Kvasaari (kvasaarit) – määritelmä, synty ja ominaisuudet

Kvasaarit – mitä ne ovat, miten syntyvät ja millaiset ominaisuudet niillä on. Tutustu kvasaarien määritelmään, supermassiiviseen mustaan aukkoon ja energialähteisiin.

Kvasaarit eli kvasitähtimäiset radiolähteet ovat energisimpiä ja kaukaisimpia aktiivisia galaktisia ytimiä (AGN).

Ne ovat melko pieniä verrattuna niiden tuottamaan energiaan. Kvasaarit eivät ole paljon suurempia kuin aurinkokunta. Kirkkauden muutosten mekanismiin liittyy luultavasti relativistinen säteilysuihku, joka suuntautuu lähes suoraan meitä kohti. Korkeimman tunnetun punasiirtymän kvasaarin (kesäkuussa 2011^[päivitys]) punasiirtymä on 7,085, mikä tarkoittaa, että se on noin 29 miljardin valovuoden päässä Maasta. Tämä arvio on tehty käyttäen komoving-etäisyyden käsitettä.

Tutkijat ovat nyt yhtä mieltä siitä, että kvasaari on massiivisen galaksin keskellä oleva kompakti alue, joka ympäröi keskeistä supermassiivista mustaa aukkoa. Sen koko on 10-10 000 kertaa mustan aukon Schwarzschildin säde. Kvasaarin lähettämä energia on gravitaatioenergiaa, joka syntyy mustan aukon ympärillä olevaan akkrektiokiekkoon putoavasta massasta.

Kvasaarit ovat erittäin valovoimaisia. Ne tunnistettiin ensimmäisen kerran sähkömagneettisen säteilyn, kuten radioaaltojen ja näkyvän valon, suurella punasiirtymällä oleviksi lähteiksi. Valo (ja muu energia) näytti muistuttavan tähtiä, ei niinkään suuria lähteitä kuten galakseja. Toisaalta niiden spektreissä oli hyvin laajoja emissioviivoja, jotka eivät vastanneet tähdistä tunnettuja, joten niistä käytetään nimitystä "kvasitähti". Niiden valovoima voi olla 100 kertaa suurempi kuin Linnunradan.

Keskeisten supermassiivisten mustien aukkojen akkrektiokiekot voivat muuntaa noin 10 prosenttia kohteen massasta energiaksi. Tämä mekanismi selittää, miksi kvasaarit olivat yleisempiä maailmankaikkeuden alkuvaiheessa, sillä tämä energiantuotanto loppuu, kun supermassiivinen musta aukko kuluttaa kaiken kaasun ja pölyn lähistöllään.

Tämä tarkoittaa, että useimmat galaksit, myös oma Linnunratamme, ovat saattaneet käydä läpi aktiivisen vaiheen kvasaarina tai jonkin muun aktiivisen galaksin luokan galaksina. Nyt ne ovat lepotilassa, koska niissä ei ole ainetta, jota niiden keskeiset mustat aukot voisivat syöttää säteilyä tuottaakseen.

Määritelmä ja luokitus

Kvasaarit kuuluvat aktiivisten galaktisten ydinten (AGN) ryhmään. Niitä erotellaan muun muassa seuraavasti:

• Radio-loud (radio-äänekkäät): noin 5–20 % kvasaareista, joilla on voimakkaat relativistiset suihkut ja laajat radioemissiot.
• Radio-quiet (radio-herkemmät): suurin osa kvasaareista, joissa diskreetimpiä radioemissioita mutta voimakas optinen ja röntgensäteily.
• Spektroskooppinen jako: näkyvät emissioviivat voivat olla kapeita tai laajoja; kvasaarien nimitys juontuu laajoista (broad) emissioviivoista.

Synty ja keskeinen mekanismi

Kvasaari muodostuu, kun galaksin keskustassa oleva supermassiivinen musta aukko vetää puoleensa suuria määriä kaasua ja pölyä. Aine muodostaa akkretiokiekon, joka kuumenee voimakkaasti kitkan ja magneettikenttien vaikutuksesta ja säteilee silloin runsaasti energiaa eri aallonpituuksilla (radio, infrapuna, näkyvä, ultravioletti, röntgen ja gamma).

Akkretion energiantuotto on tehokas: typillinen tehokkuus on luokkaa 0,06–0,4 riippuen aukon pyörimisnopeudesta — yleisesti käytetty arvio on noin 10 % (0,1). Tämä selittää kvasaareiden erittäin suurenkin valovoiman suhteessa siihen aineeseen, jota ne kuluttavat.

Ominaisuudet ja numerot

• Musta aukkojen massat: tyypillisesti 10^6–10^10 kertaa Auringon massa.
• Valovoima: voivat säteillä jopa ~10^47 erg/s luokassa (hyvin kirkkaat kvasaari), mikä vastaa tai ylittää kymmenien tai satojen galaksien yhteisvalaistusta.
• Koko: säteittäisesti akkretiovyöhykkeet ovat usein suunnilleen aurinkokunnan kokoisia, eli erittäin kompakteja verrattuna koko galaksiin.
• Nopea vaihtelu: kirkkauden vaihtelut tunneista vuosin ajoittain viittaavat pieneen emittoivaan alueeseen (kompakti akkretiokiekko ja suihkut).
• Jets: relativistiset suihkut (lähellä valonnopeutta) voivat ulottua galaksia ympäröivän vaipan läpi ja tuottaa radio-emissiota ja joskus näkyvän optisen "hotspotin".
• Kaukaisuus: kvasaareja havaitaan hyvin suurilla punasiirtymillä, mikä tekee niistä tärkeitä varhaisen maailmankaikkeuden tutkimuksessa.

Havaintomenetelmät ja tutkimus

Kvasaarit havaitaan ja tutkitaan monella aallonpituudella. Tärkeitä menetelmiä ovat:

• Optinen spektroskopia: punasiirtymän ja emissioviivojen mittaaminen (esim. Lyman-α, CIV).
• Röntgen- ja gamma-havainnot: sisemmän akkretiokiekon ja koron tutkimus.
• Radioobservaatiot: suihkujen rakenne ja polarisaatio.
• Infrapuna: pölysyntyisten ja sumujen läpi näkyminen kaukaisissa kvasaareissa.
• Reverberaatio-mapping (viiveanalyysi): mustan aukon massan arviointi mittaamalla viivettä continuum- ja emissioviivan välillä.
• Gravitaatiolinssit: kaukaisten kvasaareiden kirkastuminen linsseinä toimivien galaksien ansiosta voi paljastaa yksityiskohtia ja antaa massatietoja.

Merkitys kosmologiassa ja galaksien evoluutiossa

Kvasaarit ovat tärkeä työkalu kosmologeille ja galaksitutkijoille:

• Ne valaisevat varhaista maailmankaikkeutta ja auttavat tutkimaan reionisaatiovaihetta sekä intergalaktista ainetta (Lyman-α -metsä).
• Quasarien esiintyvyys huippuvaiheessa kertoo, milloin galaksit aktiivisesti koonnut massaa mustien aukkojensa ympärille.
• Kvasaariaktiivisuus voi vaikuttaa emogalaksin kehitykseen: voimakkaat tuulet ja suihkut voivat poistaa kaasua ja tukahduttaa tähtienmuodostuksen (AGN-feedback).

Historialliset havainnot ja esimerkkejä

Kvasaarien luonne selvisi 1960-luvulla, kun havaittujen "pistetähtiä" vastaavan kohteen spektrit osoittautuivat sisältävän suuria punasiirtymiä — toisin sanoen ne olivat kaukana, mutta äärimmäisen kirkkaita. Tunnettu varhainen esimerkki on 3C 273, jonka Maarten Schmidt tunnisti kuuluvaksi korkeaan punasiirtymään vuonna 1963.

Päivitys punasiirtymän ennätyksistä

Alkuperäisessä tekstissä mainittu vuoden 2011 ennätys (z = 7,085) oli tilanne tuohon aikaan. Sittemmin on löydetty vielä kaukaisempiakin kvasaareja: esimerkiksi vuonna 2021 raportoitiin quasar J0313–1806 punasiirtymällä z ≈ 7,64, mikä osoittaa, että erittäin massiiviset mustat aukot olivat olemassa hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tutkimus kehittyy nopeasti, ja uusia kaukaisia kvasaareja etsitään nykyisillä ja tulevilla observatorioilla.

Tutkimuksen nykyhaasteet ja tulevaisuus

Keskeisiä avoimia kysymyksiä ovat muun muassa:

• Kuinka supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin massiivisiksi jo varhaisessa universumissa?
• Millä tarkalla mekanismilla akkretiokiekon magneettikentät ja suihkut synnyttävät kvasaareille tyypillisen säteilyn?
• Miten AGN-feedback vaikuttaa galaksien kehitykseen eri kosmisina aikoina?

Tulevat havainto-ohjelmat infrapunan, röntgenin ja radioalueen koeputkilla sekä suuret optiset/infrared-surveyt ja avaruusteleskoopit auttavat vastaamaan näihin kysymyksiin.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kvasaari?

Kysymys: Kuinka kaukana kvasaareja voidaan löytää?

K: Mikä on niiden kirkkauden muutosten taustalla oleva mekanismi?

K: Mitä kvasaarin keskipisteessä uskotaan olevan?

K: Mistä sen energia tulee?

K: Kuinka valovoimaisia ne ovat verrattuna muihin galakseihin?

K: Miksi ne olivat yleisempiä maailmankaikkeuden alussa?

Hae kirjaimella