Τι είναι τα κβάζαρ και γιατί είναι τα πιο λαμπρά αντικείμενα στον Κόσμο

Τα κβάζαρ στην πραγματικότητα είναι οι πυρήνες των ενεργών γαλαξιών, έχοντας έκταση ίση με το ένα εκατομμυριοστό της έκτασης του γαλαξία που τους φιλοξενεί. Είναι τεράστιες ‘κοσμικές μηχανές’ που αντλούν την ενέργεια τους από τον δίσκο συσσώρευσης του υλικού, που βρίσκεται γύρω από τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία τους. Εκπέμπουν δε ενέργεια (ραδιοκύματα, φωτεινή ενέργεια, υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες-Χ μέχρι και ακτίνες-γ) εκατομμύρια φορές αυτής που εκπέμπουν όλα τα άστρα ενός γαλαξία. Η δε ύλη που πέφτει μέσα στις μαύρες τρύπες είναι και ο κινητήριος μηχανισμός αυτής της ‘κοσμικής μηχανής’. Σήμερα υπάρχει συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων ότι τα κβάζαρ είναι η συμπαγής άλως του υλικού που περιβάλλει την υπερβαρέα μαύρη τρύπα του ενεργού γαλαξία.

Οι δύο πίδακες με υλικό που εκτοξεύονται λόγω της διατήρησης της ορμής από τον δίσκο συσσώρευσης του κβάζαρ

Πιο αναλυτικά όταν οι γαλαξίες μόλις είχαν σχηματιστεί στις απαρχές του σύμπαντος, υπήρχε πολύ ‘αδέσποτο’ αέριο διαθέσιμο για να πέσει μέσα στις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών, και οι μαύρες τρύπες έλαμπαν ως κβάζαρ. Μόλις οι γαλαξίες ‘γέρασαν’, το αέριο που ανεφοδίαζε τις τρύπες καταναλώθηκε και έτσι η λάμψη τους εξασθένισε και ‘έσβησε’.

Για να δημιουργηθεί μια φωτεινότητα των 1040 W (η τυπική φωτεινότητα ενός κβάζαρ), η υπερβαρέα μαύρη τρύπα πρέπει να καταναλώνει ύλη ισοδύναμη με 10 άστρα κάθε χρόνο. Τα πιο φωτεινά γνωστά κβάζαρ καταναλώνουν 1000 ηλιακές μάζες κάθε χρόνο ή μάζα ισοδύναμη με 600 γήινες μάζες την ώρα. Τα κβάζαρ ανάβουν ή σβήνουν ανάλογα με το υλικό του περιβάλλοντος τους, και επειδή τα κβάζαρ δεν μπορούν να συνεχίσουν να τροφοδοτούνται με υψηλούς ρυθμούς για 10 δισεκατομμύρια χρόνια, μόλις τελειώσει η συσσώρευση στο περιβάλλον της μαύρης τρύπας αερίου και σκόνης, το κβάζαρ γίνεται ένας κανονικός γαλαξίας.

Λόγω της μεγάλης λαμπρότητας τους είναι ορατά από μεγάλες αποστάσεις. Έχουν ανακαλυφθεί κβάζαρ με μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) z = 6.2. Ακόμα πιο εκπληκτικό από τη λαμπρότητα τους είναι το μικρό τους μέγεθος. Η ανάλυση δείχνει ότι πρέπει να έχουν μέγεθος παρόμοιο με του ηλιακού συστήματος. Έτσι, τα φωτεινότερα αντικείμενα στο σύμπαν είναι και τα μικρότερα.

Η μόνη θεωρία που έχει αποδειχθεί ικανή να εξηγήσει την καταπληκτική φωτεινότητα των κβάζαρ, λέει ότι εξαρτώνται από τις βαριές μαύρες τρύπες, στα κέντρα των γαλαξιών.

Πώς όμως μπορεί μια μαύρη τρύπα να ‘ακτινοβολεί’ τόσο πολύ;

Είναι από τα πιο παράδοξα φαινόμενα. Θεωρητικά μια μαύρη τρύπα είναι ανίκανη να ακτινοβολήσει, στην πραγματικότητα όμως τα κβάζαρ (η ευρύτερη περιοχή μιας μαύρης τρύπας όπως είπαμε) είναι τα φωτεινότερα γνωστά αντικείμενα στον Κόσμο.

Να θυμηθούμε ότι ο περιορισμός στην ακτινοβολία μιας μαύρης τρύπας, αναφέρεται μόνο στην ύλη που είναι μέσα στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας και δεν μπορεί να ακτινοβολήσει. Όμως, η έντονη ακτινοβολία από τα κβάζαρ προέρχεται έξω από αυτήν την περιοχή.

Τα κβάζαρ ακτινοβολούν επειδή το αέριο που πέφτει στη μαύρη τρύπα πρέπει να μειώσει τη μεγάλη στροφορμή που έχει. Δεν είναι εύκολο να πέσει υλικό μέσα σε μια μαύρη τρύπα έχοντας μεγάλη στροφορμή. Ο ορίζοντας γεγονότων γύρω από τη μαύρη τρύπα είναι μικρός, και τα σωματίδια πέφτοντας πρέπει να κατευθύνονται ακριβώς στο κέντρο της. Διαφορετικά ταλαντεύονται γύρω από τον ορίζοντα σε μια τροχιά γύρω από αυτήν. Ένα ανάλογο παράδειγμα είναι το νερό που πέφτει σε ένα νεροχύτη. Το νερό αναπόφευκτα στροβιλίζεται γύρω από την τρύπα του νεροχύτη, και πρέπει να μειώσει τη στροφορμή του προτού να μπορέσει να πάει κάτω. Το αέριο που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα, όπως το νερό, χάνει τη στροφορμή του με τον ίδιο τρόπο, σχηματίζοντας ένα στροβιλιζόμενο δίσκο του υλικού κοντά στον αγωγό – τον ορίζοντα γεγονότων στην περίπτωση μας.

Το υλικό κοντά στον ‘αγωγό’ περιστρέφεται γρηγορότερα και «τρίβεται» σε σχέση με το υλικό που βρίσκεται πιο μακριά και έτσι περιστρέφεται ολοένα πιο αργά. Η ταχύτητα του υλικού λόγω των τριβών μειώνεται, οπότε κινείται αργά σπειροειδώς προς το κέντρο. Τελικά, πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων και χάνεται για πάντα. Στα κβάζαρ, τέτοιοι περιστρεφόμενοι δίσκοι από υλικό ονομάζονται δίσκοι συσσώρευσης ή προσαύξησης.

Προσέξτε τώρα. Στο στάδιο που τρίβονται μεταξύ τους τα σωματίδια – καθώς περιστρέφονται πολύ γρήγορα τα στρώματα του αερίου και της σκόνης – αποκτούν θερμοκρασίες τεράστιες, ακόμα και εκατομμύρια βαθμούς για αυτά που είναι πιο κοντά στην τρύπα. Το δε αέριο με την πυράκτωση αυτή εκπέμπει έντονη θερμική ακτινοβολία σε λευκό χρώμα. Στα πιο φωτεινά άρα και μεγάλα κβάζαρ, αυτός ο πυρακτωμένος δίσκος του αερίου μπορεί να εκτείνεται σε μια απόσταση 10.000 φορές μεγαλύτερη από την απόσταση της Γης από τον ήλιο, ή περίπου το 5% της απόστασης του ήλιου από το πιο κοντινό μας αστέρι. Φανταστείτε τώρα έναν πυρακτωμένο δίσκο πολύ πιο καυτό από την επιφάνεια ενός άστρου με τόση μεγάλη ακτίνα. Ο συνδυασμός της θερμικής ακτινοβολίας σε λευκό χρώμα συν το μεγάλο μέγεθος του δίσκου, κάνουν τα κβάζαρ τα πιο φωτεινά αντικείμενα στο σύμπαν.

Τελικά, η ενέργεια που ακτινοβολείται από τα κβάζαρ προέρχεται από τη σταδιακή μείωση της ταχύτητας του αερίου καθώς πέφτει στην τρύπα. Το μεγαλύτερο μέρος της της κινητικής ενέργειας γίνεται θερμότητα με τη βοήθεια του έργου των τριβών, και ακτινοβολείται έπειτα ως θερμική ακτινοβολία. Ένα συνηθισμένο κβάζαρ για να στηρίξει τη λαμπρότητα του πρέπει να καταπιεί περίπου 1 ηλιακή μάζα σε αέριο ετησίως, ενώ τα μεγαλύτερα ακόμα και 1000 ηλιακές μάζες.

Οι δίσκοι συσσώρευσης ακτινοβολούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους στο υπεριώδες, ενώ ένα μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας είναι πιθανόν ακτινοβολία σύγχροτρον. Ο δίσκος ενός κβάζαρ λόγω του πάχους του συλλαμβάνει αρκετή από την υπεριώδη ακτινοβολία των κεντρικών του τμημάτων (κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας) και την επανεκπέμπει στο υπέρυθρο.

Πολύ συχνά οι δίσκοι συσσώρευσης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, έναν σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Το σχήμα και η συμπεριφορά των πιδάκων διέπονται από τη διατήρηση της ορμής (σε αντιδιαστολή με τη διατήρηση της στροφορμής, που διέπει τους δίσκους συσσώρευσης). Ένας πίδακας εξακολουθεί να κινείται σε ευθεία γραμμή έως ότου επιβραδυνθεί μεταβιβάζοντος την ορμή του στα γύρω αέρια. Καθώς ο πίδακας επιβραδύνεται, μετατρέπει την κινητική του ενέργεια σε θερμότητα και ακτινοβολία, όπως ακριβώς και οι δίσκοι συσσώρευσης.

Η δράση των κβάζαρ έφτασε στο απόγειο της λίγα δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, γι αυτό τότε υπήρχαν χίλιες φορές περισσότερα κβάζαρ από αυτά που υπάρχουν σήμερα. Θεωρούμε, όπως προαναφέραμε, ότι η εξαφάνιση των κβάζαρ οφείλεται στο τέλος του ανεφοδιασμού τους με καύσιμα. Παλιότερα υπήρχε άφθονο αέριο, προτού να συμπυκνωθεί στα αστέρια. Τώρα το μεγαλύτερο μέρος αυτού του αερίου είναι ‘κλειδωμένο’ και δεν είναι πια διαθέσιμο για να πέσει στις κεντρικές μαύρες τρύπες.

Στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα με 1 εκατομμύριο ηλιακές μάζες, και σε απόσταση μόνο 30.000 έτη φωτός από τον ήλιο. Αλλά το αέριο που την τροφοδοτούσε τελείωσε και γι αυτό εκπέμπει μόνο μια εξασθενημένη ραδιοακτινοβολία, ένα ‘χλωμό’ φως από αυτό που πρέπει να ήταν πριν μερικά δισεκατομμύρια χρόνια.