Кваза́р () — класс астрономических объектов, являющихся одними из самых ярких (в абсолютном исчислении) в видимой Вселенной. Английский термин образован от слов («квазизвёздный» или «похожий на звезду») и («радиоисточник») и дословно означает «похожий на звезду радиоисточник».
В 1963 году нидерландско-американский астроном Мартен Шмидт опубликовал результаты исследования спектров звездоподобных оптических объектов, являющихся источниками сильного радиоизлучения, названные квазарами.
По современным представлениям, квазары представляют собой активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Он и является источником излучения, исключительно мощного (иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша) и имеющего помимо космологического гравитационное красное смещение, предсказанное А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).
Квазары были обнаружены как объекты с большим красным смещением, имеющие электромагнитное излучение (включая радиоволны и видимый свет) и настолько малые угловые размеры, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд (напротив, протяжённые источники больше соответствуют галактикам; звёздная величина самого яркого квазара +12,6). Следы родительских галактик вокруг квазаров (причём далеко не всех) были обнаружены лишь позднее.
Квазары обнаруживаются на очень широком диапазоне расстояний, и исследования по обнаружению квазаров показали, что в далеком прошлом активность квазаров была более распространенной. Пик эпохи квазарной активности был примерно 10 миллиардов лет назад.
Квазары называют маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний (вплоть до красного смещения, превышающего z = 7,5), по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения: сильные спектральные линии поглощения водорода развёртываются в лес линий по красному смещению поглощающих облаковБ. Штерн. Гамма-всплески: секундные катастрофы галактического масштаба .. Ввиду большой удалённости квазары, в отличие от звёзд, выглядят практически неподвижными (не имеют параллакса), поэтому радиоизлучение квазара используется для высокоточного определения с Земли параметров траектории автоматической межпланетной станции.
По состоянию на конец 2023 года наиболее удалённым обнаруженным квазаром является UHZ1 с красным смещением z = 10,1. Свет, наблюдаемый от этого квазара, был испущен, когда Вселенной было всего 470 миллионов лет. Сверхмассивная чёрная дыра в этом квазаре, оценённая в 40 миллионов солнечных масс, является самой отдалённой чёрной дырой, обнаруженной на сегодняшний день.
В январе 2019 года было объявлено об обнаружении самого яркого квазара — его яркость оценивается в 600 трлн солнечных. Квазару присвоено имя J043947.08+163415.7, расстояние до объекта составляет примерно 12,8 млрд световых лет (красное смещение z = 6,51).
Первоначальное определение понятия «квазар» Кроме современного определения, существовало ещё и первоначальное: «Квазар (квазизвёздный объект) — класс небесных объектов, которые в оптическом диапазоне похожи на звезду, но имеют сильное радиоизлучение и чрезвычайно малые угловые размеры (меньше 10″)»; подобное звёздам самоизлучающее космическое тело, по массе и светимости во много раз больше, чем у Солнца.
Первоначальное определение сложилось в конце 1950-х — начале 1960-х годов, когда были открыты первые квазары и их изучение только началось. Это определение в целом верно, однако со временем были открыты радиоспокойные квазары, не создающие сильного радиоизлучения; по состоянию на 2004 год таковыми являются порядка 90 % известных квазаров.
История наблюдений История квазаров началась с проводимой радиообсерваторией «Джодрелл-Бэнк» программы измерений видимых угловых размеров радиоисточников.
Первый квазар, 3C 48, был обнаружен в конце 1950-х годов Алланом Сэндиджем и Томасом Метьюзом во время радиообзора неба. В 1963 году было известно уже 5 квазаров. Новый тип объектов объединяли некоторые аномальные свойства, которые на тот момент не могли быть объяснены. Они испускали большое количество излучения широкого спектра, но большая их часть оптически не обнаруживалась, хотя в некоторых случаях удавалось идентифицировать слабый и точечный объект, похожий на далёкую звезду. Спектральные линии, которые идентифицируют химические элементы, из которых состоит объект, тоже были чрезвычайно странными и не поддавались разложению на спектры всех известных на тот момент элементов и их различных ионизированных состояний.
В том же году нидерландский астроном Мартен Шмидт доказал, что линии в спектрах квазаров сильно смещены в красную сторону. Странный спектр 3C 273 был быстро идентифицирован Шмидтом, Гринштейном и Оке как линии водорода и магния, сильно сдвинутые в красную часть спектра. Если бы это было связано с физическим движением «звезды», то 3C 273 двигался от нас с огромной скоростью, около 47 000 км/с, намного превышающей скорость любой известной звезды. Также экстремальная скорость не помогла бы объяснить огромные радиоизлучения 3C 273. Если красное смещение было космологическим (теперь известно, что это предположение оказалось правильным), большое расстояние означало, что 3C 273 был намного ярче, чем любая галактика, но гораздо более компактным.
Почти сразу, 9 апреля 1963 года, Ю. Н. Ефремовым и А. С. Шаровым по фотометрическим измерениям снимков источника 3C 273 была открыта переменность блеска квазаров с периодом всего лишь в несколько днейА. Д. Чернин, Л. Н. Бердников, А. С. Расторгуев. «Большая наука астрономия» .. Нерегулярная переменность блеска квазаров на временных масштабах менее суток указывает на то, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы, но их яркость многократно превосходила яркость обычных галактик. Кроме того, 3C 273 был достаточно ярким, чтобы его можно было обнаружить на архивных фотографиях 1900-х годов; было обнаружено, что он варьируется в годовом масштабе времени, подразумевая, что значительная часть света испускалась из области размером менее 1 светового года — крошечной по сравнению с галактикой. Принимая, что это красное смещение вызвано эффектом космологического красного смещения, возникшего в результате удаления квазаров, расстояние до них определили по закону Хаббла.
Один из ближайших и наиболее яркий квазар, 3C 273, имеет блеск около 13m и красное смещение z = 0,158 (что соответствует расстоянию около 3 млрд св. лет). Самые далёкие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость обычных галактик, регистрируются с помощью радиотелескопов на расстоянии более 12 млрд св. лет. На июль 2011 года самый удалённый квазар (ULAS J112001.48+064124.3) находился на расстоянии около 13 млрд св. лет от Земли.
Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой — отсутствием чёткой границы между квазарами и другими типами активных галактик. В опубликованном в 1987 году списке Хьюитта — Бэрбриджа число квазаров 3594. В 2005 году группа астрономов использовала в своём исследовании данные уже о 195 000 квазаровScranton et al., Detection of Cosmic Magnification with the Sloan Digital Sky Survey. The Astrophysical Journal, 2005, v. 633, p. 589..
Эволюция понимания природы квазаров
Квазары сразу с момента своего открытия вызвали множество дискуссий и споров в научной среде. Небольшие размеры были подтверждены интерферометрией и наблюдением скорости, с которой квазар в целом менялся по мощности, и невозможностью увидеть даже в самые мощные оптические телескопы что-то большее, чем слабые звездные точечные источники. Но если бы объекты были малых размеров и находились далеко в космосе, их энерговыделение получалось чрезвычайно огромным и трудным для объяснения. Напротив, если они при их размерах находились намного ближе к нашей галактике, то было бы легко объяснить их кажущуюся мощность, но тогда сложно объяснить их красные смещения и отсутствие обнаруживаемых движений на фоне Вселенной (параллакс).
Если измеренное красное смещение было вызвано расширением, то это поддержало бы интерпретацию очень далеких объектов с необычайно высокой яркостью и выходной мощностью, намного превышающей любой объект, замеченный до настоящего времени. Эта крайняя яркость также объясняет большой радиосигнал. Шмидт пришел к выводу, что 3C 273 может быть либо отдельной звездой диаметром около 10 км внутри (или вблизи) нашей галактики, либо далеким активным ядром галактики. Он заявил, что предположение об отдаленном и чрезвычайно мощном объекте, скорее всего, будет правильным.
Объяснение сильного красного смещения в то время не было общепринятым. Главной проблемой было огромное количество энергии, которое эти объекты должны были бы излучать, если бы они были на таком расстоянии. В 1960-х годах ни один общепринятый известный механизм не мог объяснить этого. Принятое в настоящее время объяснение, что это происходит из-за падения вещества в аккреционном диске в сверхмассивную чёрную дыру, было предложено только в 1964 году Я. Б. Зельдовичем и Эдвином Эрнестом Салпетером, и даже тогда оно было отвергнуто многими астрономами, потому что в 1960-х годах существование черных дыр всё ещё широко рассматривалось как теоретическое и слишком экзотическое и ещё не было подтверждено, что многие галактики (включая нашу) имеют сверхмассивные чёрные дыры в их центре. Странные спектральные линии в их излучении и скорость изменения, наблюдаемая у некоторых квазаров, многими астрономам и космологам объяснялось, что объекты были сравнительно небольшими и, следовательно, возможно, яркими, массивными, но не настолько далёкими; соответственно, что их красные смещения происходили не из-за расстояния или скорости удаления от нас из-за расширения Вселенной, а из-за какой-то другой причины или неизвестного процесса, означающего, что квазары не были действительно настолько яркими объектами на экстремальных расстояниях.
Различные объяснения были предложены в 1960-х и 1970-х годах и у каждого были свои недостатки. Было высказано предположение, что квазары являются близлежащими объектами, и что их красное смещение связано не с расширением пространства (объясняется специальной теорией относительности), а со светом, выходящим из глубокой гравитационной ямы (гравитационное красное смещение объясняется общей теорией относительности). Это потребовало бы массивного объекта, который также объяснил бы высокую яркость. Однако звезда, обладающая достаточной массой для получения измеренного красного смещения, будет нестабильной и превысит предел Хаяси. Квазары также показывают запрещенные спектральные эмиссионные линии, которые ранее были видны только в горячих газовых туманностях низкой плотности, которые были бы слишком диффузными, чтобы одновременно генерировать наблюдаемую мощность и вписываться в глубокую гравитационную яму. Были также серьёзные космологические опасения относительно идеи далеких квазаров. Один сильный аргумент против них заключался в том, что они подразумевали энергии, которые намного превышали известные процессы преобразования энергии, включая ядерный синтез. Были некоторые предположения, что квазары были сделаны из некоторой неизвестной ранее формы стабильных областей антивещества и мы наблюдаем область его аннигиляции с обычным веществом, и это могло бы объяснить их яркость. Другие предполагали, что квазары были концом белой дыры червоточины или цепной реакцией многочисленных сверхновых.