Κβάζαρς – Τα κοσμικά τέρατα του Σύμπαντος. Quasars - The cosmic monsters of the Universe

Artist’s impression of a quasar like 3C 273; a super-massive black hole in the centre is being fed by a disc of gas and dust, producing collimated jets of ejected material moving at nearly the speed of light. Illustration credit: © Wolfgang Steffen, Institute for Astronomy, UNAM, Mexico.

Το 1959, μια ομάδα Βρετανών αστρονόμων δημοσίευσε τον τρίτο κατάλογο του Cambridge (Third Cambridge Catalog ή 3C εν συντομία), ο οποίος περιείχε εκατοντάδες καινούργιες λαμπρές ραδιοπηγές που ήταν ορατές από το Βόρειο Ημισφαίριο. Οι περισσότερες από αυτές τις πηγές ήταν ελλειπτικοί γαλαξίες σε αποστάσεις μέχρι περίπου τα τρία δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Η ανακάλυψη των Κβάζαρς

Chandra X-Ray Observatory image of quasar 3C273. Its extremely powerful jet probably originates from gas that is falling toward a supermassive black hole. Today, this quasar is known to lie at the center of a giant elliptical galaxy. Image via Chandra.

Φεβρουάριος 1963. Ο αστρονόμος Maarten Schmidt λύνει το αίνιγμα της μυστηριώδους αστροφυσικής πηγής 3C273 που είχε πρόσφατα παρατηρηθεί στα ραδιοκύματα. Τη δεκαετία του 1950, μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, η ραδιοαστρονομία ανθούσε. Και ο λόγος που συνέβαινε αυτό είχε να κάνει εν μέρει με το τραγικό γεγονός του πολέμου αυτό καθεαυτό. Οι ραδιοαντένες Würzburg χρησιμοποιήθηκαν εκτενώς από τον γερμανικό στρατό για τη στόχευση πυροβόλων όπλων. Άρχισαν να κατασκευάζονται το 1940 και μέσα σε λίγα χρόνια σχεδόν 4.000 τέτοιες αντένες είχαν παραχθεί. Μετά το τέλος του πολέμου πολλά από αυτά τα ράδιο ραντάρ επανατοποθετήθηκαν για αστρονομικές παρατηρήσεις, όπως για παράδειγμα στο Kootwijk της Ολλανδίας και στο εργαστήριο Cavendish του πανεπιστημίου του Cambridge, όπου χρησιμοποιήθηκαν για την απεικόνιση των σπειρών του Γαλαξία μας και την παρατήρηση των ηλιακών κηλίδων. Η ανακάλυψη νέων αστροφυσικών πηγών στα ραδιοκύματα εξελισσόταν ραγδαία, δίνοντας ισχυρή ώθηση στον τομέα της Ράδιοαστρονομίας.

Το 1959, μια ομάδα Βρετανών αστρονόμων δημοσίευσε τον τρίτο κατάλογο του Cambridge (Third Cambridge Catalog ή 3C εν συντομία), ο οποίος περιείχε εκατοντάδες καινούργιες λαμπρές ραδιοπηγές που ήταν ορατές από το Βόρειο Ημισφαίριο. Οι περισσότερες από αυτές τις πηγές ήταν ελλειπτικοί γαλαξίες σε αποστάσεις μέχρι περίπου τα τρία δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η εικόνα τους μοιάζει με διάχυτες, φωτεινές “μουτζούρες” (σε αντίθεση με τα άστρα, τα οποία εμφανίζονται σαν σημεία λόγω του πολύ μικρότερου μεγέθους τους). Μία από αυτές τις πηγές ήταν και η 3C273, η οποία είχε αρχίσει να προβληματίζει έντονα τις ομάδες των αστρονόμων. Έμοιαζε περισσότερο με άστρο καθότι εμφανιζόταν σημειακή, το φάσμα της όμως δεν θύμιζε καθόλου τα τυπικά φάσματα των άστρων.

Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν κατά κόρον τα φάσματα των παρατηρούμενων πηγών για να μάθουν τη χημική τους σύσταση, τη θερμοκρασία τους, την ταχύτητα με την οποία κινούνται και εν γένει τις φυσικές διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για την εκπομπή του φωτός. Το φάσμα είναι ουσιαστικά η ανάλυση του φωτός στα διάφορα μήκη κύματος και είναι αντιπροσωπευτικό του είδους του αστροφυσικού αντικειμένου. Τα φάσματα των άστρων, για παράδειγμα, μοιάζουν όλα μεταξύ τους κι έχουν κοινές ιδιότητες, όπως συμβαίνει και με τα φάσματα διάφορων άλλων πηγών, των πάλσαρς, των λευκών νάνων, των γαλαξιών και ούτω κάθε εξής. Παράλληλα, κάθε χημικό στοιχείο αφήνει το “αποτύπωμά” του πάνω στο φάσμα, τις λεγόμενες φασματικές γραμμές οι οποίες εμφανίζονται σε πολύ συγκεκριμένες θέσεις, ανάλογα με το αν προέρχονται από υδρογόνο, ήλιο κ.τ.λ., δίνοντάς μας έτσι τη δυνατότητα να μάθουμε ποια χημικά στοιχεία ακριβώς υπάρχουν σε κάθε παρατηρούμενη πηγή.

Η -μέχρι τότε- μυστηριώδης πηγή 3C273 παρουσίαζε ιδιαίτερα έντονη εκπομπή στα ραδιοκύματα, αρκετά μεγαλύτερη από αυτή που αναμένεται από ένα άστρο. Το πιο αινιγματικό όμως δεδομένο ήταν οι φασματικές της γραμμές, οι οποίες δεν μπορούσαν να ταυτοποιηθούν με κανένα γνωστό χημικό στοιχείο! Αργότερα ανακαλύφθηκαν κι άλλες τέτοιες παρόμοιες πηγές, πραγματικές ντίβες του ουρανού, των οποίων τα φάσματα δεν μπορούσαν να αποκρυπτογραφηθούν και, ακόμα χειρότερα, δεν μπορούσαν να συνδυαστούν καν μεταξύ τους. Καθεμία ήταν διαφορετική, μοναδική.

Ονομάστηκαν Κβάζαρς (Quasars), δηλαδή Quasi-stellar-radio-sources ή “σχεδόν αστρικές ραδιοπηγές”.

Η λύση στο αίνιγμα των Κβάζαρς

Maarten Schmidt is a Dutch astronomer who, in 1963, recognized that quasars are located in the very distant universe, and therefore must be extremely powerful energy sources.

Ήταν ο αστρονόμος Maarten Scmidt που έδωσε τη λύση στο αίνιγμα. Συνειδητοποίησε ότι οι περίεργες φασματικές γραμμές που έβλεπε δεν ήταν από κάποιο καινούργιο, εξωτικό χημικό στοιχείο, αλλά από το γνωστό μας υδρογόνο, απλώς ήταν πάρα πολύ μετατοπισμένες πάνω στο φάσμα. Εν γένει, η θέση των φασματικών γραμμών είναι μεν συγκεκριμένη ανάλογα με το χημικό στοιχείο, μπορούν όμως να εμφανίζονται ελαφριά μετατοπισμένες αν η αστροφυσική πηγή κινείται με μεγάλες ταχύτητες μακριά από εμάς και κατά συνέπεια βρίσκεται σε πολύ μεγάλη απόσταση από τον παρατηρητή. Στην περίπτωση του 3C273, η μετατόπιση ήταν ακραία, υποδεικνύοντας μια απόσταση της τάξης των 3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά από το ηλιακό μας σύστημα! Οι Κβάζαρς ήταν τα πιο απομακρυσμένα αντικείμενα που είχαν ποτέ παρατηρηθεί.

Light from the most distant quasar yet seen reveals details about the chemistry of the early universe. Credit: ESO/M. Kornmesser

Φυσικά, στην Αστροφυσική, όπως και σε κάθε άλλη επιστήμη, μία απάντηση συνήθως εγείρει πολλαπλά καινούργια ερωτήματα. Και στην περίπτωση των Κβάζαρς αυτά ήταν αρκετά και αποτελούσαν ισχυρή πρόκληση για τις υπάρχουσες θεωρείς. Για να βρίσκεται ο 3C273 τόσο μακριά κι όμως να είναι ορατός από τη Γη, σήμαινε ότι παρήγαγε τεράστια ποσά λαμπρότητας. Για την ακρίβεια, έπρεπε να εκπέμπει φως όσο 2 τρισεκατομμύρια άστρα σαν τον Ήλιο, ξεπερνώντας ακόμα και τη λαμπρότητα ολόκληρου του Γαλαξία μας κατά εκατοντάδες φορές. Κι επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη και κατά συνέπεια όσο πιο μακριά κοιτάμε τόσο πιο πίσω στον χρόνο κοιτάμε, αυτοί οι κοσμικοί “φάροι” προσέφεραν μια εντυπωσιακή ματιά στο πολύ πρώιμο σύμπαν – κι έτσι, ένα παράθυρο στην εξέλιξή του.

Η ανακάλυψη των Κβάζαρς αποτέλεσε την πρώτη ισχυρή αμφισβήτηση της θεωρίας του Στατικού Σύμπαντος του Fred Hoyle. Κατά τον Hoyle, το Σύμπαν υπήρχε πάντα και θα υπάρχει για πάντα με την ίδια μορφή. Παρόλο που διαστέλλεται, η πυκνότητά του δεν αλλάζει, καθώς καινούργια ύλη δημιουργείται διαρκώς και νέοι γαλαξίες αντικαθιστούν τους παλιούς. Οι Κβάζαρς όμως παρατηρούνταν σε μεγάλες αποστάσεις και άρα στο μακρινό παρελθόν, αλλά όχι στην εποχή μας.  Για την ακρίβεια, όταν ακολούθησαν και άλλες ανακαλύψεις παρόμοιων αντικειμένων έγινε φανερό ότι οι Κβάζαρς ήταν τουλάχιστον κατά 100 φορές πιο πολλοί στο παρελθόν από ό,τι τώρα. Εν ολίγοις, οι Κβάζαρς έδειξαν ότι το Σύμπαν αλλάζει. Η ανακάλυψή τους αποτέλεσε πρόβλημα για τη θεωρία του Hoyle, ενισχύοντας έτσι την κοσμολογία τής Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) που πιστεύουμε σήμερα ότι ισχύει για την εξέλιξη του Σύμπαντος. Δεν θα ήταν υπερβολή να πούμε ότι οι Κβάζαρς, πέρα από τα αστροφυσικά ερωτήματα που έθεσαν, επηρέασαν τον τρόπο που σκεφτόμαστε το Σύμπαν ολόκληρο.

Δεν ήταν όμως μόνο οι τεράστιες αποστάσεις των Κβάζαρς που εντυπωσίαζαν τους αστρονόμους της εποχής. Αυτά τα κοσμικά “τέρατα” παρήγαν λαμπρότητα 100 φορές μεγαλύτερη από τους συνήθεις γαλαξίες, όμως όλη αυτή η λαμπρότητα φαινόταν να εκπέμπεται από μια πολύ μικρή περιοχή της τάξης του 1 έτους φωτός, υπερβολικά μικρή αν τη συγκρίνουμε με τις διαστάσεις του Γαλαξία μας που είναι περίπου 100 χιλιάδες έτη φωτός*. Ποιος μηχανισμός θα μπορούσε να παράγει αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας από μια τόσο συμπαγή περιοχή; Ενέργεια εκατονταπλάσια από αυτή ολόκληρου του Γαλαξία, προερχόμενη από μια περιοχή κατά 100 χιλιάδες φορές μικρότερη του Γαλαξία μας. Οι Κβάζαρς έδωσαν τις πρώτες ενδείξεις ότι ζούμε σε έναν κόσμο βίαιων και εκρηκτικών φαινομένων, ακραίων θερμοκρασιών και λαμπροτήτων.

Έκτοτε, πολλοί Κβάζαρς έχουν ανακαλυφθεί, ακόμα πιο λαμπροί από τον 3C273, με ποικίλες ιδιότητες και χαρακτηριστικά, παίρνοντας έτσι και διαφορετικά ονόματα όπως Blazars, BL Lacs, Seyferts κ.ά. Στο σύνολό τους ονομάστηκαν Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες, μια ονομασία που έχει να κάνει με τη φυσική εξήγηση αυτών των αστροφυσικών αντικειμένων.

Ο φυσικός μηχανισμός των Κβάζαρς- Η δύναμη των Μελανών Οπών

This is an artist's impression of a quasar with a supermassive black hole in the distant universe. Credit: Zhaoyu Li/NASA/JPL-Caltech/Misti Mountain Observatory

Λίγα χρόνια αργότερα, οι πρώτες προσεγγίσεις για την ερμηνεία αυτών των αντικειμένων άρχισαν να αναπτύσσονται. Ο Donald Lynden-Bell, ένας πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής του Maarten Schmidt, έδειξε ότι οι Κβάζαρς δεν ήταν άστρα, όπως θεωρούταν αρχικά, αλλά ασυνήθιστοι Γαλαξίες των οποίων η κεντρική περιοχή ήταν εξαιρετικά λαμπρή και βίαιη (εξ ου και το όνομα Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες). Οι Γαλαξίες αυτοί διέφεραν σημαντικά από τον δικό μας διότι το φως που παράγει η κεντρική τους περιοχή είναι τόσο έντονο, ώστε να επισκιάζει το φως όλων των άστρων του Γαλαξία. Αν ανεβαίνατε ένα βράδυ στον λόφο της Ακρόπολης και θέλατε να νιώσετε όπως ένας Κβάζαρ, θα πρεπε να ανάψετε μια λάμπα, μικρή μεν, αλλά τόσο ισχυρή, που το φως της θα κάλυπτε το φως όχι μόνο της Αθήνας, αλλά ολόκληρης της Γης και του ηλιακού μας συστήματος.

Illustration of a young black hole, such as the two distant dust-free quasars spotted recently by the Spitzer Space Telescope. Credit: NASA/JPL-Caltech

Ποια ήταν όμως η μηχανή παραγωγής αυτής της τρομακτικής ενέργειας από μια τόσο μικρή περιοχή; Ο Lynden-Bell έδειξε ακόμα ότι αυτή η τεράστια και βίαιη έκλυση ενεργείας πήγαζε από ένα αστροφυσικό αντικείμενο (στην καρδιά του Γαλαξία) που έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε ως σκοτεινό, ήσυχο και αμετάβλητο. Μια υπερμεγέθης και περιστρεφόμενη Μαύρη Τρύπα! Αυτή η Μαύρη Τρύπα είναι υπεύθυνη για την τεράστια λαμπρότητα με τον εξής μηχανισμό: Γύρω από τη Μαύρη Τρύπα υπάρχει ένας δίσκος προσαύξησης, ένας λεπτός δίσκος υλικού που περιστρέφεται και αυτός γύρω από τη μαύρη τρύπα και την “ταΐζει” διαρκώς με άστρα, σκόνη και αέριο. Όσο πιο κοντά στη Μαύρη Τρύπα πάμε, τόσο αυξάνεται η ταχύτητα με την οποία κινείται το υλικό του δίσκου (φτάνοντας τα 10.000 Km/sec), το οποίο λόγω τριβής θερμαίνεται σε τρομακτικές θερμοκρασίες της τάξης του ενός εκατομμυρίου βαθμών Kelvin (ο Ήλιος μας, για παράδειγμα, έχει θερμοκρασία γύρω στους 5.000 βαθμούς Kelvin). Λόγω της θέρμανσής του σε αυτές τις ακραίες θερμοκρασίες, το υλικό του δίσκου ακτινοβολεί.

Η εντυπωσιακή δομή των Κβάζαρς δεν σταματά εδώ. Δύο πίδακες υλικού εκτοξεύονται από την περιοχή της Μελανής Οπής που κινούνται με ταχύτητα κοντά σε αυτή του φωτός, είναι εξαιρετικά εστιασμένοι και λεπτοί και συχνά τόσο μεγάλοι, που μπορεί να εκτείνονται και πέρα από τον ίδιο τον Γαλαξία. Η εστίασή τους είναι εκπληκτική, μοιάζει σαν να εκτοξεύουμε νερό από ένα λάστιχο κήπου και αυτό να φτάνει μέχρι τον μακρινότερο πλανήτη του ηλιακού μας συστήματος κι ακόμη παραπέρα. Δείτε, για παράδειγμα, τους σχετικιστικούς πίδακες του Ενεργού Γαλαξία Hercules A. Η μελανή οπή, ο δίσκος και οι πίδακες αποτελούν τα κύρια συστατικά αυτής της τρομακτικής μηχανής παραγωγής ενέργειας που βρίσκεται στο κέντρο των ενεργών γαλαξιών και τους καθιστά ορατούς από τόσο μεγάλες αποστάσεις. Και, από ό,τι φαίνεται, οι Μελανές Οπές, όταν υπάρχει γύρω τους άφθονο “καύσιμο” όπως το υλικό του δίσκου, δεν είναι καθόλου σιωπηλές και σκοτεινές, αλλά -εν αντιθέσει- αποτελούν τις πιο βίαιες και ακραίες μηχανές παραγωγής ενέργειας και ακτινοβολίας.

Οι Κβάζαρς άνοιξαν το πρώτο παράθυρο παρατήρησης του μακρινού και πρώιμου Σύμπαντος, μας έδειξαν ότι το Σύμπαν είναι γεμάτο από βίαια και εκρηκτικά φαινόμενα, έδωσαν ώθηση στην κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης και απέδειξαν έμμεσα την ύπαρξη των υπερμεγεθών Μελανών Οπών. Σύμφωνα μάλιστα με κάποια εξελικτικά σενάρια, είναι πιθανό και οι “συνήθεις” Γαλαξίες όπως ο δικός μας να περάσαν από μια τέτοια ενεργή φάση, ώσπου το υλικό γύρω από την κεντρική Μελανή Οπή τελείωσε και η εκπληκτική αυτή μηχανή “έσβησε”, αφήνοντας πίσω της έναν “κανονικό” Γαλαξία, που το φως του αποτελεί απλά το άθροισμα του φωτός που ακτινοβολούν τα άστρα τους. Ίσως οι Κβάζαρς να είναι η εφηβική περίοδος όλων των Γαλαξιών.

(*)Έτος φωτός: Μονάδα μέτρησης μεγάλων αποστάσεων στην Αστροφυσική. Αντιστοιχεί στην απόσταση που διανύει το φως όταν ταξιδεύει στο κενό για ένα έτος και ισούται περίπου με 9,5 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Αυτό σημαίνει ότι αν θέλαμε, για παράδειγμα, να διασχίσουμε το Γαλαξία μας, που έχει διάμετρο 100.000 έτη φωτός, θα έπρεπε να ταξιδεύουμε με την ταχύτητα του φωτός για 100 χιλιάδες χρόνια.

Εύα Λέφα,  Διδάκτωρ Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου της Χαιδελβέργης.

Πηγή: www.avgi.gr