27.1: كوازار
- Page ID
- 197758
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف كيف تم اكتشاف الكوازارات
- اشرح كيف حدد علماء الفلك أن الكوازارات تقع على المسافات التي تنطوي عليها التحولات الحمراء
- برر القول بأن الكمية الهائلة من الطاقة التي تنتجها الكوازارات تتولد في حجم صغير جدًا من الفضاء
بدأ اسم «quasars» كاختصار لـ «مصادر الراديو شبه النجمية» (هنا تعني كلمة «شبه نجمية» «نوعًا من النجوم المتشابهة»). جاء اكتشاف مصادر الراديو التي بدت شبيهة بالنقاط، تمامًا مثل النجوم، مع استخدام معدات رادار الحرب العالمية الثانية الفائضة في الخمسينيات من القرن الماضي. على الرغم من أن قلة من علماء الفلك قد توقعوا ذلك، إلا أن السماء كانت مليئة بالمصادر القوية لموجات الراديو. عندما قاموا بتحسين الصور التي يمكن أن تصنعها التلسكوبات الراديوية الجديدة، اكتشف العلماء أن بعض مصادر الراديو كانت في نفس موقع «النجوم» الزرقاء الباهتة. لا يوجد نوع معروف من النجوم في مجرتنا يصدر مثل هذا الإشعاع الراديوي القوي. ماذا كانت إذن هذه «مصادر الراديو شبه النجمية»؟
التحولات الحمراء: مفتاح الكوازارات
جاءت الإجابة عندما حصل علماء الفلك على أطياف الضوء المرئي لاثنتين من تلك «النجوم الزرقاء» الخافتة التي كانت مصادر قوية لموجات الراديو (الشكل\(\PageIndex{1}\)). لم تؤد أطياف هذه «النجوم» الراديوية إلا إلى تعميق الغموض: فقد كانت تحتوي على خطوط انبعاث، لكن علماء الفلك لم يتمكنوا في البداية من التعرف عليها بأي مادة معروفة. بحلول الستينيات، كان لدى علماء الفلك قرنًا من الخبرة في تحديد العناصر والمركبات في أطياف النجوم. تم نشر جداول مفصلة توضح الخطوط التي سينتجها كل عنصر في ظل مجموعة واسعة من الظروف. يجب أن يكون «النجم» ذو الخطوط غير المحددة في طيف الضوء المرئي العادي شيئًا جديدًا تمامًا.
في عام 1963 في مرصد بالومار التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، كان مارتن شميدت (الشكل\(\PageIndex{3}\)) محيرًا بشأن طيف أحد نجوم الراديو، والذي أطلق عليه اسم 3C 273 لأنه كان الإدخال 273 في كتالوج كامبريدج الثالث للمصادر الراديوية (الجزء (ب) من الشكل\(\PageIndex{3}\)). كانت هناك خطوط انبعاث قوية في الطيف، وأدرك شميدت أن لها نفس المسافات بينها مثل خطوط بالمر للهيدروجين (انظر الإشعاع والأطياف). لكن الخطوط في 3C 273 تم نقلها بعيدًا إلى اللون الأحمر للأطوال الموجية التي توجد بها خطوط Balmer عادةً. في الواقع، كانت هذه الخطوط بأطوال موجية طويلة لدرجة أنه إذا نُسبت التحولات الحمراء إلى تأثير دوبلر، فإن 3C 273 كانت تنحسر منا بسرعة 45000 كيلومتر في الثانية، أو حوالي 15٪ من سرعة الضوء! نظرًا لأن النجوم لا تُظهر تحولات دوبلر بهذا الحجم، لم يفكر أحد في اعتبار التحولات الحمراء العالية سببًا للأطياف الغريبة.
ثم تمت إعادة فحص خطوط الانبعاث المحيرة في مصادر الراديو الأخرى الشبيهة بالنجوم لمعرفة ما إذا كانت أيضًا خطوطًا معروفة ذات تحولات حمراء كبيرة. ثبت أن هذا هو الحال، ولكن تم العثور على الأشياء الأخرى تنحسر منا بسرعات أكبر. أظهرت سرعاتهم المذهلة أن «نجوم» الراديو لا يمكن أن تكون نجومًا في مجرتنا. أي نجم حقيقي يتحرك بأكثر من بضع مئات من الكيلومترات في الثانية سيكون قادرًا على التغلب على جاذبية المجرة والهروب منها تمامًا. (كما سنرى لاحقًا في هذا الفصل، اكتشف علماء الفلك في النهاية أن هذه «النجوم» أكثر من مجرد نقطة ضوء.)
اتضح أن هذه الأجسام عالية السرعة تبدو فقط مثل النجوم لأنها صغيرة الحجم وبعيدة جدًا. في وقت لاحق، اكتشف علماء الفلك أجسامًا ذات تحولات حمراء كبيرة تبدو وكأنها نجمة ولكن ليس لها أي انبعاث راديوي. أظهرت الملاحظات أيضًا أن الكوازارات كانت مشرقة في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية أيضًا، ولا يمكن رؤية كل هذه الأشعة السينية أو كوازارات الأشعة تحت الحمراء الساطعة في الراديو أو نطاقات الضوء المرئي للطيف. اليوم، يشار إلى جميع هذه الكائنات باسم الأجسام شبه النجمية (QSOs)، أو، كما هي معروفة أكثر شيوعًا، الكوازارات. (سرعان ما تم تخصيص الاسم أيضًا من قبل الشركة المصنعة للإلكترونيات المنزلية.)
اقرأ مقابلة مع مارتن شميدت في الذكرى الخمسين لرؤيته حول طيف الكوازارات وتحولاتها الحمراء.
تم اكتشاف أكثر من مليون كوازار الآن، وتتوفر الأطياف لأكثر من مائة ألف. كل هذه الأطياف تظهر تحولات حمراء، ولا تظهر أي منها نوبات زرقاء، ويمكن أن تكون تحولاتها الحمراء كبيرة جدًا. لكن في الصورة تبدو تمامًا مثل النجوم (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
في الكوازارات التي تحمل الأرقام القياسية، يتم نقل أول خط هيدروجين من سلسلة ليمان، بطول موجة مختبري يبلغ 121.5 نانومتر في الجزء فوق البنفسجي من الطيف، على طول الطريق عبر المنطقة المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء. في مثل هذه التحولات الحمراء العالية، يجب تعديل الصيغة البسيطة لتحويل تحول دوبلر إلى السرعة (الإشعاع والطياف) لمراعاة تأثيرات نظرية النسبية. إذا طبقنا الشكل النسبي لصيغة تبديل دوبلر، نجد أن هذه التحولات الحمراء تتوافق مع سرعات تبلغ حوالي 96٪ من سرعة الضوء.
مثال\(\PageIndex{1}\): سرعة الركود في الكوازار
صيغة تحول دوبلر، التي يشير إليها علماء الفلك بالحرف\(z\)، هي
\[z= \frac{ \Delta \lambda}{\lambda} = \frac{v}{c} \nonumber\]
أين\(\lambda\) الطول الموجي المنبعث من مصدر الإشعاع الذي لا يتحرك،\(\Delta \lambda\) هو الفرق بين هذا الطول الموجي والطول الموجي الذي نقيسه،\(v\) هو السرعة التي يتحرك بها المصدر بعيدًا، و\(c\) (كالمعتاد) هي سرعة الضوء.
يبلغ طول الخط في طيف المجرة 393 نانومترًا (nm، أو 10-9 m) عندما يكون المصدر في حالة سكون. لنفترض أن الخط قد تم قياسه ليكون أطول من هذه القيمة (تم تغيير موضعه إلى الأحمر) بمقدار 7.86 نانومتر. ثم تحوله إلى اللون الأحمر\(z= \frac{7.86 \text{ nm}}{393 \text{ nm}} = 0.02\)، بحيث تكون سرعته بعيدًا عنا 2٪ من سرعة الضوء\( \left( \frac{v}{c}=0.02 \right)\).
هذه الصيغة جيدة للمجرات القريبة نسبيًا والتي تبتعد عنا ببطء في توسع الكون. لكن الكوازارات والمجرات البعيدة التي نناقشها في هذا الفصل تبتعد بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في هذه الحالة، يجب أن يتضمن تحويل تحول دوبلر (الانزياح الأحمر) إلى مسافة تأثيرات نظرية النسبية الخاصة، والتي تشرح كيف تتغير قياسات المكان والزمان عندما نرى الأشياء تتحرك بسرعات عالية. إن تفاصيل كيفية القيام بذلك تتجاوز بكثير مستوى هذا النص، ولكن يمكننا أن نشارك معك الصيغة النسبية لتحول دوبلر:
\[ \frac{v}{c} =\frac{(z+1)^2−1}{(z+1)^2+1} \nonumber\]
دعونا نفعل مثالاً. لنفترض أن الكوازار البعيد له تحول أحمر قدره 5. ما مقدار سرعة الضوء الذي يتحرك عنده الكوازار بعيدًا؟
الحل
نحن نحسب ما يلي:
\[ \frac{v}{c} =\frac{(5+1)^2−1}{(5+1)^2+1} = \frac{36−1}{36+1} = \frac{35}{37} =0.946 \nonumber\]
وهكذا فإن الكوازار ينحسر منا بحوالي 95٪ من سرعة الضوء.
التمارين\(\PageIndex{1}\)
تحتوي العديد من خطوط امتصاص الهيدروجين في الطيف المرئي على أطوال موجية للراحة تبلغ 410 نانومتر و 434 نانومتر و 486 نانومتر و 656 نانومتر. في طيف مجرة بعيدة، لوحظ أن هذه الخطوط نفسها لها أطوال موجية تبلغ 492 نانومتر و 521 نانومتر و 583 نانومتر و 787 نانومتر على التوالي. ما هو الانزياح الأحمر لهذه المجرة؟ ما هي سرعة الركود في هذه المجرة؟
- إجابة
-
ولأن هذه هي نفس المجرة، يمكننا اختيار أي واحد من الأطوال الموجية الأربعة وحساب مقدار تحركها. إذا استخدمنا الطول الموجي للراحة البالغ 410 نانومتر وقارناه بالطول الموجي المتحول البالغ 492 نانومتر، فإننا نرى ذلك
\[ z = \frac{ \Delta \lambda}{\lambda} =\frac{(492 \text{ nm} − 410 \text{ nm})}{410 \text{ nm}} = \frac{82 \text{ nm}}{410 \text{ nm}} =0.20 \nonumber\]
من وجهة النظر الكلاسيكية، تنحسر هذه المجرة بنسبة 20٪ من سرعة الضوء؛ ومع ذلك، عند 20٪ من سرعة الضوء، بدأت التأثيرات النسبية تصبح مهمة. لذلك، باستخدام معادلة دوبلر النسبية، نحسب معدل الركود الحقيقي كـ
\[ \frac{v}{c} = \frac{ (z+1)^2−1}{(z+1)^2+1} = \frac{(0.2+1)^2−1}{(0.2+1)^2+1} = \frac{1.44−1}{1.44+1} = \frac{0.44}{2.44} = 0.18 \nonumber\]
لذلك، فإن سرعة الركود الفعلية هي 18٪ فقط من سرعة الضوء. في حين أن هذا قد لا يبدو في البداية فرقًا كبيرًا عن القياس الكلاسيكي، إلا أن هناك بالفعل انحرافًا بنسبة 11٪ بين الحلول الكلاسيكية والحلول النسبية؛ وعند سرعات الركود الأكبر، يزداد الاختلاف بين السرعات الكلاسيكية والنسبية بسرعة!
الكويزارات يطيعون قانون هابل
كان السؤال الأول الذي طرحه علماء الفلك هو ما إذا كانت الكويزارات تطيع قانون هابل وكانت حقًا في المسافات الكبيرة التي تنطوي عليها تحولاتها الحمراء. إذا لم يطيعوا القاعدة القائلة بأن التحول الأحمر الكبير يعني مسافة كبيرة، فقد يكونون أقرب كثيرًا، وقد يكون لمعانهم أقل بكثير. كانت إحدى الطرق المباشرة لإظهار أن الكوازارات يجب أن تخضع لقانون هابل هي إثبات أنها كانت في الواقع جزءًا من المجرات، وأن تحولها الأحمر هو نفس المجرة التي استضافتها. نظرًا لأن المجرات العادية تخضع لقانون هابل، فإن أي شيء بداخلها سيخضع لنفس القواعد.
قدمت الملاحظات باستخدام تلسكوب هابل الفضائي أقوى دليل على أن الكوازارات تقع في مراكز المجرات. تم الحصول على تلميحات بأن هذا صحيح باستخدام التلسكوبات الأرضية، ولكن الملاحظات الفضائية كانت مطلوبة لتقديم قضية مقنعة. والسبب هو أن الكوازارات يمكن أن تتفوق على مجراتها بأكملها بعوامل من 10 إلى 100 أو أكثر. عندما يمر هذا الضوء عبر الغلاف الجوي للأرض، يصبح غير واضح بسبب الاضطرابات ويغرق الضوء الخافت من المجرة المحيطة - مثل المصابيح الأمامية الساطعة من سيارة قادمة في الليل تجعل من الصعب رؤية أي شيء قريب.
ومع ذلك، لا يتأثر تلسكوب هابل الفضائي بالاضطرابات الجوية ويمكنه اكتشاف التوهج الخافت من بعض المجرات التي تستضيف كوازارات (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تم العثور على الكوازارات في نوى كل من المجرات الحلزونية والإهليلجية، ولكل كوازار نفس التحول الأحمر مثل المجرة المضيفة. تظهر الآن مجموعة واسعة من الدراسات باستخدام تلسكوب هابل الفضائي بوضوح أن الكوازارات بعيدة بالفعل. إذا كان الأمر كذلك، فيجب أن ينتجوا كمية مذهلة حقًا من الطاقة حتى يمكن اكتشافها كنقاط ضوئية أكثر إشراقًا من مجرتهم. ومن المثير للاهتمام أنه تم العثور على العديد من المجرات المضيفة الرباعية متورطة في تصادم مع مجرة ثانية، مما يوفر، كما سنرى، دليلًا مهمًا لمصدر إنتاجها الهائل من الطاقة.
حجم مصدر الطاقة
نظرًا لمسافاتها الكبيرة، يجب أن تكون الكوازارات مضيئة للغاية لتكون مرئية لنا على الإطلاق - أكثر سطوعًا من أي مجرة عادية. في الضوء المرئي وحده، تكون معظمها أكثر نشاطًا بكثير من المجرات البيضاوية الأكثر سطوعًا. ولكن، كما رأينا، تنبعث الكوازارات أيضًا طاقة في الأشعة السينية والأطوال الموجية فوق البنفسجية، وبعضها مصادر راديو أيضًا. عند جمع كل إشعاعاتها معًا، تتمتع بعض QSOs بإجمالي لمعان يصل إلى مائة تريليون شمس (\(10^{14}\)\(L_{\text{Sun}}\))، وهو ما يعادل 10 إلى 100 ضعف سطوع المجرات الإهليلجية المضيئة.
سيكون العثور على آلية لإنتاج كمية كبيرة من الطاقة المنبعثة من الكوازار أمرًا صعبًا تحت أي ظرف من الظروف. ولكن هناك مشكلة إضافية. عندما بدأ علماء الفلك في مراقبة الكوازارات بعناية، وجدوا أن بعضها يختلف في اللمعان في المقاييس الزمنية للأشهر أو الأسابيع أو حتى الأيام في بعض الحالات. هذا الاختلاف غير منتظم ويمكن أن يغير سطوع الكوازار ببضع عشرات بالمائة في كل من الضوء المرئي ومخرج الراديو.
فكر في معنى هذا التغيير في اللمعان. لا يزال الكوازار في أعتم صوره أكثر لمعانًا من أي مجرة عادية. تخيل الآن أن السطوع يزداد بنسبة 30٪ في غضون أسابيع قليلة. مهما كانت الآلية المسؤولة، يجب أن تكون قادرة على إطلاق طاقة جديدة بمعدلات تثير خيالنا. تعادل التغييرات الأكثر إثارة في سطوع الكوازار الطاقة المنبعثة من 100000 مليار شمس. لإنتاج هذا القدر من الطاقة، سيتعين علينا تحويل الكتلة الإجمالية لحوالي عشرة أرضات إلى طاقة كل دقيقة.
علاوة على ذلك، نظرًا لأن التقلبات تحدث في مثل هذه الأوقات القصيرة، يجب أن يكون الجزء المتغير من الكوازار أصغر من المسافة التي يقطعها الضوء في الوقت الذي يستغرقه التغيير - عادةً بضعة أشهر. لنرى لماذا يجب أن يكون الأمر كذلك، دعونا نفكر في مجموعة من النجوم بقطر 10 سنوات ضوئية على مسافة كبيرة جدًا من الأرض (انظر الشكل\(\PageIndex{5}\)، حيث تقع الأرض على اليمين). لنفترض أن كل نجم في هذه المجموعة يضيء بطريقة أو بأخرى في وقت واحد ويظل مشرقًا. عندما يصل الضوء من هذا الحدث إلى الأرض، سنرى أولاً الضوء الأكثر إشراقًا من النجوم على الجانب القريب؛ بعد 5 سنوات سنرى ضوءًا متزايدًا من النجوم في المركز. سوف تمر عشر سنوات قبل أن نكتشف المزيد من الضوء من النجوم على الجانب البعيد.
على الرغم من إضاءة جميع النجوم في المجموعة في نفس الوقت، فإن حقيقة أن المجموعة بعرض 10 سنوات ضوئية تعني أنه يجب مرور 10 سنوات قبل أن يصل إلينا الضوء المتزايد من كل جزء من الكتلة. من الأرض سنرى الكتلة تصبح أكثر سطوعًا وإشراقًا، حيث بدأ الضوء القادم من المزيد والمزيد من النجوم في الوصول إلينا. لن نرى الكتلة تصل إلى أقصى درجة سطوع إلا بعد مرور 10 سنوات على بدء التفتيح. بعبارة أخرى، إذا اشتعل جسم ممتد فجأة، فسيبدو أنه يضيء على مدى فترة زمنية تساوي الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال عبر الجسم من جانبه البعيد.
يمكننا تطبيق هذه الفكرة على تغييرات السطوع في الكوازارات لتقدير أقطارها. نظرًا لأن الكوازارات تختلف عادةً (تصبح أكثر سطوعًا وخفتًا) على مدى فترات بضعة أشهر، لا يمكن أن تكون المنطقة التي يتم فيها توليد الطاقة أكبر من بضعة أشهر ضوئية. إذا كانت أكبر، فسوف يستغرق الأمر وقتًا أطول من بضعة أشهر حتى يصل الضوء من الجانب البعيد إلينا.
ما هو حجم منطقة ذات بضعة أشهر ضوئية؟ يقع كوكب بلوتو، وهو عادة الكوكب الخارجي (القزم) في مجموعتنا الشمسية، على بعد حوالي 5.5 ساعة ضوئية منا، بينما يبعد أقرب نجم 4 سنوات ضوئية. من الواضح أن المنطقة التي يبلغ عرضها بضعة أشهر ضوئية صغيرة بالنسبة لحجم المجرة بأكملها. وتختلف بعض الكوازارات بسرعة أكبر، مما يعني أن طاقتها تتولد في منطقة أصغر. مهما كانت الآلية التي تعمل على تشغيل الكوازارات، يجب أن تكون قادرة على توليد طاقة أكثر من تلك التي تنتجها مجرة بأكملها في حجم من الفضاء لا يكون في بعض الحالات أكبر بكثير من نظامنا الشمسي.
أدلة سابقة
حتى قبل اكتشاف الكوازارات، كانت هناك تلميحات إلى أن شيئًا غريبًا جدًا كان يحدث في مراكز بعض المجرات على الأقل. في عام 1918، استخدم عالم الفلك الأمريكي هيبر كورتيس تلسكوب Lick Observatory الكبير لتصوير المجرة Messier 87 في كوكبة برج العذراء. في تلك الصورة، رأى ما نسميه الآن طائرة قادمة من مركز، أو نواة، المجرة (الشكل\(\PageIndex{6}\)). أشارت هذه الطائرة حرفيًا ومجازيًا إلى بعض الأنشطة الغريبة التي تحدث في نواة المجرة. لكن لم يكن لديه أي فكرة عن ماهيتها. لم يعرف أي شخص آخر ماذا يفعل مع هذه الغرابة الفضائية أيضًا.
ظل الواقع العشوائي لوجود مثل هذه الطائرة المركزية موجودًا منذ ربع قرن، حتى وجد كارل سيفرت، عالم الفلك الشاب في مرصد ماونت ويلسون، في كاليفورنيا أيضًا، نصف دزينة من المجرات ذات النوى الساطعة للغاية التي كانت نجمية تقريبًا، بدلاً من أن تكون غامضة في المظهر مثل معظم نوى المجرة. وباستخدام التحليل الطيفي، وجد أن هذه النوى تحتوي على غاز يتحرك بسرعة تصل إلى 2% من سرعة الضوء. قد لا يبدو هذا كثيرًا، لكنه يبلغ 6 ملايين ميل في الساعة، وأكثر من 10 مرات أسرع من الحركات النموذجية للنجوم في المجرات.
بعد عقود من الدراسة، حدد علماء الفلك العديد من الأجسام الغريبة الأخرى خارج مجرة درب التبانة؛ فهي تملأ «حديقة حيوانات» كاملة لما يسمى الآن المجرات النشطة أو نوى المجرة النشطة (AGN). أطلق عليها علماء الفلك لأول مرة العديد من الأسماء المختلفة، اعتمادًا على أنواع الملاحظات التي اكتشفت كل فئة، لكننا نعلم الآن أننا ننظر دائمًا إلى نفس الآلية الأساسية. ما تشترك فيه كل هذه المجرات هو بعض النشاط في نواتها التي تنتج كمية هائلة من الطاقة في حجم صغير جدًا من الفضاء. في القسم التالي، سنصف نموذجًا يشرح كل هذه المجرات ذات النشاط المركزي القوي - كل من AGNs و QSOs.
لمشاهدة طائرة بنفسك، شاهد مقطع فيديو بفاصل زمني للطائرة المقذوفة من NGC 3862.
ملخص
بدت النجوم الرباعية الأولى المكتشفة مثل النجوم ولكن كانت لها انبعاثات راديوية قوية. بدت أطياف الضوء المرئي الخاصة بهم مربكة في البداية، ولكن بعد ذلك أدرك علماء الفلك أن لديهم تحولات حمراء أكبر بكثير من النجوم. تُظهر الأطياف الرباعية التي تم الحصول عليها حتى الآن تحولات حمراء تتراوح من 15٪ إلى أكثر من 96٪ من سرعة الضوء. تُظهر الملاحظات باستخدام تلسكوب هابل الفضائي أن الكوازارات تقع في مراكز المجرات وأن كلا من اللوالب والأهليلجية يمكن أن تؤوي كوازارات. تتطابق التحولات الحمراء للمجرات الكامنة مع التحولات الحمراء للكوازارات المضمنة في مراكزها، مما يثبت أن الكوازارات تخضع لقانون هابل وتقع على المسافات الكبيرة التي تنطوي عليها التحولات الحمراء. لكي تكون مرئية في مثل هذه المسافات الكبيرة، يجب أن يكون لدى الكوازارات 10 إلى 100 ضعف لمعان المجرات العادية الأكثر إشراقًا. تظهر الاختلافات بينهما أن هذا الناتج الهائل من الطاقة يتم توليده بحجم صغير - في بعض الحالات، في منطقة لا تزيد كثيرًا عن نظامنا الشمسي. يُظهر عدد من المجرات الأقرب إلينا أيضًا نشاطًا قويًا في مراكزها - نشاط معروف الآن أنه ناتج عن نفس آلية الكوازارات.
مسرد المصطلحات
- كوازار
- جسم ذو تحول أحمر مرتفع جدًا يشبه النجم ولكنه خارج المجرة ومضيء للغاية؛ يُطلق عليه أيضًا كائن شبه نجمي، أو QSO
- نوى المجرة النشطة (AGN)
- المجرات التي تكاد تكون مضيئة مثل الكوازارات وتشترك في العديد من خصائصها، ولكن بدرجة أقل إثارة؛ يتم إنتاج كميات غير طبيعية من الطاقة في مراكزها
- المجرات النشطة
- المجرات التي تحتوي على نوى مجرية نشطة