Quásar

Un quasar ( / k w eɪ z ɑr / ; también conocido como un objeto cuasi-estelar , abreviado QSO ) es un extremadamente luminoso núcleo activo galáctico (AGN), en el que un agujero negro con la masa que oscila de millones a mil millones de veces la masa del Sol está rodeada por un disco de acreción gaseoso . A medida que el gas del disco cae hacia el agujero negro, se libera energía en forma de radiación electromagnética , que se puede observar en todo el espectro electromagnético.. El poder que irradian los cuásares es enorme; los quásares más poderosos tienen luminosidades miles de veces mayores que una galaxia como la Vía Láctea . [2] [3] Por lo general, los cuásares se clasifican como una subclase de la categoría más general de AGN. Los desplazamientos al rojo de los quásares son de origen cosmológico . [4]

Representación artística del disco de acreción en ULAS J1120 + 0641 , un cuásar muy distante alimentado por un agujero negro supermasivo con una masa dos mil millones de veces la del Sol [1]

El término quásar se originó como una contracción de una fuente de radio cuasi-estelar [similar a una estrella] , porque los cuásares se identificaron por primera vez durante la década de 1950 como fuentes de emisión de ondas de radio de origen físico desconocido, y cuando se identificaron en imágenes fotográficas en longitudes de onda visibles, parecían puntos de luz tenues, como estrellas. Imágenes de alta resolución de cuásares, particularmente del Telescopio Espacial Hubble , han demostrado que los cuásares ocurren en los centros de las galaxias y que algunas galaxias anfitrionas son galaxias que interactúan fuertemente o se fusionan . [5] Al igual que con otras categorías de AGN, las propiedades observadas de un cuásar dependen de muchos factores, incluida la masa del agujero negro, la tasa de acumulación de gas, la orientación del disco de acumulación en relación con el observador, la presencia o ausencia de un chorro , y el grado de oscurecimiento por gas y polvo dentro de la galaxia anfitriona.

Los cuásares se encuentran en un rango muy amplio de distancias, y los estudios de descubrimiento de cuásares han demostrado que la actividad de los cuásares era más común en el pasado distante. La época máxima de actividad de los quásares fue hace aproximadamente 10 mil millones de años. [6]

Se han encontrado más de un millón de cuásares. [7] El cuásar conocido más cercano está a unos 600 millones de años luz de distancia ( Markarian 231 ).

El récord del cuásar conocido más distante sigue cambiando. En 2017, el cuásar, ULAS J1342 + 0928 , se detectó con un corrimiento al rojo z = 7,54. La luz observada desde este cuásar de 800 millones de masas solares se emitió cuando el universo tenía solo 690 millones de años. [8] [9] [10] En 2020, el quásar, Pōniuāʻena, fue detectado en una época de solo 700 millones de años después del Big Bang, y con una masa estimada de 1.500 millones de veces la masa de nuestro Sol. [11] [12] A principios de 2021, el cuásar, J0313-1806 , con un agujero negro de 1.600 millones de masa solar se informó en z = 7.64, 670 millones de años después del Big Bang. [13] En marzo de 2021, se detectó PSO J172.3556 + 18.7734 y desde entonces se lo ha llamado el cuásar radio-ruidoso más distante descubierto. [14]

El término "cuásar" se utilizó por primera vez en un artículo del astrofísico Hong-Yee Chiu en mayo de 1964, en Physics Today , para describir ciertos objetos astronómicamente desconcertantes: [15]

Hasta ahora, el nombre torpemente largo "fuentes de radio cuasi estelares" se utiliza para describir estos objetos. Debido a que la naturaleza de estos objetos se desconoce por completo, es difícil preparar una nomenclatura breve y apropiada para que sus propiedades esenciales sean obvias por su nombre. Por conveniencia, se utilizará la forma abreviada "cuásar" a lo largo de este documento.

Imagen de Sloan Digital Sky Survey del cuásar 3C 273 , que ilustra la apariencia de estrella del objeto. El chorro del quásar se puede ver extendiéndose hacia abajo y hacia la derecha desde el quásar.
Imágenes del Hubble del quásar 3C 273 . A la derecha, se usa un coronógrafo para bloquear la luz del cuásar, lo que facilita la detección de la galaxia anfitriona circundante.

Fondo

Entre 1917 y 1922, quedó claro a partir del trabajo de Heber Curtis , Ernst Öpik y otros, que algunos objetos (" nebulosas ") vistos por los astrónomos eran de hecho galaxias distantes como la nuestra. Pero cuando comenzó la radioastronomía en la década de 1950, los astrónomos detectaron, entre las galaxias, una pequeña cantidad de objetos anómalos con propiedades que desafiaban toda explicación.

Los objetos emiten grandes cantidades de radiación de muchas frecuencias, pero no hay ninguna fuente podrían estar situados ópticamente, o en algunos casos sólo una débil y punto-como objeto un poco como un distante estrella . Las líneas espectrales de estos objetos, que identifican los elementos químicos que componen el objeto, también eran extremadamente extrañas y desafiaban toda explicación. Algunos de ellos cambiaron su luminosidad muy rápidamente en el rango óptico e incluso más rápidamente en el rango de rayos X, sugiriendo un límite superior en su tamaño, quizás no mayor que nuestro propio Sistema Solar . [16] Esto implica una densidad de potencia extremadamente alta . [17] Tuvo lugar una discusión considerable sobre cuáles podrían ser estos objetos. Fueron descritos como " fuentes de radio cuasi-estelares [que significa: estrellas] " , u "objetos cuasi-estelares" (QSO), un nombre que reflejaba su naturaleza desconocida, y esto se redujo a "cuásar".

Primeras observaciones (década de 1960 y anteriores)

Los primeros cuásares ( 3C 48 y 3C 273 ) se descubrieron a finales de la década de 1950, como fuentes de radio en estudios de radio de todo el cielo. [18] [19] [20] [21] Primero se notaron como fuentes de radio sin un objeto visible correspondiente. Usando telescopios pequeños y el telescopio Lovell como interferómetro, se demostró que tenían un tamaño angular muy pequeño. [22] Para 1960, cientos de estos objetos se habían registrado y publicado en el Tercer Catálogo de Cambridge mientras los astrónomos exploraban los cielos en busca de sus homólogos ópticos. En 1963, Allan Sandage y Thomas A. Matthews publicaron una identificación definitiva de la fuente de radio 3C 48 con un objeto óptico . Los astrónomos habían detectado lo que parecía ser una estrella azul tenue en la ubicación de la fuente de radio y obtuvieron su espectro, que contenía muchas líneas de emisión anchas desconocidas. El espectro anómalo desafió la interpretación.

El astrónomo británico-australiano John Bolton hizo muchas de las primeras observaciones de los cuásares, incluido un gran avance en 1962. Se predijo que otra fuente de radio, 3C 273 , experimentaría cinco ocultaciones por parte de la Luna . Las mediciones tomadas por Cyril Hazard y John Bolton durante una de las ocultaciones con el radiotelescopio Parkes permitieron a Maarten Schmidt encontrar una contraparte visible de la fuente de radio y obtener un espectro óptico utilizando el telescopio Hale de 200 pulgadas (5,1 m) en el monte Palomar. Este espectro reveló las mismas líneas de emisión extrañas. Schmidt pudo demostrar que probablemente se trataba de las líneas espectrales ordinarias de hidrógeno desplazadas al rojo en un 15,8%, en ese momento, un alto desplazamiento al rojo (con sólo un puñado de galaxias mucho más débiles conocidas con un desplazamiento al rojo más alto). Si esto se debió al movimiento físico de la "estrella", entonces 3C 273 estaba retrocediendo a una velocidad enorme, alrededor de47 000  km / s , muy por encima de la velocidad de cualquier estrella conocida y desafiando cualquier explicación obvia. [23] Una velocidad extrema tampoco ayudaría a explicar las enormes emisiones de radio del 3C 273. Si el corrimiento al rojo fue cosmológico (ahora se sabe que es correcto), la gran distancia implicaba que 3C 273 era mucho más luminosa que cualquier galaxia, pero mucho más compacta. Además, 3C 273 era lo suficientemente brillante como para detectarlo en fotografías de archivo que datan del siglo XX; se encontró que era variable en escalas de tiempo anuales, lo que implica que una fracción sustancial de la luz fue emitida desde una región de menos de 1 año luz de tamaño, diminuta en comparación con una galaxia.

Aunque planteó muchas preguntas, el descubrimiento de Schmidt revolucionó rápidamente la observación de cuásares. El extraño espectro de 3C 48 fue rápidamente identificado por Schmidt, Greenstein y Oke como hidrógeno y magnesio desplazado al rojo en un 37%. Poco después, dos espectros de cuásares más en 1964 y cinco más en 1965 también se confirmaron como luz ordinaria que se había corrido al rojo en un grado extremo. [24] Si bien no se pusieron en duda las observaciones y los desplazamientos al rojo en sí mismos, su interpretación correcta fue muy debatida, y la sugerencia de Bolton de que la radiación detectada de los cuásares eran líneas espectrales ordinarias de fuentes distantes muy desplazadas al rojo con velocidad extrema no fue ampliamente aceptada en ese momento.

Desarrollo de la comprensión física (década de 1960)

Un corrimiento al rojo extremo podría implicar una gran distancia y velocidad, pero también podría deberse a una masa extrema o quizás a otras leyes desconocidas de la naturaleza. La velocidad y la distancia extremas también implicarían una inmensa potencia de salida, que carecía de explicación. Los pequeños tamaños fueron confirmados por interferometría y observando la velocidad con la que el quásar en su conjunto variaba en la producción, y por su incapacidad para ser visto incluso en los telescopios de luz visible más poderosos como algo más que puntos de luz tenues como estrellas. Pero si fueran pequeños y lejanos en el espacio, su potencia de salida tendría que ser inmensa y difícil de explicar. Del mismo modo, si fueran muy pequeños y mucho más cercanos a nuestra galaxia, sería fácil explicar su aparente salida de energía, pero menos fácil explicar sus desplazamientos al rojo y la falta de movimiento detectable en el contexto del universo.

Schmidt señaló que el corrimiento al rojo también está asociado con la expansión del universo, como se codifica en la ley de Hubble . Si el corrimiento al rojo medido se debiera a la expansión, esto respaldaría una interpretación de objetos muy distantes con una luminosidad y una potencia de salida extraordinariamente altas , mucho más allá de cualquier objeto visto hasta la fecha. Esta luminosidad extrema también explicaría la gran señal de radio. Schmidt concluyó que 3C 273 podría ser una estrella individual de unos 10 km de ancho dentro (o cerca de) nuestra galaxia, o un núcleo galáctico activo distante. Afirmó que un objeto distante y extremadamente poderoso parecía tener más probabilidades de ser correcto. [25]

La explicación de Schmidt para el alto corrimiento al rojo no fue ampliamente aceptada en ese momento. Una de las principales preocupaciones era la enorme cantidad de energía que estos objetos tendrían que irradiar si estuvieran distantes. En la década de 1960, ningún mecanismo comúnmente aceptado podía dar cuenta de esto. La explicación actualmente aceptada, que se debe a que la materia en un disco de acreción cae en un agujero negro supermasivo , solo fue sugerida en 1964 por Edwin Salpeter y Yakov Zel'dovich , [26] e incluso entonces fue rechazada por muchos astrónomos, porque En la década de 1960, la existencia de agujeros negros todavía se consideraba ampliamente teórica y demasiado exótica, y porque aún no se había confirmado que muchas galaxias (incluida la nuestra) tengan agujeros negros supermasivos en su centro. Las extrañas líneas espectrales en su radiación, y la velocidad de cambio observada en algunos quásares, también sugirieron a muchos astrónomos y cosmólogos que los objetos eran comparativamente pequeños y por lo tanto quizás brillantes, masivos y no muy lejanos; en consecuencia, sus corrimientos al rojo no se debieron a la distancia o la velocidad, y deben ser debidos a alguna otra razón o un proceso desconocido, lo que significa que los quásares no eran objetos realmente poderosos ni a distancias extremas, como implicaba su luz corrida al rojo . Una explicación alternativa común fue que los desplazamientos al rojo fueron causados ​​por una masa extrema ( desplazamiento al rojo gravitacional explicado por la relatividad general ) y no por una velocidad extrema (explicado por la relatividad especial ).

Se propusieron varias explicaciones durante las décadas de 1960 y 1970, cada una con sus propios problemas. Se sugirió que los quásares eran objetos cercanos y que su desplazamiento al rojo no se debía a la expansión del espacio (relatividad especial) sino a que la luz escapaba de un pozo gravitacional profundo (relatividad general). Esto requeriría un objeto masivo, lo que también explicaría las altas luminosidades. Sin embargo, una estrella de masa suficiente para producir el corrimiento al rojo medido sería inestable y excedería el límite de Hayashi . [27] Los cuásares también muestran líneas de emisión espectral prohibidas , que antes solo se veían en nebulosas gaseosas calientes de baja densidad, que serían demasiado difusas para generar la energía observada y encajar dentro de un pozo gravitacional profundo. [28] También hubo serias preocupaciones con respecto a la idea de cuásares cosmológicamente distantes. Un fuerte argumento en contra de ellos fue que implicaban energías que estaban muy por encima de los procesos de conversión de energía conocidos, incluida la fusión nuclear . Se sugirió que los quásares estaban hechos de alguna forma desconocida hasta ahora de regiones estables de antimateria y que esto podría explicar su brillo. [29] Otros especularon que los quásares eran un agujero blanco al final de un agujero de gusano , [30] [31] o una reacción en cadena de numerosas supernovas . [32]

Finalmente, a partir de la década de 1970, muchas líneas de evidencia (incluidos los primeros observatorios espaciales de rayos X , el conocimiento de los agujeros negros y los modelos modernos de cosmología ) demostraron gradualmente que los desplazamientos al rojo de los cuásares son genuinos y, debido a la expansión del espacio , los quásares son de hecho tan poderosos y distantes como habían sugerido Schmidt y algunos otros astrónomos, y que su fuente de energía es la materia de un disco de acreción que cae sobre un agujero negro supermasivo. [33] Esto incluyó pruebas cruciales de visión óptica y de rayos X de las galaxias anfitrionas Quasar, la búsqueda de "intervinientes" líneas de absorción, lo que explica diversas anomalías espectrales, observaciones de lente gravitacional , Peterson y de Gunn 1971 hallazgo [ citación necesaria ] que las galaxias que contiene los quásares mostraron el mismo corrimiento al rojo que los quásares, y el hallazgo de Kristian en 1973 [ cita requerida ] de que el entorno "difuso" de muchos quásares era consistente con una galaxia anfitriona menos luminosa.

Este modelo también encaja bien con otras observaciones que sugieren que muchas o incluso la mayoría de las galaxias tienen un agujero negro central masivo. También explicaría por qué los cuásares son más comunes en el universo primitivo: cuando un cuásar extrae materia de su disco de acreción, llega un punto en el que hay menos materia cerca y la producción de energía disminuye o cesa, a medida que el cuásar se vuelve más común. tipo de galaxia.

El mecanismo de producción de energía del disco de acreción finalmente se modeló en la década de 1970, y los agujeros negros también se detectaron directamente (incluida la evidencia que muestra que se pueden encontrar agujeros negros supermasivos en los centros de nuestra galaxias y en muchas otras), lo que resolvió la preocupación de que los quásares eran demasiado luminosos para ser el resultado de objetos muy distantes o que no se podía confirmar la existencia de un mecanismo adecuado en la naturaleza. En 1987 estaba "bien aceptado" que esta era la explicación correcta para los cuásares, [34] y casi todos los investigadores aceptaron la distancia cosmológica y la producción de energía de los cuásares.

Observaciones modernas (década de 1970 en adelante)

Un espejismo cósmico conocido como la Cruz de Einstein . Cuatro imágenes aparentes son en realidad del mismo quásar.
Nube de gas alrededor del distante cuásar SDSS J102009.99 + 104002.7, tomada por MUSE [35]

Más tarde se descubrió que no todos los quásares tienen una fuerte emisión de radio; de hecho, sólo alrededor del 10% son "radio-ruidosos". Por lo tanto, el nombre "QSO" (objeto cuasi-estelar) se utiliza (además de "quasar") para referirse a estos objetos, categorizados en las clases "radio-ruidoso" y "radio silencioso". El descubrimiento del cuásar tuvo grandes implicaciones para el campo de la astronomía en la década de 1960, incluido el acercamiento de la física y la astronomía. [36]

En 1979, la lente gravitacional efecto predicho por Albert Einstein 's teoría general de la relatividad se confirmó mediante observación por primera vez con imágenes del doble quásar 0957 + 561. [37]

Un estudio publicado en febrero de 2021 mostró que hay más cuásares en una dirección (hacia Hydra ) que en la dirección opuesta, lo que aparentemente indica que nos estamos moviendo en esa dirección. Pero la dirección de este dipolo está a unos 28 ° de la dirección de nuestro movimiento en relación con la radiación cósmica de fondo de microondas. [38]

En marzo de 2021, una colaboración de científicos, relacionada con el Event Horizon Telescope , presentó, por primera vez, una imagen polarizada de un agujero negro , particularmente el agujero negro en el centro de Messier 87 , una galaxia elíptica de aproximadamente 55 millones de años luz de distancia en la constelación de Virgo , revelando las fuerzas que dan lugar a los quásares. [39]

Ahora se sabe que los quásares son objetos distantes pero extremadamente luminosos, por lo que cualquier luz que llega a la Tierra se desplaza al rojo debido a la expansión métrica del espacio . [40]

Los quásares habitan los centros de las galaxias activas y se encuentran entre los objetos más luminosos, poderosos y energéticos conocidos en el universo, emitiendo hasta mil veces la producción de energía de la Vía Láctea , que contiene entre 200 y 400 mil millones de estrellas. Esta radiación se emite a través del espectro electromagnético, casi de manera uniforme, desde los rayos X hasta el infrarrojo lejano con un pico en las bandas ópticas ultravioleta, siendo algunos quásares también fuertes fuentes de emisión de radio y de rayos gamma. Con imágenes de alta resolución de telescopios terrestres y el telescopio espacial Hubble , en algunos casos se han detectado las "galaxias anfitrionas" que rodean a los quásares. [41] Estas galaxias son normalmente demasiado tenues para ser vistas contra el resplandor del quásar, excepto con técnicas especiales. La mayoría de los quásares, con la excepción del 3C 273 , cuya magnitud aparente promedio es de 12,9, no se pueden ver con telescopios pequeños.

Se cree, y en muchos casos se confirma, que los cuásares funcionan mediante la acumulación de material en agujeros negros supermasivos en los núcleos de galaxias distantes, como sugirieron en 1964 Edwin Salpeter y Yakov Zel'dovich . [18] La luz y otras radiaciones no pueden escapar del horizonte de sucesos de un agujero negro. La energía producida por un cuásar se genera fuera del agujero negro, por tensiones gravitacionales y una inmensa fricción dentro del material más cercano al agujero negro, mientras orbita y cae hacia adentro. [34] La enorme luminosidad de los quásares resulta de los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos centrales, que pueden convertir entre el 6% y el 32% de la masa de un objeto en energía , [42] en comparación con solo el 0,7% para el p – p proceso de fusión nuclear en cadena que domina la producción de energía en estrellas similares al Sol. Las masas centrales de 10 5 a 10 9 masas solares se han medido en cuásares mediante el uso de mapas de reverberación . Se confirma que varias docenas de grandes galaxias cercanas, incluida nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , que no tienen un centro activo y no muestran ninguna actividad similar a un cuásar, contienen un agujero negro supermasivo similar en sus núcleos (centro galáctico) . Por lo tanto, ahora se piensa que todas las galaxias grandes tienen un agujero negro de este tipo, pero solo una pequeña fracción tiene suficiente materia en el tipo correcto de órbita en su centro para activarse y generar radiación de tal manera que se las considere cuásares. . [43]

Esto también explica por qué los cuásares eran más comunes en el universo temprano, ya que esta producción de energía termina cuando el agujero negro supermasivo consume todo el gas y el polvo cerca de él. Esto significa que es posible que la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, hayan pasado por una etapa activa, apareciendo como un cuásar o alguna otra clase de galaxia activa que dependía de la masa del agujero negro y la tasa de acreción, y ahora están inactivas. porque carecen de un suministro de materia para alimentar sus agujeros negros centrales para generar radiación. [43]

Cuásares en galaxias que interactúan [44]

Es poco probable que la materia que se acumula en el agujero negro caiga directamente, pero tendrá un momento angular alrededor del agujero negro, lo que hará que la materia se acumule en un disco de acreción . Los quásares también pueden encenderse o volver a encenderse cuando las galaxias normales se fusionan y el agujero negro recibe una nueva fuente de materia. De hecho, se ha sugerido que podría formarse un cuásar cuando la galaxia de Andrómeda choca con nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, en aproximadamente 3 a 5 mil millones de años. [34] [45] [46]

En la década de 1980, se desarrollaron modelos unificados en los que los cuásares se clasificaron como un tipo particular de galaxia activa , y surgió el consenso de que en muchos casos es simplemente el ángulo de visión lo que los distingue de otras galaxias activas, como blazares y radiogalaxias . [47]

El quásar de desplazamiento al rojo más alto conocido (a diciembre de 2017) fue ULAS J1342 + 0928 , con un corrimiento al rojo de 7,54, [48] que corresponde a una distancia comovándose de aproximadamente 29,36 mil millones de años luz de la Tierra (estas distancias son mucho mayores que la distancia que la luz podría viajar en los 13,8 mil millones de años de historia del universo porque el espacio mismo también se ha ido expandiendo ).

Halos brillantes alrededor de 18 quásares distantes [49]
La imagen de rayos X de Chandra es del quásar PKS 1127-145, una fuente muy luminosa de rayos X y luz visible a unos 10 mil millones de años luz de la Tierra. Un enorme chorro de rayos X se extiende al menos un millón de años luz desde el quásar. La imagen es de 60 segundos de arco por lado. RA 11h 30m 7.10s Dec −14 ° 49 '27 "en el cráter. Fecha de observación: 28 de mayo de 2000. Instrumento: ACIS.

Más que Se han encontrado 750 000 cuásares (a agosto de 2020), [50] la mayoría en el Sloan Digital Sky Survey . Todos los espectros de cuásares observados tienen corrimientos al rojo entre 0,056 y 7,64 (a partir de 2021). Aplicando la ley de Hubble a estos desplazamientos al rojo, se puede demostrar que se encuentran entre 600 millones [51] y 29,36 mil millones de años luz de distancia (en términos de distancia comoviva ). Debido a las grandes distancias a los cuásares más lejanos y a la velocidad finita de la luz, ellos y el espacio circundante aparecen como existían en el universo primitivo.

El poder de los cuásares se origina en agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el núcleo de la mayoría de las galaxias. Los cambios Doppler de las estrellas cercanas a los núcleos de las galaxias indican que están girando alrededor de masas tremendas con gradientes de gravedad muy pronunciados, lo que sugiere agujeros negros.

Aunque los quásares parecen débiles cuando se ven desde la Tierra, son visibles desde distancias extremas, siendo los objetos más luminosos del universo conocido. El cuásar más brillante del cielo es 3C 273 en la constelación de Virgo . Tiene una magnitud aparente promedio de 12,8 (lo suficientemente brillante como para ser visto a través de un telescopio aficionado de tamaño mediano ), pero tiene una magnitud absoluta de -26,7. [52] Desde una distancia de unos 33 años luz, este objeto brillaría en el cielo con tanta intensidad como nuestro Sol . La luminosidad de este cuásar es, por lo tanto, aproximadamente 4 billones (4 × 10 12 ) de veces la del Sol, o aproximadamente 100 veces la de la luz total de galaxias gigantes como la Vía Láctea . [52] Esto supone que el cuásar está irradiando energía en todas direcciones, pero se cree que el núcleo galáctico activo irradia preferentemente en la dirección de su chorro. En un universo que contiene cientos de miles de millones de galaxias, la mayoría de las cuales tenían núcleos activos hace miles de millones de años pero solo se ven hoy, es estadísticamente cierto que miles de chorros de energía deberían apuntar hacia la Tierra, algunos más directamente que otros. En muchos casos, es probable que cuanto más brillante sea el quásar, más directamente apunte su chorro a la Tierra. Estos quásares se denominan blazares .

Cuando se descubrió en 1998, el cuásar hiperluminoso APM 08279 + 5255 tenía una magnitud absoluta de -32,2. Imágenes de alta resolución con el telescopio espacial Hubble y el telescopio Keck de 10 m revelaron que este sistema tiene lentes gravitacionales . Un estudio de la lente gravitacional de este sistema sugiere que la luz emitida se ha magnificado en un factor de ~ 10. Todavía es sustancialmente más luminoso que los cuásares cercanos, como el 3C 273.

Los cuásares eran mucho más comunes en el universo temprano que en la actualidad. Este descubrimiento de Maarten Schmidt en 1967 fue una fuerte evidencia temprana en contra de la cosmología del estado estacionario y a favor de la cosmología del Big Bang . Los quásares muestran las ubicaciones donde los agujeros negros masivos están creciendo rápidamente (por acreción ). Estos agujeros negros crecen al ritmo de la masa de estrellas en su galaxia anfitriona de una manera que no se comprende en la actualidad. Una idea es que los chorros, la radiación y los vientos creados por los cuásares detienen la formación de nuevas estrellas en la galaxia anfitriona, un proceso llamado "retroalimentación". Se sabe que los chorros que producen una fuerte emisión de radio en algunos quásares en los centros de los cúmulos de galaxias tienen suficiente poder para evitar que el gas caliente de esos cúmulos se enfríe y caiga sobre la galaxia central.

Las luminosidades de los quásares son variables, con escalas de tiempo que van desde meses a horas. Esto significa que los quásares generan y emiten su energía desde una región muy pequeña, ya que cada parte del quásar tendría que estar en contacto con otras partes en una escala de tiempo tal que permita la coordinación de las variaciones de luminosidad. Esto significaría que un cuásar que varía en una escala de tiempo de unas pocas semanas no puede tener más de unas pocas semanas luz de diámetro. La emisión de grandes cantidades de energía de una región pequeña requiere una fuente de energía mucho más eficiente que la fusión nuclear que alimenta las estrellas. La conversión de energía potencial gravitacional en radiación al caer en un agujero negro convierte entre el 6% y el 32% de la masa en energía, en comparación con el 0,7% de la conversión de masa en energía en una estrella como nuestro Sol. [42] Es el único proceso conocido que puede producir una potencia tan alta a muy largo plazo. (Las explosiones estelares, como las supernovas y los estallidos de rayos gamma , y la aniquilación de materia directa - antimateria , también pueden producir una producción de energía muy alta, pero las supernovas solo duran días, y el universo no parece haber tenido grandes cantidades de antimateria en los niveles relevantes. veces.)

Cuásar con lente gravitacional HE 1104-1805 [53]
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La animación muestra las alineaciones entre los ejes de giro de los cuásares y las estructuras a gran escala que habitan.

Dado que los cuásares exhiben todas las propiedades comunes a otras galaxias activas como las galaxias Seyfert , la emisión de los cuásares se puede comparar fácilmente con las de las galaxias activas más pequeñas alimentadas por agujeros negros supermasivos más pequeños. Para crear una luminosidad de 10 40  vatios (el brillo típico de un quásar), un agujero negro supermasivo tendría que consumir el material equivalente a 10 estrellas por año. Los cuásares conocidos más brillantes devoran 1000 masas solares de material cada año. Se estima que el más grande conocido consume materia equivalente a 10 Tierras por segundo. Las luminosidades de los cuásares pueden variar considerablemente con el tiempo, dependiendo de su entorno. Dado que es difícil alimentar cuásares durante muchos miles de millones de años, después de que un cuásar termina de acumular el gas y el polvo circundante, se convierte en una galaxia ordinaria.

La radiación de los cuásares es parcialmente "no térmica" (es decir, no se debe a la radiación del cuerpo negro ), y se observa que aproximadamente el 10% también tiene chorros y lóbulos como los de las radiogalaxias que también transportan cantidades significativas (pero poco conocidas) de energía en la forma de partículas que se mueven a velocidades relativistas . Las energías extremadamente altas pueden explicarse por varios mecanismos (ver Aceleración de Fermi y Mecanismo de aceleración centrífugo ). Los cuásares se pueden detectar en todo el espectro electromagnético observable , incluidos los de radio , infrarrojos , luz visible , ultravioleta , rayos X e incluso rayos gamma . La mayoría de los cuásares son más brillantes en su longitud de onda ultravioleta de marco de reposo de 121,6  nm de línea de emisión Lyman-alfa de hidrógeno, pero debido a los tremendos corrimientos al rojo de estas fuentes, ese pico de luminosidad se ha observado hasta el rojo hasta 900,0 nm, en el cercano infrarrojo. Una minoría de cuásares muestra una fuerte emisión de radio, que es generada por chorros de materia que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Cuando se ven hacia abajo, estos aparecen como blazares y, a menudo, tienen regiones que parecen alejarse del centro más rápido que la velocidad de la luz ( expansión superluminal ). Esta es una ilusión óptica debido a las propiedades de la relatividad especial .

Los desplazamientos al rojo de los cuásares se miden a partir de las fuertes líneas espectrales que dominan sus espectros de emisión visible y ultravioleta. Estas líneas son más brillantes que el espectro continuo. Presentan un ensanchamiento Doppler correspondiente a una velocidad media de varios por ciento de la velocidad de la luz. Los movimientos rápidos indican fuertemente una gran masa. Las líneas de emisión de hidrógeno (principalmente de las series Lyman y Balmer ), helio, carbono, magnesio, hierro y oxígeno son las líneas más brillantes. Los átomos que emiten estas líneas varían de neutros a altamente ionizados, dejándolos altamente cargados. Este amplio rango de ionización muestra que el gas es altamente irradiado por el cuásar, no solo caliente, y no por las estrellas, que no pueden producir un rango tan amplio de ionización.

Como todas las galaxias activas (no oscuras), los cuásares pueden ser fuentes de rayos X potentes. Los cuásares radio-ruidosos también pueden producir rayos X y rayos gamma mediante la dispersión inversa de Compton de fotones de menor energía por los electrones emisores de radio en el chorro. [54]

Los cuásares de hierro muestran fuertes líneas de emisión resultantes del hierro de baja ionización (Fe  II ), como el IRAS 18508-7815.

Líneas espectrales, reionización y el universo temprano

Esta vista, tomada con luz infrarroja, es una imagen en falso color de un tándem de quasar-starburst con el starburst más luminoso jamás visto en tal combinación.
Espectro del cuásar HE 0940-1050 después de haber viajado a través del medio intergaláctico

Los quásares también proporcionar algunas pistas sobre el final del Big Bang 's reionización . Los cuásares más antiguos conocidos ( z  = 6) [ necesita actualización ] muestran un valle Gunn-Peterson y tienen regiones de absorción frente a ellos, lo que indica que el medio intergaláctico en ese momento era gas neutro . Los cuásares más recientes no muestran una región de absorción, sino que sus espectros contienen un área puntiaguda conocida como bosque Lyman-alfa ; esto indica que el medio intergaláctico se ha reionizado en plasma y que el gas neutro existe solo en nubes pequeñas.

La intensa producción de radiación ultravioleta ionizante también es significativa, ya que proporcionaría un mecanismo para que se produzca la reionización a medida que se forman las galaxias. A pesar de esto, las teorías actuales sugieren que los cuásares no fueron la principal fuente de reionización; las causas principales de la reionización fueron probablemente las primeras generaciones de estrellas , conocidas como estrellas de Población III (posiblemente el 70%), y las galaxias enanas (pequeñas galaxias muy tempranas de alta energía) (posiblemente el 30%). [55] [56] [57] [58] [59] [60]

Los quásares muestran evidencia de elementos más pesados ​​que el helio , lo que indica que las galaxias experimentaron una fase masiva de formación estelar , creando estrellas de población III entre el momento del Big Bang y los primeros cuásares observados. La luz de estas estrellas pueden haber sido observado en 2005 usando la NASA 's telescopio espacial Spitzer , [61] aunque esto sigue siendo de observación para confirmar.

La taxonomía de los cuásares incluye varios subtipos que representan subconjuntos de la población de cuásares que tienen propiedades distintas.

  • Los cuásares radio-ruidosos son quásares con chorros de gran alcance que son fuertes fuentes de emisión de longitud de onda de radio. Estos representan aproximadamente el 10% de la población total de cuásares. [62]
  • Los cuásares radio silenciosos son aquellos cuásares que carecen de chorros potentes, con una emisión de radio relativamente más débil que la población radioactiva. La mayoría de los quásares (alrededor del 90%) son silenciosos a la radio. [62]
  • Los cuásares de línea de absorción amplia (BAL) son cuásares cuyos espectros exhiben líneas de absorción amplias que se desplazan hacia el azul en relación con el marco de reposo del cuásar, como resultado del flujo de gas hacia afuera desde el núcleo activo en la dirección hacia el observador. Las líneas de absorción amplias se encuentran en aproximadamente el 10% de los quásares, y los quásares BAL suelen ser silenciosos a la radio. [62] En los espectros ultravioleta del marco de reposo de los cuásares BAL, se pueden detectar amplias líneas de absorción de carbono ionizado, magnesio, silicio, nitrógeno y otros elementos.
  • Los cuásares de tipo 2 (o de tipo II) son cuásares en los que el disco de acreción y las líneas de emisión anchas están muy oscurecidas por el gas y el polvo densos . Son contrapartes de mayor luminosidad de las galaxias Seyfert de Tipo 2. [63]
  • Los quásares rojos son quásares con colores ópticos más rojos que los cuásares normales, y se cree que son el resultado de niveles moderados de extinción de polvo dentro de la galaxia anfitriona del cuásar. Los estudios infrarrojos han demostrado que los cuásares rojos constituyen una fracción sustancial de la población total de cuásares. [64]
  • Los cuásares ópticamente violentos (OVV) son cuásares de volumen radioeléctrico en los que el chorro se dirige hacia el observador. El haz relativista de la emisión del chorro da como resultado una fuerte y rápida variabilidad del brillo del cuásar. Los cuásares OVV también se consideran un tipo de blazar .
  • Los cuásares de líneas de emisión débiles son quásares que tienen líneas de emisión inusualmente débiles en el espectro ultravioleta / visible. [sesenta y cinco]

La radiación energética del cuásar hace que las galaxias oscuras brillen, lo que ayuda a los astrónomos a comprender las oscuras etapas iniciales de la formación de las galaxias. [66]

Debido a que los cuásares son extremadamente distantes, brillantes y de tamaño aparente pequeño, son puntos de referencia útiles para establecer una cuadrícula de medición en el cielo. [67] El Sistema Internacional de Referencia Celeste (ICRS) se basa en cientos de fuentes de radio extragalácticas, en su mayoría quásares, distribuidas por todo el cielo. Debido a que están tan distantes, aparentemente son estacionarios para nuestra tecnología actual, sin embargo, sus posiciones se pueden medir con la máxima precisión mediante interferometría de línea de base muy larga (VLBI). Las posiciones de la mayoría se conocen a 0.001 segundos de arco o más, que es órdenes de magnitud más precisas que las mejores mediciones ópticas.

Una agrupación de dos o más cuásares en el cielo puede resultar de una alineación casual, donde los quásares no están asociados físicamente, de la proximidad física real, o de los efectos de la gravedad que dobla la luz de un solo cuásar en dos o más imágenes por gravedad. lente .

Cuando dos cuásares parecen estar muy cerca el uno del otro como se ve desde la Tierra (separados por unos pocos segundos de arco o menos), comúnmente se les conoce como un "doble cuásar". Cuando los dos también están juntos en el espacio (es decir, se observa que tienen desplazamientos al rojo similares), se denominan "par de cuásar" o "cuásar binario" si están lo suficientemente cerca como para que sus galaxias anfitrionas interactúen físicamente. [68]

Como los cuásares son objetos raros en general en el universo, la probabilidad de que se encuentren tres o más cuásares separados cerca de la misma ubicación física es muy baja, y determinar si el sistema está muy separado físicamente requiere un esfuerzo de observación significativo. El primer cuásar triple verdadero se encontró en 2007 mediante observaciones en el Observatorio WM Keck Mauna Kea , Hawaii . [69] LBQS 1429-008 (o QQQ J1432-0106) se observó por primera vez en 1989 y en ese momento se descubrió que era un cuásar doble. Cuando los astrónomos descubrieron el tercer miembro, confirmaron que las fuentes estaban separadas y no eran el resultado de lentes gravitacionales. Este triple cuásar tiene un corrimiento al rojo de z = 2.076. [70] Los componentes están separados por un estimado de 30 a 50 kpc, que es típico de las galaxias que interactúan. [71] En 2013, se encontró el segundo verdadero triplete de cuásares, QQQ J1519 + 0627, con un corrimiento al rojo z = 1,51, todo el sistema encajando dentro de una separación física de 25 kpc. [72] [73]

El primer sistema de cuásar cuádruple verdadero se descubrió en 2015 con un corrimiento al rojo z  = 2.0412 y tiene una escala física general de aproximadamente 200 kpc. [74]

Un cuásar de imágenes múltiples es un cuásar cuya luz se somete a lentes gravitacionales , lo que da como resultado imágenes dobles, triples o cuádruples del mismo cuásar. La primera lente gravitacional de este tipo que se descubrió fue el quásar de doble imagen Q0957 + 561 (o Twin Quasar) en 1979. [75] Un ejemplo de un cuásar de triple lente es PG1115 + 08. [76] Se conocen varios quásares de imagen cuádruple, incluida la Cruz de Einstein y el Cuásar de hoja de trébol , y los primeros descubrimientos de este tipo ocurrieron a mediados de la década de 1980.

  • Ilustración de cuásares dobles en galaxias fusionadas [77]

  • Estas dos imágenes del Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA revelan dos pares de cuásares que existieron hace 10 mil millones de años y residen en el corazón de las galaxias fusionadas. [78]

  • Formación y evolución de galaxias
  • Gran grupo de cuásares
  • Lista de quásares
  • Microcuásar

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  • 3C 273: Estrella variable de la temporada
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  • Black Holes: Relentless Pull, galardonado con el premio Gravity's Relentless Pull , el sitio web multimedia interactivo sobre la física y la astronomía de los agujeros negros del Space Telescope Science Institute
  • Audio: Fraser Cain / Pamela L. Gay - Elenco de astronomía. Cuásares - julio de 2008
  • Merrifield, Michael; Copland, Ed. "z ~ 1.3 - Una estructura increíblemente grande [en el Universo]" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .