ควาซาร์
ควาซาร์ ( / ˈ k w eɪ z ɑːr / KWAY -zar ) คือนิวเคลียสกาแล็กซีที่สว่าง มาก (AGN) บางครั้งเรียกว่าวัตถุคล้ายดาวฤกษ์หรือย่อว่าQSOการแผ่รังสีจาก AGN เกิดจากการสะสมมวลเข้าสู่หลุมดำมวลมหาศาลที่มีมวลตั้งแต่หลายล้านถึงหลายหมื่นล้านเท่าของมวลของดวงอาทิตย์ล้อมรอบด้วย จาน สะสมมวลก๊าซ ก๊าซในจานที่ตกลงสู่หลุมดำจะร้อนขึ้นและปล่อยพลังงาน ออกมา ในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานรังสีของควาซาร์นั้นมหาศาล ควาซาร์ที่ทรงพลังที่สุดมีความสว่างมากกว่ากาแล็กซีอย่างเช่นทางช้างเผือก หลายพันเท่า [ 2 ] [ 3 ] โดยทั่วไป แล้วควาซาร์จะถูกจัดอยู่ในประเภทย่อยของ AGN ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว ค่า การเลื่อนไปทาง แดง ของควาซาร์มีต้นกำเนิดมาจากจักรวาลวิทยา[ 4 ]
คำว่าควาซาร์มีที่มาจากคำย่อของ "quasi-stellar [star-like] radio source"—เนื่องจากควาซาร์ถูกระบุครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1950 ว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่มีต้นกำเนิดทางกายภาพที่ไม่ทราบแน่ชัด—และเมื่อระบุในภาพถ่ายที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ พวกมันจะมีลักษณะคล้ายจุดแสงจางๆ คล้ายดาว ภาพถ่ายความละเอียดสูงของควาซาร์ โดยเฉพาะจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลแสดงให้เห็นว่าควาซาร์เกิดขึ้นในใจกลางของกาแล็กซีและกาแล็กซีเจ้าบ้านบางแห่งเป็นกาแล็กซีที่มีปฏิสัมพันธ์หรือรวมตัวกัน อย่างรุนแรง [ 5 ]เช่นเดียวกับ AGN ประเภทอื่นๆ คุณสมบัติที่สังเกตได้ของควาซาร์ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงมวลของหลุมดำ อัตราการสะสมของก๊าซ การวางแนวของจานสะสมเมื่อเทียบกับผู้สังเกต การมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของเจ็ตและระดับการบดบังด้วยก๊าซและฝุ่นภายในกาแล็กซีเจ้าบ้าน
มีการระบุควาซาร์ประมาณหนึ่งล้านดวงด้วยค่าเรดชิฟต์สเปกโตรสโกปิก ที่เชื่อถือได้ [ 6 ]และระบุได้ระหว่าง 2-3 ล้านดวงในแคตตาล็อกโฟโตเมตริก[ 7 ] [ 8 ] ควาซาร์ ที่รู้จักใกล้โลกที่สุดอยู่ ห่างจากโลก ประมาณ 600 ล้านปีแสงในขณะที่สถิติของAGN ที่รู้จักไกลที่สุดคือค่าเรดชิฟต์ 10.1 ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางโคโมวิง 31.6 พันล้านปีแสง หรือเวลามองย้อนกลับไป 13.2 พันล้านปี[ 9 ] [ 10 ]
การสำรวจการค้นพบควาซาร์แสดงให้เห็นว่ากิจกรรมของควาซาร์เกิดขึ้นบ่อยกว่าในอดีตอันไกลโพ้น โดยช่วงพีคอยู่ที่ประมาณ 10 พันล้านปีก่อน[ 11 ]การรวมตัวกันของควาซาร์หลายดวงเรียกว่ากลุ่มควาซาร์ขนาดใหญ่และอาจเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักในจักรวาล หากกลุ่มที่สังเกตได้นั้นเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีของการกระจายมวล
การตั้งชื่อ
คำว่าquasarถูกใช้ครั้งแรกในบทความโดยนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์Hong-Yee Chiuในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2507 ในPhysics Todayเพื่ออธิบายวัตถุทางดาราศาสตร์ที่น่าสงสัยบางอย่าง: [ 12 ]
ที่ผ่านมา ชื่อที่ยาวและยุ่งยากอย่าง "แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุคล้ายดาวฤกษ์" ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายวัตถุเหล่านี้ เนื่องจากธรรมชาติของวัตถุเหล่านี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด จึงเป็นการยากที่จะกำหนดชื่อเรียกที่สั้นและเหมาะสมเพื่อให้คุณสมบัติที่สำคัญของพวกมันชัดเจนจากชื่อของมัน เพื่อความสะดวก จะใช้คำย่อว่า "ควาซาร์" ตลอดทั้งเอกสารนี้
ประวัติการสังเกตและการตีความ
พื้นหลัง
ระหว่างปี 1917 ถึง 1922 ผลงานของ เฮเบอร์ ดูสต์ เคอร์ติส , เอิร์นสต์ โอปิกและคนอื่นๆทำให้เห็นได้อย่างชัดเจน ว่าวัตถุบางอย่าง (" เนบิวลา ") ที่นักดาราศาสตร์มองเห็นนั้น แท้จริงแล้วคือกาแล็กซี ที่อยู่ไกลออกไป เช่น ทางช้างเผือก แต่เมื่อดาราศาสตร์วิทยุเริ่มต้นขึ้นในทศวรรษ 1950 นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบวัตถุผิดปกติจำนวนเล็กน้อยในบรรดากาแล็กซีเหล่านั้น ซึ่งมีคุณสมบัติที่ยากจะอธิบายได้
วัตถุเหล่านี้ปล่อยรังสีออกมาเป็นจำนวนมากในหลายความถี่ แต่ไม่สามารถระบุตำแหน่งแหล่งกำเนิดได้ด้วยวิธีการทางแสง หรือในบางกรณี พบเพียงวัตถุที่จางและเป็นจุดคล้ายดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไปเส้นสเปกตรัมของวัตถุเหล่านี้ ซึ่งระบุองค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบเป็นวัตถุนั้น ก็แปลกประหลาดอย่างยิ่งและไม่สามารถอธิบายได้ บางส่วนของวัตถุเหล่านี้เปลี่ยนความสว่างอย่างรวดเร็วในช่วงคลื่นแสง และเร็วยิ่งขึ้นในช่วงคลื่นรังสีเอ็กซ์ ซึ่งบ่งชี้ถึงขีดจำกัดบนของขนาด อาจจะไม่ใหญ่ไปกว่าระบบสุริยะ[ 13 ] ซึ่งหมายถึงความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมาก[ 14 ]มีการอภิปรายกันอย่างมากเกี่ยวกับวัตถุเหล่านี้ว่าอาจเป็นอะไร พวกมันถูกอธิบายว่าเป็น"แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุคล้ายดาวฤกษ์ " หรือ"วัตถุคล้ายดาวฤกษ์" (QSOs) ซึ่งเป็นชื่อที่สะท้อนถึงธรรมชาติที่ไม่รู้จักของพวกมัน และต่อมาได้ย่อเหลือเพียง "ควาซาร์"
ข้อสังเกตในช่วงแรก (ทศวรรษ 1960 และก่อนหน้านั้น)
ควาซาร์กลุ่มแรก ( 3C 48และ3C 273 ) ถูกค้นพบในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ในฐานะแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุจากการสำรวจคลื่นวิทยุทั่วท้องฟ้า[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]ในตอนแรกมีการสังเกตว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่ไม่มีวัตถุที่มองเห็นได้ที่สอดคล้องกัน โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กและกล้องโทรทรรศน์ Lovellเป็นอินเตอร์เฟอโรเมตรพบว่ามีขนาดเชิงมุมเล็กมาก[ 19 ]ภายในปี 1960 มีการบันทึกและเผยแพร่วัตถุเหล่านี้หลายร้อยชิ้นในแคตตาล็อกเคมบริดจ์ฉบับที่สามในขณะที่นักดาราศาสตร์สำรวจท้องฟ้าเพื่อหาวัตถุที่มองเห็นได้ที่สอดคล้องกัน ในปี 1963 อั ลลัน แซนเดจและโทมัส เอ. แมทธิวส์ ได้ตีพิมพ์การระบุแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ 3C 48ว่าเป็นวัตถุที่มองเห็น ได้อย่างชัดเจน นักดาราศาสตร์ตรวจพบสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นดาวสีน้ำเงินจางๆ ณ ตำแหน่งของแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุและได้สเปกตรัมของมัน ซึ่งมีเส้นการปล่อยกว้างที่ไม่รู้จักจำนวนมาก สเปกตรัมที่ผิดปกตินั้นยากที่จะตีความได้
จอห์น โบลตันนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ-ออสเตรเลียได้ทำการสังเกตการณ์ควาซาร์ในช่วงแรกๆ หลายครั้ง รวมถึงการค้นพบครั้งสำคัญในปี 1962 แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุอีกแหล่งหนึ่งคือ3C 273ถูกทำนายว่าจะถูกดวงจันทร์บังถึงห้า ครั้ง การวัดค่าโดยไซริล ฮาซาร์ดและจอห์น โบลตันระหว่างการบังครั้งหนึ่งโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุพาร์คส์ทำให้มาร์เทน ชมิดต์ค้นพบแหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้ซึ่งตรงกับแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ และได้สเปกตรัมแสงโดยใช้กล้องโทรทรรศน์เฮลขนาด 200 นิ้ว (5.1 เมตร)บนภูเขาพาโลมาร์สเปกตรัมนี้เผยให้เห็นเส้นการปล่อยแสงที่แปลกประหลาดเช่นเดียวกัน ชมิดต์สามารถพิสูจน์ได้ว่าสิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเป็นเส้นสเปกตรัม ปกติ ของไฮโดรเจนที่มีการเลื่อนไปทางแดง 15.8% ซึ่งในขณะนั้นถือเป็นการเลื่อนไปทางแดงที่สูงมาก เนื่องจากมีเพียงกาแล็กซีที่จางกว่ามากเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้นที่ทราบว่ามีการเลื่อนไปทางแดงสูงกว่านี้ ถ้าหากปรากฏการณ์นี้เกิดจากการเคลื่อนที่ทางกายภาพของ "ดาวฤกษ์" แล้วล่ะก็ 3C 273 ก็กำลังเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็วสูงมาก ประมาณ 47,000 กม./วินาทีซึ่งเร็วกว่าความเร็วของดาวฤกษ์ที่รู้จักใดๆ มาก และไม่สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจน[ 20 ]ความเร็วที่สูงมากนี้ไม่สามารถอธิบายการปล่อยคลื่นวิทยุจำนวนมหาศาลของ 3C 273 ได้เช่นกัน หากค่าเรดชิฟต์เป็นไปตามจักรวาลวิทยา (ซึ่งปัจจุบันทราบแล้วว่าถูกต้อง) ระยะทางที่มากจะบ่งชี้ว่า 3C 273 มีความสว่างมากกว่ากาแล็กซีใดๆ แต่มีขนาดกะทัดรัดกว่ามาก นอกจากนี้ 3C 273 ยังสว่างพอที่จะตรวจพบได้จากภาพถ่ายที่เก็บรักษาไว้ตั้งแต่ปี 1900 พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่งปี ซึ่งหมายความว่าแสงส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกมาจากบริเวณที่มี ขนาดเล็กกว่า 1 ปีแสง ซึ่งเล็กมากเมื่อเทียบกับกาแล็กซี
แม้ว่าจะก่อให้เกิดคำถามมากมาย แต่การค้นพบของ Schmidt ก็ได้ปฏิวัติการสังเกตควาซาร์อย่างรวดเร็ว Schmidt, Greenstein และ Oke ระบุสเปกตรัมที่แปลกประหลาดของ3C 48 ได้อย่างรวดเร็ว ว่าเป็นไฮโดรเจนและแมกนีเซียมที่มีการเลื่อนไปทางแดง 37% หลังจากนั้นไม่นาน สเปกตรัมของควาซาร์อีกสองรายการในปี 1964 และอีกห้ารายการในปี 1965 ก็ได้รับการยืนยันว่าเป็นแสงธรรมดาที่มีการเลื่อนไปทางแดงในระดับที่รุนแรง[ 21 ]
การพัฒนาความเข้าใจด้านกายภาพ (ทศวรรษ 1960)
การเลื่อนไปทางแดงอย่างรุนแรงอาจบ่งบอกถึงระยะทางและความเร็วที่มาก แต่ก็อาจเกิดจากมวลมหาศาลหรือกฎธรรมชาติที่ไม่รู้จักก็ได้ ความเร็วและระยะทางที่มากยังบ่งบอกถึงพลังงานที่มหาศาล ซึ่งยังไม่มีคำอธิบาย ขนาดที่เล็กได้รับการยืนยันโดยการวัดด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตรีและการสังเกตว่าควาซาร์โดยรวมเปลี่ยนแปลงพลังงานที่ปล่อยออกมาเร็วแค่ไหน และโดยความไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์แสงที่มองเห็นได้ทรงพลังที่สุดว่าเป็นอะไรมากกว่าจุดแสงจางๆ คล้ายดาว อย่างไรก็ตาม หากพวกมันมีขนาดเล็กและอยู่ไกล พลังงานที่ปล่อยออกมาจะต้องมหาศาลเมื่อเทียบกับขนาด ทำให้ยากที่จะอธิบาย ในทำนองเดียวกัน หากพวกมันมีขนาดเล็กมากและอยู่ใกล้กับกาแล็กซีนี้มาก ก็จะอธิบายพลังงานที่ปรากฏได้ง่าย แต่จะอธิบายการเลื่อนไปทางแดงและการขาดการเคลื่อนไหวที่ตรวจจับได้เมื่อเทียบกับพื้นหลังของจักรวาลได้ยากกว่า
ชมิดท์ตั้งข้อสังเกตว่าการเลื่อนไปทางแดงยังเกี่ยวข้องกับการขยายตัวของจักรวาล ตามที่บัญญัติไว้ในกฎของฮับเบิลหากการเลื่อนไปทางแดงที่วัดได้เกิดจากความเร็วสัมพัทธ์ที่เกิดจากการขยายตัวของจักรวาล นั่นจะสนับสนุนการตีความวัตถุที่อยู่ไกลมากซึ่งมีความสว่างและกำลังส่งออกสูงเป็นพิเศษ เกินกว่าวัตถุใดๆ ที่สังเกตได้จนถึงปัจจุบัน ความสว่างที่สูงมากนี้ยังสามารถอธิบายสัญญาณวิทยุขนาดใหญ่ได้ ชมิดท์สรุปว่า 3C 273 อาจเป็นดาวฤกษ์เดี่ยวที่ มีความกว้างประมาณ 10 กิโลเมตรภายใน (หรือใกล้กับ) กาแล็กซีนี้ หรืออาจเป็นนิวเคลียสกาแล็กซีที่ใช้งานอยู่ไกลออกไป ชมิดท์ระบุว่าสำหรับควาซาร์แล้ว วัตถุที่อยู่ไกลและมีกำลังสูงมากดูเหมือนจะเป็นไปได้มากกว่าที่จะถูกต้อง[ 20 ]
คำอธิบายของ Schmidt เกี่ยวกับการเลื่อนแดงสูงนั้นไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในขณะนั้น ข้อกังวลหลักคือพลังงานมหาศาลที่วัตถุเหล่านี้จะต้องแผ่รังสีออกมาหากอยู่ไกลออกไป ในช่วงทศวรรษ 1960 ไม่มีกลไกใดที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปที่สามารถอธิบายเรื่องนี้ได้ คำอธิบายที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันที่ว่าเกิดจาก ส สารในจานสะสมมวลที่ตกลงไปในหลุมดำมวลมหาศาลนั้นเพิ่งได้รับการเสนอแนะในปี 1964 โดยEdwin E. SalpeterและYakov Zeldovich [ 22 ]และถึงกระนั้นก็ยังถูกนักดาราศาสตร์หลายคนปฏิเสธ เนื่องจากในเวลานั้นการมีอยู่ของหลุมดำนั้นถูกมองว่าเป็นเพียงทฤษฎีอย่างกว้างขวาง
มีการเสนอคำอธิบายต่างๆ ในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 ซึ่งแต่ละคำอธิบายก็มีปัญหาของตัวเอง มีการเสนอว่าควาซาร์เป็นวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง และการเลื่อนไปทางแดงของพวกมันไม่ได้เกิดจากการขยายตัวของอวกาศแต่เกิดจากแสงที่หลุดออกจากหลุมแรงโน้มถ่วงที่ลึกซึ่งจะต้องมีวัตถุขนาดใหญ่ ซึ่งจะอธิบายความสว่างที่สูงได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ดาวฤกษ์ที่มีมวลเพียงพอที่จะสร้างการเลื่อนไปทางแดงที่วัดได้จะไม่เสถียรและเกินขีดจำกัดของฮายาชิ [ 23 ] ควาซาร์ยังแสดง เส้นการปล่อยสเปกตรัม ต้องห้ามซึ่งก่อนหน้านี้พบเห็นได้เฉพาะในเนบิวลาก๊าซร้อนที่มีความหนาแน่นต่ำ ซึ่งจะกระจายตัวมากเกินไปที่จะสร้างพลังงานที่สังเกตได้และพอดีกับหลุมแรงโน้มถ่วงที่ลึก[ 24 ]นอกจากนี้ยังมีความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับแนวคิดของควาซาร์ที่อยู่ไกลออกไปในจักรวาล ข้อโต้แย้งที่สำคัญข้อหนึ่งคือ พวกมันบ่งบอกถึงพลังงานที่เกินกว่ากระบวนการแปลงพลังงานที่รู้จัก รวมถึง การหลอม รวมนิวเคลียร์มีข้อเสนอแนะว่าควาซาร์นั้นประกอบด้วยปฏิสสาร รูปแบบเสถียรที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน ในบริเวณอวกาศประเภทที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนเช่นกัน และนี่อาจเป็นสาเหตุของความสว่างของพวกมัน[ 25 ] บางคนคาดเดาว่าควาซาร์เป็นหลุมขาวที่ปลายของรูหนอน [ 26 ] [ 27 ]หรือปฏิกิริยาลูกโซ่ของซูเปอร์โนวา จำนวนมาก [ 28 ]
ในที่สุด ตั้งแต่ประมาณทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา หลักฐานหลายอย่าง (รวมถึงหอดูดาวอวกาศรังสีเอ็กซ์แห่งแรก ความรู้เกี่ยวกับหลุมดำและแบบจำลองจักรวาลวิทยา ที่ทันสมัย ) ค่อยๆ แสดงให้เห็นว่า การเลื่อนไปทางแดงของควาซาร์นั้นเป็นของจริงและเกิดจากการขยายตัวของอวกาศว่าควาซาร์นั้นทรงพลังและอยู่ไกลอย่างที่ชมิดท์และนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ เคยเสนอไว้ และว่าแหล่งพลังงานของพวกมันคือสสารจากจานสะสมมวลที่ตกลงสู่หลุมดำมวลมหาศาล[ 29 ]ซึ่งรวมถึงหลักฐานสำคัญจากการสังเกตการณ์ด้วยแสงและรังสีเอ็กซ์ของกาแล็กซีเจ้าบ้านของควาซาร์ การค้นพบเส้นดูดกลืน "แทรกกลาง" ซึ่งอธิบายความผิดปกติของสเปกตรัมต่างๆ การสังเกตการณ์จากเลนส์โน้มถ่วงการ ค้นพบของ Gunnในปี 1971 ที่ว่ากาแล็กซีที่มีควาซาร์แสดงค่าเรดชิฟต์เดียวกันกับควาซาร์[ 30 ]และ การค้นพบของ Kristianในปี 1973 ที่ว่าบริเวณรอบๆ ควาซาร์จำนวนมากที่ "พร่ามัว" สอดคล้องกับกาแล็กซีเจ้าบ้านที่มีความสว่างน้อยกว่า[ 31 ]
แบบจำลองนี้ยังสอดคล้องกับข้อสังเกตอื่นๆ ที่บ่งชี้ว่ากาแล็กซีจำนวนมากมีหลุมดำขนาดใหญ่ใจกลาง นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายได้ว่าทำไมควาซาร์จึงพบได้บ่อยในเอกภพยุคแรก: เมื่อควาซาร์ดึงดูดสสารจากจานสะสมมวลของมัน จะมีจุดหนึ่งที่สสารบริเวณใกล้เคียงลดลง และการผลิตพลังงานจะลดลงหรือหยุดลง เนื่องจากควาซาร์กลายเป็นกาแล็กซีประเภทธรรมดามากขึ้น
กลไกการผลิตพลังงานของจานสะสมมวลได้รับการจำลองแบบในที่สุดในทศวรรษ 1970 และหลุมดำก็ได้รับการตรวจพบโดยตรง (รวมถึงหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าหลุมดำมวลมหาศาลสามารถพบได้ที่ใจกลางของกาแล็กซีนี้และกาแล็กซีอื่นๆ อีกมากมาย) ซึ่งช่วยคลายความกังวลว่าควาซาร์สว่างเกินไปที่จะเป็นผลมาจากวัตถุที่อยู่ไกลมาก หรือว่ากลไกที่เหมาะสมไม่สามารถยืนยันได้ว่ามีอยู่จริงในธรรมชาติ ภายในปี 1987 เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่านี่คือคำอธิบายที่ถูกต้องสำหรับควาซาร์[ 32 ]และระยะทางจักรวาลวิทยาและผลผลิตพลังงานของควาซาร์ได้รับการยอมรับจากนักวิจัยเกือบทั้งหมด
ข้อสังเกตสมัยใหม่ (ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 เป็นต้นไป)
ต่อมาพบว่าไม่ใช่ควาซาร์ทั้งหมดที่มีการปล่อยคลื่นวิทยุที่รุนแรง อันที่จริง มีเพียงประมาณ 10% เท่านั้นที่เป็น "ควาซาร์ที่มีการปล่อยคลื่นวิทยุสูง" ดังนั้นจึงมีการใช้ชื่อ "QSO" (quasi-stellar object) (นอกเหนือจาก "ควาซาร์") เพื่ออ้างถึงวัตถุเหล่านี้ โดยแบ่งออกเป็นประเภท "ควาซาร์ที่มีการปล่อยคลื่นวิทยุสูง" และ "ควาซาร์ที่มีการปล่อยคลื่นวิทยุต่ำ" การค้นพบควาซาร์มีนัยสำคัญอย่างมากต่อวงการดาราศาสตร์ในช่วงทศวรรษ 1960 รวมถึงการทำให้ฟิสิกส์และดาราศาสตร์ใกล้ชิดกันมากขึ้น[ 34 ]
ในปี พ.ศ. 2522 ผลกระทบของ เลนส์ความโน้มถ่วงที่ทำนายไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้รับการยืนยันจากการสังเกตการณ์เป็นครั้งแรกด้วยภาพของควาซาร์คู่ 0957+561 [ 35 ]
การศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนกุมภาพันธ์ 2021 แสดงให้เห็นว่ามีควาซาร์ในทิศทางหนึ่ง (ไปทางไฮดรา ) มากกว่าในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งดูเหมือนจะบ่งชี้ว่าโลกกำลังเคลื่อนที่ไปในทิศทางนั้น แต่ทิศทางของไดโพลนี้อยู่ห่างจากทิศทางการเคลื่อนที่ของโลกเมื่อเทียบกับรังสีพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล ประมาณ 28° [ 36 ]
ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2564 นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งซึ่งเกี่ยวข้องกับกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon ได้นำเสนอภาพ หลุมดำแบบโพลาไรซ์เป็นครั้งแรกโดยเฉพาะหลุมดำที่อยู่ใจกลางMessier 87ซึ่งเป็นกาแล็กซีรูปวงรีที่อยู่ห่างออกไปประมาณ 55 ล้านปีแสงในกลุ่มดาวหญิงสาวเผยให้เห็นถึงแรงที่ก่อให้เกิดควาซาร์[ 37 ]
ความเข้าใจในปัจจุบัน
− 13 — – − 12 — – − 11 — – − 10 — – − 9 — – − 8 — – − 7 — – − 6 — – − 5 — – − 4 — – − 3 — – − 2 — – − 1 — – 0 — |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( พันล้านปีก่อน ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
เป็นที่ทราบกันแล้วว่าควาซาร์เป็นวัตถุที่อยู่ไกลแต่สว่างมาก ดังนั้นแสงใดๆ ที่มาถึงโลกจึงเกิดการเลื่อนไปทางแดงเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล [ 38 ]
ควาซาร์อาศัยอยู่ใจกลางกาแล็กซีที่มีกิจกรรม และเป็นหนึ่งในวัตถุที่สว่างที่สุด ทรงพลังที่สุด และมีพลังงานมากที่สุดเท่าที่รู้จักในจักรวาล โดยปล่อยพลังงานออกมามากถึงพันเท่าของพลังงานที่ปล่อยออกมาจากกาแล็กซีทางช้างเผือกซึ่งมี ดาวฤกษ์ 200–400 พันล้านดวง รังสีนี้ถูกปล่อยออกมาทั่วสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ ตั้งแต่รังสีเอ็กซ์ไปจนถึงอินฟราเรดไกล โดยมีจุดสูงสุดในแถบแสงอัลตราไวโอเลต และควาซาร์บางดวงยังเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุและรังสีแกมมาที่รุนแรงอีกด้วย ด้วยการถ่ายภาพความละเอียดสูงจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลทำให้สามารถตรวจพบ "กาแล็กซีเจ้าบ้าน" ที่อยู่รอบๆ ควาซาร์ได้ในบางกรณี[ 39 ]โดยปกติแล้วกาแล็กซีเหล่านี้จะสลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้เมื่อเทียบกับแสงจ้าของควาซาร์ ยกเว้นด้วยเทคนิคพิเศษ ควาซาร์ส่วนใหญ่ ยกเว้น3C 273ซึ่งมีค่าความสว่างปรากฏ เฉลี่ย 12.9 ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็ก
เชื่อกันว่าควาซาร์นั้นได้รับพลังงานจากการสะสมของสสารเข้าไปในหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล ดังที่เอ็ดวิน ซัลปีเตอร์และยาคอฟ เซลโดวิชเสนอ ไว้ในปี 1964 [ 15 ]แสงและรังสีอื่นๆ ไม่สามารถหลุดรอดออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำได้ พลังงานที่ผลิตโดยควาซาร์นั้นเกิดขึ้นภายนอกหลุมดำ โดยเกิดจากแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทาน มหาศาล ภายในสสารที่อยู่ใกล้หลุมดำมากที่สุด ขณะที่มันโคจรและตกลงไปด้านใน[ 32 ]ความสว่างมหาศาลของควาซาร์เกิดจากจานสะสมของหลุมดำมวลมหาศาลใจกลาง ซึ่งสามารถแปลงมวลของวัตถุได้ระหว่าง 5.7% ถึง 32% ให้เป็นพลังงาน[ 40 ] เมื่อเทียบกับเพียง 0.7% สำหรับ กระบวนการ ฟิวชั่นนิวเคลียร์แบบลูกโซ่ p–p ที่ครอบงำการผลิตพลังงานในดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ มวลศูนย์กลางของควาซาร์ที่ 10⁵ ถึง 10⁹ เท่าของมวลสุริยะได้รับการวัดโดยใช้การทำแผนที่การสะท้อนกลับกาแล็กซีขนาดใหญ่ใกล้เคียงหลายสิบแห่ง รวมถึง กาแล็กซี ทางช้างเผือกซึ่งไม่มีศูนย์กลางที่ทำงานอยู่และไม่แสดงกิจกรรมใด ๆ ที่คล้ายกับควาซาร์ ได้รับการยืนยันแล้วว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลที่คล้ายกันอยู่ในนิวเคลียส (ศูนย์กลางกาแล็กซี)ดังนั้น ปัจจุบันจึงคิดว่ากาแล็กซีขนาดใหญ่ทั้งหมดมีหลุมดำชนิดนี้ แต่มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่มีสสารเพียงพอในวงโคจรที่เหมาะสมที่ศูนย์กลางเพื่อที่จะทำงานและแผ่รังสีในลักษณะที่สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นควาซาร์[ 41 ]
สิ่งนี้ยังอธิบายได้ว่าทำไมควาซาร์จึงพบได้บ่อยในเอกภพยุคแรก เนื่องจากการผลิตพลังงานนี้จะสิ้นสุดลงเมื่อหลุมดำมวลมหาศาลกลืนกินก๊าซและฝุ่นทั้งหมดที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งหมายความว่าเป็นไปได้ที่กาแล็กซีส่วนใหญ่ รวมถึงกาแล็กซีทางช้างเผือก ได้ผ่านช่วงเวลาที่กำลังเคลื่อนไหว โดยปรากฏเป็นควาซาร์หรือกาแล็กซีที่กำลังเคลื่อนไหวประเภทอื่น ๆ ซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของหลุมดำและอัตราการสะสมมวล และตอนนี้อยู่ในสภาวะสงบเนื่องจากขาดแหล่งสสารที่จะป้อนเข้าสู่หลุมดำใจกลางเพื่อสร้างรังสี[ 41 ]
สสารที่สะสมตัวบนหลุมดำนั้นไม่น่าจะตกลงไปโดยตรง แต่จะมีโมเมนตัมเชิงมุมรอบหลุมดำ ซึ่งจะทำให้สสารรวมตัวกันเป็นจานสะสมตัวนอกจากนี้ ควาซาร์อาจถูกจุดประกายหรือจุดประกายขึ้นใหม่เมื่อกาแล็กซีปกติรวมตัวกันและหลุมดำได้รับสสารจากแหล่งใหม่[ 43 ]อันที่จริง มีการเสนอว่าควาซาร์อาจก่อตัวขึ้นเมื่อกาแล็กซีแอนโดรเมดาชนกับ กาแล็กซี ทางช้างเผือกในอีกประมาณ 3–5 พันล้านปีข้างหน้า[ 32 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
ในช่วงทศวรรษ 1980 ได้มีการพัฒนารูปแบบรวมขึ้น โดยจัดประเภทควาซาร์เป็น กาแล็กซีแอคทีฟชนิดหนึ่งและเกิดฉันทามติว่าในหลายกรณี มุมมองในการสังเกตเท่านั้นที่ทำให้ควาซาร์แตกต่างจากกาแล็กซีแอคทีฟอื่นๆ เช่นบลาซาร์และกาแล็กซีวิทยุ[ 47 ]
ควาซาร์ที่มีค่าเรดชิฟต์สูงสุดเท่าที่ทราบ ( ณ เดือนสิงหาคม2024) ) คือUHZ1ซึ่งมีค่าเรดชิฟต์ประมาณ 10.1 [ 48 ]ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางโคโมวิงประมาณ 31.7 พันล้านปีแสงจากโลก (ระยะทางเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าระยะทางที่แสงสามารถเดินทางได้ในประวัติศาสตร์ 13.8 พันล้านปีของจักรวาลมาก เนื่องจากจักรวาลกำลังขยายตัว)
คุณสมบัติ
มากกว่ามีการค้นพบควาซาร์ 900,000ดวง (ณ เดือนกรกฎาคม 2023) [ 6 ]ส่วนใหญ่มาจากการสำรวจท้องฟ้าดิจิทัลสโลนสเปกตรัมของควาซาร์ที่สังเกตได้ทั้งหมดมีค่าเรดชิฟต์ระหว่าง 0.056 ถึง 10.1 (ณ ปี 2024) ซึ่งหมายความว่าพวกมันอยู่ห่างจากโลกตั้งแต่ 600 ล้านถึง 30 พันล้านปีแสงเนื่องจากระยะทางอันไกลโพ้นไปยังควาซาร์ที่ไกลที่สุดและความเร็วแสงที่จำกัด พวกมันและอวกาศโดยรอบจึงปรากฏให้เห็นเหมือนกับที่พวกมันมีอยู่ในเอกภพยุคแรกเริ่ม
พลังงานของควาซาร์มีต้นกำเนิดมาจากหลุมดำมวลมหาศาลที่เชื่อกันว่ามีอยู่ใจกลางกาแล็กซีส่วนใหญ่ การเปลี่ยนแปลงความถี่แบบดอปเปลอร์ของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ใจกลางกาแล็กซีบ่งชี้ว่าพวกมันโคจรรอบมวลมหาศาลที่มีการเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วงอย่างรวดเร็ว ซึ่งชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของหลุมดำ
แม้ว่าควาซาร์จะดูจางเมื่อมองจากโลก แต่ก็สามารถมองเห็นได้จากระยะทางไกลมาก เนื่องจากเป็นวัตถุที่สว่างที่สุดในจักรวาลที่เรารู้จัก ควาซาร์ที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้าคือ3C 273ในกลุ่มดาวหญิงสาว มี ความสว่างปรากฏเฉลี่ย 12.8 (สว่างพอที่จะมองเห็นได้ผ่าน กล้องโทรทรรศน์สมัครเล่นขนาดกลาง) แต่มีความสว่างสัมบูรณ์ −26.7 [ 49 ]จากระยะทางประมาณ 33 ปีแสง วัตถุนี้จะส่องแสงบนท้องฟ้าสว่างพอๆ กับดวงอาทิตย์ ดังนั้น ความสว่างของควาซาร์นี้จึงอยู่ที่ประมาณ 4 ล้านล้าน (4 × 1012เท่าของดวงอาทิตย์ หรือประมาณ 100 เท่าของแสงทั้งหมดของกาแล็กซีขนาดใหญ่เช่นทางช้างเผือก[ 49 ] สมมติฐานนี้ถือว่าควาซาร์แผ่พลังงานไปทุกทิศทาง แต่เชื่อกันว่านิวเคลียสกาแล็กซีที่ใช้งานอยู่จะแผ่รังสีไปในทิศทางของลำแสงเป็นหลัก ในจักรวาลที่มีกาแล็กซีหลายแสนล้านแห่ง ซึ่งส่วนใหญ่มีนิวเคลียสที่ใช้งานอยู่ เมื่อหลายพันล้านปีก่อน แต่เพิ่งมองเห็นได้ในปัจจุบัน เป็นที่แน่ชัดทางสถิติว่าลำแสงพลังงานหลายพันลำควรพุ่งตรงไปยังโลก บางลำพุ่งตรงกว่าลำอื่น ในหลายกรณีมีแนวโน้มว่าควาซาร์ที่สว่างกว่าจะมีลำแสงพุ่งตรงไปยังโลกมากกว่า ควาซาร์ดังกล่าวเรียกว่าบลาซาร์
ควาซาร์สว่างมากAPM 08279+5255เมื่อถูกค้นพบในปี 1998 ได้รับค่าความสว่างสัมบูรณ์ที่ −32.2 การถ่ายภาพความละเอียดสูงด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์เค็ก ขนาด 10 เมตรเผยให้เห็นว่าระบบนี้ถูกเลนส์ความโน้มถ่วงครอบงำการศึกษาเกี่ยวกับเลนส์ความโน้มถ่วงของระบบนี้ชี้ให้เห็นว่าแสงที่ปล่อยออกมาถูกขยายใหญ่ขึ้นประมาณ 10 เท่า แต่ก็ยังสว่างกว่าควาซาร์ใกล้เคียงอย่างเช่น 3C 273 อย่างมาก
ควาซาร์นั้นพบได้บ่อยกว่าในเอกภพยุคแรกมากกว่าในปัจจุบัน การค้นพบนี้โดยMaarten Schmidtในปี 1967 เป็นหลักฐานสำคัญในยุคแรกๆ ที่คัดค้านจักรวาลวิทยาแบบสภาวะคงที่และสนับสนุน จักรวาลวิทยา แบบบิ๊กแบงควาซาร์แสดงให้เห็นตำแหน่งที่หลุมดำมวลมหาศาลกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว (โดยการดูดกลืน ) การจำลองโดยละเอียดที่รายงานในปี 2021 แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างของกาแล็กซี เช่น แขนกังวล ใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อ "เบรก" ก๊าซที่มิเช่นนั้นจะโคจรรอบศูนย์กลางกาแล็กซีไปตลอดกาล กลไกการเบรกนี้ทำให้ก๊าซตกลงไปในหลุมดำมวลมหาศาล ปล่อยพลังงานรังสีมหาศาลออกมา[ 50 ] [ 51 ]หลุมดำเหล่านี้วิวัฒนาการร่วมกับมวลของดาวฤกษ์ในกาแล็กซีเจ้าบ้านในลักษณะที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ในปัจจุบัน แนวคิดหนึ่งคือ เจ็ต รังสี และลมที่สร้างขึ้นโดยควาซาร์จะหยุดการก่อตัวของดาวฤกษ์ดวงใหม่ในกาแล็กซีเจ้าบ้าน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า "ฟีดแบ็ก" เป็นที่ทราบกันดีว่า ลำแสงที่ปล่อยคลื่นวิทยุความเข้มสูงในควาซาร์บางแห่งที่อยู่ใจกลางกระจุกกาแล็กซีมีพลังงานมากพอที่จะป้องกันไม่ให้ก๊าซร้อนในกระจุกกาแล็กซีเหล่านั้นเย็นตัวลงและตกลงสู่กาแล็กซีใจกลางได้
ความสว่างของควาซาร์นั้นแปรผันได้ โดยมีช่วงเวลาตั้งแต่หลายเดือนไปจนถึงหลายชั่วโมง ซึ่งหมายความว่าควาซาร์สร้างและปล่อยพลังงานจากบริเวณที่เล็กมาก เนื่องจากแต่ละส่วนของควาซาร์จะต้องสัมผัสกับส่วนอื่นๆ ในช่วงเวลาดังกล่าวเพื่อให้สามารถประสานการเปลี่ยนแปลงความสว่างได้ ซึ่งหมายความว่าควาซาร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาไม่กี่สัปดาห์จะมีขนาดไม่เกินไม่กี่สัปดาห์แสง การปล่อยพลังงานจำนวนมากจากบริเวณเล็กๆ นั้นต้องการแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชั่นนิวเคลียร์ที่ให้พลังงานแก่ดาวฤกษ์ การแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นรังสีโดยการตกลงไปในหลุมดำจะแปลงมวลเป็นพลังงานได้ระหว่าง 6% ถึง 32% เมื่อเทียบกับ 0.7% สำหรับการแปลงมวลเป็นพลังงานในดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์[ 40 ]นี่เป็นกระบวนการเดียวที่ทราบกันว่าสามารถผลิตพลังงานสูงเช่นนี้ได้ในระยะยาวมาก (การระเบิดของดาวฤกษ์ เช่นซูเปอร์โนวาและการระเบิดรังสีแกมมาและการทำลายล้างโดยตรงระหว่าง สสาร และปฏิสสารสามารถสร้างพลังงานได้สูงมากเช่นกัน แต่ซูเปอร์โนวาจะคงอยู่เพียงไม่กี่วัน และดูเหมือนว่าจักรวาลจะไม่มีปฏิสสารในปริมาณมากในช่วงเวลาที่เกี่ยวข้อง)
เนื่องจากควาซาร์มีคุณสมบัติทั่วไปเหมือนกับดาราจักรที่กำลังทำงาน อยู่ เช่นดาราจักรเซย์เฟิร์ต การปล่อยแสงจากควาซาร์จึงสามารถเปรียบเทียบได้กับการปล่อยแสงจากดาราจักรขนาดเล็กที่กำลังทำงานอยู่ซึ่งได้รับพลังงานจากหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดเล็กกว่า ในการสร้างความสว่าง 10⁴⁰ วัตต์(ความสว่างทั่วไปของควาซาร์) หลุมดำมวลยิ่งยวดจะต้องดูดกลืนสสารเทียบเท่ากับมวลของดวงอาทิตย์ 10⁶ ดวงต่อปี ควาซาร์ที่สว่างที่สุดเท่าที่รู้จักดูดกลืนสสาร 1,000 มวลของดวงอาทิตย์ทุกปี (เทียบเท่ากับ 10⁶ โลกต่อวินาที) ความสว่างของควาซาร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้มากเมื่อเวลาผ่านไป ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม เนื่องจากเป็นการยากที่จะเติมเชื้อเพลิงให้กับควาซาร์เป็นเวลาหลายพันล้านปี หลังจากที่ควาซาร์ดูดกลืนก๊าซและฝุ่นรอบข้างจนหมดแล้ว มันก็จะกลายเป็นดาราจักรธรรมดา
การแผ่รังสีจากควาซาร์นั้นเป็นแบบ "ไม่ใช่ความร้อน" บางส่วน (กล่าวคือ ไม่ได้เกิดจากการแผ่รังสีของวัตถุดำ ) และประมาณ 10% พบว่ามีลำแสงและกลีบคล้ายกับกาแล็กซีวิทยุซึ่งมีพลังงานจำนวนมาก (แต่ยังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้) ในรูปของอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธภาพ พลังงานที่สูงมากอาจอธิบายได้ด้วยกลไกหลายอย่าง (ดูการเร่งความเร็วแบบเฟอร์มิและกลไกการเร่งความเร็วแบบแรงเหวี่ยง ) สามารถตรวจจับควาซาร์ได้ตลอดช่วงสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สังเกตได้ทั้งหมด รวมถึงคลื่นวิทยุอินฟราเรดแสงที่มองเห็นได้อัลตราไวโอเลตรังสีเอ็กซ์และแม้แต่รังสีแกมมา ควาซาร์ส่วนใหญ่สว่างที่สุดในความยาวคลื่น อัลตราไวโอเลต 121.6 นาโนเมตร ซึ่งเป็นเส้นการปล่อยแสง ไลแมน-อัลฟาของไฮโดรเจน แต่เนื่องจากการเลื่อนไปทางแดงอย่างมหาศาลของแหล่งกำเนิดเหล่านี้ ความสว่างสูงสุดนั้นจึงถูกสังเกตได้ไกลถึง 900.0 นาโนเมตร ในช่วงอินฟราเรดใกล้ ควาซาร์ส่วนน้อยปล่อยคลื่นวิทยุออกมาอย่างรุนแรง ซึ่งเกิดจากลำสสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง เมื่อมองจากด้านบน จะปรากฏเป็นบลาซาร์และมักจะมีบริเวณที่ดูเหมือนจะเคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลางเร็วกว่าความเร็วแสง ( การขยาย ตัวเหนือแสง ) นี่เป็นภาพลวงตาที่เกิดจากคุณสมบัติของ ทฤษฎีสั มพัทธภาพพิเศษ
ค่าเรดชิฟต์ของควาซาร์วัดได้จากเส้นสเปกตรัมที่เด่นชัดในสเปกตรัมการปล่อยแสงในช่วงที่มองเห็นได้และช่วงอัลตราไวโอเลต เส้นเหล่านี้สว่างกว่าสเปกตรัมต่อเนื่อง และแสดงการขยายตัวแบบดอปเปลอร์ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วเฉลี่ยหลายเปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง การเคลื่อนที่เร็วบ่งชี้อย่างชัดเจนถึงมวลขนาดใหญ่ เส้นการปล่อยแสงของไฮโดรเจน (ส่วนใหญ่เป็นอนุกรมไลแมนและอนุกรมบัลเมอร์ ) ฮีเลียม คาร์บอน แมกนีเซียม เหล็ก และออกซิเจน เป็นเส้นที่สว่างที่สุด อะตอมที่ปล่อยเส้นเหล่านี้มีตั้งแต่เป็นกลางไปจนถึงแตกตัวเป็นไอออนสูง ทำให้มีประจุสูง ช่วงการแตกตัวเป็นไอออนที่กว้างนี้แสดงให้เห็นว่าก๊าซได้รับรังสีจากควาซาร์อย่างมาก ไม่ใช่เพียงแค่ร้อน และไม่ใช่จากดาวฤกษ์ ซึ่งไม่สามารถสร้างช่วงการแตกตัวเป็นไอออนที่กว้างเช่นนี้ได้
เช่นเดียวกับกาแล็กซีที่ใช้งานอยู่ทั้งหมด (ที่ไม่ถูกบดบัง) ควาซาร์สามารถเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์ที่รุนแรงได้ ควาซาร์ที่ปล่อยคลื่นวิทยุยังสามารถผลิตรังสีเอ็กซ์และรังสีแกมมาได้ด้วยการกระเจิงแบบคอมป์ตันผกผันของโฟตอนพลังงานต่ำโดยอิเล็กตรอนที่ปล่อยคลื่นวิทยุในเจ็ต[ 52 ]
ควาซาร์เหล็ก แสดงเส้นสเปกตรัมการปล่อยแสงที่รุนแรงซึ่งเกิดจาก เหล็กที่มีการแตกตัวเป็นไอออนต่ำ(Fe II ) เช่น IRAS 18508-7815
รัศมีสว่างรอบควาซาร์ที่อยู่ไกลออกไป 18 แห่ง[ 53 ]- ภาพถ่าย รังสีเอกซ์จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ จันทราเป็นภาพของควาซาร์ PKS 1127-145 ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์และแสงที่มองเห็นได้สว่างมาก อยู่ห่างจากโลกประมาณ 10 พันล้านปีแสง ลำแสงรังสีเอกซ์ขนาดมหึมาแผ่ขยายออกไปจากควาซาร์อย่างน้อยหนึ่งล้านปีแสง ภาพมีขนาด 60 อาร์คเซคอนด์ต่อด้าน พิกัดไรต์แอสเซนชัน (RA) คือ 11h 30m 7.10s และ พิกัดเดคลิเนชัน (Dec)คือ −14° 49' 27" ในหลุมอุกกาบาต วันที่สังเกตการณ์: 28 พฤษภาคม 2000 เครื่องมือ: ACIS
ควาซาร์ที่ถูกเลนส์ความโน้มถ่วง HE 1104-1805 [ 54 ]- ภาพเคลื่อนไหวแสดงให้เห็นการเรียงตัวกันระหว่างแกนหมุนของควาซาร์และโครงสร้างขนาดใหญ่ที่พวกมันอาศัยอยู่
เส้นสเปกตรัม การเกิดใหม่ของไอออน และเอกภพในยุคเริ่มต้น
ควาซาร์ยังให้เบาะแสบางอย่างเกี่ยวกับการสิ้นสุดของกระบวนการรีไอออนไนเซชันของบิ๊กแบงควาซาร์ที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จัก ( z = 6) ควาซาร์ในยุคหลังๆ แสดงให้เห็นร่องกันน์-ปีเตอร์สันและมีบริเวณดูดกลืนอยู่ด้านหน้า ซึ่งบ่งชี้ว่าตัวกลางระหว่างกาแล็กซีในขณะนั้นเป็นก๊าซที่เป็นกลางควาซาร์ในยุคหลังๆ ไม่แสดงบริเวณดูดกลืน แต่สเปกตรัมของพวกมันกลับมีบริเวณแหลมคมที่เรียกว่าป่าไลแมน-อัลฟาซึ่งบ่งชี้ว่าตัวกลางระหว่างกาแล็กซีได้ผ่านกระบวนการแตกตัวเป็นไอออนกลายเป็นพลาสมาและก๊าซที่เป็นกลางมีอยู่เฉพาะในกลุ่มเมฆขนาดเล็กเท่านั้น
การผลิต รังสี อัลตราไวโอเลต ที่ทำให้เกิดการแตกตัว เป็น ไอออนอย่างเข้มข้น ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากจะเป็นกลไกที่ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนขึ้นใหม่ในขณะที่กาแล็กซีก่อตัวขึ้น อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าควาซาร์ไม่ใช่แหล่งกำเนิดหลักของการแตกตัวเป็นไอออน สาเหตุหลักของการแตกตัวเป็นไอออนน่าจะเป็นดาวฤกษ์ รุ่นแรกๆ ที่รู้จักกันในชื่อ ดาวฤกษ์ ประเภท III (อาจจะ 70%) และกาแล็กซีแคระ (กาแล็กซีพลังงานสูงขนาดเล็กในยุคแรกๆ) (อาจจะ 30%) [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]
ควาซาร์แสดงหลักฐานของธาตุที่หนักกว่าฮีเลียมซึ่งบ่งชี้ว่ากาแล็กซีได้ผ่านช่วงการก่อตัวของดาวฤกษ์ ครั้งใหญ่ ทำให้เกิดดาวฤกษ์ประเภท IIIระหว่างช่วงเวลาของบิ๊กแบงและควาซาร์ที่สังเกตพบครั้งแรก แสงจากดาวฤกษ์เหล่านี้อาจได้รับการสังเกตในปี 2548 โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ของNASA [ 61 ]แม้ว่าการสังเกตนี้ยังคงต้องได้รับการยืนยัน
ชนิดย่อย
การจำแนกประเภทของควาซาร์นั้นรวมถึงประเภทย่อยต่างๆ ซึ่งแสดงถึงกลุ่มย่อยของประชากรควาซาร์ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน
- ควาซาร์ที่ปล่อยคลื่นวิทยุคือควาซาร์ที่มีเจ็ต ทรงพลัง ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดการปล่อยคลื่นวิทยุที่ความยาวคลื่นสูง ควาซาร์เหล่านี้คิดเป็นประมาณ 10% ของประชากรควาซาร์ทั้งหมด[ 62 ]
- ควาซาร์ที่เงียบทางวิทยุคือควาซาร์ที่ไม่มีเจ็ตที่ทรงพลัง โดยมีการปล่อยคลื่นวิทยุที่ค่อนข้างอ่อนกว่ากลุ่มควาซาร์ที่ปล่อยคลื่นวิทยุดัง ควาซาร์ส่วนใหญ่ (ประมาณ 90%) เงียบทางวิทยุ[ 62 ]
- ควาซาร์แบบเส้นดูดกลืนกว้าง (BAL)คือควาซาร์ที่มีสเปกตรัมแสดงเส้นดูดกลืนกว้างที่เลื่อนไปทางสีน้ำเงินเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงของควาซาร์ ซึ่งเป็นผลมาจากการไหลของก๊าซออกไปจากนิวเคลียสที่ใช้งานอยู่ไปในทิศทางที่เข้าหาผู้สังเกต พบเส้นดูดกลืนกว้างในควาซาร์ประมาณ 10% และควาซาร์ BAL มักจะเงียบทางวิทยุ[ 62 ]ในสเปกตรัมอัลตราไวโอเลตของควาซาร์ BAL ในกรอบอ้างอิง สามารถตรวจพบเส้นดูดกลืนกว้างจากคาร์บอนไอออน แมกนีเซียม ซิลิคอน ไนโตรเจน และธาตุอื่นๆ
- ควาซาร์ประเภท 2 (หรือประเภท II)คือควาซาร์ที่จานสะสมมวลและเส้นการปล่อยแสงกว้างถูกบดบังอย่างมากด้วยก๊าซและฝุ่น หนาแน่น พวกมันเป็นคู่เทียบที่มีความสว่างสูงกว่าของกาแล็กซีเซย์เฟิร์ตประเภท 2 [ 63 ]
- ควาซาร์สีแดงคือควาซาร์ที่มีสีแสงที่แดงกว่าควาซาร์ปกติ ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นผลมาจากการดูดกลืนแสง ของฝุ่นในระดับปานกลาง ภายในกาแล็กซีเจ้าบ้านของควาซาร์ การสำรวจด้วยอินฟราเรดแสดงให้เห็นว่าควาซาร์สีแดงประกอบขึ้นเป็นสัดส่วนที่สำคัญของประชากรควาซาร์ทั้งหมด[ 64 ]
- ควาซาร์ แปรผันรุนแรงทางแสง (OVV)คือควาซาร์ที่มีการปล่อยคลื่นวิทยุออกมาอย่างรุนแรง โดยที่ลำแสงเจ็ตพุ่งตรงไปยังผู้สังเกต การแผ่รังสีของลำแสงเจ็ตด้วยความเร็วสูงทำให้ความสว่างของควาซาร์เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและรุนแรง ควาซาร์ OVV ยังถือว่าเป็นประเภทหนึ่งของบลาซาร์อีก
- ควาซาร์ที่มีเส้นการปล่อยแสงอ่อนคือควาซาร์ที่มีเส้นการปล่อยแสงที่จางมากผิดปกติในสเปกตรัมอัลตราไวโอเลต/มองเห็นได้[ 65 ]
บทบาทในระบบอ้างอิงทางดาราศาสตร์
เนื่องจากควาซาร์อยู่ไกลมาก สว่างมาก และมีขนาดเล็กเมื่อมองจากภายนอก จึงเป็นจุดอ้างอิงที่มีประโยชน์ในการสร้างตารางการวัดบนท้องฟ้า[ 67 ] ระบบอ้างอิงท้องฟ้าสากล (ICRS) อาศัยแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุนอกกาแล็กซีหลายร้อยแหล่ง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นควาซาร์ กระจายอยู่ทั่วท้องฟ้า เนื่องจากอยู่ไกลมาก จึงดูเหมือนว่าอยู่กับที่เมื่อมองด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน แต่ตำแหน่งของพวกมันสามารถวัดได้อย่างแม่นยำที่สุดด้วยวิธีการแทรกสอดแบบฐานยาวมาก (VLBI) ตำแหน่งของควาซาร์ส่วนใหญ่เป็นที่ทราบค่าได้ถึง 0.001 อาร์คเซคอนด์หรือดีกว่า ซึ่งมีความแม่นยำมากกว่าการวัดด้วยแสงที่ดีที่สุดหลายเท่า
ควาซาร์หลายดวง
การปรากฏของควาซาร์สองดวงขึ้นไปบนท้องฟ้าอาจเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ เช่น การเรียงตัวโดยบังเอิญ ซึ่งควาซาร์เหล่านั้นไม่ได้อยู่ติดกันจริง ๆ หรืออาจเกิดจากความใกล้ชิดกันจริง ๆ หรืออาจเกิดจากแรงโน้มถ่วงที่ทำให้แสงจากควาซาร์ดวงเดียวเบี่ยงเบนไปเป็นภาพสองภาพขึ้นไปโดยปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงการแยกแยะระหว่างกรณีเหล่านี้อาจทำได้ยาก
เลนส์หลายตัว
ควาซาร์ภาพหลายภาพคือควาซาร์ที่แสงของมันเกิดการเลนส์โน้มถ่วงส่งผลให้เกิดภาพคู่ ภาพสามภาพ หรือภาพสี่ภาพของควาซาร์เดียวกัน เลนส์โน้มถ่วงแรกที่ถูกค้นพบคือควาซาร์ภาพคู่Q0957+561 (หรือควาซาร์แฝด) ในปี 1979 [ 68 ] ตัวอย่างของควาซาร์ที่เกิดเลนส์สามภาพคือ PG1115+08 [ 69 ] มีควาซาร์ภาพสี่ภาพที่เป็นที่รู้จักหลายดวง รวมถึงEinstein CrossและCloverleaf Quasarโดยการค้นพบครั้งแรกเกิดขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1980
การ สำรวจท้องฟ้าทั้งหมดทางดาราศาสตร์ ของ Gaiaได้ค้นพบกากบาทไอน์สไตน์ไปแล้วประมาณสิบกว่าแห่ง และการทำงานอย่างต่อเนื่องกับการเผยแพร่ข้อมูลมีศักยภาพที่จะระบุได้อีกมากมาย[ 70 ] [ 71 ]
หัวข้อการวิจัยที่ค่อนข้างใหม่ที่เรียกว่า "จักรวาลวิทยาการหน่วงเวลา" ใช้ควาซาร์เลนส์หลายตัวเพื่อตรวจสอบความตึงเครียดของฮับเบิล [ 72 ] เมื่อภาพที่แตกต่างกันของแหล่งกำเนิดเดียวมีความยาวเส้นทางที่แตกต่างกัน ความแตกต่างนั้นสามารถวัดได้ผ่านการหน่วงเวลาระหว่างการกะพริบในภาพ ความแตกต่างของความยาวเส้นทาง บวกกับการสร้างแบบจำลองมวลที่เบี่ยงเบน สามารถใช้เพื่อประมาณระยะทางสัมบูรณ์ของแหล่งกำเนิด ซึ่งทำให้สามารถวัดระยะทางจักรวาลได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับบันไดระยะทางจักรวาล มาตรฐาน ผลลัพธ์บางส่วนจากปี 2020 ที่อ้างว่ามีความแม่นยำ 2-3% ต่อมาพบว่ามีข้อผิดพลาดที่เป็นระบบเนื่องจากสมมติฐานที่เข้มงวดเกินไป ในปี 2025 ความร่วมมือ TDCOSMO ได้ลดสมมติฐานลงอย่างมาก โดยเผยแพร่ผลลัพธ์ของ71.6 +3.9 −3.3 (กม./วินาที)/Mpc (ความแม่นยำประมาณ 5%) [ 73 ]
ตัวคูณทางกายภาพ
เมื่อควาซาร์สองดวงปรากฏอยู่ใกล้กันมากเมื่อมองจากโลก (แยกกันเพียงไม่กี่อาร์คเซคอนด์หรือน้อยกว่านั้น) โดยทั่วไปจะเรียกว่า "ควาซาร์คู่" หากคู่ที่มองเห็นได้นั้นยังแสดงให้เห็นว่าอยู่ใกล้กันในอวกาศด้วย (เช่น สังเกตพบว่ามีค่าเรดชิฟต์ที่คล้ายกัน) จะเรียกว่า "ควาซาร์คู่" หรือ "ควาซาร์ไบนารี" หรือ "ควาซาร์คู่" [ 74 ] [ 75 ]หากอยู่ใกล้กันมากพอที่กาแล็กซีเจ้าบ้านของพวกมันมีแนวโน้มที่จะมีปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ[ 76 ]
เนื่องจากควาซาร์เป็นวัตถุที่หายากในจักรวาล ความน่าจะเป็นที่จะพบควาซาร์สามดวงขึ้นไปอยู่ใกล้กันในตำแหน่งทางกายภาพเดียวกันจึงต่ำมาก และการพิจารณาว่าระบบนั้นอยู่ใกล้กันในทางกายภาพหรือไม่นั้นต้องอาศัยความพยายามในการสังเกตการณ์อย่างมาก ซึ่งแหล่งกำเนิดที่คล้ายควาซาร์ส่วนใหญ่ไม่เคยได้รับ ส่งผลให้ไม่ค่อยมีใครรู้จักควาซาร์หลายดวงที่อยู่ใกล้กันในทางกายภาพ
ควาซาร์ทางกายภาพหลายตัวสามารถเป็นกลไกสำคัญในการศึกษาปฏิสัมพันธ์และวิวัฒนาการของกาแล็กซี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเอกภพยุคแรก เช่น เมื่อการก่อตัวของดาวฤกษ์และกิจกรรมของกาแล็กซีอยู่ในระดับสูงสุด (เรดชิฟต์ z=2) [ 77 ]
การสำรวจท้องฟ้าทั้งหมดทางดาราศาสตร์ของ Gaia ซึ่งเป็นการสำรวจควาซาร์หลายดวงครั้งแรก ชี้ให้เห็นว่าควาซาร์ J0749+2255 ที่ค้นพบโดย Sloan Digital Sky Surveyนั้นเป็นควาซาร์คู่ การสังเกตการณ์ติดตามผลโดย Hubble, Keck, Gemini, Chandra และ VLA ยืนยันถึงลักษณะที่แท้จริงของแหล่งกำเนิดนี้ ซึ่งเป็นกาแล็กซีคู่ที่มีปฏิสัมพันธ์กันที่ค่าเรดชิฟต์ z=2.17 [ 74 ] [ 75 ]คาดว่างานในอนาคตด้วยข้อมูล Gaia ที่เผยแพร่ออกมาจะช่วยขยายแคตตาล็อกของควาซาร์หลายดวงทั้งแบบเลนส์และแบบทางกายภาพ และการวิจัยกาแล็กซีที่เกี่ยวข้องอย่างมีนัยสำคัญ[ 70 ] [ 78 ]
ควาซาร์สามดวงแรกที่แท้จริงถูกค้นพบในปี 2007 จากการสังเกตการณ์ที่หอดูดาว WM KeckในMauna Keaรัฐฮาวาย[ 79 ] LBQS 1429-008 (หรือ QQQ J1432-0106) ถูกสังเกตการณ์ครั้งแรกในปี 1989 และในขณะนั้นพบว่าเป็นควาซาร์คู่ เมื่อนักดาราศาสตร์ค้นพบสมาชิกดวงที่สาม พวกเขายืนยันว่าแหล่งกำเนิดแยกจากกันและไม่ใช่ผลจากเลนส์โน้มถ่วง ควาซาร์สามดวงนี้มีค่าเรดชิฟต์z = 2.076 [ 80 ]ส่วนประกอบต่างๆ แยกจากกันโดยประมาณ 30–50 กิโลพาร์เซก (ประมาณ 97,000–160,000 ปีแสง) ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับกาแล็กซีที่มีปฏิสัมพันธ์กัน[ 81 ]ในปี 2013 ควอซาร์สามดวงที่แท้จริงดวงที่สอง QQQ J1519+0627 ถูกค้นพบโดยมีค่าเรดชิฟต์z = 1.51 ซึ่งระบบทั้งหมดอยู่ในระยะห่างทางกายภาพ 25 กิโลพาร์เซก (ประมาณ 80,000 ปีแสง) [ 82 ] [ 83 ]
ระบบควอซาร์ควอดรูเพิลที่แท้จริงระบบแรกถูกค้นพบในปี 2015 ที่ค่าเรดชิฟต์z = 2.0412 และมีขนาดทางกายภาพโดยรวมประมาณ 200 กิโลพาร์เซก (ประมาณ 650,000 ปีแสง) [ 84 ]
แกลเลอรี่
ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของ NASA/ESA สองภาพนี้เผยให้เห็นควาซาร์สองคู่ที่เคยมีอยู่เมื่อ 10 พันล้านปีก่อนและตั้งอยู่ใจกลางกาแล็กซีที่กำลังรวมตัวกัน[ 85 ]
ภาพนี้จาก กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ของ NASA/ESA/CSA แสดงให้เห็นการเรียงตัวของกาแล็กซีสิบแห่ง เส้นใยยาว 3 ล้านปีแสงนั้นมีควาซาร์เป็นจุดยึด
ภาพควาซาร์ SDSS J165202.64+172852.3 ตรงกลางและด้านขวาแสดงการสังเกตการณ์ใหม่จาก JWST ในหลายความยาวคลื่นเพื่อแสดงการกระจายตัวของก๊าซรอบวัตถุ[ 86 ]
ภาพควาซาร์ HE0450-2958 ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล โดยใช้เทคนิคการประมวลผลภาพขั้นสูงที่เรียกว่า MCS-deconvolution
ภาพถ่ายนี้แสดงภาพของควาซาร์ HE 1013-2136 (ตรงกลาง) และบริเวณโดยรอบ
ภาพถ่ายควาซาร์ 3C 273 จากกล้อง Advanced Camera for Surveys ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
แผนที่คลื่นวิทยุของควาซาร์ 3C48 ที่สร้างจากข้อมูลการสังเกตการณ์ VLBA ที่ความถี่ 1.4 GHz โดยผู้โพสต์ เครื่องหมายกากบาทแสดงถึงแกนกลาง ลูกศรแสดงระยะ 0.5 อาร์คเซค
ภาพนี้จากกล้อง Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล น่าจะเป็นภาพที่ดีที่สุดของควาซาร์โบราณและสว่างไสว 3C 273 ซึ่งอยู่ในกาแล็กซีรูปทรงรีขนาดยักษ์ในกลุ่มดาวหญิงสาว (Virgo)
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- 3C 273: ดาวแปรแสงเด่นประจำฤดูกาล
- ภาพจาก SDSS ของควาซาร์ 3C 273 จากเว็บไซต์ SKY-MAP.ORG
- ขยายแกลเลอรีภาพ Quasar ความละเอียดสูง
- แกลเลอรีภาพสเปกตรัมของควาซาร์จาก SDSS
- โครงงานนักศึกษาขั้นสูงของ SDSS: ควอซาร์
- หลุมดำ: แรงดึงดูดอันไม่หยุดยั้งของแรงโน้มถ่วงเว็บไซต์มัลติมีเดียเชิงโต้ตอบที่ได้รับรางวัล เกี่ยวกับฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของหลุมดำ จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ
- เสียงบรรยาย: เฟรเซอร์ เคน/พาเมลา แอล. เกย์ – รายการดาราศาสตร์ ควอซาร์ – กรกฎาคม 2551
- เมอร์ริฟิลด์, ไมเคิล; คอปแลนด์, บรรณาธิการ "z~1.3 – โครงสร้างขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ[ในจักรวาล] " หกสิบสัญลักษณ์สำนักพิมพ์เบรดี้ ฮารานสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม