Blazar - Polski Serwis Naukowy

Blazar – typ galaktyki aktywnej, której obserwowane widmo promieniowania w znacznej mierze pochodzi od relatywistycznego dżetu skierowanego pod niewielkim kątem w stronę obserwatora. Do klasy blazarów należą niektóre radiowo głośne kwazary oraz lacertydy – obiekty typu BL Lacertae. Nazwa blazar jest kombinacją słowną wyrazów BL Lac i kwazar.

Fala uderzeniowa – cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu, rozchodząca się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).

Absorpcja – w optyce proces pochłaniania energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła. O ile jednak promieniowanie rozproszone opuszcza ciało, to część zaabsorbowana zanika powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała.

Własności

Widma blazarów rozciągają się od fal radiowych aż po wysokoenergetyczne promieniowanie gamma i są zdominowane dwiema składowymi nietermicznymi. Składowa niskoenergetyczna rozpoczyna się na falach radiowych i w przypadku kwazarów sięga zakresu ultrafioletowego, natomiast w lacertydach - promieniowania rentgenowskiego. W zakresie radiowym, milimetrowym i optycznym obserwuje się znaczną polaryzację liniową (3-40%). Natomiast składowa wysokoenergetyczna w kwazarach rozciąga się do energii rzędu GeV, a w niektórych lacertydach sięga zakresu TeV. Oprócz składowych nietermicznych, we wszystkich kwazarach i w niektórych lacertydach obserwuje się termiczny składnik widmowy, o maksimum w zakresie ultrafioletowym, pochodzący z dysku akrecyjnego oraz szereg optycznych/ultrafioletowych linii emisyjnych o różnej szerokości. W większości blazarów linie te są znacząco przesunięte ku czerwieni, co oznacza położenie na odległościach kosmologicznych. Najdalsze odkryte blazary mają przesunięcie ku czerwieni $z\sim 7$ , a zatem ich światło zostało wyemitowane $\sim 12,9$ miliardów lat temu.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Teleskop kosmiczny Chandra (ang. Chandra X-ray Observatory, CXO) – teleskop kosmiczny pracujący w zakresie promieni rentgenowskich wyniesiony na orbitę przez prom kosmiczny Columbia 23 lipca 1999 roku podczas misji STS-93.

Blazary zmieniają swoją jasność we wszystkich zakresach promieniowania. Zmienność ta ma charakter stochastyczny, tzn. chociaż widmo mocy ma regularny potęgowy charakter, nie potrafimy przewidzieć kolejnych stanów jasności. Zmienność w poszczególnych zakresach, jak też zmienności strumienia całkowitego i spolaryzowanego mogą być słabo skorelowane. Skale czasowe zmienności sięgają od kilku minut do kilku lat. Najkrótsze skale czasowe obserwowane były w zakresie TeV.

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) – promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytwarzane przez prąd przemienny płynący w antenie. Uznaje się, że falami radiowymi są fale o częstotliwości 3 kHz – 3 THz (3·103 – 3·1012 Hz). Wg literatury zachodniej zakres częstotliwości obejmuje fale od 3 Hz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Radioźródło, źródło radiowe – obiekt astronomiczny, który stanowi silne źródło fal radiowych, czasami o innych konturach niż widoczne w zakresie światła widzialnego. Na ziemskim niebie jest bardzo wiele intensywnych radioźródeł, z których najsilniejsze w zakresie długości fal mniejszych od 1 metra jest Słońce, zaś większych – Droga Mleczna. Silnym źródłem promieniowania radiowego jest także Jowisz, który ma bardzo rozbudowaną magnetosferę. Poza Galaktyką znajdują się inne radioźródła, takie jak np. Centaurus A – radiogalaktyka w gwiazdozbiorze Centaura, czy Cassiopeia A, która jest pozostałością po supernowej oraz liczne inne takie, jak Mgławica Kraba (którą jako supernową obserwowano przez kilka miesięcy od 4 lipca 1054 roku) i pulsary (zwiększające jasność radiową z częstotliwością od ok. 1/3 do 30 Hz). Wybuchy radiowe są obserwowane także na Słońcu w okresach dużej liczby plam, a emisję taką powinny wykazywać także inne gwiazdy, na których obserwuje się rozbłyski. Podczas obserwacji radioteleskopem w Arecibo stwierdzono zmiany częstotliwości emisji radiowych – zjawisko znane już z obserwacji rozbłysków słonecznych w zakresie radiowym. Radioźródłami są także jądra galaktyk Seyferta, galaktyki typu N. Obserwacje radiowe umożliwiły odkrycie kwazarów 5 lutego 1963 roku. W latach 1964–1965 wykryto tzw. promieniowanie reliktowe.

Blazary są zwartymi radioźródłami, na mapach radiowych wykazują morfologię typu jądro-dżet, tzn. grube optycznie jądro radiowe i odchodzący od niego cienki optycznie dżet. Położenie jądra radiowego nie jest tożsame z położeniem centralnej czarnej dziury, a odległość między nimi wzrasta wraz z długością fali obserwowanej emisji. Bardzo często można wyróżnić w dżecie zwarte pojaśnienia, które oddalają się od jądra z pozornymi prędkościami nadświetlnymi sięgającymi 40 c.

Integral (od ang. International Gamma Ray Astrophysics Laboratory) – sztuczny satelita służący do obserwacji źródeł promieniowania gamma we Wszechświecie.

Lacertydy (obiekty typu BL Lacertae, często nazywane ,,BL Lac") - gwiazdopodobne obiekty pozagalaktyczne, charakteryzujące się silnym promieniowaniem w zakresie fal radiowych oraz bardzo szybkimi zmianami jasności i polaryzacji. Podobne cechy wykazuje podgrupa kwazarów, blazary, od których lacertydy odróżnia mniejsze natężenie linii widmowych. Lacertydy uważane są za rodzaj aktywnych jąder galaktyk, których szczególne właściwości spowodowane są skierowaniem strumienia wyrzucanej materii wprost do obserwatora.

Obserwacje

Blazary obserwowane są przez bardzo wiele obserwatoriów, zarówno naziemnych i orbitalnych. Najjaśniejsze obiekty, takie jak 3C 454.3, 3C 273, 3C 279, PKS 1510-089, AO 0235+164, OJ 287, BL Lac, Mrk 421, Mrk 501, PKS 2155-304 monitorowane są regularnie w ramach kampanii wielozakresowych. Celem tych kampanii jest uzyskanie możliwie najlepszego jednoczesnego pokrycia widmowego oraz badanie korelacji pomiędzy zmiennościami w poszczególnych zakresach. Szczególną rolę odgrywają w nich obserwatoria promieniowania gamma: teleskopy czerenkowskie HESS, MAGIC i VERITAS (w zakresie TeV); kosmiczny teleskop Fermi (w zakresie GeV); oraz obserwatorium INTEGRAL (w zakresie MeV). W zakresie rentgenowskim blazary obserwowane są głównie przez teleskopy monitorujące o elastycznym programie obserwacyjnym: Swift (który dostarcza równocześnie danych ultrafioletowych) oraz RXTE. W zakresie optycznym obserwacje prowadzone są przez dziesiątki średniej wielkości teleskopów na całym świecie zrzeszone w konsorcjum WEBT. Niezwykle cennych danych o polaryzacji optycznej dostarcza teleskop KANATA. Blazary są regularnie monitorowane przez obserwatoria milimetrowe oraz radiowe. Na szczególną uwagę zasługują projekty interferometrii wielkobazowej (VLBI), które dostarczają mapy zarówno emisji jak i polaryzacji o rozdzielczości liniowej lepszej niż parsek. Okazjonalnie do obserwacji blazarów używa się wielkich teleskopów orbitalnych, takich jak Spitzer, Herschel, Hubble, Chandra, XMM-Newton.

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Dżet, inaczej struga – skolimowany strumień plazmowej materii wyrzucany z relatywistycznymi prędkościami z biegunów jądra galaktyki lub gwiazdy. Pierwszy dżet został zaobserwowany przez H. Curtisa w roku 1918 w galaktyce eliptycznej M87 w gromadzie Panny, jako jasny promień świetlny połączony z jądrem galaktyki. W latach 1960 obserwacje radiowe wielu galaktyk pokazały istnienie rozciągłych struktur radiowych, w skład których wchodzi zwarte jądro, radioobłoki oraz łączące je dżety.

Interpretacja fizyczna

Nietermiczny charakter widm blazarów świadczy o tym, że ich emisja produkowana jest w bardzo rozrzedzonej plaźmie. Obserwacja pozornie nadświetlnej propagacji elementów radiowych jest bezpośrednim dowodem na to, że plazma ta porusza się z wysoce relatywistycznymi prędkościami, z czynnikiem Lorentza $\Gamma= 10-40$ , oraz że kierunek jej propagacji jest bliski linii widzenia. W takiej sytuacji zachodzi bardzo silny relatywistyczny efekt Dopplera, który powoduje wzmocnienie obserwowanej jasności blazarów o czynnik $\sim\Gamma^4$ , a także przyspieszenie obserwowanej skali czasowej zmienności o czynnik $\sim\Gamma$ . Dlatego też blazary są najjaśniejszymi obserwowanymi aktywnymi galaktykami i obserwowane są na odległościach kosmologicznych.

Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg.

High Energy Stereoscopic System (HESS) – obserwatorium astronomiczne znajdujące się w Namibii. High Energy Stereoscopic System to Wysokoenergetyczny System Stereoskopowy składający się z czterech teleskopów. Każdy z teleskopów systemu składa się ze sferycznego zwierciadła o powierzchni 107 metrów kwadratowych, złożonego z 382 okrągłych luster. Do rejestracji promieniowania Czerenkowa służy detektor składający się z 960 fotopowielaczy. Dzięki zastosowaniu czterech teleskopów możliwe jest wykorzystanie stereoskopii, co daje zdolność rozdzielczą ok. 3’. Obserwatorium HESS w pełnej konfiguracji działa od roku 2004. Obserwatorium HESS prowadzi obserwacje w zakresie promieniowania gamma i służy między innymi do obserwacji pozostałości po wybuchach supernowych, pulsarów, plerionów, mikrokwazarów i aktywnych jąder galaktyk. Nazwa obserwatorium HESS ma również uhonorować Victora Hessa, który w 1912 roku wysunął jako pierwszy hipotezę istnienia promieniowania kosmicznego.

Jeśli blazary są aktywnymi galaktykami wyposażonymi w dżety o wyróżnionej orientacji wzlędem obserwatora, muszą odpowiadać im poszczególne klasy radiogalaktyk, w których dżety zorientowane są pod dużym kątem do obserwatora. W modelu unifikacji radiowo głośnych aktywnych galaktyk, lacertydy interpretuje się jako radiogalaktyki typu FR I, zaś kwazary są odpowiednikami radiogalaktyk typu FR II.

Promieniowanie kosmiczne – promieniowanie złożone, zarówno korpuskularne jak i elektromagnetyczne, docierające do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne.

Promieniowanie nietermiczne to promieniowanie elektromagnetyczne, emitowane przez ciało nie będące w stanie równowagi termodynamicznej z promieniowaniem. W przeciwieństwie do promieniowania termicznego, promieniowanie to nie ma rozkładu Plancka, co więcej, często w ogóle nie ma rozkładu ciągłego. Równowaga termodynamiczna pomiędzy promieniowaniem a materią ustala się dzięki wymianie energii pomiędzy nimi w procesach emisji i absorpcji fotonów. Wyraźna nierównowaga pomiędzy procesem emisji i absorpcji prowadzi do nietermicznego charakteru wysyłanego promieniowania.

Ze względu na znaczną polaryzację, niskoenergetyczny składnik widmowy w blazarach interpretuje się jako promieniowanie synchrotronowe wysokoenergetycznych elektronów (lub par elektronowo-pozytronowych). Implikuje obecność znaczących pól magnetycznych, niekiedy o wysokim stopniu uporządkowania. Samoabsorpcja promieniowania synchrotronowego tłumaczy występowanie na mapach radiowych jąder o położeniu zależnym od obserwacyjnej długości fali.

Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, nadfiolet) – . Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym. Dawniej było nazywane promieniowaniem "pozafiołkowym".

Dysk akrecyjny jest to wirująca struktura uformowana przez pył i gaz, opadający (poprzez zjawisko akrecji) na silne źródło grawitacji. Obiektem centralnym przyciągającym grawitacyjnie wirującą materię jest najczęściej czarna dziura, gwiazda neutronowa, biały karzeł bądź młoda gwiazda. Dyski akrecyjne różnią się od struktury typu pierścieni Saturna opadaniem materii ku centrum grawitacyjnemu w wyniku działania lepkości. Siły lepkie są niezbędne, aby materia obdarzona momentem pędu i znajdująca się na orbicie w przybliżeniu kołowej mogła zacieśnić orbitę.

Interpretacja wysokoenergetycznego składnika widmowego zależy od efektywności przyspieszania poszczególnych rodzajów cząstek do odpowiednio wysokich energii. W najczęściej przyjmowanych modelach leptonowych promieniowanie gamma produkowane jest przez elektrony w procesie odwrotnej komptonizacji. Źródłem fotonów do komptonizacji mogą być fotony synchrotronowe lub zewnętrzne promieniowanie: bezpośrednio z dysku akrecyjnego, przetworzone przez częściowo zjonizowany gaz w obszarze szerokich linii emisyjnych albo przetworzone na emisję podczerwoną w obszarze pyłowego torusa. Natomiast w modelach hadronowych, inspirowanych próbą wyjaśnienia ultrarelatywistycznych promieni kosmicznych, promieniowanie gamma jest produkowane z udziałem wysokoenergetycznych protonów.

Kwazar (z ang. quasar - quasi-stellar radio source lub też QSO - quasi-stellar object, dosłownie "obiekt gwiazdopodobny emitujący fale radiowe") to zwarte źródło ciągłego promieniowania elektromagnetycznego o ogromnej mocy, pozornie przypominające gwiazdę. W rzeczywistości jest to rodzaj aktywnej galaktyki.

Czarna dziura – obiekt astronomiczny, który tak silnie oddziałuje grawitacyjnie na swoje otoczenie, że nawet światło nie może uciec z jego powierzchni (prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła).

Szerokości widm wskazują na efektywne przyspieszanie elektronów do czynników Lorentza rzędu $10^{3-4}$ w przypadku kwazarów i $10^{6-7}$ w przypadku lacertyd. Przyspieszanie cząstek do takich energii może następować w obecności fal uderzeniowych w procesie Fermiego lub w rejonach rekoneksji pól magnetycznych.

Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) – sztuczny satelita przeznaczony do obserwacji nieba z zakresie promieniowania rentgenowskiego, wystrzelonym przez NASA 30 grudnia 1995 z przylądka Canaveral na Florydzie.

Radiogalaktyka, jest to galaktyka, która emituje bardzo silne fale radiowe. Radiogalaktyki to rodzaj aktywnych galaktyk o rozległej strukturze radiowej i dobrze widocznej strukturze gwiazdowej części galaktyki. Obraz radiowy radiogalaktyki tworzą obłoki radiowe stanowiące zazwyczaj najsilniejsze źródło fal, czasami widoczne jest także zwarte źródło centralne oraz dżety - wąskie struktury łączące jądro galaktyki z obłokami radiowymi. Obłoki radiowe nie pokrywają się z obserwowaną w świetle widzialnym strukturą galaktyki, i mogą być od niej wielokrotnie większe. Obserwowana emisja radiowa to świecenie energetycznych elektronów poruszających się w silnym polu magnetycznym radioobłoków (promieniowanie synchrotronowe). Do najbardziej znanych radiogalaktyk należą między innymi: