Quásar
Un cuásar es un núcleo galáctico activo (AGN) extremadamente luminoso. Se pronuncia KWAY-zar, ya veces se lo conoce como objeto cuasi-estelar, abreviado como QSO. Esta emisión del núcleo de una galaxia está alimentada por un agujero negro supermasivo con una masa que oscila entre millones y decenas de miles de millones de masas solares, rodeado por un disco de acreción gaseoso. El gas del disco que cae hacia el agujero negro se calienta debido a la fricción y libera energía en forma de radiación electromagnética. La energía radiante de los cuásares es enorme; los cuásares más poderosos tienen luminosidades miles de veces mayores que las de una galaxia como la Vía Láctea. Por lo general, los cuásares se clasifican como una subclase de la categoría más general de AGN. Los desplazamientos al rojo de los cuásares son de origen cosmológico.
El término quasar se originó como una contracción de "quasi-stellar [star-like] fuente de radio"—porque los quásares fueron identificados por primera vez durante el 1950 como fuentes de emisión de ondas de radio de origen físico desconocido, y cuando se identificaron en imágenes fotográficas en longitudes de onda visibles, parecían puntos de luz tenues como estrellas. Las imágenes de alta resolución de los cuásares, particularmente del Telescopio Espacial Hubble, han demostrado que los cuásares ocurren en los centros de las galaxias y que algunas galaxias anfitrionas interactúan fuertemente o se fusionan. Al igual que con otras categorías de AGN, las propiedades observadas de un cuásar dependen de muchos factores, incluida la masa del agujero negro, la tasa de acumulación de gas, la orientación del disco de acumulación en relación con el observador, la presencia o ausencia de un chorro., y el grado de oscurecimiento por gas y polvo dentro de la galaxia anfitriona.
Se han encontrado más de un millón de cuásares, y el más cercano conocido se encuentra a unos 600 millones de años luz de la Tierra. El récord del quásar conocido más distante continúa cambiando. En 2017, el cuásar ULAS J1342+0928 se detectó con un corrimiento al rojo z = 7,54. La luz observada desde este cuásar de 800 millones de masas solares se emitió cuando el universo tenía solo 690 millones de años. En 2020, el cuásar Pōniuāʻena se detectó a partir de un tiempo de solo 700 millones de años después del Big Bang, y con una masa estimada de 1.500 millones de veces la masa del Sol. A principios de 2021, el cuásar J0313–1806, con un agujero negro de 1600 millones de masa solar, se informó en z = 7,64, 670 millones de años después del Big Bang.
Las encuestas de descubrimiento de cuásares han demostrado que la actividad de los cuásares era más común en el pasado lejano; la época pico fue hace aproximadamente 10 000 millones de años. Las concentraciones de múltiples cuásares atraídos gravitacionalmente se conocen como grandes grupos de cuásares y constituyen algunas de las estructuras más grandes conocidas en el universo.
Nombramiento
El término "cuásar" fue utilizado por primera vez en un artículo del astrofísico Hong-Yee Chiu en mayo de 1964, en Physics Today, para describir ciertos objetos astronómicamente desconcertantes:
Hasta el momento, el nombre torpemente largo "fuentes radios cuasi estelares" se utiliza para describir estos objetos. Debido a que la naturaleza de estos objetos es enteramente desconocida, es difícil preparar una breve nomenclatura apropiada para ellos para que sus propiedades esenciales sean obvias de su nombre. Para comodidad, la forma abreviada "quasar" se utilizará en todo este papel.
Historia de observación e interpretación
Antecedentes
Entre 1917 y 1922, quedó claro a partir del trabajo de Heber Curtis, Ernst Öpik y otros que algunos objetos ("nebulosas") vistos por los astrónomos eran, de hecho, galaxias distantes como la Vía Láctea. Pero cuando comenzó la radioastronomía en la década de 1950, los astrónomos detectaron, entre las galaxias, una pequeña cantidad de objetos anómalos con propiedades que desafiaban toda explicación.
Los objetos emitieron grandes cantidades de radiación de muchas frecuencias, pero ninguna fuente pudo localizarse ópticamente o, en algunos casos, solo un objeto tenue y puntiagudo parecido a una estrella distante. Las líneas espectrales de estos objetos, que identifican los elementos químicos de los que se compone el objeto, también eran extremadamente extrañas y desafiaban la explicación. Algunos de ellos cambiaron su luminosidad muy rápidamente en el rango óptico e incluso más rápidamente en el rango de rayos X, lo que sugiere un límite superior en su tamaño, quizás no más grande que el Sistema Solar. Esto implica una densidad de potencia extremadamente alta. Se llevó a cabo una discusión considerable sobre cuáles podrían ser estos objetos. Fueron descritos como "cuasi-estelares [que significa: como estrellas] fuentes de radio", u "objetos cuasi-estelares& #34; (QSO), un nombre que reflejaba su naturaleza desconocida, y se redujo a "quasar".
Primeras observaciones (década de 1960 y anteriores)
Los primeros cuásares (3C 48 y 3C 273) se descubrieron a fines de la década de 1950, como fuentes de radio en estudios de radio de todo el cielo. Primero se notaron como fuentes de radio sin un objeto visible correspondiente. Usando telescopios pequeños y el Telescopio Lovell como interferómetro, se demostró que tenían un tamaño angular muy pequeño. Para 1960, cientos de estos objetos habían sido registrados y publicados en el Tercer Catálogo de Cambridge mientras los astrónomos escaneaban los cielos en busca de sus contrapartes ópticas. En 1963, Allan Sandage y Thomas A. Matthews publicaron una identificación definitiva de la fuente de radio 3C 48 con un objeto óptico. Los astrónomos habían detectado lo que parecía ser una tenue estrella azul en la ubicación de la fuente de radio y obtuvieron su espectro, que contenía muchas líneas de emisión anchas desconocidas. El espectro anómalo desafiaba la interpretación.
El astrónomo británico-australiano John Bolton realizó muchas de las primeras observaciones de los cuásares, incluido un gran avance en 1962. Se predijo que otra fuente de radio, 3C 273, sufriría cinco ocultaciones por parte de la Luna. Las mediciones realizadas por Cyril Hazard y John Bolton durante una de las ocultaciones con el radiotelescopio Parkes permitieron a Maarten Schmidt encontrar una contraparte visible de la fuente de radio y obtener un espectro óptico con el telescopio Hale de 200 pulgadas (5,1 m) en el monte Palomar. Este espectro reveló las mismas extrañas líneas de emisión. Schmidt pudo demostrar que era probable que estas fueran las líneas espectrales ordinarias de hidrógeno desplazadas al rojo en un 15,8%, en ese momento, un alto desplazamiento al rojo (con solo un puñado de galaxias mucho más débiles conocidas con mayor desplazamiento al rojo). Si esto se debió al movimiento físico de la 'estrella', entonces 3C 273 retrocedía a una velocidad enorme, alrededor de 47000 km/s, mucho más rápido que cualquier estrella conocida y desafiando cualquier explicación obvia. Una velocidad extrema tampoco ayudaría a explicar las enormes emisiones de radio de 3C 273. Si el corrimiento al rojo era cosmológico (ahora se sabe que es correcto), la gran distancia implicaba que 3C 273 era mucho más luminosa que cualquier galaxia, pero mucho más compacta. Además, 3C 273 fue lo suficientemente brillante como para detectarse en fotografías de archivo que datan de la década de 1900; se encontró que era variable en escalas de tiempo anuales, lo que implica que una fracción sustancial de la luz se emitía desde una región de menos de 1 año luz de tamaño, pequeña en comparación con una galaxia.
Aunque planteó muchas preguntas, el descubrimiento de Schmidt revolucionó rápidamente la observación de cuásares. Schmidt, Greenstein y Oke identificaron rápidamente el extraño espectro de 3C 48 como hidrógeno y magnesio desplazados al rojo en un 37%. Poco después, dos espectros de cuásar más en 1964 y cinco más en 1965 también se confirmaron como luz ordinaria que se había corrido al rojo en un grado extremo. Si bien no se puso en duda las observaciones y los desplazamientos hacia el rojo en sí mismos, su interpretación correcta fue muy debatida, y la sugerencia de Bolton de que la radiación detectada de los cuásares eran líneas espectrales ordinarias de fuentes distantes altamente desplazadas hacia el rojo con una velocidad extrema no fue ampliamente aceptada en ese momento.
Desarrollo de la comprensión física (década de 1960)
Un corrimiento al rojo extremo podría implicar una gran distancia y velocidad, pero también podría deberse a una masa extrema o tal vez a alguna otra ley desconocida de la naturaleza. La velocidad y la distancia extremas también implicarían una inmensa potencia de salida, que carecía de explicación. Los pequeños tamaños fueron confirmados por interferometría y por la observación de la velocidad con la que el cuásar en su conjunto variaba en su producción, y por su incapacidad para ser visto incluso en los telescopios de luz visible más potentes como algo más que débiles puntos de luz similares a estrellas. Pero si fueran pequeños y estuvieran muy lejos en el espacio, su producción de energía tendría que ser inmensa y difícil de explicar. Del mismo modo, si fueran muy pequeños y estuvieran mucho más cerca de esta galaxia, sería fácil explicar su salida de energía aparente, pero menos fácil explicar sus desplazamientos hacia el rojo y la falta de movimiento detectable en el contexto del universo.
Schmidt señaló que el corrimiento al rojo también está asociado con la expansión del universo, como se codifica en la ley de Hubble. Si el corrimiento al rojo medido se debió a la expansión, entonces esto respaldaría una interpretación de objetos muy distantes con una luminosidad y una potencia de salida extraordinariamente altas, mucho más allá de cualquier objeto visto hasta la fecha. Esta luminosidad extrema también explicaría la gran señal de radio. Schmidt concluyó que 3C 273 podría ser una estrella individual de unos 10 km de ancho dentro (o cerca) de esta galaxia, o un núcleo galáctico activo distante. Dijo que un objeto distante y extremadamente poderoso parecía más probable que fuera correcto.
La explicación de Schmidt para el alto corrimiento al rojo no fue ampliamente aceptada en ese momento. Una de las principales preocupaciones era la enorme cantidad de energía que estos objetos tendrían que estar irradiando, si estuvieran distantes. En la década de 1960, ningún mecanismo comúnmente aceptado podía dar cuenta de esto. La explicación actualmente aceptada, que se debe a que la materia en un disco de acreción cae en un agujero negro supermasivo, solo fue sugerida en 1964 por Edwin Salpeter y Yakov Zeldovich, e incluso entonces fue rechazada por muchos astrónomos, ya que en ese momento la existencia de los agujeros negros en absoluto fue ampliamente visto como teórico.
Se propusieron varias explicaciones durante las décadas de 1960 y 1970, cada una con sus propios problemas. Se sugirió que los cuásares eran objetos cercanos y que su corrimiento hacia el rojo no se debía a la expansión del espacio sino a la luz que escapaba de un profundo pozo gravitatorio. Esto requeriría un objeto masivo, lo que también explicaría las altas luminosidades. Sin embargo, una estrella de suficiente masa para producir el corrimiento al rojo medido sería inestable y excedería el límite de Hayashi. Los cuásares también muestran líneas de emisión espectral prohibidas, que anteriormente solo se veían en nebulosas gaseosas calientes de baja densidad, que serían demasiado difusas para generar la energía observada y encajar dentro de un pozo gravitatorio profundo. También hubo serias preocupaciones con respecto a la idea de cuásares cosmológicamente distantes. Un fuerte argumento en su contra era que implicaban energías que superaban con creces los procesos de conversión de energía conocidos, incluida la fusión nuclear. Hubo sugerencias de que los cuásares estaban hechos de alguna forma estable de antimateria hasta ahora desconocida en tipos de región del espacio igualmente desconocidos, y que esto podría explicar su brillo. Otros especularon que los cuásares eran un agujero blanco al final de un agujero de gusano, o una reacción en cadena de numerosas supernovas.
Finalmente, a partir de la década de 1970, muchas líneas de evidencia (incluidos los primeros observatorios espaciales de rayos X, el conocimiento de los agujeros negros y los modelos modernos de cosmología) demostraron gradualmente que los desplazamientos al rojo de los cuásares son genuinos y se deben a la expansión del espacio., que los cuásares son de hecho tan poderosos y distantes como habían sugerido Schmidt y algunos otros astrónomos, y que su fuente de energía es la materia de un disco de acreción que cae sobre un agujero negro supermasivo. Esto incluyó evidencia crucial de la visualización óptica y de rayos X de las galaxias anfitrionas del cuásar, el hallazgo de 'intervención'; líneas de absorción, que explicaron varias anomalías espectrales, observaciones de lentes gravitacionales, el descubrimiento de Gunn de 1971 de que las galaxias que contienen cuásares mostraban el mismo corrimiento al rojo que los cuásares, y el descubrimiento de Kristian de 1973 de que el "borroso"; El entorno de muchos cuásares era consistente con una galaxia anfitriona menos luminosa.
Este modelo también encaja bien con otras observaciones que sugieren que muchas o incluso la mayoría de las galaxias tienen un agujero negro central masivo. También explicaría por qué los cuásares son más comunes en el universo primitivo: a medida que un cuásar extrae materia de su disco de acreción, llega un punto en el que hay menos materia cerca y la producción de energía disminuye o cesa, ya que el cuásar se vuelve más ordinario. tipo de galaxia.
El mecanismo de producción de energía del disco de acreción finalmente se modeló en la década de 1970, y los agujeros negros también se detectaron directamente (incluida la evidencia que muestra que se podían encontrar agujeros negros supermasivos en el centro de esta y muchas otras galaxias), lo que resolvió el problema. preocupación de que los cuásares fueran demasiado luminosos para ser el resultado de objetos muy distantes o que no se pudiera confirmar que existiera un mecanismo adecuado en la naturaleza. En 1987 fue "bien aceptado" que esta era la explicación correcta para los cuásares, y casi todos los investigadores aceptaron la distancia cosmológica y la producción de energía de los cuásares.
Observaciones modernas (1970 en adelante)
Más tarde se descubrió que no todos los cuásares tienen una fuerte emisión de radio; de hecho, solo alrededor del 10% son "radio fuertes". De ahí el nombre "QSO" (objeto cuasi-estelar) se usa (además de "quasar") para referirse a estos objetos, categorizados además en "radio-fuerte" y el "radio silencioso" clases El descubrimiento del cuásar tuvo grandes implicaciones para el campo de la astronomía en la década de 1960, incluido el acercamiento de la física y la astronomía.
En 1979, el efecto de lente gravitacional predicho por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein se confirmó mediante observación por primera vez con imágenes del doble cuásar 0957+561.
Un estudio publicado en febrero de 2021 mostró que hay más cuásares en una dirección (hacia Hydra) que en la dirección opuesta, lo que aparentemente indica que la Tierra se mueve en esa dirección. Pero la dirección de este dipolo está a unos 28° de la dirección del movimiento de la Tierra en relación con la radiación de fondo cósmico de microondas.
En marzo de 2021, una colaboración de científicos relacionada con el Event Horizon Telescope presentó, por primera vez, una imagen polarizada de un agujero negro, en particular el agujero negro en el centro de Messier 87, una galaxia elíptica. aproximadamente a 55 millones de años luz de distancia en la constelación de Virgo, revelando las fuerzas que dan lugar a los cuásares.
Entendimiento actual
Ahora se sabe que los cuásares son objetos distantes pero extremadamente luminosos, por lo que cualquier luz que llega a la Tierra se desplaza hacia el rojo debido a la expansión métrica del espacio.
Los cuásares habitan en los centros de las galaxias activas y se encuentran entre los objetos más luminosos, poderosos y energéticos que se conocen en el universo, y emiten hasta mil veces la producción de energía de la Vía Láctea, que contiene entre 200 y 400 mil millones de estrellas. Esta radiación se emite en todo el espectro electromagnético, casi uniformemente, desde los rayos X hasta el infrarrojo lejano con un pico en las bandas ópticas ultravioleta, y algunos cuásares también son fuertes fuentes de emisión de radio y de rayos gamma. Con imágenes de alta resolución de telescopios terrestres y el Telescopio Espacial Hubble, las "galaxias anfitrionas" en torno a los cuásares se han detectado en algunos casos. Estas galaxias normalmente son demasiado tenues para ser vistas contra el resplandor del quásar, excepto con técnicas especiales. La mayoría de los cuásares, con la excepción de 3C 273, cuya magnitud aparente promedio es de 12,9, no se pueden ver con telescopios pequeños.
Se cree, y en muchos casos se confirma, que los cuásares se alimentan de la acumulación de material en agujeros negros supermasivos en los núcleos de galaxias distantes, como lo sugirieron en 1964 Edwin Salpeter y Yakov Zeldovich. La luz y otras radiaciones no pueden escapar del horizonte de sucesos de un agujero negro. La energía producida por un cuásar se genera fuera del agujero negro, por tensiones gravitatorias y una inmensa fricción dentro del material más cercano al agujero negro, mientras orbita y cae hacia adentro. La enorme luminosidad de los cuásares resulta de los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos centrales, que pueden convertir entre el 6 % y el 32 % de la masa de un objeto en energía, en comparación con solo el 0,7 % del proceso de fusión nuclear de cadena p-p que domina la producción de energía en estrellas similares al Sol. Se han medido masas centrales de 105 a 109 masas solares en cuásares utilizando mapas de reverberación. Se confirma que varias docenas de grandes galaxias cercanas, incluida la Vía Láctea, que no tienen un centro activo y no muestran ninguna actividad similar a un cuásar, contienen un agujero negro supermasivo similar en sus núcleos (centro galáctico). Por lo tanto, ahora se cree que todas las galaxias grandes tienen un agujero negro de este tipo, pero solo una pequeña fracción tiene suficiente materia en el tipo correcto de órbita en su centro para volverse activa y potenciar la radiación de tal manera que se vean como cuásares..
Esto también explica por qué los cuásares eran más comunes en el universo primitivo, ya que esta producción de energía termina cuando el agujero negro supermasivo consume todo el gas y el polvo cerca de él. Esto significa que es posible que la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, hayan pasado por una etapa activa, apareciendo como un cuásar o alguna otra clase de galaxia activa que dependía de la masa del agujero negro y la tasa de acreción, y ahora están inactivas. porque carecen de un suministro de materia para alimentar sus agujeros negros centrales para generar radiación.
Es poco probable que la materia que se acumula en el agujero negro caiga directamente, pero tendrá cierto momento angular alrededor del agujero negro, lo que hará que la materia se acumule en un disco de acreción. Los cuásares también pueden encenderse o volver a encenderse cuando las galaxias normales se fusionan y el agujero negro se infunde con una nueva fuente de materia. De hecho, se ha sugerido que se podría formar un cuásar cuando la galaxia de Andrómeda colisione con la galaxia de la Vía Láctea en aproximadamente 3 a 5 mil millones de años.
En la década de 1980, se desarrollaron modelos unificados en los que los cuásares se clasificaron como un tipo particular de galaxia activa, y surgió el consenso de que, en muchos casos, es simplemente el ángulo de visión lo que los distingue de otras galaxias activas, como blazars y radiogalaxias.
El cuásar con mayor corrimiento al rojo conocido (en diciembre de 2017) fue ULAS J1342+0928, con un corrimiento al rojo de 7,54, lo que corresponde a una distancia de comovimiento de aproximadamente 29,36 mil millones de años luz de la Tierra (estas distancias son mucho mayores que las distancia que podría viajar la luz en los 13.800 millones de años de historia del universo porque el espacio mismo también se ha estado expandiendo).
Propiedades
Se han encontrado más de 750 414 cuásares (hasta agosto de 2020), la mayoría del Sloan Encuesta digital del cielo. Todos los espectros de cuásar observados tienen corrimientos al rojo entre 0,056 y 7,64 (a partir de 2021). Aplicando la ley de Hubble a estos desplazamientos al rojo, se puede demostrar que están entre 600 millones y 29,36 mil millones de años luz de distancia (en términos de distancia de comovimiento). Debido a las grandes distancias a los quásares más lejanos y la velocidad finita de la luz, ellos y el espacio que los rodea aparecen como existieron en el universo primitivo.
El poder de los cuásares se origina en los agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el centro de la mayoría de las galaxias. Los desplazamientos Doppler de las estrellas cerca de los núcleos de las galaxias indican que giran alrededor de enormes masas con gradientes de gravedad muy pronunciados, lo que sugiere agujeros negros.
Aunque los cuásares parecen débiles cuando se ven desde la Tierra, son visibles desde distancias extremas y son los objetos más luminosos del universo conocido. El cuásar más brillante del cielo es 3C 273 en la constelación de Virgo. Tiene una magnitud aparente promedio de 12,8 (lo suficientemente brillante como para ser visto a través de un telescopio amateur de tamaño mediano), pero tiene una magnitud absoluta de -26,7. Desde una distancia de unos 33 años luz, este objeto brillaría en el cielo con la misma intensidad que el Sol. La luminosidad de este cuásar es, por lo tanto, de unos 4 billones (4×1012) veces la del Sol, o unas 100 veces la luz total de galaxias gigantes como la Vía Láctea. Esto supone que el cuásar irradia energía en todas las direcciones, pero se cree que el núcleo galáctico activo irradia preferentemente en la dirección de su chorro. En un universo que contiene cientos de miles de millones de galaxias, la mayoría de las cuales tenían núcleos activos hace miles de millones de años pero que solo se ven hoy, es estadísticamente cierto que miles de chorros de energía deberían apuntar hacia la Tierra, algunos más directamente que otros. En muchos casos, es probable que cuanto más brillante sea el cuásar, más directamente apunte su chorro a la Tierra. Estos cuásares se denominan blazares.
Cuando se descubrió en 1998, al cuásar hiperluminoso APM 08279+5255 se le otorgó una magnitud absoluta de −32,2. Las imágenes de alta resolución con el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Keck de 10 m revelaron que este sistema tiene lentes gravitacionales. Un estudio de las lentes gravitatorias de este sistema sugiere que la luz emitida ha sido magnificada por un factor de ~10. Todavía es sustancialmente más luminoso que los cuásares cercanos como 3C 273.
Los cuásares eran mucho más comunes en el universo primitivo de lo que son hoy. Este descubrimiento de Maarten Schmidt en 1967 fue una fuerte evidencia temprana en contra de la cosmología del estado estacionario ya favor de la cosmología del Big Bang. Los cuásares muestran las ubicaciones donde los agujeros negros supermasivos están creciendo rápidamente (por acreción). Las simulaciones detalladas informadas en 2021 mostraron que las estructuras de las galaxias, como los brazos espirales, usan fuerzas gravitacionales para "frenar". gas que de otro modo orbitaría los centros de las galaxias para siempre; en cambio, el mecanismo de frenado permitió que el gas cayera en los agujeros negros supermasivos, liberando enormes energías radiantes. Estos agujeros negros coevolucionan con la masa de estrellas en su galaxia anfitriona de una manera que no se comprende completamente en la actualidad. Una idea es que los chorros, la radiación y los vientos creados por los cuásares detienen la formación de nuevas estrellas en la galaxia anfitriona, un proceso llamado "retroalimentación". Se sabe que los chorros que producen fuertes emisiones de radio en algunos cuásares en los centros de los cúmulos de galaxias tienen suficiente potencia para evitar que el gas caliente en esos cúmulos se enfríe y caiga sobre la galaxia central.
Cuásares' las luminosidades son variables, con escalas de tiempo que van desde meses hasta horas. Esto significa que los cuásares generan y emiten su energía desde una región muy pequeña, ya que cada parte del cuásar tendría que estar en contacto con otras partes en una escala de tiempo tal que permitiera la coordinación de las variaciones de luminosidad. Esto significaría que un cuásar que varía en una escala de tiempo de unas pocas semanas no puede tener más de unas pocas semanas luz de diámetro. La emisión de grandes cantidades de energía desde una pequeña región requiere una fuente de energía mucho más eficiente que la fusión nuclear que alimenta las estrellas. La conversión de energía potencial gravitacional en radiación al caer en un agujero negro convierte entre el 6% y el 32% de la masa en energía, en comparación con el 0,7% de la conversión de masa en energía en una estrella como el Sol. Es el único proceso conocido que puede producir una potencia tan alta durante un plazo muy largo. (Las explosiones estelares, como las supernovas y los estallidos de rayos gamma, y la aniquilación directa de materia y antimateria, también pueden producir una salida de energía muy alta, pero las supernovas solo duran días, y el universo no parece haber tenido grandes cantidades de antimateria en el lugar correspondiente). veces.)
Dado que los cuásares exhiben todas las propiedades comunes a otras galaxias activas como las galaxias Seyfert, la emisión de los cuásares se puede comparar fácilmente con las de galaxias activas más pequeñas alimentadas por agujeros negros supermasivos más pequeños. Para crear una luminosidad de 1040 vatios (el brillo típico de un cuásar), un agujero negro supermasivo tendría que consumir el equivalente material de 10 masas solares por año. Los cuásares más brillantes conocidos devoran 1000 masas solares de material cada año. Se estima que el más grande conocido consume materia equivalente a 10 Tierras por segundo. Las luminosidades de los cuásares pueden variar considerablemente con el tiempo, dependiendo de su entorno. Dado que es difícil alimentar los cuásares durante muchos miles de millones de años, después de que un cuásar termina de acrecentar el gas y el polvo circundantes, se convierte en una galaxia ordinaria.
La radiación de los cuásares es parcialmente "no térmica" (es decir, no debido a la radiación del cuerpo negro), y se observa que aproximadamente el 10% también tiene chorros y lóbulos como los de las radiogalaxias que también transportan cantidades significativas (pero poco conocidas) de energía en forma de partículas que se mueven a velocidades relativistas.. Las energías extremadamente altas pueden explicarse por varios mecanismos (ver Aceleración de Fermi y Mecanismo centrífugo de aceleración). Los cuásares se pueden detectar en todo el espectro electromagnético observable, incluidos los rayos de radio, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X e incluso rayos gamma. La mayoría de los cuásares son más brillantes en su longitud de onda ultravioleta en reposo de 121,6 nm en la línea de emisión Lyman-alfa del hidrógeno, pero debido a los tremendos desplazamientos al rojo de estas fuentes, esa luminosidad máxima se ha observado tan lejos del rojo como 900,0 nm, en el cercano infrarrojo. Una minoría de cuásares muestra una fuerte emisión de radio, que es generada por chorros de materia que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Cuando se ven hacia abajo, estos aparecen como blazares y, a menudo, tienen regiones que parecen alejarse del centro más rápido que la velocidad de la luz (expansión superlumínica). Esta es una ilusión óptica debido a las propiedades de la relatividad especial.
Los desplazamientos al rojo de los cuásares se miden a partir de las fuertes líneas espectrales que dominan sus espectros de emisión visible y ultravioleta. Estas líneas son más brillantes que el espectro continuo. Exhiben un ensanchamiento Doppler correspondiente a una velocidad media de varios por ciento de la velocidad de la luz. Los movimientos rápidos indican fuertemente una gran masa. Las líneas de emisión de hidrógeno (principalmente de la serie Lyman y la serie Balmer), helio, carbono, magnesio, hierro y oxígeno son las líneas más brillantes. Los átomos que emiten estas líneas van desde neutros hasta altamente ionizados, dejándolo altamente cargado. Este amplio rango de ionización muestra que el gas está altamente irradiado por el quásar, no simplemente caliente, y no por las estrellas, que no pueden producir un rango tan amplio de ionización.
Al igual que todas las galaxias activas (no oscurecidas), los cuásares pueden ser potentes fuentes de rayos X. Los quásares radio-ruidosos también pueden producir rayos X y rayos gamma por dispersión Compton inversa de fotones de menor energía por los electrones emisores de radio en el chorro.
Los cuásares de hierro muestran fuertes líneas de emisión resultantes del hierro de baja ionización (Fe II), como IRAS 18508-7815.
Líneas espectrales, reionización y el universo primitivo
Los cuásares también proporcionan algunas pistas sobre el final de la reionización del Big Bang. Los cuásares más antiguos conocidos (z = 6) muestran un canal de Gunn-Peterson y tienen regiones de absorción frente a ellos que indican que el medio intergaláctico en ese momento era gas neutro. Los cuásares más recientes no muestran una región de absorción, sino que sus espectros contienen un área puntiaguda conocida como bosque Lyman-alfa; esto indica que el medio intergaláctico se ha reionizado en plasma y que el gas neutro existe solo en pequeñas nubes.
La intensa producción de radiación ultravioleta ionizante también es importante, ya que proporcionaría un mecanismo para que se produzca la reionización a medida que se forman las galaxias. A pesar de esto, las teorías actuales sugieren que los cuásares no fueron la principal fuente de reionización; las causas principales de la reionización fueron probablemente las primeras generaciones de estrellas, conocidas como estrellas de Población III (posiblemente el 70%) y las galaxias enanas (galaxias pequeñas de alta energía muy tempranas) (posiblemente el 30%).
Los quásares muestran evidencia de elementos más pesados que el helio, lo que indica que las galaxias experimentaron una fase masiva de formación estelar, creando estrellas de población III entre la época del Big Bang y los primeros quásares observados. Es posible que la luz de estas estrellas se haya observado en 2005 utilizando el telescopio espacial Spitzer de la NASA, aunque esta observación aún no se ha confirmado.
Subtipos de cuásares
La taxonomía de los cuásares incluye varios subtipos que representan subconjuntos de la población de cuásares que tienen propiedades distintas.
- Radio-loud quasars son quasars con potentes jets que son fuentes fuertes de emisión de onda de radio. Estos representan alrededor del 10% de la población total de quasar.
- Radio-quiet quasars son esos quasars carentes de potentes jets, con emisiones radiofónicas relativamente más débiles que la población de radio-loud. La mayoría de los quasars (alrededor del 90%) son radioquinta.
- Cuasares de línea de absorción amplia son quasars cuyo espectro exhibe líneas de absorción anchas que son blueshifted en relación con el marco de reposo del quasar, resultantes de la salida de gas desde el núcleo activo en la dirección hacia el observador. Las líneas de absorción anchas se encuentran en alrededor del 10% de los quasars, y los quasars BAL son generalmente radio-cuarto. En el espectro ultravioleta de resto de cuásares BAL se pueden detectar líneas de absorción anchas de carbono ionizado, magnesio, silicio, nitrógeno y otros elementos.
- Tipo 2 (o tipo II) quasars son cuásares en los que el disco de acreción y las líneas de emisión amplias están muy oscurecidas por gas y polvo densos. Son contrapartes de mayor luminosidad de las galaxias Seyfert tipo 2.
- Cuasares rojos son cuásares con colores ópticos que son más rojos que los quasares normales, considerados como el resultado de niveles moderados de extinción de polvo dentro de la galaxia anfitriona de cuásar. Las encuestas infrarrojas han demostrado que los cuásares rojos constituyen una parte sustancial de la población total de quasar.
- Cuasares de variable violenta óptica (OVV) son quasars de radio en el que el jet está dirigido hacia el observador. El rayo relativo de la emisión de chorro da como resultado una variabilidad fuerte y rápida del brillo cuásar. Los quasars OVV también se consideran un tipo de blazar.
- Cuasares de línea de emisión débil son cuásares que tienen líneas de emisión inusualmente débiles en el espectro ultravioleta/visible.
Papel en los sistemas de referencia celestes
Debido a que los cuásares son extremadamente distantes, brillantes y de tamaño aparente pequeño, son puntos de referencia útiles para establecer una cuadrícula de medición en el cielo. El Sistema Internacional de Referencia Celestial (ICRS) se basa en cientos de fuentes de radio extragalácticas, en su mayoría cuásares, distribuidas por todo el cielo. Debido a que están tan distantes, aparentemente son estacionarios según la tecnología actual, pero sus posiciones se pueden medir con la máxima precisión mediante interferometría de línea de base muy larga (VLBI). Las posiciones de la mayoría se conocen con una precisión de 0,001 segundos de arco o más, que son órdenes de magnitud más precisas que las mejores mediciones ópticas.
Múltiples cuásares
Una agrupación de dos o más cuásares en el cielo puede resultar de una alineación fortuita, donde los cuásares no están físicamente asociados, de la proximidad física real o de los efectos de la gravedad que desvía la luz de un único cuásar en dos o más Imágenes por lentes gravitacionales.
Cuando dos cuásares parecen estar muy cerca uno del otro vistos desde la Tierra (separados por unos pocos segundos de arco o menos), se les suele denominar "doble cuásar". Cuando los dos también están muy juntos en el espacio (es decir, se observa que tienen corrimientos al rojo similares), se denominan un "par de cuásares", o como un "cuasar binario". si están lo suficientemente cerca como para que sus galaxias anfitrionas puedan interactuar físicamente.
Como los cuásares son en general objetos raros en el universo, la probabilidad de que se encuentren tres o más cuásares separados cerca de la misma ubicación física es muy baja, y determinar si el sistema está muy separado físicamente requiere un esfuerzo de observación significativo. El primer cuásar triple verdadero se encontró en 2007 mediante observaciones en el Observatorio W. M. Keck en Mauna Kea, Hawái. LBQS 1429-008 (o QQQ J1432-0106) se observó por primera vez en 1989 y en ese momento se descubrió que era un cuásar doble. Cuando los astrónomos descubrieron el tercer miembro, confirmaron que las fuentes estaban separadas y no eran el resultado de lentes gravitacionales. Este cuásar triple tiene un corrimiento al rojo de z = 2.076. Los componentes están separados por un estimado de 30 a 50 kiloparsecs (aproximadamente 97 000 a 160 000 años luz), lo cual es típico para las galaxias en interacción. En 2013, se encontró el segundo triplete verdadero de cuásares, QQQ J1519+0627, con un corrimiento al rojo z = 1,51, y todo el sistema encajaba dentro de una separación física de 25 kpc (alrededor de 80 000 años luz).
El primer sistema de cuásar cuádruple verdadero se descubrió en 2015 con un corrimiento al rojo z = 2,0412 y tiene una escala física general de aproximadamente 200 kpc (aproximadamente 650 000 años luz).
Un cuásar de múltiples imágenes es un cuásar cuya luz se somete a lentes gravitacionales, lo que da como resultado imágenes dobles, triples o cuádruples del mismo cuásar. La primera lente gravitacional de este tipo que se descubrió fue el cuásar de doble imagen Q0957+561 (o Twin Quasar) en 1979. Un ejemplo de cuásar de triple lente es PG1115+08. Se conocen varios cuásares de imagen cuádruple, incluidos Einstein Cross y Cloverleaf Quasar, y los primeros descubrimientos de este tipo se produjeron a mediados de la década de 1980.
Galería
![Illustration of Double Quasars in Merging Galaxies[80]](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/14/Double_Quasars_in_Merging_Galaxies.jpg/320px-Double_Quasars_in_Merging_Galaxies.jpg)
Ilustración de dobles cuásares en galaxias fusionadas
![These two NASA/ESA Hubble Space Telescope images reveal two pairs of quasars that existed 10 billion years ago and reside at the hearts of merging galaxies.[81]](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg/364px-Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg)
Estas dos imágenes del Telescopio Espacial Hubble NASA/ESA revelan dos pares de quasars que existieron hace 10 mil millones de años y residen en los corazones de las galaxias fusionadas.
![Illustration of Double Quasars in Merging Galaxies[80]](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Double_Quasars_in_Merging_Galaxies.jpg)
![These two NASA/ESA Hubble Space Telescope images reveal two pairs of quasars that existed 10 billion years ago and reside at the hearts of merging galaxies.[81]](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg)
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