Czyli: 'Nocne dysputy o kwazarach'

Jak ciekawymi obiektami są kwazary przekonaliśmy się niejednokrotnie, ale ponieważ są one dostępne jedynie zawodowym astronomom, dlatego z różną częstotliwością przekazuje nam informacje na ich temat wieloletni badacz tych obiektów dr Szymon Kozłowski - astrofizyk. Pracując w USA w Ohio State University zajmuje się zawodowo tymi obiektami. Przy tej okazji zajmuje się materiałami pozyskiwanymi z największych teleskopów świata włącznie z teleskopem Hubble’a i VLT.

---

Cóż to są kwazary? To rodzaj aktywnych galaktyk. Oczywiście jest więcej rodzajów aktywnych galaktyk, ale te są szczególne. W centrum znajduje się czarna dziura akreująca materię. W wyniku akrecji następuję wydzielanie olbrzymich ilości energii. To mechanizm kreowania tak wielkich ilości energii dał im taką sławę. Masa czarnych dziur w kwazarach jest wielokrotnie większa niż w centrum naszej galaktyki. Kwazary widoczne są nawet z najdalszych zakątków Wszechświata i to dzięki ilości energii jaką emitują.

Kwazary są jeszcze ciekawsze z powodu, że oglądamy je z wczesnych czasów naszego Wszechświata. Możemy odbywać swego rodzaju wędrówkę w czasie. Światło od większości z nich dociera do nas z granic obserwowalnego kosmosu. Te bliższe pozwalają zobaczyć nawet samą galaktykę, ale najdalsze pozwalają dostrzec w zasadzie tylko światło pochodzące z obszaru akrecji materii na czarną dziurę.

Jak odkrywa się kwazary? Nie jest to takie oczywiste. Kwazar na niebie wygląda jak zwykła gwiazda. Trzeba więc szukać takich innych jego cech które są właściwe tylko dla tych obiektów. Oczywiście widmo jest odmienne, ale kiedy spoglądamy na niebo – jego fotografię – to zobaczymy tysiące gwiazd, a wśród nich trzeba odszukać właśnie te jedyne - kwazary. Pan dr Szymon Kozłowski opracował własną metodę wyszukiwania kwazarów. Najogólniej polega to na porównaniu danych fotograficznych z innymi danymi np. radiowymi, podczerwienią, dzięki czemu dają się odkryć. Takie radiowe przeglądy nieba w stosownej rozdzielczości są wykonywane. Z każdych takich przeglądów powstają katalogi, na podstawie których astronomowie mogą dokonywać analiz i wyszukiwać ciekawych obiektów.

Kwazary Pana Szymona (kilkadziesiąt) są szczególne bo na swój sposób polskie. Cześć z nich jest soczewkowana. Soczewkowanie obrazu kwazara następuje przez galaktykę znajdującą się między nami a kwazarem. Poniższa animacja to wyjaśnia. Dalsze zdjęcia pokazują jakie otrzymujemy obrazy soczewkowane przez galaktyki, ale mogą być też tzw. mikrosoczewkowane, przez gwiazdy. Gwiazdy te mogą być tak jak w omawianym przypadku w SMC (Małym Obłoku Magellana) a kwazary znajdują się za nim. Takimi ostatnio zajmował się dr Kozłowski. Równolegle zajmuje się też kwazarami odkrytymi przez innych astronomów. Ma ich na koncie naprawdę sporo. Aby takiego wyszukania i analizy dokonać astronom musi sam napisać stosowne programy i opracować procedury, a często je po prostu dopiero odkryć. Między innymi dlatego dzisiejsza astronomia tak bardzo jest połączona z komputerami.

Obrazy kwazary soczewkowane należą do najciekawszych dla astronoma. Soczewkowanie pozwala bowiem na badanie obrazu kwazara i galaktyki soczewkującej. Soczewkowanie pozwala na badanie ruchu obłoków gazu opadającego na centralna czarną dziurę. Na podstawie analiz można też ustalić masę galaktyki i udział ciemnej materii w strukturze obiektu soczewkującego. Wyznacza się z tego np. stałą Hubble’a, a stąd wiele innych danych otrzymuje wiarygodne wartości. Nie od razu dane ustalane rożnymi metodami były zbieżne. Rozbieżności bywały spore, ale po odpowiednim skalibrowaniu pomiarów wszystko zaczęło do siebie pasować. Choć nadal nie wszystko jest tak jednoznaczne jakby się mogło laikom wydawać. Zawsze problemem jest z badaniem czegokolwiek na odległość, a astronomia od zawsze bada obiekty znajdujące się na bardzo dużych odległościach.

Dla porównania wystarczy wykonać proste ćwiczenie. W ciemnym pokoju zapalić żarówkę od latarki i umieścić ją w drugim końcu pomieszczenia. Z miejsca stania postarać się określić odległość do świecącego punktu np. w centymetrach czy metrach zależnie od wielkości pomieszczenia. Im większe będzie pomieszczenie tym trudniej będzie podać nawet przybliżoną odległość, a co dopiero dokładną. Z takimi problemami astronomia ma do czynienia na co dzień. Czasami po pewnym czasie dopiero uzyskuje się właściwe wyniki i znajduje się właściwe metody. Praca jest żmudna i wymaga niezwykłej cierpliwości.

Wykresy pokazują obserwowane zmiany dla poszczególnych obrazów kwazara. Kwazar czyli pseudo gwiazda po soczewkowaniu daje obrazy punktowe lub w postaci łuków. Zmiany obrazu – jasności – bada się dla każdego obrazu oddzielnie. Czasami na widmo lub jasność obrazu kwazara oprócz samej galaktyki wpływają pojedyncze gwiazdy galaktyki soczewkującej, stąd te różnice w poszczególnych krzywych (A, B, C, D).

Na osi X jest czas w dniach, a na Y jasność w mag instrumentalnych - nieskalibrowanych. Na niektórych obrazach zobaczymy rozciągnięte łuki zamiast punktów. Jak się okazuje kształt otrzymanego obrazu zależy od masy soczewkującego obiektu, od jego kształtu a szczególnie symetryczności tego kształtu, oraz ustawienia kwazara, obiektu soczewkującego i obserwatora, czyli nas. Jednym słowem problem jest bardzo złożony. Jeśli masa soczewki jest zbyt mała to nie zobaczymy rozseparowanych obrazów kwazara a jedynie dalej obraz punktowy choć wzmocniony bardziej niż gdybyśmy go obserwowali bez udziału soczewki. Separacja jednak będzie rzędu 0,000001 sekundy, czyli daleko poza zasięgiem rozdzielczości przyrządów. A soczewkować mogą same gwiazdy, jak było opisane przy SMC.

Oglądane obrazy w postaci krzyża na zdjęciach są w odległościach około 3 sekund łuku dla galaktyki soczewkującej o masie 10 000 000 000 000 ( 10¹³) mas Słońca – czyli trochę ta galaktyka musi ważyć. Dzięki analizie tych kwazarów możemy ustalić co się dzieje w jego wnętrzu, że zachodzą zmiany i skorelować model z obserwowanymi zmianami. Możemy tez badać soczewkę.

Jak podaje Pan dr Kozłowski najciekawsze to te soczewkowane. W nich po prostu coś się dzieje. Badania wykazują zmienność tych obiektów. Zmiany zachodzą na przestrzeni dni czyli obiekty muszą być wielkości kilku dni świetlnych. Skala i charakter zmian pozwolą wreszcie ustalić zgodność modeli z obserwacjami. To wspaniała przygoda naukowa.

Dane wykorzystane w artykule po opracowaniu zostaną opublikowane przez naukowców, więc nie wszystko można było tu napisać. Dzięki doktorowi Kozłowskiemu nasz zespół i ja możemy być w samej czołówce naukowego poznania najdalszych obszarów kosmosu. Skala tego przedsięwzięcia jest niespotykana i trudna do wyobrażenia dla przeciętnego człowieka, jak te liczby w tym newsie. Ale wszystko da się ogarnąć umysłem, nawet tak niesamowite rzeczy jak zmienne kwazary. A wiele jest tu jeszcze do poznania i zrozumienia.

Dane 100 Kwazarów soczewkowanych ze zdjęciami z teleskopu Hubble'a

Na koniec animacja pokazująca jak działa soczewkowanie grawitacyjne.


Kompendium wiedzy o kwazarach