Квазар е вид астрономически обект, представляващ изключително ярко активно галактично ядро.
При квазарите свръхмасивна черна дупка, намираща се в центъра на галактика, поглъща голямо количество от околната материя, в хода на което се образува акреционен диск и се излъчва голямо количество енергия под формата на електромагнитно излъчване, което се наблюдава по цялата дължина на електромагнитния спектър. Енергията, която излъчват квазарите е огромна – най-мощните квазари имат светимост, която е хиляди пъти по-голяма от светимостта на цели галактики като Млечния път.
Терминът квазар представлява сливане на английското словосъчетание quasi-stellar („квази-звезден, звездоподобен“) radio source („радиоизточник“), тъй като квазарите са открити за пръв път през 1950-те години като източници на радиовълни с неизвестен произход, а когато се заснемат на фотографии, приличат на малки звезди. Снимките с висока резолюция на квазари, особено тези от телескопа Хъбъл, показват, че квазарите възникват в ядрата на галактиките. Наблюдаваните свойства на даден квазар зависят от много фактори, включително масата на черната дупка, скоростта на акреция на газове, ориентацията на акреционния диск спрямо наблюдателя, наличието или отсъствието на релативистична струя и други.
Квазари се срещат на най-различни разстояния, а проучванията сочат, че квазарната активност е била доста по-разпространена в далечното минало. Кулминацията на квазарите вероятно е била преди около 10 милиарда години. Към 2017 г. най-далечният квазар е ULAS J1342+0928 с червено отместване z = 7,54. Наблюдаваната светлина от този квазар е била излъчена, когато Вселената е била на възраст от едва 690 милиона години. Свръхмасивната черна дупка на този квазар, с приблизителна маса от 800 милиона слънчеви маси, е най-отдалечената черна дупка към 2017 г.
История
Между 1917 и 1922 г. от трудовете на Хебер Къртис, Ернст Епик и други става ясно, че някои обекти („мъглявини“), наблюдавани от астрономите, всъщност са далечни галактики. Но когато радиоастрономията започва да се развива през 1950-те години, астрономите засичат сред галактиките малък брой необичайни обекти със свойства, за които все още няма обяснение.
Обектите излъчват голямо количество радиация в множество честоти, но оптически не може да се намери източника им, а в някои случаи е намиран блед малък обект, наподобяващ отдалечена звезда. Спектралните линии на тези обекти, които биха определили химичния им състав, също са изключително странни и не могат да се обяснят. Някои от тях си променят светимостта много бързо в оптичния диапазон и дори още по-бързо в рентгеновия, което предполага ограничения на максималния им размер, вероятно не по-голям от Слънчевата система. Оттук следва и изключително висока енергийна плътност. Следват дълги дискусии относно това, какво може да представляват тези обекти. Те са описвани като квази-звездни или звездоподобни радиоизточници () – име, което отразява тяхната все още непозната природа и което по-късно се съкращава на „квазар“.
Ранни наблюдения (1960-те и по-рано) Първите квазари (3C 48 и 3C 273) са открити в края на 1950-те години като източници на радиовълни в радиопроучвания на небосклона. Първоначално те се забелязват само като радиоизточници без съответстващ им видим обект. Използвайки малки телескопи и радиотелескопа Ловел като интерферометър се установява, че те имат много малък ъглов размер. Стотици такива обекти са засечени до 1960 г. и са публикувани в Третия кембриджки каталог на радиоизточниците, докато астрономите търсят из небесата техните оптични копия. През 1963 г. е публикувана крайна идентификация на радиоизточника 3C 48 с оптичен обект от Алан Сандидж и Томас Матюс. Астрономите са засекли нещо, което изглежда на бледа синя звезда на мястото на радиоизточника и са получили спектъра ѝ, който съдържа много непознати широки емисионни линии. Тези аномалии не могат да бъдат обяснени по това време.
Астрономът Джон Болтън прави ранни наблюденията на квазари. Друг радиоизточник, 3C 273, се очаква да направи пет окултации зад Луната. Измерванията на Сирил Хазард и Джон Болтън по време на една от окултациите, използвайки телескопа Паркс, позволяват на Мартен Шмид да намери видимото съответствие на радиоизточника и да запише оптичния спектър използвайки 200-инчовия телескоп Хейл в Калифорния. Този спектър разкрива същите странни емисионни линии. Шмид успява да докаже, че това най-вероятно са обичайните спектрални линии на водорода, но с червено отместване от 15,8% – изключително голямо червено отместване, което дотогава не е наблюдавано в астрономията. Ако това се дължи на физическото движение на звезда, тогава би следвало 3C 273 да се отдалечава с огромна скорост, около 47 000 km/s - много повече от скоростта на която и да е позната звезда. Въпреки това, дори изключителната скорост не би обяснила изобилното радиоизлъчване.
Въпреки че поражда много въпроси, откритието на Шмид бързо променя подхода към наблюденията на квазарите. Странният спектър на 3C 48 бързо е идентифициран като водород и магнезий с червено отместване от 37%. Скоро след това още два спектъра на квазари през 1964 г. и още пет през 1965 г. също са потвърдени за обикновена светлина, която е била отместена към червения спектър изключително много.A Brief History of AGN – G. Shields
Въпреки че наблюденията и червените отмествания не се поставят под въпрос, тяхната вярна интерпретация става обект на бурни дебати, а предположението на Болтън, че излъчването от квазарите са обикновени спектрални линии от далечни източници с голямо червено отместване и изключително висока скорост не се приема от широката общност по това време.
Развиване на физическото разбиране (1960-те) Голямо червено отместване може да се дължи на голямо разстояние и скорост, но също и на изключително голяма маса. Голямата скорост предполага и голямо изразходване на енергия, което не може да се обясни и е в разрез с традиционната и преобладаваща теория на стационарната Вселена. Малките размери са потвърдени чрез интерферометрия и чрез наблюдаване на скоростта, с която квазарът се движи като цяло, както и по неспособността да бъдат видяни дори и с най-мощните оптични телескопи като нещо повече от звездоподобни точки светлина. Но ако са малки и далечни, тяхната енергия би следвало да е огромна и трудна за обяснение.
Шмид отбелязва, че червеното отместване също се свързва с разширяващата се Вселена, което е загатнато в закона на Хъбъл. Ако измереното червено отместване се дължи на разширение, тогава това би подкрепило интерпретацията на много далечни обекти с изключително голяма светимост и енергия, много повече от кой да е обект, наблюдаван до това време. Такава голяма светимост би обяснила и силните радиосигнали. Шмид прави заключение, че 3C 273 трябва или да е индивидуална звезда с диаметър 10 km в нашата галактика, или далечен активен галактичен център. Той заявява, че далечен и изключително мощен обект изглежда като по-правдоподобната теза.
Обяснението на Шмид относно голямото червено отместване не се приема широко по това време. Голям проблем представлява огромното количество енергия, която тези обекти трябва да излъчват, ако са отдалечени. През 1960-те години не съществува широко възприет механизъм, който да обясни това. Днешното възприето обяснение е, че това се дължи на материята от акреционен диск, докато тя попада в свръхмасивна черна дупка – това е предложено през 1964 г. от Едуин Солпитър и Яков Зелдович, но тогава е отхвърлено от много астрономи, тъй като наличието на черни дупки все още се счита като цяло за теоретично и твърде екзотично и защото все още не е потвърдено присъствието на свръхмасивни черни дупки в центровете на галактиките. Странните спектрални линии на излъчването им и бързината на промяна у някои квазари също подсказват на много астрономи и космолози, че обектите са относително малки и следователно ярки, масивни и не твърде далеч и че, следователно, тяхното червено отместване не се дължи на разстояние или скорост, а на друга причина или неизвестен процес. Друго широко разпространено алтернативно виждане е, че червеното отместване е причинено от изключително голяма маса (обяснение чрез Общата теория на относителността), вместо от голяма скорост (обяснение чрез Специалната теория на относителността).
Различни обяснения се предлагат през 1960-те и 1970-те години, всяко от тях със своите проблеми. Предлага се, че квазарите са близки обекти и че тяхното червено отместване се дължи на светлина, излизаща от дълбок гравитационен кладенец. Това би изисквало масивен обект, което би обяснило и високата светимост. Обаче, звезда с достатъчна маса да произведе измереното червено отместване, би била нестабилна и в разрез с ограничението на Хаяши. Квазарите също показват забранени спектрални емисионни линии, които преди това са наблюдавани единствено в горещи газови мъглявини с ниска плътност, което би говорило за твърде голяма дифузия, че да се генерира наблюдаваната енергия. Съществуват и сериозни грижи относно идеята за космологично далечните квазари. Един солиден аргумент срещу тях е, че те трябва да имат енергии, които са далеч по-големи от познатите процеси за преобразуване на енергия, включително и термоядрения синтез. Съществуват и предположения, че квазарите са съставени от дотогава непозната форма на региони от стабилна антиматерия, които биха могли да обяснят яркостта им.nature.com Други спекулират, че квазарите са бели дупки, краища на червейни дупки, или верижни реакции на няколко супернови.ned.ipac.caltech.edu
Неувереността е такава, че до 1984 г. един от малкото консенсуси е, че излъчваната енергия е с гравитационен произход,ned.ipac.caltech.edu, Martin Rees: Black hole models for active galactic nuclei, 1984. като космологичното червено отместване са приема за дадено. През 1970-те години много доказателства (включително първите рентгенови космически обсерватории, откриването на черните дупки и съвременните космологични модели) постепенно започват да показват, че червеното отместване на квазарите е истинско и че, поради разширяването на космоса, квазарите са толкова мощни и толкова далечни, колкото Шмид и други астрономи са смятали преди това, както и че техният източник на енергия е материя от акреционен диск, попадаща в свръхмасивна черна дупка. Включени са ключови доказателства от оптични и рентгенови наблюдения на галактики с квазари, намирането на пречещи абсорбционни линии, които обясняват различните спектрографски аномалии, наблюдения от гравитационни лещи, откритието, че галактиките с квазари показват същото червено отместване като квазарите им, и други.
Този модел също си подхожда и с другите наблюдения, които предполагат, че много, дори повечето галактики, имат свръхмасивна черна дупка в центровете си. Той също би обяснил защо квазарите са по-често срещани в ранната Вселена – докато квазарът черпи материя от акреционния диск, той ще достигне момент, при който в околността има по-малко материя и енергийната мощност ще спадне, докато квазарът се превръща в по-обикновен тип галактика.
Механизмът за произвеждане на енергия от акреционен диск е моделиран през 1970-те години, а черните дупки са засечени директно (включително и доказателства, че свръхмасивни черни дупки могат да се намерят в центровете на много галактики, сред които и нашата), което решава проблема с твърде голямата светимост на квазарите. Към края на 1980-те години космологичното разстояние и енергийната мощност на квазарите са широко приемани от учените като обяснение на квазарите.
Съвременни наблюдения (от 1960-те до наши дни)
По-късно е установено, че не всички квазари имат силно радиоизлъчване. Всъщност, само около 10% се считат за „радио шумни“. Откриването на квазарите има големи последици в областта на астрономия през 1960-те години, включително приближаването на физиката и астрономията една към друга.