Kvasaren 3C 273

Dorrit Hoffleit vid AAVSO-mötet i juni 1961, Nantucket, Massachusetts. (Krediter: Från M.W. Mayalls samling, AAVSO-arkivet. Copyright 2005, AAVSO)

Rymdåldern var i full gång 1963, och astronomin växte med stormsteg. Snabba framsteg gjordes inom radioastronomin, och det helt nya området röntgenastronomi öppnade ett helt nytt fönster mot universum. En av de stora upptäckterna 1963 var möjligheten att de kvasistella radiokällorna, kallade kvasarer, var extragalaktiska objekt på stora avstånd som sände ut otroliga mängder energi från halva universum. I början av 1963 publicerades en mängd artiklar i tidskriften Nature där man utnyttjade en tillfällig månockultation av en kvasistjärnig radiokälla i Jungfrun, 3C 273, för att exakt bestämma den optiska motsvarigheten till den ljusstarka radiokällan. De mätte rödförskjutningen – den förskjutning av våglängden i det observerade spektrumet som orsakas av universums expansion – och fann att 3C 273 hade en häpnadsväckande rödförskjutning på 0,158, vilket placerar den nästan två miljarder ljusår bort. Men mer spännande nyheter hade ännu inte kommit.

Harlan J. Smith, som tillsammans med Dorrit Hoffleit använde Harvard Plate Stacks för att undersöka 3C 273:s historiska beteende. (Credit: Ohio County Public Library, Wheeling, WV).

Kort efter Nature-serien publicerades två artiklar som visade att detta avlägsna, ljusstarka objekt faktiskt var variabelt på påvisbara tidsskalor. Sharov & Efremov (1963; IBVS #23) kontrollerade ett litet antal fotografiska plåtar som innehas av Sternberginstitutet i Sovjetunionen, och noterade att objektet var variabelt, möjligen på månadsvisa tidsskalor. Att ett objekt som är så starkt lysande som en hel galax skulle variera på så korta tidsskalor var otänkbart vid den tiden, och mysteriet kring dessa objekt fördjupades. Ungefär samtidigt använde Harlan J. Smith och AAVSO:s egen Dorrit Hoffleit den mycket större samling fotografiska plåtar som innehas av Harvard College Observatory för att mäta ljuskurvan för detta objekt under de föregående 80 åren. Deras ljuskurva, som publicerades i Nature, var lika häpnadsväckande. Inte bara fanns det variationer med årslånga tidsskalor, utan Smith och Hoffleit upptäckte också utbrott av flera tiondels magnitud som varade i månader eller kortare tid. Vad energikällan än var så var den uppenbarligen liten – mindre än några ljusmånader åtminstone!

Sekvata observationer av dessa objekt och många fler har avslöjat mycket om de kvasarer och andra typer av aktiva galaktiska kärnor (AGN) som vi nu vet att vårt universum pryder. 3C 273:s ”enorma” rödförskjutning anses nu vara vardaglig bland galaxer med hög rödförskjutning (som nu sträcker sig till rödförskjutningar på 6 och längre), men 3C 273 har fortfarande rekordet som den ljusaste kvasaren på jordens himmel. Den har också en speciell plats bland observatörer av variabla ”stjärnor”. Observatörerna i American Association of Variable Star Observers har övervakat 3C 273 sedan mitten av 1960-talet, och ert arbete har gett en tydlig bild av detta objekts fascinerande beteende under de senaste 40 åren.

Kvasarer

Kvasarerna, liksom alla aktiva galaktiska kärnor, tros nu vara manifestationer av supermassiva svarta hål i centrum av avlägsna galaxer. Dessa svarta hål, vissa med mer än en miljard (109) solmassor, lurar i centrum av sina värdgalaxers gravitationspotentialbrunnar. Deras ackretionsskivor, som består av interstellär gas, stoft och till och med hela stjärnor, värms upp till mycket hög energi och strålar från radio till röntgen.

Konstnärlig återgivning av en föreslagen bildningsmekanism för astrofysiska jets. De magnetiska fältlinjerna i ett roterande svart hål drar med sig materia från ackretionsskivan och kastar ut den vinkelrätt mot skivan med nära ljusets hastighet. Dessa relativistiska partiklar avger sedan ljus i nästan alla våglängder. (Foto: NASA, & Ann Field, STScI)

Närmast det svarta hålet blir det ännu livligare. AGN:s centrala motorer kan bilda kollimerade materialstrålar, där partiklar accelereras till nästan ljusets hastighet, troligen av magnetfältet i själva det svarta hålet. Dessa partiklar – elektroner, protoner och tyngre atomkärnor – möter de galaktiska och extragalaktiska magnetfälten och de interstellära och intergalaktiska medierna och kan producera strålning i nästan alla ljusets våglängder. En del av strålningen är synkrotronstrålning som genereras av ultrarelativistiska elektroner när de snurrar runt de magnetfältlinjer de möter. Synkrotronstrålningen är ansvarig för radiostrålningen i dessa objekt, men kan generera optisk – och till och med röntgenstrålning – i de mest kraftfulla jets. Högenergiröntgenstrålar och till och med gammastrålar genereras också i jets genom en tvåstegsprocess som kallas synkrotron-själv Compton-emission. I denna process sprids synkrotronljus med lägre energi som emitteras av jetstrålarna omvänt Compton-strålning av samma stråle av relativistiska elektroner som skapade dem. När detta sker får fotonerna en enorm energiförstärkning på bekostnad av elektronerna, vilket ger upphov till röntgen- och gammastrålar. Vi kan ofta se radiostrålar i AGN även om de inte ligger i linje med vår siktlinje, men för att upptäcka de mest energirika röntgen- och gammastrålarna måste vi normalt sett titta ”rakt ner i pipan” på strålen.

Hubble Space Telescope bild av kärnan och den inre optiska strålen hos M 87. I optiskt ljus är jetstrålen flera kiloparsecs stor, men i radioljus är jetstrålen hundratals kiloparsecs stor, mycket större i omfattning än själva den optiska galaxen. (Credit: NASA & the Space Telescope Science Institute)

Många av de spektrala och beteendemässiga egenskaperna hos AGN och kvasarer beror på vilken orientering vi betraktar den centrala motorn och jetstrålen (om någon) från. Man tror att AGN blir ljusare ju närmare jetmotorn är riktad i vår riktning, och att kvasarerna betraktas nästan rakt fram. I de fall då strålen är nästan exakt riktad mot vår siktlinje ser vi det mest extrema exemplet på AGN – en blazar. Blazarer (namnet är en kombination av BL Lac object och kvasar) är kända för sin gammastrålning, för sina mestadels karaktärslösa optiska spektra och för sin snabba optiska variabilitet. 3C 273 var den första kvasar som observerades i gammastrålning (1976, av den europeiska satelliten COS-B), även om jetstrålarna inte är helt perfekt riktade mot oss. 3C 273 anses tillhöra blazarfamiljen på grund av sin gammastrålning och sin variabilitet. Men den har också vissa spektrallinjemärken, bland annat emissionslinjer av väte i det optiska ljuset och järnlinjer i röntgenstrålen. Ljuset från 3C 273 är sannolikt en kombination av strålning från ackretionsskivan och från den ljusa strålen.

HST-bild av 3C 273 som visar finskalig struktur i strålen. De ljusa knutarna i jetstrålen är chocker – punkter där jetmaterialet hamnar i en ”trafikstockning” och saktar ner, vilket frigör energi i processen. (Credit: NASA & J. Bahcall, Institute for Advanced Study)

I många fall ser vi jetstrålar från kvasarer och andra AGN manifesteras som ljusa, utdragna radiogalaxer, med fluffiga lobbar av radioutstrålning som väller ut på vardera sidan av den centrala motorn. Dessa radiostrålar och lobbar kan ibland sträcka sig hundratals kiloparsec bort från den centrala galaxen. I de flesta AGN ser vi dessa jetstrålar endast i radioljus, men i princip kan jetstrålar generera synkrotronstrålning vid vilken våglängd som helst, så länge de partiklar som accelereras av jetstrålen har tillräckligt hög energi – ju högre energi elektronerna har, desto högre energi har de fotoner man kan få ut. I några få särskilt energirika system kan vi se de jetstrålar som avges av det svarta hålet vid nästan alla våglängder vi tittar på. Ett berömt exempel är jetstrålen från den jättelika elliptiska galaxen Virgo A, eller M 87. Den lilla optiska strålen nära galaxens kärna upptäcktes i början av 1900-talet, och nu visar radio- och röntgenobservationer av denna aktiva galax att strålen finns även på dessa våglängder.

Ett annat anmärkningsvärt exempel på detta är vår variabla ”stjärna” för säsongen, 3C 273. Bev Oke och Maarten Schmidt (1963; AJ 68, 288) noterade förekomsten av ”en intilliggande tunn wisp eller jet”. Du kan svagt se den i Digital Sky Survey-bilder av denna kvasar, riktad direkt bort från den centrala källan i sydväst. Jetstrålen ligger perfekt i linje med radiojetstrålen från 3C 273, och tros vara synkrotronstrålning från samma källa. Den högenergiska strålningen kommer främst från knutar i strålen, där strålen genomgår stötar när den stöter på gas som omger den centrala motorn.

En bågminut breda bilder av 3C 273; vänster: Blue Digital Sky Survey 2, höger: VLA FIRST radioundersökning. I den optiska bilden är den röda ringbågen centrerad på den optiska jetstrålen, som pekar direkt bort från den centrala källan i sydväst. Radiostrålen är perfekt anpassad till den optiska strålen, vilket tyder på att de är gjorda genom samma process. Den optiska strålen, som först noterades av Bev Oke och Maarten Schmidt 1963, kan avbildas med djupa exponeringar av stora amatörteleskop. (Credits: DSS2-bilden har tagits av California Institute of Technology med medel från NSF, NASA, National Geographic Society, Sloan and Samuel Oschin Foundations och Eastman Kodak Corporation. VLA FIRST image copyright 1994, University of California.)

Observation av 3C 273

Kvasaren 3C 273 är en punktkälla runt magnitud 12,7 i stjärnbilden Jungfrun (J2000 RA:12 29 06,7, Dec:+02 03 08,6) och AAVSO-korten finns här. AAVSO-observatör Thomas Cragg (CR) gjorde den första visuella observationen av 3C 273 den 9 februari 1964 (mvis=12,9), och många andra i AAVSO-gemenskapen har entusiastiskt följt denna källa under de senaste 40 åren. Den långsiktiga ljuskurvan för 3C 273 har hjälpt kvasarteoretiker att förstå beteendet hos dessa objekt, och vi vill att den visuella gruppen fortsätter sitt goda arbete! Liksom för många astronomiska objekt blir ljuskurvorna för kvasarer mer och mer värdefulla ju längre de blir, och era visuella observationer har gett ett viktigt bidrag till vetenskapen om dessa spännande objekt.

Vi har inkluderat den visuella ljuskurvan, med medelvärde över 1-årsintervall för tydlighetens skull, som visar 3C 273:s beteende under de senaste 40 åren. Kvasaren varierar med några tiondels magnitud över sitt område, och dessa variationer inträffar på minst årslånga tidsskalor. Tidigare arbete, bland annat av Smith och Hoffleit, har visat att variationer även kan förekomma på tidsskalor på flera månader; AAVSO:s visuella ljuskurva antyder dessa variationer på grund av de ibland stora förändringarna från år till år som kan ha en struktur på kortare tidsskalor. Den maximala storleken på den varierande regionen definieras som den tid det tar för ljuset att färdas under variationens gång – i det här fallet högst några ljusmånader. Detta visar att den centrala motorn i 3C 273 (och faktiskt alla kvasarer) är liten, mycket mindre än en parsec i diameter.

Vår variabla stjärna för säsongen är också ett intressant mål för AAVSO:s växande grupp av spektroskopister. Liksom alla kvasarer har 3C 273 ett relativt platt kontinuum, vilket tyder på kontinuumkällans höga temperatur. Liksom de flesta kvasarer (men till skillnad från många blazarer!) har 3C 273 också emissionslinjer i sitt spektrum, varav de ljusaste är Balmer-linjerna från väte; restramens våglängder för H-α och H-β är 6563Å och 4862Å. Med en spektrograf med medelhög upplösning kan man lätt upptäcka dessa två drag. En del av bredden hos H-α-linjen kommer från blandningen av förbjudna kvävelinjer, men i allmänhet orsakas breda linjer av den snabba rotationen av ackretionsskivan runt det centrala svarta hålet.

Om du mäter ett spektrum av 3C 273 kommer du naturligtvis inte att hitta dessa linjer vid deras våglängder i vilaramen! En av de viktigaste upptäckterna om 3C 273 1963 var att den befann sig vid en hög rödförskjutning, vilket innebär att linjerna är förskjutna mot rödare våglängder av universums Hubble-expansion. Rödförskjutningen bestäms av

där λ och λ0 är den uppmätta och viljemässiga våglängden för en observerad linje i spektrumet. Om du kan ta ett spektrum av 3C 273, försök att själv mäta linjernas positioner. Vilken rödförskjutning får du fram? Precis som vid visuell observation, försök att mäta vad du ser, inte vad du ”vet” att det rätta svaret är!

För att avsluta vill AAVSO också att våra CCD-observatörer ska delta i observationer av den ljusaste kvasaren på vår himmel! 3C 273 är en del av Global Telescope Network (GTN) Blazar-övervakningsprogrammet, och GTN-observatörsgemenskapen har gjort ett fantastiskt arbete med att övervaka andra blazars i programmet, inklusive BL Lac, Markarian 421 och Markarian 501. Ett CCD-diagram för 3C 273 finns här, och vi skulle gärna vilja ha CCD-observatörer som gör observationer, vare sig de sker månadsvis, veckovis eller till och med dagligen! Liksom för de andra blazarerna i GTN-programmet uppmuntras tidsserieobservationer minst en natt per månad, tillsammans med användning av V- och/eller IC-filter. Även om många års fotometri ännu inte har avslöjat snabba variationer i 3C 273 som de som ses i de riktiga blazarerna, har detta objekt visat några antydningar om flaringbeteende genom åren, och kanske kan du vara den som fångar uppkomsten av en sådan händelse!

Vår variabla ”stjärna” för säsongen – kvasaren 3C 273 i Jungfrun – erbjuder något för alla våra observatörer, både visuella och CCD-observatörer, nordliga och sydliga. Den ljusaste kvasaren på jordens himmel ger dig möjlighet att titta långt över universum och tillbaka i tiden, och se en av de mest energirika klasserna av objekt i vårt universum.

• Cominsky, L.R. et al., 2004, ”The GTN-AAVSO Blazar Program,” presented at the 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. & 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

För vidare läsning:

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

Vårens säsongens variabla stjärnor har utarbetats av Dr. Matthew Templeton, AAVSO.