaiko reliatyvistinės čiurkšlės, artimos šviesos greičiui ir nusitęsiančios toli už galaktikos ribų. Šie ištekėjimai gali:

  • Išstumti ar įkaitinti dujas, slopindami žvaigždėdarą telkinyje.
  • Transportuoti metalus ir energiją į halą ar tarpgalaktinę terpę.
  • Slopinti ar skatinti žvaigždėdarą lokaliai, priklausomai nuo smūginių bangų suspaudimo ar dujų pašalinimo [9].

4.2 Poveikis žvaigždėdarai

AGN grįžtamasis ryšys, t. y. mintis, kad aktyvios juodosios skylės gali stipriai keisti visos galaktikos būklę, tapo esmine šiuolaikinių galaktikų formavimosi modelių dalimi:

  1. Kvazarinis režimas: Didelio ryškio epizodai su stipriais ištekėjimais, galintys išnešti didžiulius šaltų dujų kiekius ir taip gesinti žvaigždėdarą.
  2. Radijo režimas: Mažesnio ryškio AGN su čiurkšlėmis, šildančiomis aplinkines dujas (pvz., spiečių centruose) ir neleidžiančiomis joms auštant telktis.

Šis poveikis padeda paaiškinti masyviųjų elipsinių „raudonumą“ ir stebimus (pvz., juodosios skylės masės bei telkinio masės) ryšius, siejančius SMJS augimą ir galaktikos evoliuciją [10].

5. Galaktikų šeimininkės ir AGB vieningumas

5.1 Susijungimo vs. sekuliarus aktyvavimo šaltinis

Stebėjimų duomenys rodo, kad AGB suaktyvėjimą gali lemti skirtingi scenarijai:

  • Didieji susijungimai: Dujomis turtingi susidūrimai per trumpą laiką į branduolį atgabena didelius dujų kiekius, iškeldami juodąją skylę į kvazaro būseną. Tai gali sutapti su žvaigždėdaros protrūkiu, po kurio slopinama žvaigždėdara.
  • Sekuliarios priežastys: Juostų ar nedidelių srautų valdomas stabilus juodosios skylės „maitinimas“ gali išlaikyti vidutinį Seyfert branduolio šviesį.

Labiausiai šviečiantys kvazarai dažnai rodo potvyninių iškraipymų ar morfologinius ženklus apie neseniai įvykusius susijungimus, tuo tarpu ne tokių ryškių AGN galima aptikti beveik nedisturbuotose diskinėse galaktikose su juostomis ar pseudotelkiniais.

5.2 Ryšys tarp telkinio ir juodosios skylės

Stebėjimai rodo glaudų ryšį tarp juodosios skylės masės (MBH) ir telkinio žvaigždžių greičių dispersijos (σ) ar masės – vadinamąjį MBH–σ dėsningumą. Tai leidžia manyti, kad juodosios skylės „maitinimas“ ir telkinio formavimasis yra tampriai susiję, paremiant hipotezę, kad aktyvus branduolys gali reguliuoti žvaigždėdarą telkinyje ir atvirkščiai.

5.3 AGB aktyvumo ciklai

Per kosminį laiką kiekviena galaktika gali patirti daugybę AGB etapų. Dažnai juodoji skylė tik dalį laiko akretuoja artimai Eddingtono ribai, formuodama ryškius AGN ar kvazaro protrūkius. Pasibaigus dujų atsargoms ar joms išpūtus, AGB prigęsta, o galaktika vėl tampa „normali“, su snaudžiančia centrine juodąja skyle.

6. AGB stebėjimas kosminiu mastu

6.1 Tolimųjų kvazarų tyrimai

Kvazarai matomi iki labai didelių raudonųjų poslinkių, net virš z > 7, tad jie jau spindėjo pirmajame Visatos milijarde metų. Vis dar tebėra klausimas, kaip SMJS užaugo taip sparčiai: galbūt „sėklos“ jau buvo didelės (pvz., dėl tiesioginio žlugimo) ar vyko epizodai, viršijantys Eddingtono ryjimo greičius. Stebint šiuos tolimus kvazarus, galime tyrinėti rejonizacijos epochą ir ankstyvą galaktikų formavimąsi.

6.2 Daugialangės kampanijos

Tokios apžvalgos kaip SDSS, 2MASS, GALEX, Chandra ir naujos misijos kaip JWST, bei ateities antžeminiai galingi teleskopai apima AGB nuo radijo iki rentgeno spindulių, išsamiau aprėpdami visą spektrą nuo žemo šviesio Seyfert iki itin ryškių kvazarų. Tuo pačiu integralinė laukų spektroskopija (pvz., MUSE, MaNGA) atskleidžia šeimininkių kinematiką ir žvaigždėdaros pasiskirstymą aplink branduolį.

6.3 Gravitacinis lęšiavimas

Kartais kvazarus, esančius už masyvių spiečių, veikia gravitacinis lęšiavimas, kuris sukuria padidintus vaizdus, atskleidžiančius AGN smulkesnes struktūras ar itin tikslų šviesio atstumą. Tokie reiškiniai leidžia patikslinti juodosios skylės masės vertinimus ir ištirti kosmologinius parametrus.

7. Teorinė ir simuliacijų perspektyva

7.1 Diskinės akrecijos fizika

Klasikiniai Shakura-Sunyaev alfa disko modeliai, patobulinti magnetohidrodinaminėmis (MHD) akrecijos simuliacijomis, aiškina, kaip pernešamas kampinis momentas ir kaip klampa diske nulemia akrecijos greitį. Magnetiniai laukai ir turbulencija itin svarbūs generuojant ištekėjimus ar čiurkšles (pvz., Blandford–Znajek mechanizmas, susijęs su besisukančiomis juodosiomis skylėmis).

7.2 Didelės apimties galaktikų evoliucijos modeliai

Kosmologinės simuliacijos (pvz., IllustrisTNG, EAGLE, SIMBA) vis labiau įtraukia detalizuotus AGB grįžtamojo ryšio receptus, siekiant suderinti stebimą galaktikų spalvų dvilypumą, juodosios skylės–telkinio masės ryšį bei žvaigždėdaros slopinimą masyviuose haluose. Šie modeliai rodo, kad net trumpi kvazaro epizodai gali smarkiai pakeisti šeimininkės dujų likimą.

7.3 Būtinybė tikslinti grįžtamojo ryšio fiziką

Nors pažanga didelė, dar išlieka neaiškumų, kaip konkrečiai energija sąveikauja su daugiafazėmis tarpžvaigždinėmis dujomis. Norint „surišti“ parseko masto akrecinę fiziką su kiloparseko masto žvaigždėdaros reguliavimu, būtina suvokti detales apie čiurkšlių ir tarpžvaigždinės terpės sąveiką, vėjo įtraukimą ar dulkėtųjų torų geometriją.

8. Išvados

Aktyvūs galaktikų branduoliai ir kvazarai atspindi pačius energingiausius galaktikų branduolių etapus, valdomus supermasyvių juodųjų skylių akrecijos. Išspinduliuodami energiją ir versdami ištekėjimus, jie daro daugiau nei tik žiba – jie keičia šeimininkės galaktikas, lemia žvaigždėdaros istorijas, telkinio augimą ar net didelio masto aplinką per grįžtamąjį ryšį. Nesvarbu, ar sužadinti didelių susijungimų, ar lėto sekliaraus dujų srauto, AGN pabrėžia glaudų ryšį tarp juodosios skylės ir galaktikos raidos – rodydami, kad net nedidelis akrecinis diskas gali turėti pasekmių galaktikai ar net kosminiam mastui.

Kintant stebėjimams įvairiuose bangos ilgiuose ir tobulėjant simuliacijoms, vis geriau suvokiame AGN „maitinimo“ būdus, kvazarų gyvenimo ciklus ir grįžtamojo ryšio mechanizmus. Galiausiai, juodosios skylės ir jų šeimininkių tarpusavio sąveikos išnarpliojimas yra kertinis momentas suprantant Visatos audinį – nuo ankstyvųjų kvazarų iki ramesnių juodųjų skylių, šiuo metu glūdinčių elipsinių ar spiralinės galaktikos telkiniuose.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Lynden-Bell, D. (1969). “Galactic Nuclei as Collapsed Old Quasars.” Nature, 223, 690–694.
  2. Rees, M. J. (1984). “Black Hole Models for Active Galactic Nuclei.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 471–506.
  3. Antonucci, R. (1993). “Unified models for active galactic nuclei and quasars.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 31, 473–521.
  4. Urry, C. M., & Padovani, P. (1995). “Unified Schemes for Radio-Loud Active Galactic Nuclei.” Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 803–845.
  5. Shakura, N. I., & Sunyaev, R. A. (1973). “Black Holes in Binary Systems. Observational Appearance.” Astronomy & Astrophysics, 24, 337–355.
  6. Soltan, A. (1982). “Masses of quasar remnants.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 200, 115–122.
  7. Hopkins, P. F., et al. (2008). “A unified, merger-driven model of the origin of starbursts, quasars, and spheroids.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
  8. Richards, G. T., et al. (2006). “Spectral Energy Distributions and Multiwavelength Selection of Type 1 Quasars.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 166, 470–497.
  9. Fabian, A. C. (2012). “Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50, 455–489.
  10. Kormendy, J., & Ho, L. C. (2013). “Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653.
Вернуться к блогу