Michael Disney(Nowe spojrzenie na kwazary)

Nowe spojrzenie na kwazary

Przeprowadzone ostatnio obserwacje
za pomocà Kosmicznego Teleskopu Hubble’a
mogà wyjaÊniç istot´ i pochodzenie kwazarów
– tajemniczych si∏owni Kosmosu

Michael Disney

44 Â

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998 45

wazary sà najjaÊniejszymi obiek-
tami we WszechÊwiecie. Wypro-
mieniowujà setki razy wi´cej

energii ni˝ olbrzymie galaktyki, takie choç-
by jak nasza Droga Mleczna, która Êwie-
ci z jasnoÊcià 10 mld S∏oƒc. Pomimo to sà
one, jak na standardy astrofizyczne, obiek-
tami filigranowymi – liczà niewiele po-
nad kilka dni Êwietlnych, podczas gdy
Êrednica typowej galaktyki si´ga dziesiàt-
ków tysi´cy lat Êwietlnych. W jaki sposób
potrafià one generowaç tak wiele energii
w tak niewielkiej obj´toÊci? Czym sà? Czy
ich funkcjonowanie da si´ wyjaÊniç na
gruncie zwyk∏ych praw fizyki? By odpo-
wiedzieç na powy˝sze pytania, astrono-
mowie kierujà na te niebieskie super-
gwiazdy swoje najnowoczeÊniejsze in-
strumenty – w szczególnoÊci Kosmiczny
Teleskop Hubble’a.

Pierwszy kwazar zosta∏ odkryty w

1962 roku, gdy Cyril Hazard, m∏ody
astronom z University of Sydney, przy-
stàpi∏ do badania silnego êród∏a fal ra-
diowych w gwiazdozbiorze Panny. Ha-
zard nie móg∏ zlokalizowaç êród∏a, gdy˝
radioteleskopy w owym czasie nie by∏y
wystarczajàco dok∏adne, lecz doszed∏
do wniosku, ˝e Ksi´˝yc, przechodzàc
przez gwiazdozbiór Panny, musi prze-
s∏aniaç nieznany obiekt. Tak wi´c wraz
z Johnem Boltonem, dyrektorem nowo
zbudowanego radioteleskopu w Parkes
w Australii, nakierowali olbrzymià cza-
sz´ instrumentu w stron´ êród∏a i czeka-
li, a˝ przes∏oni je Ksi´˝yc. Mierzàc czas
znikni´cia i ponownego pojawienia si´
sygna∏u, mogliby okreÊliç dok∏adne po-
∏o˝enie êród∏a emisji radiowej i ziden-
tyfikowaç je z jakimÊ obiektem dostrze-
galnym na niebie. Niestety, zanim po-
jawi∏ si´ Ksi´˝yc, wielka czasza radio-
teleskopu by∏a ju˝ tak nachylona, ˝e do-
tyka∏a do wy∏àczników bezpieczeƒstwa.
Bolton, najwyraêniej nie zwa˝ajàc na ry-
zyko, odcià∏ je, tak ˝e teleskop móg∏ Êle-
dziç zakrycie do momentu, a˝ brzeg cza-
szy niemal dotknà∏ gruntu.

Zuchwa∏oÊç Hazarda zosta∏a nagro-

dzona. Na podstawie tych pomiarów
zdo∏a∏ on podaç pierwszà dok∏adnà po-

zycj´ takiego kosmicznego radioêród∏a
i zidentyfikowa∏ je nast´pnie ze stosun-
kowo jasnym, podobnym do gwiazdy
obiektem nocnego nieba. Wspó∏rz´dne
tego obiektu – nazwanego 3C273 – zo-
sta∏y przes∏ane Maartenowi Schmidtowi,
astronomowi z Mount Palomar Obse-
rvatory w Kalifornii, który mia∏ szans´
pierwszy dokonaç pomiarów jego wid-
ma optycznego. Po poczàtkowym za-
skoczeniu Schmidt zda∏ sobie spraw´,
˝e patrzy na widmo atomów wodoru
przesuni´te ku d∏u˝szym falom w wy-
niku rozszerzania si´ WszechÊwiata. To
16-procentowe przesuni´cie ku czerwie-
ni oznacza∏o, ˝e 3C273 znajdowa∏ si´
oko∏o 2 mld lat Êwietlnych od Ziemi.
Znajàc odleg∏oÊç i obserwowanà jasnoÊç
obiektu, Schmidt obliczy∏, ˝e musi on
emitowaç kilkaset razy wi´cej Êwiat∏a
ni˝ jakakolwiek galaktyka. Tak odkryte
zosta∏o pierwsze gwiazdopodobne êró-
d∏o radiowe – kwazar (quasar – quasi-
stellar radio source).

Zach´ceni sukcesem Hazarda i

Schmidta astronomowie zidentyfikowa-
li w póêniejszych latach wi´cej kwaza-
rów. Stwierdzili, ˝e jasnoÊç wielu z nich
zmienia si´ gwa∏townie w szerokim za-
kresie; niektóre potrafi∏y pojaÊnieç na-
wet dziesi´ciokrotnie w ciàgu kilku dni.
Poniewa˝ ˝aden obiekt nie mo˝e w∏à-
czyç si´ i wy∏àczyç w czasie krótszym,
ni˝ zdo∏a go przemierzyç sygna∏ Êwietl-
ny, wynika∏ stàd zadziwiajàcy wniosek:
te niezwykle jasne obiekty mia∏y roz-
miary zaledwie tygodnia Êwietlnego.
Niektórzy uznani astronomowie wzbra-
niali si´ jednak przed przyj´ciem do
wiadomoÊci faktu, ˝e ogromne odleg∏o-
Êci i jasnoÊci wynikajàce z przesuni´ç ku
czerwieni mog∏y byç a˝ tak wielkie. Po-
lemika na ten temat przedosta∏a si´ na
∏amy popularnej prasy, co przyciàgn´∏o
do astronomii m∏odszà generacj´ na-
ukowców, w tym tak˝e mnie.

Od tamtej pory astronomowie skata-

logowali tysiàce kwazarów, niektóre
o przesuni´ciach ku czerwieni a˝ 500%.
Nie sà one zbyt trudne do znalezienia,
gdy˝ w odró˝nieniu od gwiazd i galaktyk

z∏o˝onych z gwiazd emitujà
promieniowanie we wszyst-
kich zakresach energii – od
promieni gamma po fale radio-
we. Jak na ironi´, emisja radio-
wa, dzi´ki której zosta∏y od-
kryte, okazuje si´ pod wzgl´-
dem energetycznym najmniej
znaczàcà cz´Êcià ich ca∏kowi-
tej mocy. Z tej przyczyny nie-
którzy astronomowie utrzy-
mujà, ˝e nazw´ „kwazar”
(quasar) nale˝a∏oby zmieniç na
QSO (quasistellar object –
obiekt gwiazdopodobny).

ZDERZENIA GALAKTYK mogà
niekiedy prowadziç do narodzin
kwazara. Masywna czarna dziu-
ra w jàdrze jednej z galaktyk wy-
sysa z drugiej z nich gwiazdy
i gaz mi´dzygwiazdowy, a wir
utworzony z wpadajàcej mate-
rii generuje wiàzk´ silnego pro-
mieniowania. Taki w∏aÊnie pro-
ces mo˝e zachodziç w kwazarze
PG 1012+008 (wstawka), obser-
wowanym za pomocà Kosmiczne-
go Teleskopu Hubble’a. Kwazar
odleg∏y jest od Ziemi o 1.6 mld lat
Êwietlnych.

DON DIXON

JOHN BAHCALL

Institute for Advanced Study

oraz NASA

Naukowcy badajàcy kwazary majà

do rozstrzygni´cia cztery powa˝ne kwe-
stie. Po pierwsze, w jaki sposób kwaza-
ry sà zwiàzane z galaktykami i gwiazda-
mi? Po drugie, jak d∏ugo kwazar potrafi
generowaç tak kolosalne iloÊci energii?
W naszym najbli˝szym kosmicznym sà-
siedztwie – w promieniu miliarda lat
Êwietlnych od Ziemi – tylko jeden kwa-
zar przypada na ka˝dy milion galaktyk.
Lecz to nie musi koniecznie oznaczaç,
˝e obiekty owe wyst´pujà o wiele rza-
dziej ni˝ galaktyki; mog∏yby one byç tak
samo rozpowszechnione, lecz znacznie
krócej pozostawaç w stanie o du˝ej ja-
snoÊci. To prowadzi nas do trzeciego
problemu: dlaczego w przesz∏oÊci kwa-
zary by∏y o wiele liczniejsze? Przy prze-
suni´ciu ku czerwieni 200% – czyli oko-
∏o 10 mld lat Êwietlnych od nas – liczba
kwazarów wzrasta tysiàckrotnie. Wi-
docznie we wczesnym WszechÊwiecie
kwazary wyst´powa∏y 1000 razy cz´-

Êciej ni˝ dzisiaj. I na koniec zagadnienie
najbardziej k∏opotliwe: w jaki sposób
wytwarzajà one tak kolosalne iloÊci
energii?

Na ˝adne z tych pytaƒ nie jest ∏a-

two odpowiedzieç. Typowy kwazar
znajduje si´ tak daleko od Ziemi, ˝e
jego obraz uzyskany za pomocà naj-
wi´kszego naziemnego teleskopu jest
100 mln razy za ma∏y, by da∏o si´ go
poddaç analizie. Od samego poczàtku
jedna z grup astronomów uwa˝a∏a,
˝e kwazary muszà tkwiç w galaktykach,
prawdopodobnie w ich jàdrach. Zbie-
rali dowody na poparcie tezy, ˝e wszy-
stkie zjawiska obserwowane w przy-
padku kwazarów manifestujà si´, acz-
kolwiek w znacznie s∏abszej formie,
w jàdrach oko∏o 1% olbrzymich galak-
tyk w pobli˝u Drogi Mlecznej. W wy-
niku tego odkryta zosta∏a ca∏a mena˝e-
ria aktywnych jàder galaktyk, w tym
galaktyki radiowe, galaktyki Seyferta,

blazary, obiekty gwa∏townie zmienne
optycznie, êród∏a nadÊwietlne itp. Lecz
astronomowie nie potrafili powiedzieç,
czy obiekty te stanowi∏y oddzielne kla-
sy jàder galaktyk, czy by∏y przedstawi-
cielami tego samego zjawiska obserwo-
wanego pod ró˝nymi kàtami albo
w ró˝nych stadiach rozwoju. Nie umie-
li równie˝ wyjaÊniç Êcis∏ej zale˝noÊci po-
mi´dzy aktywnymi jàdrami galaktyk
a kwazarami. Krytycy teorii ∏àczenia
tych dwóch typów obiektów dowodzi-
li, ˝e jasnoÊç aktywnych jàder nigdy nie
zbli˝y∏a si´ nawet do tej, jakà wykazu-
jà kwazary. A ca∏kowita moc kwazarów
jest ich najbardziej wyró˝niajàcà i za-
gadkowà w∏asnoÊcià.

Bardziej bezpoÊredni sposób podej-

Êcia zaprezentowa∏ w 1973 roku Jerry
Kristian, równie˝ astronom z Mount Pa-
lomar Observatory. Otó˝ twierdzi∏ on,
˝e gdyby kwazary znajdowa∏y si´ we-
wnàtrz olbrzymich galaktyk, wówczas

46 Â

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998

KWAZAR

OLBRZYMIA

GALAKTYKA

ELIPTYCZNA

FALE RADIOWE

PODCZERWIE¡

PROMIENIE X

MIKROFALE

PROMIENIE GAMMA

ULTRA-

FIOLET

CZ¢STOTLIWOÂå (Hz)

JASNOÂå (JEDNOSTKI S¸ONECZNE)

PROMIENIOWANIE WIDZIALNE

400

300

200

100

CZAS KOSMOLOGICZNY (MILIARDY LAT)

G¢STOÂå KWAZARÓW NA GIGAPARSEK SZEÂCIENNY

JOHN BAHCALL

Institute for Advaced Study

oraz NASA

JOHN BAHCALL

Institute for Advanced Study

oraz

NASA

MICHAEL DISNEY oraz NASA

WIDMO KWAZARA 3C273 – jednego z najjaÊniejszych tego rodzaju obiektów i pierwszego z odkrytych – jest o wiele szersze ni˝ wid-
mo typowej olbrzymiej galaktyki eliptycznej (z lewej). W zakresie optycznym kwazar jest setki razy jaÊniejszy. Kwazary by∏y najlicz-
niejsze wtedy, gdy WszechÊwiat liczy∏ 2–4 mld lat (z prawej). Dzisiaj wyst´pujà 1000 razy rzadziej. Równie˝ w najwczeÊniejszej histo-
rii WszechÊwiata by∏o ich niewiele, lecz dok∏adne liczby nie sà znane.

LAURIE GRACE

na zdj´ciach najbli˝szych z tych obiek-
tów powinno uwidaczniaç si´ niewy-
raêne halo pochodzàce od gwiazd ga-
laktyki macierzystej. Nie by∏oby to ∏atwe
do zaobserwowania, poniewa˝ Êwiat∏o
bardzo jasnego kwazara rozproszone
w atmosferze ziemskiej zaçmiewa∏oby
o wiele s∏abszà poÊwiat´ gwiazd galak-
tyki. Niemniej jednak Kristian potrafi∏
udowodniç, ˝e kwazary o najmniejszym
przesuni´ciu ku czerwieni rzeczywiÊcie
wykazywa∏y s∏abe, niewyraêne halo. Je-
go argumenty nie by∏y jednak zbyt prze-
konujàce, gdy˝ nie dawa∏o si´ wyró˝niç
˝adnej z cech galaktyk macierzystych,
nawet tego, czy by∏y one eliptyczne, czy
spiralne.

K∏opoty z Teleskopem Hubble’a

Gdy w po∏owie lat siedemdziesiàtych

planowano misj´ Kosmicznego Telesko-
pu Hubble’a, wi´kszoÊç obserwatorów
kwazarów oczekiwa∏a, ˝e uda si´ za je-
go pomocà uzyskaç pierwsze wyraêne
obrazy otaczajàcych je galaktyk, je˝eli
takowe rzeczywiÊcie istniejà. Istotnie,
jednym z priorytetowych zadaƒ telesko-
pu sta∏o si´ poszukiwanie macierzystych
galaktyk kwazarów. Dzia∏ajàc w euro-
pejskiej grupie teleskopu kosmicznego,
w∏aÊnie z myÊlà o kwazarach zaprojek-
towaliÊmy kamer´ obiektów s∏abych
(Faint Object Camera). W tym celu wbu-
dowaliÊmy w nià na przyk∏ad uk∏ad
optyczny o du˝ym powi´kszeniu, a tak-
˝e koronograf przystosowany specjal-
nie do blokowania jasnego Êwiat∏a kwa-
zarów, co czyni∏o otaczajàce je galak-
tyki bardziej widocznymi.

Ju˝ wówczas astronomowie podej-

rzewali, ˝e kwazar móg∏by wytwarzaç
tak olbrzymie iloÊci energii w tak nie-
wielkiej obj´toÊci jedynie wtedy, gdyby
zawiera∏ w swoim jàdrze supermasyw-

nà czarnà dziur´. Takie monstrum o ma-
sie miliarda S∏oƒc wysysa∏oby ze swo-
jego otoczenia ca∏y gaz i wszystkie
gwiazdy. Gaz ten wpada∏by do czarnej
dziury, wirujàc wokó∏ niej niemal z
pr´dkoÊcià Êwiat∏a i generujàc silne po-
la magnetyczne oraz ogromne iloÊci
energii promienistej. Donald Lynden-
Bell, wówczas z California Institute of
Technology, obliczy∏, ˝e masywna czar-
na dziura potrafi przekszta∏ciç w pro-
mieniowanie do 40% masy spoczynko-
wej materii do niej wpadajàcej. Taki
proces by∏by 400 razy efektywniejszy
od termojàdrowej produkcji energii
w gwiazdach. Z tej w∏aÊnie przyczyny
masywne czarne dziury by∏y ulubio-
nym teoretycznym wyjaÊnieniem me-
chanizmu dzia∏ania kwazarów. (Zresz-
tà wszystkie inne mo˝liwe do przyj´cia
modele te˝ szybko prowadzi∏y do czar-
nych dziur.)

Niemniej jednak w przyj´tym mode-

lu pozosta∏a do wyjaÊnienia pewna kwe-
stia, a mianowicie zagadka „od˝ywia-
nia si´” tych monstrów. Czarna dziura
o tak kolosalnej masie dà˝y∏aby do po-
ch∏oni´cia wszystkich pobliskich gwiazd
oraz gazu mi´dzygwiazdowego i szyb-
ko wyczerpa∏aby zapasy paliwa. Aby
wyjaÊniç t´ tajemnic´, europejski zespó∏
ds. teleskopu kosmicznego wbudowa∏
w kamer´ obiektów s∏abych równie˝
specjalny d∏ugoszczelinowy spektrograf.
Urzàdzenie to zaprojektowane zosta∏o
z myÊlà o pomiarach pr´dkoÊci rotacji
materii w jàdrach aktywnych galaktyk
i „wa˝eniu” w ten sposób domniema-
nych czarnych dziur w ich centrach.

W 1990 roku, po d∏ugo odk∏adanym

wystrzeleniu na orbit´ Kosmicznego Te-
leskopu Hubble’a, szybko okaza∏o si´, ˝e
jego g∏ówne zwierciad∏o zosta∏o wadli-
wie wykonane. Uzyskiwano zdj´cia tak
z∏ej jakoÊci, ˝e astronomowie zajmujà-

cy si´ kwazarami byli wprost zdruzgo-
tani. Ja sam mia∏em poczucie, ˝e 5–10
najbardziej produktywnych lat mego
naukowego ˝ycia zosta∏o zmarnowa-
nych przez niewybaczalny brak kom-
petencji. Wielu moich kolegów czu∏o si´
podobnie. Jest niewàtpliwà zas∏ugà
NASA, ˝e Teleskop Hubble’a zaprojek-
towano jednak tak, by mo˝na go by∏o
naprawiaç, i w 1993 roku astronauci za-
montowali nowe kamery ze skorygo-
wanym uk∏adem optycznym. Niestety,
˝adnego ze specjalnych instrumentów
zainstalowanych w oryginalnych kame-
rach do obserwacji kwazarów nie da∏o
si´ odzyskaç. Chcàc nadal poszukiwaç
macierzystych galaktyk kwazarów, mu-
sieliÊmy u˝yç nowej, nie przeznaczonej
jednak specjalnie do tego celu, szero-
kokàtnej kamery planetarnej (Wide-
Field Planetary Camera). Zabra∏y si´ za
to dwa zespo∏y: europejski kierowany
przeze mnie oraz amerykaƒski pod wo-
dzà Johna Bahcalla, astronoma z Insti-
tute for Advanced Study w Princeton
(New Jersey).

Obserwowanie galaktyk zawierajà-

cych kwazary za pomocà nowej kame-
ry Teleskopu Hubble’a przypomina wpa-
trywanie si´ w czasie burzy Ênie˝nej
w reflektory nadje˝d˝ajàcego pojazdu
i usi∏owanie zidentyfikowania jego mar-
ki. Astronomowie musieli wykonaç wie-
le zdj´ç ka˝dego obiektu, odjàç najjaÊ-
niejsze Êwiat∏o – samego kwazara –
i przetwarzaç pozosta∏e obrazy za po-
mocà komputerów. W wi´kszoÊci przy-
padków koƒcowy wynik zawiera∏ tak
du˝o szczegó∏ów, ˝e dawa∏o si´ z nich
wydobyç informacj´ o strukturze galak-
tyki. To smutne, ˝e Kristian, pionier tej
dziedziny, zginà∏ w katastrofie ultralek-
kiego samolotu w Kalifornii na krótko
przed opublikowaniem pierwszych wy-
ników uzyskanych za pomocà Telesko-
pu Hubble’a.

Co wykry∏ teleskop? Z obserwowa-

nych 34 kwazarów oko∏o 75% wykazy-
wa∏o obecnoÊç s∏abego, niewyraênego
halo Êwiadczàcego o istnieniu galaktyki
macierzystej. Pozosta∏e 25% nie mia∏o ta-
kiego halo, lecz mo˝liwe, ˝e w tych przy-
padkach oÊlepiajàcy promieƒ kwazara

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998 47

GALAKTYKI MACIERZYSTE otaczajà wi´kszoÊç
kwazarów obserwowanych przez Kosmiczny Teleskop
Hubble’a. Galaktyka spiralna wokó∏ PG 0052+251 (a)
i galaktyka eliptyczna wokó∏ PHL 909 (b) wydajà si´
niezak∏ócone przez zderzenie. Natomiast IRAS 04505-
-2958 (c) jest chyba zasilany w wyniku zderzenia
galaktyk. Spiralny pierÊcieƒ wydarty z jednej z nich
widoczny jest poni˝ej kwazara; obiekt powy˝ej
to gwiazda Drogi Mlecznej. Nowa kamera podczerwo-
na Teleskopu Hubble’a zaobserwowa∏a innà galak-
tycznà kolizj´ (d). Kropki wokó∏ kwazara PG 1613+658
sà wynikiem dyfrakcji; zderzajàca si´ galaktyka znaj-
duje si´ poni˝ej z lewej.

KIM McLEOD,

Wellesley College

oraz

NASA

ca∏kowicie blokowa∏ obraz. Oko∏o po∏o-
wy galaktyk macierzystych okaza∏o si´
galaktykami eliptycznymi, drugie tyle
– spiralnymi. Innych prawid∏owoÊci –
prócz tego, ˝e kwazary o najsilniejszych
sygna∏ach radiowych ulokowane sà
g∏ównie w galaktykach eliptycznych –
nie zdo∏ano si´ dopatrzyç. Co najcie-
kawsze, okaza∏o si´, ˝e mniej wi´cej

galaktyk macierzystych zderza si´ z

innymi galaktykami lub je poch∏ania.

O tym odkryciu informowa∏ ju˝ John

Hutchings wraz ze wspó∏pracownikami
z Dominion Astrophysical Observatory
z Wiktorii w Kanadzie. Do obserwacji
kwazarów u˝ywali oni naziemnych te-
leskopów z optykà adaptacyjnà. Lecz
Teleskop Hubble’a, majàc wi´kszà zdol-
noÊç rozdzielczà, dostarczy∏ znacznie

jaskrawszych dowodów oddzia∏ywa-
nia galaktyk. Ze zdj´ç wynika, ˝e zde-
rzajàce si´ galaktyki zaopatrujà kwa-
zary w paliwo do produkcji energii.
Gwiazdy i gaz mocà zderzenia wytrà-
cone ze swych torów mogà zbiegaç
do masywnej czarnej dziury w sercu
jednej z tych galaktyk. Wpadajàca ma-
teria wytwarza wówczas intensywne
promieniowanie.

Proces ten wyjaÊnia∏by odmiennà

wzgl´dnà liczb´ kwazarów w ró˝nych
stadiach historii WszechÊwiata. Tu˝ po
Wielkim Wybuchu nie by∏o ˝adnych ga-
laktyk, nie nast´powa∏y wi´c mi´dzy
nimi ˝adne zderzenia. Nawet jeÊli ist-
nia∏y wówczas czarne dziury, nie by∏o
mechanizmu kierowania ku nim mate-
rii i przekszta∏cania ich w kwazary.

W rezultacie przy bardzo du˝ych prze-
suni´ciach ku czerwieni – tzn. ponad
11 mld lat temu – stwierdza si´ niewie-
le kwazarów. Lecz ju˝ w nast´pnych
epokach galaktyki zacz´∏y si´ kszta∏to-
waç i zderzaç ze sobà, tworzàc stosun-
kowo du˝à liczb´ kwazarów obserwo-
wanych w odleg∏oÊci oko∏o 10 mld lat
Êwietlnych od Ziemi. W koƒcu rozsze-
rzanie si´ WszechÊwiata spowodowa∏o
odsuni´cie od siebie wi´kszoÊci galak-
tyk, zmniejszajàc w ten sposób liczb´
zderzeƒ, a w konsekwencji – kwazarów.

Niemniej jednak blisko

galaktyk

macierzystych obserwowanych przez Te-
leskop Hubble’a – na przyk∏ad spiralna ga-
laktyka otaczajàca kwazar PG 0052+251
– nie wykazuje ˝adnych Êladów zderze-
nia z innà galaktykà. Niewykluczone,

48 Â

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998

Pozosta∏oÊci

po kwazarze?

ktywne jàdro M87, gigantycznej
galaktyki eliptycznej nale˝àcej do

gromady w Pannie (powy˝ej), niegdyÊ
mog∏o byç kwazarem. Astronomowie
nakierowali spektrograf obiektów
s∏abych

Teleskopu Hubble’a na jàdro

M87, wyrzucajàce strug´ elektronów
o du˝ej pr´dkoÊci. Poniewa˝ Êwiat∏o
z jednej strony jàdra okaza∏o si´
przesuni´te ku fioletowi, a z drugiej
– poczerwienione (z prawej), wycià-
gni´to wniosek, ˝e wokó∏ centrum ga-
laktyki z pr´dkoÊcià 550 km/s (oko∏o
2 mln km/h) wiruje dysk utworzony
z goràcego gazu. Tak du˝a pr´dkoÊç
wskazuje na obecnoÊç czarnej dziury
o du˝ej masie, która miliardy lat temu
mog∏a zasilaç kwazar.

Zdj´cia za zgodà HOLLANDA FORDA,

Johns Hopkins University

; NATIONAL OPTICAL

ASTRONOMY OBSERVATORIES oraz NASA; LAURIE GRACE

(wykresy)

5000

1x10–16

5100

STRUMIE¡

(ERGI NA SEKUND¢

NA CENTYMETR KWADRATOWY)

D¸UGOÂå FALI (ÅNGSTREMY)

M87

GROMADA W PANNIE

STRUGA
ELEKTRONÓW
O DU˚EJ
PR¢DKOÂCI

ZBLI˚AJÑCY SI¢

ODDALAJÑCY SI¢

˝e w tych przypadkach istnieje jakaÊ s∏a-
ba galaktyka towarzyszàca, lecz snop
Êwiat∏a kwazara nie pozwala astrono-
mom jej dostrzec. A mo˝e jakiÊ alterna-
tywny mechanizm powoduje wytwo-
rzenie wystarczajàcej iloÊci paliwa do
przekszta∏cenia masywnej czarnej dziu-
ry w kwazar? Na pewno wiemy tylko,
˝e olbrzymia wi´kszoÊç oddzia∏ywaƒ
galaktycznych chyba nie prowadzi do
powstawania kwazarów; gdyby tak by-
∏o, obiekty te wyst´powa∏yby o wiele
cz´Êciej, ni˝ to obserwujemy.

Niedostatek kwazarów zdaje si´

wskazywaç, ˝e masywne czarne dziu-
ry sà zjawiskiem rzadkim, nie wyst´-
pujàcym w wi´kszoÊci galaktyk. Lecz
przeczà temu dowody zebrane ostatnio
przez zespó∏ astronomów pod kierun-
kiem Douglasa Richstone’a z Universi-
ty of Michigan. ¸àczàc ze sobà obser-
wacje uzyskane za pomocà Teleskopu
Hubble’a z danymi spektroskopowymi
otrzymanymi przez instrumenty na-
ziemne, zespó∏ ten „zwa˝y∏” jàdra 27
galaktyk po∏o˝onych najbli˝ej Drogi
Mlecznej. W 11 z nich grupa Richsto-
ne’a znalaz∏a przekonujàce dowody
obecnoÊci masywnych ciemnych cia∏,
najprawdopodobniej czarnych dziur.

W dodatku niektóre z nich mog∏y byç

niegdyÊ kwazarami. W 1994 roku ze-
spó∏ astronomów kierowany przez Hol-
landa Forda z Johns Hopkins Univer-
sity u˝y∏ Teleskopu Hubble’a, aby zajrzeç
do jàdra M87, olbrzymiej galaktyki elip-
tycznej z gromady w Pannie, odleg∏ej
od Ziemi o jakieÊ 50 mln lat Êwietlnych.
Aktywne jàdro M87 emituje promienio-
wanie w szerokim zakresie widma, po-
dobne do generowanego przez kwazar,
lecz o tysiàckrotnie mniejszym nat´˝e-
niu. Astronomowie odkryli, ˝e Êwiat∏o
dochodzàce z jednej strony jàdra by∏o
przesuni´te ku fioletowi (co Êwiadczy-
∏o o zbli˝aniu si´ jego êród∏a do Ziemi),
podczas gdy Êwiat∏o ze strony przeciw-
nej by∏o poczerwienione (wskazujàc na
oddalanie si´ jego êród∏a). Ford wy-
wnioskowa∏ z tego, ˝e zaobserwowali
obracajàcy si´ dysk goràcego gazu. Co
wi´cej, dysk wirowa∏ tak szybko, ˝e
móg∏ utrzymywaç si´ w stanie zwiàza-
nym jedynie dzi´ki polu grawitacyjne-
mu czarnej dziury o masie 3 mld S∏oƒc
– a wi´c obiektu tego samego rodzaju,

jaki uwa˝a si´ za êród∏o mocy kwazara.
Miliardy lat temu jàdro M87 mog∏o
równie˝ byç kwazarem.

Poszukiwania kwazarów

Poczynione ostatnio obserwacje pozwo-

li∏y astronomom stworzyç prowizorycz-
nà teori´ t∏umaczàcà powstawanie kwaza-
rów. Zgodnie z nià wi´kszoÊç galaktyk
zawiera czarne dziury o du˝ej masie, zdol-
ne w pewnych bardzo specyficznych oko-
licznoÊciach generowaç kolosalne iloÊci
energii. Produkcja energii gwa∏townie
wzrasta, gdy w zwi´kszonym tempie
(mniej wi´cej jednej masy S∏oƒca na rok)
zaczynajà na czarnà dziur´ opadaç gwiaz-
dy i gaz. Taki du˝y dop∏yw materii na-
st´puje najcz´Êciej, choç nie zawsze, w wy-
niku zderzeƒ galaktyk lub ich bliskich
przejÊç obok siebie. Zatem kwazary by-
∏yby o wiele bardziej rozpowszechnio-
ne w epoce du˝ej g´stoÊci galaktyk, gdy
WszechÊwiat by∏ m∏odszy i bardziej za-
t∏oczony ni˝ obecnie.

Co mo˝na powiedzieç o indywidual-

nych czasach ˝ycia tych bestii? Nic pew-
nego. Obserwowane galaktyki macierzy-
ste nie wykazujà Êladów uszkodzeƒ
w wyniku d∏ugotrwa∏ego dzia∏ania pro-
mieniowania wysy∏anego przez kwazary.
Na przyk∏ad wodór w tych galaktykach
nie zosta∏ zjonizowany w znacznym stop-
niu, co zapewne by si´ zdarzy∏o, gdyby
kwazary ˝y∏y dostatecznie d∏ugo. Obser-
wacja, ˝e tak wiele galaktyk macierzy-
stych oddzia∏uje ze sobà – oraz fakt, ˝e
oddzia∏ywanie to zachodzi zwykle w cià-
gu jednego obrotu galaktyki – wskazuje
na czas ˝ycia kwazarów poni˝ej 100 mln
lat. I jeÊli obecnoÊç masywnych czarnych
dziur w wi´kszoÊci galaktyk Êwiadczy
w ka˝dym przypadku o tym, ˝e w prze-
sz∏oÊci nastàpi∏o przejÊcie przez faz´ ak-
tywnoÊci typu kwazara, to niewielka licz-
ba obserwowanych obiektów – zaledwie
jeden na ka˝dy 1000 galaktyk w erze ich
najliczniejszego wyst´powania – Êwiad-
czy, ˝e kwazary ˝yjà krócej ni˝ 10 mln
lat. JeÊli liczba ta jest w∏aÊciwa, kwazar
by∏by jedynie stanem przejÊciowym
w trwajàcym 10 mld lat ˝yciu galaktyki.
I chocia˝ iloÊç energii generowanej przez
ka˝dy kwazar jest kolosalna, stanowi∏aby
ona zaledwie 10% wydatku energetycz-
nego galaktyki podczas ca∏ego jej ˝ycia.

OczywiÊcie sprawdzenie tej teorii wy-

maga wi´kszej liczby obserwacji. Poszu-
kujàc macierzystych galaktyk kwazarów,
musimy skierowaç Kosmiczny Teleskop
Hubble’a na szerszà próbk´ bliskich kwa-
zarów. Istniejàce ich kolekcje sà zbyt ma-
∏e i zbyt wàsko wyselekcjonowane, by
da∏o si´ choçby naszkicowaç wiarygod-
ne wnioski, a odleg∏e galaktyki macie-
rzyste zbyt trudno zaobserwowaç za po-
mocà istniejàcych instrumentów.

Astronomowie spodziewajà si´ no-

wych odkryç po zainstalowanych ostat-
nio na Teleskopie Hubble’a dwóch urzà-
dzeniach: NICMOS (Near Infrared Ca-
mera and Multi-Object Spectrometer –
kamera w bliskiej podczerwieni i spek-
trometr wieloobiektowy), które pozwo-
là naukowcom zajrzeç w g∏àb jàder ga-
laktyk zas∏oni´tych ob∏okami py∏u, oraz
STIS (Space Telescope Imaging Spec-
trograph – spektrograf obrazujàcy te-
leskopu kosmicznego), który w∏aÊnie
zademonstrowa∏ swà przydatnoÊç w
wykrywaniu i wa˝eniu czarnej dziury
w pobliskiej galaktyce, co zaj´∏o mu

/40

czasu wczeÊniej na to poÊwi´cane-

go. W 1999 roku NASA zamierza zain-
stalowaç zaawansowanà kamer´ zawie-
rajàcà koronograf o wysokiej zdolnoÊci
rozdzielczej takiego typu, jaki by∏ za-
wsze potrzebny do blokowania przyt∏a-
czajàcego Êwiat∏a kwazara i ods∏oni´cia
galaktyki macierzystej.

JeÊli chodzi o teori´, to pozostaje zro-

zumieç, w jaki sposób i kiedy utworzy-
∏y si´ po raz pierwszy czarne dziury.
Czy poprzedza∏y istnienie lub nast´po-
wa∏y po powstaniu galaktyk macierzy-
stych? ChcielibyÊmy zbudowaç model
fizyczny pozwalajàcy szczegó∏owo wy-
jaÊniç, w jaki sposób czarne dziury prze-
kszta∏cajà wpadajàcà materi´ w obser-
wowane promieniowanie kwazarów
o takiej ró˝norodnoÊci – od promieni
gamma po nadÊwietlne strugi (d˝ety)
radiowe. To zapewne nie b´dzie ∏atwe.
Carole Mundell, astronom z Jodrell
Bank Observatory w Anglii, zauwa˝y∏a
kiedyÊ, ˝e obserwacje kwazarów przy-
pominajà badania spalin samochodu z
wielkiej odleg∏oÊci; na ich podstawie
próbuje si´ wywnioskowaç, co dzieje
si´ pod maskà auta.

T∏umaczy∏

Zbigniew Loska

WIAT

AUKI

Sierpieƒ 1998 49

Informacje o autorze

MICHAEL DISNEY jest profesorem astronomii w University of Wa-

les w Cardiff w Anglii. Przez 20 lat by∏ cz∏onkiem zespo∏u kamery

obiektów s∏abych teleskopu kosmicznego w Europejskiej Agencji Ko-

smicznej. Stopieƒ doktora uzyska∏ w 1968 roku w University Colle-

ge London. Jego zainteresowania naukowe obejmujà tak˝e ukryte

galaktyki, lot ptaków oraz zagro˝enie Êrodowiska naturalnego przez

supertankowce.

Literatura uzupe∏niajàca

PERSPECTIVES IN ASTROPHYSICAL COSMOLOGY

. Martin J. Rees; Cambridge

University Press, 1995.

ACTIVE GALACTIC NUCLEI

. Ian Robson; John Wiley, 1996.

AN INTRODUCTION TO ACTIV GALACTIC NUCLEI

. Bradley Peterson; Cambrid-

ge University Press, 1997.

Informacje na temat Kosmicznego Teleskopu Hubble’a dost´pne sà na in-

ternetowej stronie http://www.stsci. edu