Galaktyka aktywna - Polski Serwis Naukowy

Messier 87 - przykład galaktyki aktywnej

Galaktyka aktywna – galaktyka, w której energia w znaczącej ilości nie jest emitowana przez jej normalne składniki, czyli: gwiazdy, pył i gaz międzygwiazdowy. Ta część energii, zależnie od typu galaktyki aktywnej, może być emitowana w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego jako podczerwień, fale radiowe, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma.

Akrecja – w astronomii terminem tym określa się opadanie rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego w wyniku działania grawitacji. Zjawisku temu może towarzyszyć wydzielanie dużej ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, gdy opadająca materia wyświeca część utraconej grawitacyjnej energii potencjalnej. Szczególnie widowiskowa jest akrecja na obiekty zwarte – białe karły, gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Uważa się, że mechanizmem "zasilającym" aktywne jądra galaktyk jest właśnie akrecja materii na supermasywną czarną dziurę.

Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 107do 1012 gwiazd, orbitujących wokół środka swojej masy.

Aktywność galaktyki jest wynikiem procesów zachodzących w jej jądrze, stąd często wymiennie używa się określenia "aktywne galaktyki" i "aktywne jądra galaktyk", szczególnie w języku angielskim ("Active galaxies" oraz Active Galactic Nuclei, w skrócie AGN). W części aktywnych galaktyk obserwuje sie dżety - strugi materii mogące rozciągać się na bardzo duże odległości, zasilając tym samym rozległe struktury (np. radiogalaktyki, kwazary). Jednakże we wszystkich przypadkach aktywne jądro lub centralny 'silnik' jest fundamentalnym źródłem energii.

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.

NGC 6300 (również ESO 101-25, VV 734, IRAS17123-6245 lub PGC 60001) – galaktyka spiralna z poprzeczką (SBb), znajdująca się w gwiazdozbiorze Ołtarza. Odkrył ją James Dunlop.

Standardowy model zakłada, że energia wytwarzana jest podczas opadania materii na supermasywną czarną dziurę o masie 10 - 10 $M_{\odot }$ (mas Słońca) (Vestergaard i in., 2008; Ghosh i in. 2008). Moment pędu jest przyczyną, dla której materia opadając spłaszcza się do dysku akrecyjnego. Dyssypacja energii prowadzi do silnego grzania, powodując że materia ta staje się gorącą plazmą. Zjonizowana i poruszająca się plazma może być źródłem silnego pola magnetycznego powstającego poprzez mechanizm dynama magnetohydrodynamicznego.

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.

NGC 4151 (również UGC 7166, MCG 7-25-44, ZWG 215.45, KUG 1208+396A, KCPG 324B lub PGC 38739) – galaktyka spiralna z poprzeczką (SBab), znajdująca się w gwiazdozbiorze Psów Gończych. Odkrył ją William Herschel. Należy do klasy galaktyk aktywnych.

Wydaje się, że kiedy czarne dziury pochłoną cały pył i gaz z otaczającej przestrzeni, wtedy aktywne jądro galaktyczne przestaje emitować duże ilości promieniowania i staje się normalną galaktyką. Potwierdzeniem tego modelu zdają się być supermasywna czarna dziura, która znajduje się również w centrum Drogi Mlecznej oraz inne czarne dziury w pobliskich galaktykach. Wyjaśnia to w dość dobry sposób, dlaczego kwazary wydają się być bardziej powszechne we wczesnym Wszechświecie, gdy było dostępne znacznie więcej paliwa.

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.

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.

Model ten również wyjaśnia istnienie różnych typów jąder galaktycznych, które wydają się być takimi samymi źródłami. Fakt, że wydają się różne, wynika z różnych kątów, pod jakimi obiekty te są obserwowane oraz od ilości gazu i pyłu dostępnego jako paliwo dla czarnej dziury.

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.

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".

Typy aktywnych galaktyk

Wyróżniamy wiele typów galaktyk aktywnych, i dyskusja wśród specjalistów nad ostateczna formą klasyfikacji tych obiektów i przyczyn obserwowanej różnorodności nie jest jeszcze zakończona. Obecnie wydaje się, że obserwowane własności aktywnej galaktyki zależą w decydującym stopniu od trzech parametrów: kąta widzenia, jasności oraz radiowej głośności. Jest to ogromny sukces wielu prób unifikacji obiektów, czyli znajdowania przyczyn, dla których występują dramatyczne obserwowane różnice pomiędzy poszczególnymi aktywnymi galaktykami. Klasyfikacje obiektów przeprowadza się dla każdego z tych trzech parametrów niezależnie.

NGC 5252 (również UGC 8622, MCG 1-35-22, ZWG 45.56, VV 100 lub PGC 48189) – galaktyka soczewkowata (S0), znajdująca się w gwiazdozbiorze Panny. Odkrył ją William Herschel.

Droga Mleczna – galaktyka spiralna z poprzeczką, w której znajduje się m.in. nasz Układ Słoneczny. Droga Mleczna inaczej nazywana jest Galaktyką (dla odróżnienia od innych galaktyk pisaną przez duże "G"). Zawiera od 200 (wg starszych szacunków) do 400 miliardów (wg nowszych szacunków) gwiazd, średnicę około 100 000 lat świetlnych i grubość ok. 12 000 lat świetlnych[1].

Radiowa głośność

Około 10 procent aktywnych galaktyk jest zdecydowanie jaśniejsza w zakresie radiowym niż pozostałe, nazywane w związku z tym radiowo cichymi. Formalnym parametrem opisującym radiową głośność jest stosunek strumienia promieniowania w zakresie fal radiowych do strumienia promieniowania w zakresie optycznym (barwa V). Badanie rozkładu wartości tych parametrów w bardzo dużej próbce obiektów (White et al. 2007) wykazuje, że ok. 90 procent galaktyk ma radiową głośność w granicach od 0 do 10 (typowa wartość to około 2), po czym 10 procent obiektów ma wartości sięgające z niemal równomiernym rozkładem aż do koło 1000.

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.

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.

Do klasy galaktyk radiowo głośnych należą blazary (czyli radiowo głośne kwazary oraz lacertydy i radiogalaktyki. Także niektóre galaktyki Seyferta, a dokładniej ich podklasa NLS1 są radiowo głośne.

Radiogalaktyki są heterogeniczną grupą obiektów emitujących promieniowanie radiowe. Większość z nich posiada duże symetryczne płaty, z których pochodzi duża część promieniowania radiowego. Niektóre z nich posiadają dżet bądź dżety (jedna z najbardziej znanych to gigantyczna galaktyka M87 w Gromadzie w Pannie) wychodzące wprost z jądra i podążające do płatów. Spowodowane jest to w głównej mierze zależnością od pozostałych parametrów (jasność i kąt obserwacji), znaczenie może mieć także wiek obiektu.

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).

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:

Kąt obserwacji - występowanie szerokich linii emisyjnych

Widma promieniowania większości aktywnych galaktyk charakteryzują się występowaniem silnych linii emisyjnych. Wśród tych linii wyróżniono dwa podstawowe typy: wąskie linie emisyjne i szerokie linie emisyjne. Część obiektów ma w swoich widmach promieniowania zarówno linie wąskie, jak i szerokie, natomiast część obiektów charakteryzuje występowanie tylko wąskich linii emisyjnych. Obszary aktywnego jądra, z których pochodzą te linie, określa się odpowiednio mianem obszaru szerokich linii emisyjnych i obszaru wąskich linii emisyjnych. Ponieważ poszerzenie linii jest wynikiem ruchu świecącego gazu (efekt Dopplera), a prędkość gazu w polu grawitacyjnym centralnej czarnej dziury jest tym większa im bliżej czarnej dziury gaz się znajduje, to obszar szerokich linii emisyjnych jest położony bliżej czarnej dziury niż obszar wąskich linii emisyjnych. Początkowo nie było wiadomo, czemu część obiektów nie ma obszaru szerokich linii emisyjnych. Dopiero praca Antonucciego i Millera (1985) wykazała, że jest to efektem przesłaniania obszarów centralnych przez pierścieniowaty torus pyłowy wtedy, gdy obserwator widzi obiekt pod dużym kątem do osi symetrii. Zatem z punktu widzenia kąta obserwacji obiekty dzielimy na:

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

Gwiazda – kuliste ciało niebieskie stanowiące skupisko powiązanej grawitacyjnie materii w stanie plazmy. Najbliższa Ziemi gwiazda, Słońce, jest źródłem większości energii na Ziemi. Inne gwiazdy można obserwować na nocnym niebie, gdyż wtedy nie przyćmiewa ich Słońce. Najlepiej widocznym na sferze niebieskiej gwiazdom od dawna nadawano różne nazwy, łączono je także w gwiazdozbiory. Astronomowie pogrupowali gwiazdy oraz inne ciała niebieskie w katalogi astronomiczne, które zapewniają ujednolicone nazewnictwo tych obiektów.

obiekty typu 1 (z szerokimi liniami emisyjnymi i nieprzesłoniętym widokiem obszarów centralnych aktywnego jądra)

obiekty typu 2 (bez szerokich linii emisyjnych).

Do typu 1 zalicza się niemal wszystkie kwazary, galaktyki Seyferta typu 1 oraz radiogalaktyki z szerokimi liniami emisyjnymi. Do typu 2 należą nieliczne kwazary, galaktyki Seyferta typu 2 oraz radiogalaktyki z wąskimi liniami emisyjnymi.

Efekt Dopplera – zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

Podczerwień (promieniowanie podczerwone) (ang. infrared, IR) – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Oznacza to zakres od 780 nm do 1 mm.

Być może w przypadku galaktyk słabo aktywnych istnieją obiekty typu 2, w których brak obszaru szerokich linii emisyjnych nie wynika z przesłaniania przez pył, ale z rzeczywistego braku tego obszaru w związku z brakiem chłodnego dysku akrecyjnego w wewnętrznych obszarach. Jest to obecnie przedmiotem badań.

Gromada w Pannie (lub Gromada galaktyk w Pannie, łac. Virgo) - masywna gromada galaktyk w centrum Supergromady Lokalnej o średnicy 15 mln lat świetlnych. Znajduje się w obrębie gwiazdozbioru Panny. Odległość od niej wynosi około 48 milionów lat świetlnych.

Słońce (łac. Sol) – gwiazda centralna Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia, inne planety oraz mniejsze ciała niebieskie. Słońce to najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi.

W obiektach radiowo głośnych ze względu na występowanie wąskiego relatywistycznie poruszającego się dżetu kąt obserwacji ma jeszcze większe znaczenie niż w obiektach radiowo cichych. Obiekty obserwowane pod bardzo małym kątem to blazary.

Jasność (tempo akrecji) w stosunku do masy centralnej czarnej dziury

Decydujący wpływ na przebieg zjawiska akrecji ma także jasność aktywnej galaktyki w stosunku do masy jej czarnej dziury. Stosunek jasności obiektu do jasności Eddingtona ma związek z gęstością opadającej materii i jej możliwością chłodzenia. Z tego punktu widzenia aktywne galaktyki można podzielić na trzy klasy:

NGC 7469 (również UGC 12332, IRAS23007+0836, MCG 1-58-25, ARP 298, ZWG 405.26, KCPG 575A lub PGC 70348) – galaktyka spiralna z poprzeczką (SBa), znajdująca się w gwiazdozbiorze Pegaza. Odkrył ją William Herschel.

Blazar – określenie podklasy aktywnych galaktyk, w którch 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.

galaktyki silnie aktywne - o stosunku jasności do jasności Eddingtona bliskim 1. Do tej grupy należą przede wszystkim kwazary, a także niektóre galaktyki Seyferta (tak zwane NLS1). W obiektach tych akrecja zasadniczo zachodzi za pośrednictwem chłodnego dysku akrecyjnego

galaktyki średnio aktywne - o stosunku jasności do jasności Eddingtona ok. 0,01. Do tej grupy należą galaktyki Seyferta i część radiogalaktyk. W obiektach tych występuje chłodny dysk akrecyjny, ale najprawdopodobniej nie rozciąga się do bezpośrednich okolic czarnej dziury. W bezpośredniej bliskości czarnej dziury dysk ulega rozerwaniu, a powstaje gorąca optycznie cienka plazma.

galaktyki słabo aktywne - o stosunku jasności do jasności Eddingtona poniżej 0,0001. W obiektach takich chłodny dysk może w ogóle nie występować. Badanie słabo aktywnych galaktyk jest jednak trudne obserwacyjnie właśnie ze względu na małą jasność ich jąder i trudności w oddzieleniu emisji jądra od emisji gwiazd galaktyki. Klasa ta właściwie łączy się pośrednio z klasą galaktyk nieaktywnych, takich jak Droga Mleczna.

Historycznie obiekty dzielono nie ze względu na stosunek jasności do jasności Eddingtona, ale na możliwość obserwacji galaktyki macierzystej, czyli na kwazary oraz galaktyki. Postęp technik obserwacyjnych rozmył tę granicę (na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble'a pozwolił na obserwacje galaktyk macierzystych najbliższych kwazarów, w tym 3C 273). Z drugiej strony klasyfikowanie według stosunku jasności do jasności Eddingtona jest trudniejsze, ponieważ wymaga określenia jasności całkowitej oraz widma promieniowania w szerokim zakresie (optycznym i rentgenowskim) lub określenia masy czarnej dziury.

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Wybrane galaktyki aktywne

NGC 1068, NGC 1275, NGC 1365, NGC 2110, NGC 2992, NGC 3227, NGC 3783, NGC 4051, NGC 4151, NGC 4395, NGC 5252, NGC 5506, NGC 5548, NGC 6300, NGC 7469, Messier 87

Bibliografia

H. Ghosh i in., 2008, arXiv0801,4382

M. Vestergaard i in., 2008, ApJ, 674, L1

White et al., 2007, ApJ, 654, 99

NGC 3783 (również ESO 378-14, MCG -6-26-4, TOL 55, IRAS11365-3727 lub PGC 36101) – galaktyka spiralna z poprzeczką (SBa), znajdująca się w gwiazdozbiorze Centaura. Odkrył ją John Herschel.

NGC 2110 (również MCG -1-15-4, IRAS05497-0728 lub PGC 18030) – galaktyka eliptyczna (E-S0), znajdująca się w gwiazdozbiorze Oriona. Odkrył ją William Herschel.