Dorrit Hoffleit la reuniunea AAVSO din iunie 1961, Nantucket, Massachusetts. (Credit: Din colecția M.W. Mayall, Arhivele AAVSO. Copyright 2005, AAVSO)
Era spațială era în plină desfășurare în 1963, iar știința astronomiei creștea cu pași repezi. Se făceau progrese rapide în radioastronomie, iar domeniul nou-nouț al astronomiei cu raze X deschidea o fereastră cu totul nouă asupra universului. Una dintre marile descoperiri ale anului 1963 a fost posibilitatea ca sursele radio cvasi-stelare, denumite quasari, să fie obiecte extragalactice aflate la distanțe mari, care emiteau cantități incredibile de energie de la jumătatea universului. O avalanșă de articole publicate în revista Nature la începutul anului 1963 a folosit o ocultare lunară întâmplătoare a unei surse radio cvasi-stelare localizată în Fecioară, 3C 273, pentru a determina cu precizie omologul optic al sursei radio luminoase. Ei au măsurat deplasarea spre roșu – deplasarea lungimii de undă a spectrului observat cauzată de expansiunea universului – și au descoperit că 3C 273 avea o deplasare spre roșu uluitoare de 0,158, ceea ce o plasează la o distanță de aproape două miliarde de ani lumină. Dar mai multe vești interesante urmau să apară.
Harlan J. Smith, care, împreună cu Dorrit Hoffleit, a folosit Harvard Plate Stacks pentru a investiga comportamentul istoric al lui 3C 273. (Credit: Ohio County Public Library, Wheeling, WV).
Două lucrări apărute la scurt timp după seria din Nature indică faptul că acest obiect îndepărtat și strălucitor era de fapt variabil pe scări temporale detectabile. Sharov & Efremov (1963; IBVS #23) a verificat un număr mic de plăci fotografice deținute de Institutul Sternberg din Uniunea Sovietică și a observat că obiectul era variabil, posibil pe scări de timp de luni de zile. Faptul că un obiect atât de strălucitor ca o întreagă galaxie poate varia la intervale de timp atât de scurte era de neconceput la acea vreme, iar misterul din jurul acestor obiecte s-a adâncit. Aproximativ în același timp, Harlan J. Smith și Dorrit Hoffleit de la AAVSO au folosit colecția mult mai mare de plăci fotografice deținute de Harvard College Observatory pentru a măsura curba de lumină a acestui obiect pe parcursul celor 80 de ani precedenți. Curba lor de lumină, publicată în Nature, a fost la fel de uimitoare. Nu numai că existau variații la intervale de timp de ani de zile, dar Smith și Hoffleit au detectat, de asemenea, erupții de câteva zecimi de magnitudine, cu o durată de câteva luni sau mai puțin. În mod clar, oricare ar fi fost sursa de energie, aceasta era mică – mai puțin de câteva luni-lumină, cel puțin!
Observațiile ulterioare ale acestor obiecte și ale multor altora au dezvăluit multe despre quasari și alte tipuri de nuclee galactice active (AGN) despre care știm acum că împodobesc universul nostru. Deplasarea spre roșu „enormă” a lui 3C 273 este acum considerată banală printre galaxiile cu deplasare spre roșu mare (care acum se extind până la deplasări spre roșu de 6 și mai mult), dar 3C 273 încă deține recordul de cel mai strălucitor quasar de pe cerul Pământului. De asemenea, are un loc special printre observatorii de „stele” variabile. Observatorii Asociației Americane a Observatorilor de Stele Variabile au monitorizat 3C 273 încă de la mijlocul anilor 1960, iar munca dumneavoastră a oferit o înregistrare clară a comportamentului fascinant al acestui obiect în ultimii 40 de ani.
Cuasarii
Cuasarii, la fel ca toate nucleele galactice active, se crede acum că sunt manifestări ale găurilor negre supermasive din centrele galaxiilor îndepărtate. Aceste găuri negre, unele cu mai mult de un miliard (109) de mase solare, se ascund în centrele puțurilor de potențial gravitațional ale galaxiilor lor gazdă. Discurile lor de acreție, compuse din gaz interstelar, praf și chiar stele întregi, sunt încălzite la energii foarte mari și radiază de la radio până la raze X.
Renatura artistică a unui mecanism de formare sugerat pentru jeturile astrofizice. Liniile de câmp magnetic ale unei găuri negre în rotație antrenează materia din discul de acreție, ejectând-o perpendicular pe disc cu o viteză apropiată de cea a luminii. Aceste particule relativiste emană apoi lumină la aproape toate lungimile de undă. (Credit: NASA, & Ann Field, STScI)
În apropierea găurii negre, lucrurile devin și mai aglomerate. Motoarele centrale ale AGN pot forma jeturi colimate de material, în care particulele sunt accelerate până aproape de viteza luminii, probabil de către câmpul magnetic al găurii negre însăși. Aceste particule – electroni, protoni și nuclee atomice mai grele – se întâlnesc cu câmpurile magnetice galactice și extragalactice și cu mediile interstelară și intergalactică și pot produce radiații la aproape toate lungimile de undă ale luminii. O parte din radiații sunt emisii sincrotronice, generate de electronii ultra-relativiști atunci când se rotesc în spirală în jurul liniilor de câmp magnetic pe care le întâlnesc. Emisia sincrotronică este responsabilă pentru emisia radio în aceste obiecte, dar poate genera emisie optică – și chiar și de raze X – în cele mai puternice jeturi. În jeturi se generează și raze X de înaltă energie și chiar raze gamma, printr-un proces în doi pași numit emisie sincrotronică și autocompton. În cadrul acestui proces, lumina sincrotronică de energie mai mică emisă de jeturi este împrăștiată prin efect Compton invers de același fascicul de electroni relativistici care le-a creat. Atunci când se întâmplă acest lucru, fotonii primesc un impuls energetic uriaș în detrimentul electronilor, creând raze X și raze gamma. Adesea, putem vedea jeturi radio în AGN chiar dacă acestea nu sunt aliniate cu linia noastră vizuală, dar, în mod normal, pentru a detecta razele X și razele gamma de cea mai mare energie, trebuie să privim „drept în josul țevii” jetului.
Imaginea Telescopului Spațial Hubble a nucleului și a jetului optic interior al lui M 87. În lumină optică, jetul are o dimensiune de câțiva kiloparsecs, dar în lumină radio, jetul are o dimensiune de sute de kiloparsecs, mult mai mare ca întindere decât galaxia optică însăși. (Credit: NASA & the Space Telescope Science Institute)
Multe dintre proprietățile spectrale și comportamentale ale AGN și ale quasarilor depind de orientarea din care privim motorul central și jetul (dacă există). Se crede că AGN vor fi cu atât mai strălucitoare cu cât jetul este îndreptat mai mult în direcția noastră, iar quasarii sunt priviți aproape direct. În cazurile în care jetul este aproape exact aliniat cu linia noastră vizuală, vedem cel mai extrem exemplu de AGN – un blazar. Blazarii (denumirea este o combinație între obiectul BL Lac și quasar) sunt cunoscuți pentru emisia lor de raze gamma, pentru spectrele lor optice în mare parte lipsite de caracteristici și pentru variabilitatea lor optică rapidă. 3C 273 a fost primul quasar care a fost observat în raze gamma (în 1976, de către satelitul european COS-B), chiar dacă jeturile nu sunt perfect aliniate cu noi. 3C 273 este considerat un membru al familiei blazarilor datorită emisiei sale de raze gamma și a variabilității sale. Dar are, de asemenea, unele caracteristici ale liniilor spectrale, inclusiv linii de emisie de hidrogen în spectrul optic și linii de fier în razele X. Lumina de la 3C 273 este probabil o combinație de radiații de la discul de acreție și de la jetul luminos.
Imagine HST a lui 3C 273 care arată structura la scară fină a jetului. Nodurile luminoase din interiorul jetului sunt șocuri – puncte în care materialul din jet se lovește de un „ambuteiaj” și încetinește, eliberând energie în acest proces. (Credit: NASA & J. Bahcall, Institutul pentru Studii Avansate)
În multe cazuri, vedem jeturi de la quasari și alte AGN-uri manifestate ca galaxii radio strălucitoare, extinse, cu lobi pufoși de emisie radio care se desfășoară de o parte și de alta a motorului central. Aceste jeturi și lobi radio se pot extinde uneori pe sute de kiloparsecuri de la galaxia centrală. În cele mai multe AGN, vedem aceste jeturi doar în lumină radio, dar, în principiu, jeturile pot genera emisie sincrotronică la orice lungime de undă, atâta timp cât particulele accelerate de jet au energii suficient de mari – cu cât energia electronilor este mai mare, cu atât mai mare este energia fotonilor pe care îi puteți obține. În câteva sisteme deosebit de energetice, putem vedea jeturile emise de gaura neagră la aproape toate lungimile de undă la care ne uităm. Un exemplu celebru este jetul galaxiei eliptice gigantice Virgo A, sau M 87. Micul jet optic din apropierea nucleului acestei galaxii a fost detectat la începutul secolului al XX-lea, iar acum observațiile radio și cu raze X ale acestei galaxii active arată că jetul este prezent și la aceste lungimi de undă.
Un alt exemplu notabil în acest sens este „Steaua” noastră variabilă a sezonului, 3C 273. Bev Oke și Maarten Schmidt (1963; AJ 68, 288) au remarcat existența „unui „wisp sau jet subțire adiacent”. O puteți vedea slab în imaginile Digital Sky Survey ale acestui quasar, îndreptate direct departe de sursa centrală, spre sud-vest. Jetul este perfect aliniat cu jetul radio al lui 3C 273 și se crede că este o emisie sincrotronică din aceeași sursă. Radiația de înaltă energie provine în cea mai mare parte de la nodurile din jet, unde jetul suferă șocuri pe măsură ce se lovește de gazul care înconjoară motorul central.
|
||||
Observarea lui 3C 273
Cuazarul 3C 273 este o sursă punctiformă în jurul magnitudinii 12,7 în constelația Virgo (J2000 RA:12 29 06,7, Dec:+02 03 08,6), iar hărțile AAVSO sunt disponibile aici. Observatorul AAVSO Thomas Cragg (CR) a făcut prima observație vizuală a lui 3C 273 pe 9 februarie 1964 (mvis=12,9), iar mulți alții din comunitatea AAVSO au urmărit cu entuziasm această sursă în ultimii 40 de ani. Curba de lumină pe termen lung a lui 3C 273 i-a ajutat pe teoreticienii quasarilor să înțeleagă comportamentul acestor obiecte, iar noi dorim de urgență ca comunitatea vizuală să continue să facă treabă bună! Ca și în cazul multor obiecte astronomice, curbele de lumină ale quasarilor devin din ce în ce mai valoroase cu cât sunt mai lungi, iar observațiile dumneavoastră vizuale au adus o contribuție importantă la știința acestor obiecte interesante.
Am inclus curba de lumină vizuală, mediată pe intervale de 1 an pentru claritate, care arată comportamentul lui 3C 273 în ultimii 40 de ani. Quasarul variază cu câteva zecimi de magnitudine pe raza sa de acțiune, iar aceste variații au loc pe intervale de timp de minim un an. Lucrările anterioare, inclusiv cele ale lui Smith și Hoffleit, au arătat că variațiile pot apărea chiar și la scări temporale de câteva luni; curba de lumină vizuală a AAVSO indică aceste variații datorită schimbărilor ocazional mari de la un an la altul, care pot avea o structură pe scări temporale mai scurte. Dimensiunea maximă a regiunii de variație este definită ca fiind timpul necesar pentru ca lumina să călătorească pe parcursul variației – în acest caz, cel mult câteva luni lumină. Acest lucru arată că motorul central al lui 3C 273 (și, de fapt, al tuturor quasarilor) este mic, cu mult mai puțin de un parsec în diametru.
Mediile pe un an ale observațiilor vizuale ale lui 3C 273 din AAVSO International Database. Variațiile în 3C 273 apar pe scări temporale mai mici de un an. Copyright 2005, AAVSO.
Steaua noastră variabilă a sezonului reprezintă, de asemenea, o țintă interesantă pentru comunitatea în creștere de spectroscopiști ai AAVSO. Ca toți quasarii, 3C 273 are un continuum relativ plat, ceea ce indică temperatura ridicată a sursei de continuum. De asemenea, la fel ca majoritatea quasarilor (dar spre deosebire de mulți blazari!), 3C 273 are linii de emisie în spectrul său, dintre care cele mai strălucitoare sunt liniile Balmer ale hidrogenului; lungimile de undă de rest frame ale H-α și H-β sunt 6563Å și 4862Å. Cu un spectrograf de rezoluție medie, se pot observa cu ușurință aceste două caracteristici. O parte din lărgimea liniei H-α provine din amestecul liniilor interzise ale azotului, dar, în general, liniile largi sunt cauzate de rotația rapidă a discului de acreție în jurul găurii negre centrale.
Desigur, dacă măsurați un spectru al lui 3C 273, nu veți găsi aceste linii la lungimile de undă ale cadrului de repaus! Una dintre cele mai importante descoperiri despre 3C 273 în 1963 a fost că se afla la o mare deplasare spre roșu, ceea ce înseamnă că liniile sunt deplasate spre lungimi de undă mai roșii de către expansiunea Hubble a universului. Deplasarea spre roșu este determinată de
unde λ și λ0 sunt lungimile de undă măsurate și cele din cadrul de repaus ale unei linii observate în spectru. Dacă puteți lua un spectru al lui 3C 273, încercați să măsurați singuri pozițiile liniilor. Ce deplasare spre roșu obțineți? Ca și în cazul observației vizuale, încercați să măsurați ceea ce vedeți, nu ceea ce „știți” că este răspunsul corect!
În cele din urmă, AAVSO ar dori ca și observatorii noștri CCD să participe la observații ale celui mai strălucitor quasar de pe cerul nostru! 3C 273 face parte din programul de monitorizare a blazarilor din cadrul Global Telescope Network (GTN), iar comunitatea de observatori GTN a făcut o treabă minunată în monitorizarea altor blazari din program, inclusiv BL Lac, Markarian 421 și Markarian 501. O hartă CCD pentru 3C 273 este disponibilă aici, și ne-ar plăcea să avem observatori CCD care să facă observații, fie ele lunare, săptămânale sau chiar zilnice! Ca și în cazul celorlalți blazari din programul GTN, sunt încurajate observațiile în serie de timp, cel puțin o noapte pe lună, împreună cu utilizarea filtrelor V și/sau IC. Deși mulți ani de fotometrie nu au dezvăluit încă variații rapide ale lui 3C 273 precum cele observate la adevărații blazari, acest obiect a arătat câteva indicii de comportament de flaring de-a lungul anilor, și poate că dumneavoastră ați putea fi cel care să surprindă debutul unui astfel de eveniment!
„Steaua” noastră variabilă a sezonului – quasarul 3C 273 din Fecioară – oferă ceva pentru întreaga noastră comunitate de observatori, vizuali și CCD, nordici și sudici. Cel mai strălucitor quasar de pe cerul Pământului vă oferă posibilitatea de a privi departe în univers și înapoi în timp și de a observa una dintre cele mai energetice clase de obiecte din universul nostru.
- Cominsky, L.R. et al., 2004, „The GTN-AAVSO Blazar Program”, prezentat la cea de-a 8-a reuniune a High Energy Astrophysics Division a Societății Astronomice Americane, septembrie 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
Pentru lecturi suplimentare:
- Getting Started with Blazars
- The AAVSO High Energy Network Blazar homepage
- An Amateur Survey With Professional Results (fișier pdf) de Aaron Price (AAVSO) et al.
- Quasars and Active Galactic Nuclei by 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
Strada variabilă a sezonului din această primăvară a fost pregătită de Dr. Matthew Templeton, AAVSO.