Kvasaren 3C 273

Dorrit Hoffleit på AAVSO-mødet i juni 1961, Nantucket, Massachusetts. (Kilde: Fra M.W. Mayall-samlingen, AAVSO-arkivet. Copyright 2005, AAVSO)

Rumfartsalderen var godt i gang i 1963, og videnskaben om astronomi voksede med stormskridt. Der blev gjort hurtige fremskridt inden for radioastronomi, og det helt nye område, røntgenastronomi, åbnede et helt nyt vindue til universet. En af de store opdagelser i 1963 var muligheden for, at de kvasi-stellare radiokilder, kaldet kvasarer, var ekstragalaktiske objekter i store afstande, der udsendte utrolige mængder energi fra det halve af universet. En række artikler i tidsskriftet Nature i begyndelsen af 1963 benyttede sig af en tilfældig månebeklædning af en kvasi-stellar radiokilde i Jomfruen, 3C 273, til præcist at bestemme det optiske modstykke til den lyse radiokilde. De målte rødforskydningen – forskydningen i bølgelængden i det observerede spektrum forårsaget af universets udvidelse – og fandt, at 3C 273 havde en svimlende rødforskydning på 0,158, hvilket placerer den næsten to milliarder lysår væk. Men der var endnu flere spændende nyheder på vej.

Harlan J. Smith, som sammen med Dorrit Hoffleit brugte Harvard Plate Stacks til at undersøge 3C 273’s historiske opførsel. (Kilde: Ohio County Public Library, Wheeling, WV).

Kort efter Nature-serien udkom to artikler, der viste, at dette fjerne, lyse objekt faktisk var variabelt på registrerbare tidsskalaer. Sharov & Efremov (1963; IBVS #23) undersøgte et lille antal fotografiske plader, som Sternberg-instituttet i Sovjetunionen havde i sin besiddelse, og bemærkede, at objektet var variabelt, muligvis på månedlange tidsskalaer. At et objekt så lysstærkt som en hel galakse kunne variere på så korte tidsskalaer var utænkeligt på det tidspunkt, og mysteriet omkring disse objekter blev dybere og dybere. Omtrent samtidig brugte Harlan J. Smith og AAVSO’s egen Dorrit Hoffleit den meget større samling af fotografiske plader, som Harvard College Observatory havde, til at måle objektets lyskurve i løbet af de foregående 80 år. Deres lyskurve, der blev offentliggjort i Nature, var lige så forbløffende. Ikke alene var der variationer på årelange tidshorisonter, men Smith og Hoffleit opdagede også udbrud af flere tiendedele af en størrelsesgrad, der varede måneder eller mindre. Det er klart, at uanset hvad energikilden var, var den lille – i hvert fald mindre end et par lysmåneder!

Suekverende observationer af disse objekter og mange flere har afsløret meget om de kvasarer og andre typer af aktive galaktiske kerner (AGN), som vi nu ved, pryder vores univers. 3C 273’s “enorme” rødforskydning betragtes nu som banal blandt de højrødforskydede galakser (som nu strækker sig til rødforskydninger på 6 og derover), men 3C 273 har stadig rekorden som den klareste kvasar på Jordens himmel. Den har også en særlig plads blandt observatører af variable “stjerner”. Observatørerne i American Association of Variable Star Observers har overvåget 3C 273 siden midten af 1960’erne, og jeres arbejde har givet en klar registrering af dette objekts fascinerende adfærd i løbet af de sidste 40 år.

Quasarer

Qasarer, ligesom alle aktive galaktiske kerner, menes nu at være manifestationer af supermassive sorte huller i centrum af fjerne galakser. Disse sorte huller, hvoraf nogle har mere end en milliard (109) solmasser, ligger på lur i centrum af deres værtsgalaksers gravitationspotentielle brønde. Deres akkretionsskiver, der består af interstellar gas, støv og endda hele stjerner, opvarmes til meget høje energier og udstråler fra radio til røntgen.

Kunstnerisk gengivelse af en foreslået dannelsesmekanisme for astrofysiske jets. De magnetiske feltlinjer i et roterende sort hul trækker stof med sig fra akkretionsskiven og skubber det ud vinkelret på skiven med tæt på lysets hastighed. Disse relativistiske partikler udsender derefter lys ved næsten alle bølgelængder. (Kilde: NASA, & Ann Field, STScI)

Tæt på det sorte hul bliver tingene endnu mere travle. De centrale motorer i AGN kan danne kollimerede jets af materiale, hvor partikler accelereres til næsten lysets hastighed, sandsynligvis af selve det sorte huls magnetfelt. Disse partikler – elektroner, protoner og tungere atomkerner – møder de galaktiske og ekstragalaktiske magnetfelter og de interstellare og intergalaktiske medier og kan producere stråling ved næsten alle lysets bølgelængder. En del af strålingen er synkrotronemission, som genereres af ultrarelativistiske elektroner, når de spiralerer rundt om de magnetfeltlinjer, de møder. Synkrotronstråling er ansvarlig for radiostrålingen i disse objekter, men kan også frembringe optisk – og endda røntgenstråling – i de kraftigste jets. Højenergirøntgenstråler og endda gammastråler genereres også i jets gennem en totrins-proces kaldet synkrotron-selv Compton-emission. I denne proces bliver synkrotronlys med lavere energi, der udsendes af jets, omvendt Compton-spredt af den samme stråle af relativistiske elektroner, som har skabt dem. Når dette sker, får fotonerne en enorm energiforøgelse på bekostning af elektronerne, hvilket skaber røntgenstråler og gammastråler. Vi kan ofte se radiostråler i AGN, selv om de ikke er på linje med vores sigtelinje, men normalt skal vi kigge “lige ned i strålens løb” for at opdage de højenergiske røntgen- og gammastråler for at kunne se dem.

Hubble Space Telescope-billede af kernen og den indre optiske jet af M 87. I optisk lys er jetstrålen flere kiloparsec i størrelse, men i radiolys er jetstrålen flere hundrede kiloparsec i størrelse, hvilket er meget større i udstrækning end selve den optiske galakse. (Kilde: NASA & the Space Telescope Science Institute)

Mange af de spektrale og adfærdsmæssige egenskaber ved AGN og kvasarer afhænger af, hvilken orientering vi betragter den centrale motor og jet (hvis nogen) fra. Man mener, at AGN vil være lysere, jo tættere strålen peger i vores retning, og at kvasarer ses næsten ligeud. I de tilfælde, hvor strålen er næsten nøjagtigt rettet mod vores synslinje, ser vi det mest ekstreme eksempel på AGN – en blazar. Blazarer (navnet er en kombination af BL Lac-objekt og kvasar) er kendt for deres gammastråleemission, deres for det meste karakterløse optiske spektrum og deres hurtige optiske variabilitet. 3C 273 var den første kvasar, der blev observeret i gammastråler (i 1976 af den europæiske COS-B-satellit), selv om strålerne ikke er helt perfekt rettet ind efter os. 3C 273 betragtes som et medlem af blazar-familien på grund af dens gammastråleemission og dens variabilitet. Men den har også nogle spektrallinjetræk, herunder emissionslinjer af brint i det optiske område og jernlinjer i røntgenområdet. Lyset fra 3C 273 er sandsynligvis en kombination af stråling fra akkretionsskiven og fra den lyse jet.

HST-billede af 3C 273, der viser finskala struktur i strålen. De lyse knuder i strålen er stød – punkter, hvor strålens materiale løber ind i en “trafikprop” og bremser op og frigiver energi i processen. (Kilde: NASA & J. Bahcall, Institute for Advanced Study)

I mange tilfælde ser vi jets fra kvasarer og andre AGN manifesteret som lyse, udstrakte radiogalakser med fluffy lobes af radiostråling, der bølger ud på hver side af den centrale motor. Disse radiostråler og lobber kan undertiden strække sig hundredvis af kiloparsecs væk fra den centrale galakse. I de fleste AGN ser vi kun disse jets i radiolys, men i princippet kan jets generere synkrotronemission ved alle bølgelængder, så længe de partikler, der accelereres af strålen, har tilstrækkelig høj energi – jo højere energi elektronerne har, jo højere energi kan de fotoner, der kommer ud, have. I nogle få særligt energirige systemer kan vi se de jets, der udsendes af det sorte hul, ved næsten alle bølgelængder, vi kigger ind. Et berømt eksempel er strålen fra den elliptiske kæmpegalakse Virgo A, eller M 87. Den lille optiske jet nær galaksens kerne blev opdaget i begyndelsen af det 20. århundrede, og nu viser radio- og røntgenobservationer af denne aktive galakse, at jetten også er til stede ved disse bølgelængder.

Et andet bemærkelsesværdigt eksempel på dette er vores sæsonens variabel “stjerne”, 3C 273. Bev Oke og Maarten Schmidt (1963; AJ 68, 288) bemærkede eksistensen af “en tilstødende tynd wisp eller jet”. Du kan svagt se den på Digital Sky Survey-billeder af denne kvasar, der peger direkte væk fra den centrale kilde mod sydvest. Jetstrålen er perfekt justeret med radiostrålen fra 3C 273 og menes at være synkrotronemission fra den samme kilde. Den højenergiske stråling kommer hovedsagelig fra knuder i strålen, hvor strålen undergår stød, når den løber ind i gas, der omgiver den centrale motor.

Et bueminutters brede billeder af 3C 273; til venstre: Blue Digital Sky Survey 2, til højre: VLA FIRST radio-undersøgelse. I det optiske billede er den røde ring centreret på den optiske jet, der peger direkte væk fra den centrale kilde mod sydvest. Radiostrålen er perfekt justeret med den optiske stråle, hvilket indikerer, at de er skabt af den samme proces. Den optiske jet blev første gang bemærket af Bev Oke og Maarten Schmidt i 1963, og den optiske jet kan afbildes med dybe eksponeringer af store amatørteleskoper. (Credits: DSS2-billedet er fremstillet af California Institute of Technology med midler fra NSF, NASA, National Geographic Society, Sloan and Samuel Oschin Foundations og Eastman Kodak Corporation. VLA FIRST image copyright 1994, University of California.)

Observation af 3C 273

Kasaren 3C 273 er en punktkilde omkring størrelsesorden 12,7 i stjernebilledet Virgo (J2000 RA:12 29 06,7, Dec:+02 03 08,6), og AAVSO-kort er tilgængelige her. AAVSO-observatør Thomas Cragg (CR) foretog den første visuelle observation af 3C 273 den 9. februar 1964 (mvis=12,9), og mange andre i AAVSO-fællesskabet har med begejstring fulgt denne kilde i løbet af de sidste 40 år. Den langsigtede lyskurve for 3C 273 har hjulpet kvasarteoretikere med at forstå disse objekters opførsel, og vi ønsker indtrængende, at det visuelle fællesskab fortsætter det gode arbejde! Som med mange andre astronomiske objekter bliver lyskurverne for kvasarer mere og mere værdifulde, jo længere de bliver, og jeres visuelle observationer har ydet et vigtigt bidrag til videnskaben om disse spændende objekter.

Vi har medtaget den visuelle lyskurve, som for overskuelighedens skyld er midlet over 1-årsintervaller, og som viser 3C 273’s opførsel i løbet af de sidste 40 år. Kvasaren varierer med nogle få tiendedele af en magnitude over sit område, og disse variationer forekommer på mindst et år lange tidsskalaer. Tidligere arbejde, herunder Smith og Hoffleits arbejde, viste, at variationer endog kan forekomme på tidsskalaer på måneder; AAVSO’s visuelle lyskurve antyder disse variationer på grund af de lejlighedsvis store ændringer fra år til år, som kan have en struktur på kortere tidsskalaer. Den maksimale størrelse af det varierende område er defineret som den tid, det tager for lyset at rejse i løbet af variationen — i dette tilfælde højst et par lysmåneder. Dette viser, at den centrale motor i 3C 273 (og i øvrigt i alle kvasarer) er lille, langt mindre end en parsec i diameter.

Vores variabel stjerne i denne sæson er også et interessant mål for AAVSO’s voksende gruppe af spektroskopikere. Som alle kvasarer har 3C 273 et relativt fladt kontinuum, hvilket indikerer den høje temperatur i kontinuumkilden. Ligesom de fleste kvasarer (men i modsætning til mange blazarer!) har 3C 273 også emissionslinjer i sit spektrum, hvoraf de lyseste er Balmer-linjerne for brint; restrammens bølgelængder for H-α og H-β er 6563Å og 4862Å. Med en spektrograf med middelstor opløsning kan man let få øje på disse to træk. Noget af bredden af H-α-linjen kommer fra blandingen af forbudte linjer af kvælstof, men generelt skyldes brede linjer den hurtige rotation af akkretionsskiven omkring det centrale sorte hul.

Hvis man måler et spektrum af 3C 273, vil man naturligvis ikke finde disse linjer ved deres bølgelængder i hvilerammen! En af de vigtigste opdagelser om 3C 273 i 1963 var, at den befandt sig ved en høj rødforskydning, hvilket betyder, at linjerne er forskudt mod rødere bølgelængder på grund af Hubble-udvidelsen af universet. Rødforskydningen bestemmes ved

hvor λ og λ0 er den målte og hvileramme-bølgelængden for en observeret linje i spektret. Hvis du kan tage et spektrum af 3C 273, så prøv selv at måle linjernes positioner. Hvilken rødforskydning opnår du? Ligesom ved visuel observation skal du forsøge at måle det, du ser, ikke det, du “ved”, hvad det rigtige svar er!

Finally, AAVSO vil også gerne have vores CCD-observatører til at deltage i observationer af den lyseste kvasar på vores himmel også! 3C 273 er en del af Global Telescope Network (GTN) Blazar-overvågningsprogrammet, og GTN-observatørerne har gjort et fantastisk stykke arbejde med at overvåge andre blazarer i programmet, herunder BL Lac, Markarian 421 og Markarian 501. Et CCD-diagram for 3C 273 er tilgængeligt her, og vi vil meget gerne have CCD-observatører til at lave observationer, hvad enten de er månedlige, ugentlige eller endda daglige! Som med de andre blazarer i GTN-programmet opfordres der til tidsserieobservationer mindst en nat om måneden, sammen med brug af V- og/eller IC-filtre. Selv om mange års fotometri endnu ikke har afsløret hurtige variationer i 3C 273 som dem, der ses i de ægte blazarer, har dette objekt vist et par antydninger af flaringadfærd gennem årene, og måske kan du være den, der fanger starten på en sådan begivenhed!

Vores variable “stjerne” i denne sæson – kvasaren 3C 273 i Jomfruen – byder på noget for hele vores observatørgruppe, både visuelle og CCD-observatører, nordlige og sydlige. Den klareste kvasar på Jordens himmel giver dig mulighed for at kigge langt ud over universet og tilbage i tiden og se en af de mest energirige klasser af objekter i vores univers.

• Cominsky, L.R. et al., 2004, “The GTN-AAVSO Blazar Program,” præsenteret på 8th High Energy Astrophysics Division meeting of the American Astronomical Society, september 2004
• Edge, D.O. et al., 1959, “A Survey of Radio Sources at a Frequency of 159 Mc/s” , Memoirs of the Royal Astronomical Society 68, 37
• Oke, J.B., 1963, “Absolute Energy Distribution in the Optical Spectrum of 3C 273”, Nature 197, 1040
• Oke, J.B., 1963, “Absolute Energy Distribution in the Optical Spectrum of 3C 273”, Nature 197, 1040
• Oke, J.B. & Schmidt, M., 1963, “Optical Observations of the Radio Source 3C 273,” Astronomical Journal 68, 289
• Peterson, B.M., 1997, An Introduction to Active Galactic Nuclei (New York: Cambridge University Press)
• Schmidt, M., 1963, “3C 273: a star-like object with large red-shift,” Nature 197, 1040
• Sharov, A.S. & Efremov, Yu.N., 1963, “On the Light Variability of the Object Identified with the Radio Source 3C 273,” IBVS 23,1
• Smith, H.J. & Hoffleit, D., 1963, “Light Variations in the Superluminous Radio Galaxy 3C 273,” Nature 198, 650

For further reading:

• Get Started Started with Blazars
• The AAVSO High Energy Network Blazar homepage
• An Amateur Survey With Professional Results (pdf-fil) af Aaron Price (AAVSO) et al.
• Quasars and Active Galactic Nuclei af William Keel, University of Alabama
• AAVSO Charts
• The Global Telescope Network homepage at Sonoma State University
• NASA’s Imagine the Universe! side om aktive galakser og kvasarer
• AAVSO Variable Stars of the Season: BL Lacertae and Markarian 421

Dette forårets Variable Star Of The Season blev udarbejdet af Dr. Matthew Templeton, AAVSO.