Dorrit Hoffleit op de AAVSO-bijeenkomst van juni 1961, Nantucket, Massachusetts. (Krediet: Uit de M.W. Mayall-collectie, AAVSO-archief. Copyright 2005, AAVSO)
Het ruimtetijdperk was in 1963 in volle gang en de astronomiewetenschap groeide met sprongen. Er werd snel vooruitgang geboekt in de radioastronomie, en het gloednieuwe gebied van de röntgenastronomie opende een geheel nieuw venster op het heelal. Een van de grote ontdekkingen van 1963 was de mogelijkheid dat de quasi-stellar Radio Sources, quasars genoemd, extragalactische objecten op grote afstanden waren, die ongelooflijke hoeveelheden energie uitstraalden vanuit de halve ruimte van het heelal. Een golf van artikelen in het tijdschrift Nature begin 1963 maakte gebruik van een toevallige maanoccultatie van een quasi-stellaire radiobron in Virgo, 3C 273, om de optische tegenhanger van de heldere radiobron nauwkeurig te bepalen. Zij maten de roodverschuiving — de verschuiving in golflengte van het waargenomen spectrum veroorzaakt door de uitdijing van het heelal — en vonden dat 3C 273 een verbijsterende roodverschuiving van 0,158 had, waardoor het bijna twee miljard lichtjaar ver weg was. Maar er moest nog meer opwindend nieuws komen.
Harlan J. Smith, die samen met Dorrit Hoffleit de Harvard Plate Stacks gebruikte om het historische gedrag van 3C 273 te onderzoeken. (Credit: Ohio County Public Library, Wheeling, WV).
Twee artikelen verschenen kort na de Nature-serie en wezen erop dat dit verre, heldere object daadwerkelijk variabel was op detecteerbare tijdschalen. Sharov & Efremov (1963; IBVS #23) controleerde een klein aantal fotografische platen die in het bezit waren van het Sternberg Instituut in de Sovjet Unie, en merkte op dat het object variabel was, mogelijk op maandenlange tijdschalen. Het was destijds ondenkbaar dat een object dat zo helder is als een heel melkwegstelsel op zo’n korte tijdschaal kon variëren, en het mysterie rond deze objecten verdiepte zich. Rond dezelfde tijd gebruikten Harlan J. Smith en Dorrit Hoffleit van de AAVSO de veel grotere collectie fotografische platen van het Harvard College Observatory om de lichtkromme van dit object over de voorafgaande 80 jaar te meten. Hun lichtkromme, gepubliceerd in Nature, was eveneens verbazingwekkend. Niet alleen waren er variaties met een jaren lange tijdschaal, maar Smith en Hoffleit ontdekten ook zonnevlammen van enkele tienden van een magnitude, die maanden of minder duurden. Het is duidelijk dat, wat de energiebron ook was, hij klein was — op zijn minst minder dan een paar lichtmaanden!
Opvolgende waarnemingen van deze en vele andere objecten hebben veel onthuld over de quasars en andere soorten actieve galactische kernen (AGN) waarvan we nu weten dat ze ons heelal sieren. De “enorme” roodverschuiving van 3C 273 wordt nu als alledaags beschouwd onder de sterrenstelsels met hoge roodverschuiving (die nu tot roodverschuivingen van 6 en meer reiken), maar 3C 273 is nog steeds de helderste quasar aan de aardse hemel. De quasar heeft ook een speciale plaats onder variabele “sterren”-waarnemers. De waarnemers van de American Association of Variable Star Observers houden 3C 273 al sinds het midden van de jaren zestig in de gaten, en uw werk heeft een duidelijk beeld opgeleverd van het fascinerende gedrag van dit object in de afgelopen 40 jaar.
Quasars
De quasars, zoals alle actieve galactische kernen, worden nu verondersteld manifestaties te zijn van supermassieve zwarte gaten in de centra van verre melkwegstelsels. Deze zwarte gaten, sommige met meer dan een miljard (109) zonsmassa’s, liggen op de loer in de centra van de gravitatiepotentiaalputten van hun gaststelsels. Hun accretieschijven, bestaande uit interstellair gas, stof, en zelfs hele sterren, worden verhit tot zeer hoge energieën en stralen van de radio tot de röntgenstraling.
Artistieke weergave van een voorgesteld mechanisme voor de vorming van astrofysische jets. De magnetische veldlijnen van een roterend zwart gat nemen materie mee uit de accretieschijf en werpen deze loodrecht op de schijf uit met een snelheid die de lichtsnelheid benadert. Deze relativistische deeltjes geven dan licht op bijna alle golflengten. (Credit: NASA, & Ann Field, STScI)
Nabij het zwarte gat wordt het nog drukker. De centrale motoren van AGN kunnen samengebalde straalstromen van materiaal vormen, waarin deeltjes worden versneld tot bijna de snelheid van het licht, waarschijnlijk door het magnetische veld van het zwarte gat zelf. Deze deeltjes — elektronen, protonen, en zwaardere atoomkernen — komen in aanraking met de galactische en extragalactische magnetische velden en de interstellaire en intergalactische media, en kunnen straling produceren op bijna alle golflengten van het licht. Een deel van de straling is synchrotronstraling, opgewekt door ultrarelativistische elektronen wanneer zij in een spiraal rond de magnetische veldlijnen draaien die zij tegenkomen. Synchrotronstraling is verantwoordelijk voor de radiostraling in deze objecten, maar kan ook optische en zelfs röntgenstraling genereren in de krachtigste jets. Röntgenstraling met hoge energie en zelfs gammastraling worden ook in jets opgewekt, via een proces dat synchrotron-self Compton-emissie wordt genoemd en twee stappen omvat. Bij dit proces wordt synchrotronlicht met een lagere energie dat door de jets wordt uitgezonden omgekeerd verstrooid door dezelfde bundel relativistische elektronen die ze hebben gecreëerd. Wanneer dit gebeurt, krijgen de fotonen een enorme energiestoot ten koste van de elektronen, waardoor röntgen- en gammastralen ontstaan. We kunnen vaak radiojets zien in AGN, zelfs als ze niet uitgelijnd zijn met onze gezichtslijn, maar normaal gesproken, om de hoogste-energie röntgenstralen en gammastralen te detecteren, moeten we “recht in de loop” van de straal kijken.
Hubble Space Telescope-afbeelding van de kern en de binnenste optische straal van M 87. In optisch licht is de straal enkele kiloparsec groot, maar in radiolicht is de straal honderden kiloparsec groot, veel groter in omvang dan het optische melkwegstelsel zelf. (Credit: NASA & the Space Telescope Science Institute)
Veel van de spectrale en gedragseigenschappen van AGN en quasars hangen af van de oriëntatie van waaruit we de centrale motor en de jet (indien aanwezig) bekijken. Aangenomen wordt dat AGN helderder zijn naarmate de straal dichter in onze richting is gericht, en dat quasars bijna recht van voren worden bekeken. In gevallen waar de straal bijna precies uitgelijnd is met onze gezichtslijn, zien we het meest extreme voorbeeld van AGN — een blazar. Blazars (de naam is een combinatie van BL Lac object en quasar) staan bekend om hun gammastraling, hun meestal karakterloze optische spectra, en hun snelle optische variabiliteit. 3C 273 was de eerste quasar die in gammastraling werd waargenomen (in 1976, door de Europese COS-B satelliet), ook al staan de straalstromen niet helemaal perfect uitgelijnd met ons. 3C 273 wordt beschouwd als een lid van de blazar-familie vanwege zijn gammastraling en zijn veranderlijkheid. Maar hij heeft ook enkele spectraallijnen, waaronder emissielijnen van waterstof in het optische spectrum en ijzerlijnen in het röntgen spectrum. Het licht van 3C 273 is waarschijnlijk een combinatie van straling van de accretieschijf en van de heldere straal.
HST-opname van 3C 273 toont fijnschalige structuur in de jet. De heldere knopen in de straal zijn schokken – punten waar het straalmateriaal in een “file” terechtkomt en afremt, waarbij energie vrijkomt. (Krediet: NASA & J. Bahcall, Institute for Advanced Study)
In veel gevallen zien we dat jets van quasars en andere AGN zich manifesteren als heldere, uitgebreide radiosterrenstelsels, met pluizige lobben van radiostraling die uitwaaieren naar beide zijden van de centrale motor. Deze straalstromen en lobben kunnen zich soms honderden kiloparsec van het centrale melkwegstelsel uitstrekken. In de meeste AGN zien we deze straalstromen alleen in radiolicht, maar in principe kunnen straalstromen synchrotronemissie genereren op elke golflengte, zolang de deeltjes die door de straal worden versneld maar voldoende energie hebben — hoe hoger de energie van de elektronen, hoe hoger de energie van de fotonen die je eruit kunt krijgen. In een paar bijzonder energetische systemen kunnen we de door het zwarte gat uitgezonden stralen op bijna elke golflengte zien waar we in kijken. Een beroemd voorbeeld is de straal van het reusachtige elliptische sterrenstelsel Virgo A, of M 87. De kleine optische straal in de buurt van de kern van dit sterrenstelsel werd in het begin van de 20e eeuw ontdekt, en nu laten waarnemingen van radio en röntgenstraling van dit actieve sterrenstelsel zien dat de straal ook op die golflengten aanwezig is.
Een ander opmerkelijk voorbeeld hiervan is onze veranderlijke “ster” van het seizoen, 3C 273. Bev Oke en Maarten Schmidt (1963; AJ 68, 288) merkten het bestaan op van “een aangrenzend dun vleugeltje of straaltje”. Die is vaag te zien op Digital Sky Survey-beelden van deze quasar, die recht van de centrale bron af naar het zuidwesten zijn gericht. De straal is perfect uitgelijnd met de radiostraal van 3C 273, en men denkt dat het synchrotronstraling van dezelfde bron is. De hoogenergetische straling is vooral afkomstig van knopen in de straal, waar de straal schokken ondergaat als hij in gas rond de centrale motor terechtkomt.
|
||||
Observing 3C 273
De quasar 3C 273 is een puntbron rond magnitude 12,7 in het sterrenbeeld Maagd (J2000 RA:12 29 06,7, Dec:+02 03 08,6), en AAVSO-grafieken zijn hier beschikbaar. AAVSO-waarnemer Thomas Cragg (CR) deed de eerste visuele waarneming van 3C 273 op 9 februari 1964 (mvis=12,9), en vele anderen in de AAVSO-gemeenschap hebben deze bron de afgelopen 40 jaar met enthousiasme gevolgd. De lange-termijn lichtkromme van 3C 273 heeft quasar-theoretici geholpen om het gedrag van deze objecten te begrijpen, en we willen dringend dat de visuele gemeenschap doorgaat met het goede werk! Zoals bij veel astronomische objecten worden de lichtkrommen van quasars steeds waardevoller naarmate ze langer worden, en uw visuele waarnemingen hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de wetenschap van deze spannende objecten.
We hebben de visuele lichtcurve, gemiddeld over intervallen van 1 jaar voor de duidelijkheid, toegevoegd, die het gedrag van 3C 273 over de afgelopen 40 jaar laat zien. De quasar varieert met een paar tienden van een magnitude over zijn bereik, en deze variaties komen voor op een minimum van jaar-lange tijdschalen. Eerder werk, waaronder dat van Smith en Hoffleit, toonde aan dat variaties zelfs kunnen optreden op tijdschalen van maanden; de visuele lichtkromme van de AAVSO hint op deze variaties vanwege de soms grote jaar-tot-jaar-veranderingen die structuur op kortere termijn kunnen hebben. De maximumgrootte van het variërende gebied wordt gedefinieerd als de hoeveelheid tijd die het licht nodig heeft om in de loop van de variatie te reizen — in dit geval hooguit enkele lichtmaanden. Hieruit blijkt dat de centrale motor van 3C 273 (en eigenlijk alle quasars) klein is, veel minder dan één parsec in diameter.
Gemiddelden over een jaar van visuele waarnemingen van 3C 273 uit de internationale database van de AAVSO. Variaties in 3C 273 doen zich voor op tijdschalen korter dan een jaar. Copyright 2005, AAVSO.
Onze veranderlijke ster van het seizoen is ook een interessant doelwit voor de groeiende spectroscopistengemeenschap van de AAVSO. Zoals alle quasars heeft 3C 273 een relatief vlak continuüm, wat wijst op de hoge temperatuur van de continuümbron. Net als de meeste quasars (maar in tegenstelling tot veel blazars!) heeft 3C 273 emissielijnen in zijn spectrum, waarvan de helderste de Balmer-lijnen van waterstof zijn; de restframe-golflengten van H-α en H-β zijn 6563Å en 4862Å. Met een spectrograaf met gemiddelde resolutie kunnen deze twee kenmerken gemakkelijk worden waargenomen. Een deel van de breedte van de H-α lijn komt van de mengeling van stikstof verboden lijnen, maar in het algemeen worden de brede lijnen veroorzaakt door de snelle rotatie van de accretieschijf rond het centrale zwarte gat.
Als je een spectrum van 3C 273 meet, zul je deze lijnen natuurlijk niet op hun rustframe-golflengten vinden! Een van de belangrijkste ontdekkingen over 3C 273 in 1963 was dat deze zich op een hoge roodverschuiving bevond, wat betekent dat de lijnen door de Hubble-dansie van het heelal naar rodere golflengten zijn verschoven. De roodverschuiving wordt bepaald door
waarbij λ en λ0 de gemeten en de restframe-golflengte van een waargenomen lijn in het spectrum zijn. Als je een spectrum van 3C 273 kunt nemen, probeer dan zelf de posities van de lijnen te meten. Welke roodverschuiving krijg je dan? Probeer, net als bij visueel waarnemen, te meten wat je ziet, niet wat je “weet” dat het juiste antwoord is!
Ten slotte zou de AAVSO ook graag zien dat onze CCD waarnemers meedoen aan waarnemingen van de helderste quasar aan onze hemel! 3C 273 maakt deel uit van het Global Telescope Network (GTN) Blazar monitoring programma, en de GTN waarnemersgemeenschap heeft geweldig werk verricht met het monitoren van andere blazars in het programma, waaronder BL Lac, Markarian 421, en Markarian 501. Een CCD kaart voor 3C 273 is hier beschikbaar, en we zouden graag CCD waarnemers hebben die waarnemingen doen, maandelijks, wekelijks, of zelfs dagelijks! Net als bij de andere blazars in het GTN-programma worden tijdreekswaarnemingen van ten minste één nacht per maand aangemoedigd, samen met het gebruik van V- en/of IC-filters. Hoewel vele jaren van fotometrie nog geen snelle variaties in 3C 273 hebben laten zien zoals die in de echte blazars te zien zijn, heeft dit object in de loop der jaren een paar hints van flaringgedrag laten zien, en misschien ben jij degene die het begin van zo’n gebeurtenis kan zien!
Onze veranderlijke “ster” van het seizoen — de quasar 3C 273 in Virgo — biedt iets voor onze hele waarneemgemeenschap, visueel en CCD, noordelijk en zuidelijk. De helderste quasar aan de hemel van de aarde geeft u de mogelijkheid om ver in het heelal en terug in de tijd te kijken, en een van de meest energetische klassen van objecten in ons universum te bekijken.
- Cominsky, L.R. et al., 2004, “The GTN-AAVSO Blazar Program,” gepresenteerd op de 8e High Energy Astrophysics Division bijeenkomst van de 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. & 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
Voor verdere lectuur:
- Getting Started with Blazars
- The AAVSO High Energy Network Blazar homepage
- An Amateur Survey With Professional Results (pdf file) door Aaron Price (AAVSO) et al.
- Quasars and Active Galactic Nuclei door William Keel, University of Alabama
- AAVSO Charts
- The Global Telescope Network homepage at Sonoma State University
- NASA’s Imagine the Universe! pagina over actieve sterrenstelsels en quasars
- AAVSO Veranderlijke Sterren van het Seizoen: BL Lacertae en Markarian 421
De Veranderlijke Ster van het Seizoen van dit voorjaar werd voorbereid door Dr. Matthew Templeton, AAVSO.