קוואזר

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

קוואזרים (באנגלית: Quasars) וגרעיני גלקסיות פעילים (באנגלית: Active Galactic Nuclei) הם גלקסיות שבמרכזן יש חור שחור מאסיבי, שמסתו מיליוני עד מיליארד מסות שמש ופעיל. בפעיל הכוונה שחורים שחורים אלו סופחים עליהם גז ופולטים קרינה אלקטרומגנטית רבה.

צילום רדיו של הקוואזר 3C175c והסילונים הנפלטים ממנו. צילום: המערך הגדול מאד, מצפה הרדיו האסטרונומי הלאומי של ארה"ב.


קוואזר (באנגלית: Quasar), לעיתים מכונה בקיצור QSO, הוא קיצור של עצם דמוי כוכב (באנגלית: Quasi-Stellar Radio Source) הוא סוג של עצם אסטרופיזיקלי המהווה חלק מקבוצת אובייקטים גדולה יותר הנקראים גרעיני גלקסיות פעילים. עם קבוצה זו נמנים גם גלקסיות סיפרט (באנגלית: Seyfert Galaxies), גלקסיות רדיו (באנגלית: Radio Galaxies), ועצמים מסוג בלאזרים (באנגלית: Blasars). מייחדת את העצמים הללו היא פליטה אלקטרומגנטית בתחום רחב של ארכי גל המרמזת על כך שמקורה אינו בכוכבים. לא כל הגלקסיות מכילות גרעינים פעילים אולם ישנה סברה כי במרכזן של רובן אם לא כולן, היו גרעינים פעילים בעבר (ראו גם: החור השחור במרכז גלקסית שביל החלב). כאן נתייחס לגרעיני גלקסיות פעילים בשם הכולל קוואזרים.

גילוי הקוואזרים

בשנת 1960 נלקח ספקטרום אופטי של עצם דמוי כוכב (כלומר עצם נקודתי) אשר קווי הפליטה שבו לא היו מוכרים למדע, ושכמותם לא נצפו על כדור הארץ ובאובייקטים האסטרונומיים הידועים עד אותו הזמן. בשנת 1963 הראה האסטרונום מרטין שמידט מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה כי הקווים המוזרים הינם קווים רגילים של מימן אך הם מוסחים לאדום בשיעור ניכר. הסחה גדולה לאדום פירושה שהאובייקט נע מאיתנו במהירויות גבוהות מאד. מחקרים נוספים הראו כי מקור המהירויות הללו של קוואזרים הוא קוסמולוגי (ראו הסחה לאדום קוסמולוגית) ועל פי חוק האבל אובייקטים אלו רחוקים מאיתנו מאד. עקב מרחקם הרב הסתמן שבהירותם של אובייקטים דמויי כוכב אלה היא גדולה עשרות מונים מזו של גלקסיות שלמות. מאז גילויים לפני כחמישים שנה הסתבר כי קוואזרים שוכנים במרכזן של גלקסיות. כמו כן נתברר כי במרכזן של גלקסיות רבות (קרובות כרחוקות) נמצאים אובייקטים דמויי קוואזרים אשר הינם בעלי בהירות חלשה יותר ותכונותיהם רבות ומגוונות.

תכונותיהם הנצפות של קוואזרים

קוואזרים קורנים קרינה אלקטרומגנטית בתחום הרדיו, תת-אדום, אופטי, על-סגול, קרינת רנטגן וקרינת גמא ובכך הם שונים מאוד מכוכבים הקורנים רק בתחום צר של אורכי גל (השמש שלנו, לשם השוואה, קורנת בעיקר בתחום האופטי, ראו גם: קרינת גוף שחור). בנוסף פולטים קוואזרים קווי פליטה של יסודות שכיחים כדוגמת מימן, הליום, פחמן, חנקן, חמצן, סיליקון וברזל. למעשה, קווים אלו הם מסימני ההיכר המובהקים של קוואזרים. ישנם שני סוגים עיקריים של קווי פליטה:

  1. קווים רחבים אשר מעידים על מהירויות גבוהות של הגז הפולט (מסדר גודל של כמה אלפי קילומטרים לשניה) ואשר נובעים ממעברי אלקטרונים בין רמות מותרות באטום.
  2. קווים צרים אשר מעידים על מהירויות נמוכות יותר של הגז הפולט (מסדר גודל של כמה מאות קילומטרים לשניה) ואשר נובעים ממעברי אלקטרונים בין רמות מותרות ו"אסורות" (מעברים שאינם מסוג דיפול) באטום. באובייקטים חיוורים נראים על פי רוב רק קווים צרים. אובייקטים אלה נקראים קוואזרים מטיפוס שני והם נבדלים מאלה בעלי הקווים הרחבים (קוואזרים מטיפוס אחד). חלק (כ 20%) מהקוואזרים מטיפוס אחד מראים גם קווי בליעה עקב גז מיונן הנפלט מהקוואזר לכיוונינו (עצמים אלו נקראים קוואזרים בעלי קוי בליעה רחבים). תצפיות מראות כי הגז הבולע נע במהירויות של כמה אלפים עד עשרות אלפים קילומטרים לשניה. חלק מהקוואזרים בהירים במיוחד בתחום קרינת רדיו (עצמים אלו קרויים קוואזרים בעל פליטת רדיו חזקה) ומראים על פי רוב סילונים ענקיים של פלזמה היוצאים ממרכזם ואשר מימדיהם יכולים להיות גדולים בהרבה מגודל הגלקסיה המקיפה אותם. סילונים אלה אינם אחידים ולאורכם ישנם איזורים של פליטת קרינה מוגברת, אשר ניתן להתחקות אחר התפתחותם בזמן. מעקב תצפיתי גילה כי הם נעים במהירות רבה אשר לעיתים נראית כעוברת את מהירות האור (ראו: תנועה על אורית).


ספקטרום הקרינה בתחום האופטי של קוואזר טיפוסי (עוצמת הקרינה כתלות באורך הגל).

באיור משמאל – ספקטרום הקרינה בתחום האופטי של קוואזר טיפוסי (עוצמת הקרינה כתלות באורך הגל). בספקטרום ניתן להבחין בקרינת רצף (תחום אשר בו לא נראים קווי בליה או פליטה, לדוגמא בין 6000 ל 6500 אנגסטרם) הנובעת מדיסקת הספיחה. קווי פליטה רחבים (למשל סביב 5700 אנגסטרם) וקווי בליעה המלמדים על המצאות גז הנפלט מהקוואזר במהירות גבוהה.

המודל הפיזיקאלי של קוואזרים

Quasar schematic.png

ידוע כי לקוואזרים תכונות שונות ומגוונות. עם זאת, אסטרונומים מנסים לבנות מודל אשר יסביר את מרב התכונות בצורה הכללית ביותר האפשרית על מנת שנוכל להבינם. כעת נסקור בקצרה את המודל הנוכחי למבנה הקוואזרים והפיזיקה שלהם.

באיור משמאל – המבנה והגאומטריה של קוואזרים על פי תורת האיחוד של הקוואזרים. במרכז חור שחור המוקף דיסקת ספיחה הקורנת בכל אורכי הגל. סילוני הגז הענקיים מתחילים באזור זה בניצב לדיסקת הספיחה. רחוק יותר מצוי אזור הקווים הרחבים - באזור זה פזורים ענני גז האחראים לקווי הפליטה הרחבים. במרחק גדול אף יותר מצוי אזור הקווים הצרים שבו מצויים ענני גז דליל האחראים לפליטת הקויים הצרים. האיור לקוח מתוך ארי ופאדובאני (1995).

כל הקוואזרים מראים שינויים לא סדירים בעוצמת אורם על פני זמנים קצרים של ימים ועד זמנים ארוכים של שנים. מהשינויים בעלי זמן האופייני הקצר ניתן ללמוד כי גודלו של האזור הפולט הינו מסדר גודל של מערכת השמש שלנו. על כן על מנת להסביר את מקור האנרגיה של קוואזרים יש צורך ב"מנוע" קטן ממדים בעל הספק אדיר. על פי מירב העדויות, המנוע המצוי בקוואזרים הינו חור שחור שמסתו כמיליון עד מיליארד מסות שמש. האנרגיה מופקת מספיחת גז הנופל לעבר החור השחור. הגז הנספח מתחמם לטמפרטורות גבוהות וקורן קרינה בכל אורכי הגל. אזורים בדיסקה הקרובים יותר לחור השחור חמים יותר ופולטים קרינה בתחום קרינת ה-X ואילו החלקים החיצונים של הדיסקה קרים יותר ופולטים בתחום האור הנראה.

ככל הנראה ההבדל העיקרי בין קוואזר שבמרכזו חור שחור וגלקסיה רגילה שבמרכזה חור שחור הינו קצב ספיחת הגז. ככל שהוא גבוה יותר כך גרעין הגלקסיה יהיה בהיר יותר. לדוגמט במרכזה של גלקסית שביל החלב יש חור שחור שמסתו כ-4 מיליון מסות שמש, אך חור שחור זה איננו סופח גז בכמויות ניכרות (ראו גם: החור השחור במרכז גלקסית שביל החלב).

החלק המרכזי של הגלקסיה הפעילה NGC 4261. טבעת הגדולה הינה טורוס הגז והאבק ובמרכזו, הנקודה הבהירה, הינה ככל הנראה דיסקת הספיחה שמסביב לחור השחור המרכזי. צילום: טלסקופ החלל ע"ש האבל.

מעבר לדיסקת הספיחה של קוואזרים קיים גז אשר מואר ע"י הדיסקה ומחומם ומיונן כתוצאה מכך. הגז נע במהירויות של כמה אלפי קילומטרים לשניה ופולט קרינת קווים (כדוגמת קווי ליימן ובלמר של מימן). קווים אלה נראים כרחבים בספקטרום של קוואזרים ועל כן נקרא אזור זה אזור הקווים הרחבים (באנגלית: Broad Line Region) גז הנמצא במרחק רב יותר מהחור השחור נע במהירויות נמוכות יותר. גז זה אף הוא מיונן באמצעות קרינה מהדיסקה והוא פולט קווים צרים יחסית ועל כן שמו, אזור הקווים הצרים (באנגלית: Narrow Line Region). ההבדל בין קוואזרים מטיפוס אחד לאלה מטיפוס שתיים מוסבר ע"י תורת האיחוד של אובייקטים אלה הגורסת כי בין אזור הקווים הרחבים לאזור הקווים הצרים ישנו גז אשר מסתובב סביב החור השחור והינו בעל מבנה וגיאומטריה כשל אבוב (להלן הטורוס של הקוואזר). כאשר קו הראיה שלנו לקוואזר עובר דרך הטורוס, איננו רואים את אזור הקווים הרחבים עקב ההסתרה. כמו-כן, עצמתם הנמוכה היחסית של עצמים מסוג שניים מוסברת באמצעות הסתרת דיסקת הספיחה על-ידי הטורוס כך שרק מעט מן הקרינה מגיע לעברנו (וזאת באמצעות החזרה מפניו המוארים של הטורוס). תורת האיחוד גורסת כי כל הקוואזרים דומים מבחינה פיזיקאלית וכי ההבדלים ביניהם נובעים מקווי ראיה שונים.

בתמונה משמאל ניתן לראות את החלק המרכזי של הגלקסיה הפעילה NGC 4261. הטבעת הגדולה הינה טורוס הגז והאבק ובמרכזו, הנקודה הבהירה, הינה ככל הנראה דיסקת הספיחה שמסביב לחור השחור המרכזי.

קוואזרים מראים תופעות דינאמיות כדוגמת רוחות וסילוני גז הנעים מהם למרחק רב. מקורם של סילוני הגז הנראים ברדיו הוא בקרבת החור שחור. למרות שמנגנון ההאצה וההצרה (קולימציה) של סילונים אלה אינו ברור לחלוטין, מקורו ככל הנראה באינטראקציה של פלזמה (גז מיונן לחלוטין או "גז" של אלקטרונים ופוזיטרונים) עם שדות מגנטיים ממש סמוך לאופק האירועים של החור השחור. עקב האנרגיות האדירות באזורים אלה, תיתכן יצירתם של סילוני גז עצומים הנעים כמעט במהירות האור. מקורם של המהירות העל אורית אשר נצפית לעיתים באובייקטים אלה אינו סותר את תורת היחסות הפרטית, וכי תופעה זו מקורה ב"טעות אופטית".

מקורם של זרמי הגז אשר קווי הבליעה שלהם נראים בתחום העל-סגול ובקרני רנטגן קשור אף הוא למקור המרכזי ומודלים פיזיקאליים מראים כי הם נובעים מדיסקת הספיחה והטורוס באובייקטים אלה. גז זה מואץ על ידי שילוב של לחץ קרינה ולחץ גז (אשר אחראים גם להאצת גז למהירויות נמוכות יותר בכוכבים). לחץ קרינה נוצר כאשר פוטונים נבלעים או מוחזרים מיונים או אלקטרונים בגז. לחץ זה אינו ניכר בחיי יומיום אולם בצפיפויות הנמוכות המאפיינות את החומר בקוואזרים הוא מסוגל להאיץ גז למהירויות גבוהות על פני מרחקים גדולים.

קוואזרים ביקום הקדום

הקוואזרים אותם אנו רואים ביקום הקרוב דומים מאד בתכונותיהם לאלה ביקום הקדום. כיום אנו רואים קוואזרים אשר חיו כאשר היקום היה כעשירית מגילו הנוכחי. ניתן עם כן להסיק כי התנאים להיווצרותם היו כבר ביקום הקדום וזאת עוד לפני שהמבנים הגדולים (כדוגמת: צבירי גלקסיות) התפתחו. כיום אנו משערים כי קוואזרים נוצרו כבר ביקום הקדום באזורים אשר צפיפות היתה גבוהה יחסית לשאר היקום. איזורים אלה החלו לקרוס מתוקף כח הכבידה, החומר התחמם והקוואזר נדלק. בזמן חייו של קוואזר, החור השחור שבמרכזו סופח מסה ועל כן גדל. זהו אחד התהליכים החשובים לגדילת חורים שחורים סופר-מאסיביים כבר ביקום הקדום.

הקוואזרים שנדלקו ביקום הצעיר חיממו את סביבתם הניטרלית באמצעות קרינה ותרמו ליינונו של הגז בסביבתם ולעובדה שכיום רובו המוחלט של הגז ביקום הוא מיונן לחלוטין. חימום הגז מנע את המשך קריסתו הכבידתית (היות שלחץ הגז מתנגד לכוח המשיכה) וכך נוצר מבנה היקום הידוע לנו כיום המונה גלקסיות מטיפוסים שונים וגז חם ביניהן כמו גם צבירי גלקסיות. זרמי הגז המסיביים הנובעים קוואזרים תרמו ככל הנראה להיווצרותן של ליבות הגלקסיה כפי שאנו מכירים אותן כיום ואשר מסתן פרופורציונית למסת החור השחור (יחסי מאגוריאן, ראו גם: גלקסיה). תצפיות אחרונות בתחום קרני הרנטגן של צבירים מרמזות כי סילוני הגז מהקוואזרים הם בעלי השפעה נרחבת על התפתחותם של צבירי גלקסיות.

קוואזרים ביקום מופיעים בתחום רחב של בהירויות. מדגמים תצפיתיים אחרונים כדוגמת ה 2dF וה SDSS, מראים כי ביקום הקדום הקוואזרים היו בהירים יותר. טרם ידוע אם בהירותם יורדת עם הזמן או אם הקוואזרים הקדומים כבו זה מכבר ואילו חדשים, בעלי בהירות נמוכה יותר, נדלקים בימינו אנו. בכל מקרה, נראה כי הסיבה לתופעה זו נעוצה חלקית בעובדה שהקוואזר מחמם את סביבתו באופן שמונע את המשך קריסת החומר ומקטין את קצב התמרת אנרגיית הכבידה של הגז לקרינה. במרכז הגלקסיה שלנו נמצא חור שחור סופר-מאסיבי המרמז על פעילות של קוואזר בה בעבר הרחוק.

קוואזרים בשרות הקוסמולוגיה

הקוואזר המעודש RXJ0911+0551. צילום: פרויקט CASTLES, טלסקופ החלל ע"ש האבל.

קוואזרים בהיותם מהאובייקטים היותר בהירים (באופן מוחלט) ביקום, מאפשרים לנו לחקור את מעמקיו בדומה לפנס במערה חשוכה. דוגמה טובה לכך היא חקר המסה האפלה ביקום. מתורת היחסות הכללית של אינשטיין ידוע כי מסה יכולה להטות את מסלולן של קרני האור. האור מקוואזרים, בהיותם בקצה היקום, יכול להיות מושפע מאפקט זה. בשנים האחרונות נתגלו כמאה קוואזרים אשר במקום לראותם כאובייקט יחיד, אנו רואים אותם "משוכפלים" על פני השמים המרחק כמה שניות קשת זה מזה. מערכות אלה נקראות "קוואזרים מעודשים" (מלשון עדשה כבידתית - ראו מאמר מורחב בנושא: עידוש כבידתי) והן משמשות למדוד את כמות החומר בינינו לבין הקוואזר ובמיוחד את כמות המסה האפלה הנמצאת ביקום, שהיא מהבעיות החשובות ביותר והבלתי פתורות של הפיזיקה כיום. דוגמא לקוואזר מעודש ניתן לראות בצילום משמאל.


דוגמה נוספת לשימוש שנעשה בתצפיות של קוואזרים היא מדידת שכיחות היסודות ביקום (ראו גם: תגובות גרעיניות והיווצרות היסודות הכבדים). האור מקוואזרים עובר בדרכו אלינו בחומר בין-צבירי, בין-גלקטי, ובין-כוכבי. אי לכך, נוצרות חתימות ספקטראליות של חומרים שונים באור הקוואזר המגיע אלינו (כדוגמת קו בליעה של מימן). מדידה של חתימות אלו מאפשרת לנו להעריך את שכיחות היסודות ביקום הקדום ועד לימינו אנו. דבר זה מאפשר לנו ללמוד על הפיזיקה של הכוכבים הראשונים ועל קצב היווצרותם ביקום הקדום.

מדידת המסה של חורים שחורים בקוואזרים

אחת השיטות לשקילת חורים שחורים סופר מאסיביים ביקום עושה שימוש בתכונת השתנות הבהירות של קוואזרים בזמן. שיטת המדידה נקראת מיפוי באמצעות הדהוד (באנגלית: Reverberation Mapping) וכשמה כן היא, משתמשת בעובדה שתכונות אזור הקווים הרחבים מגיבות לשינויים בבהירות הקוואזר כפי שקיר מחזיר את גלי הקול הניחתים עליו. על ידי מדידה מדויקת של הפרשי הזמנים בין האות המגיע אלינו ישירות מהמקור (מדיסקת הספיחה) לבין האות כפי שהוא מגיע אלינו לאחר שהוחזר מהקיר (אזור הקווים הרחבים), ניתן לחשב את מרחקו של המקור מן הקיר; דהיינו, את מרחק אזור הקווים הרחבים מדיסקת הספיחה. מידע זה בתוספת הנתון על מהירות הגז הפולט את הקווים הרחבים סביב החור השחור נותן, באמצעות חוקי קפלר, את מסתו של החור שהחור. שיטה זו מדדה בהצלחה את מסותיהם של כמה עשרות חורים שחורים בקוואזרים כאשר החלק הארי של מחקר זה בוצע בישראל ע"י דר' שי כספי במצפה הכוכבים ע"ש וייז של אוניברסיטת תל-אביב.

ראו גם

הרצאות וידאו


קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


דורון שלוש