Teoria aktiivisten kvasaarien toiminnasta puuttuu vielä

Maarten Schmidt:in havaisema ensimmäinen
kvasaari Neitsyen tähdistössä. Kvasarin
synnyttämä materiasuihku on
pituudeltaan 150 000 valovuotta.
Kuva NOAO/AURA/NSF.

Kvasistellaariset kohteet, lyhyemmin kvasaarit, ovat tutkijoille vielä varsin arvoituksellisia ja eksoottisia kohteita. Ne havaitsi ensimmäisen kerran tähtitieteilijä Maarten Schmidt:n tutkimuksissa vuonna 1963. Hän havaitsi voimakkaasti säteilevän kohteen (3C 273), jonka vedyn Balmer-sarjan spektriviivat olivat punasiirtyneet 16 %. Tämä merkitsi, että kohde liikkui meistä poispäin nopeudella, joka oli 16 % valonnopeudesta (noin 48 000 km/s).

Kohteen olemassa olo tuntui mahdottomalta, sillä jos se oli lähellä oleva kohde, miten se olisi saanut nopeutensa? Jos se taas olisi hyvin kaukainen kohde, laskelmat osoittivat sen olevan 2,4 miljardin valovuoden etäisyydellä, sen säteilemän valon kirkkaus oli käsittämätön suurta. Nopeus siis selittyisi maailmankaikkeuden laajenemisella, joka on sitä vauhdikkaampaa mitä kaukaisempia kohteita havainnoimme.

Seuranneet jatkotutkimukset osoittivat kohteen olevan hyvin kaukainen, ja vastaavia kohteita näytti olevan suhteellisen runsaasti. Nykyisin tiedämme valtavan energiatuoton salaisuuden; kohde onkin kaukaisen galaksin ytimessä oleva supermassiivinen musta aukko, jonka ympärillä oleva kertymäkiekko aiheuttaa ja selittää valtavan energiatuoton. Kvasaarin kirkkaus ylittää moninkertaisesti isäntägalaksin energiatuoton.

Tutkija Robert Antonucci (UC Santa Barbara) on nyt julkaissut tiedejulkaisu Nature:ssa artikkelin, jossa hän kyseenalaistaa monia aikaisempia käsityksiä kvasaarien toiminnasta. Esimerkiksi kvasaarien alkeishiukkassuihkujen, jotka ulottuvat galaksien väliseen avaruuteen asti, synnylle ei ole onnistuttu luomaan riittävän hyvää teoriaa. Hiukkasuihkut kiihtyvät nopeuteen, joka on hyvin lähellä valonnopeutta. Mutta miten?

Nykyisen käsityksen mukaan supermassiivisen mustaa aukkoa kiertää kertymäkiekko, jonka lämpötila ja tiheys kasvavat sitä suuremmaksi mitä lähemmäksi mustaa aukkoa mennään. Tiheyden ja lämpötilan kasvaessa kertymäkiekon aine muuttuu plasmaksi (sähköä johtavaksi kaasuksi) ja lopulta alkeishiukkasiksi kuten protoneiksi ja elektroneiksi. Tällaisessa ympäristössä vapautuu runsaasti energiaa, jonka näemme kvasaarin säteilemänä sähkömagneettisena säteilynä aina röntgensäteilystä radioaaltoihin asti. 

Jotenkin (hiukkastuulena kertymäkiekosta irronnut) osa plasmasta ei kuitenkaan päädy mustaan aukkoon vaan avaruuteen syöksyvään hiukkassuihkuun. Toimivaa teoriaa tämän selittämiseksi ei ole. Antonuccin mukaan tutkijoita vaivaa luovuuden puute, ja he ovat ikään kuin luovuttaneet ongelman edessä.

Näyttäisi siltä, että kvasaaritutkimuksen pysähtyneisyyden tila voisi juontaa juurensa siihen, että riittävästi havaintoaikaa röntgentutkimuksiin ei ole saatavissa Chandra ja MMX-röntgenkaukoputkista. Röntgenaallonpituuden fotoneja tutkimuslaitteeseen tulee sen verran harvassa, että Antonucci väittää voivansa jopa nimetä yksittäiset fotonit. Röntgenkaukoputkilta kuluu vuorokausia heikkolaatuisen spektriin tarvittavan säteilymäärän keräämiseen. Vastaavan erotuskyvyn spektrin saadaan aikaiseksi näkyvän valon aallonpituuksilla parissa minuutissa. Ilman parempia tutkimusmahdollisuuksia Antonuccin mukaan tutkijoilla ei ole mitään.

Kommentti:

Yrittämättä olla fysiikan teoreetikko, mielestäni vaihtoehdot ovat hyvin vähissä. Pyörivän mustan aukon tapahtumahorisontin ulkopuolelle syntyy ergosfääriksi kutsuttu alue. Tällä alueella aika-avaruus kiertyy musta aukon ympäri sitä voimakkaammin mitä lähemmäksi tapahtumahorisonttia tullaan. Ergosfäärin tuleva materia on pakotettu osallistumaan tähän kiertymiseen. Ergofäärin kummallisuuksiin kuulu se, että alueelta on mahdollista poistua, jos vauhti on lähellä valonnopeutta.

Nyt yhdistämme kertymäkiekon plasman aiheuttaman voimakkaan magneettikentän ja ergosfäärissä lähes valonnopeuteen kiihtyneet hiukkaset. Magneettikenttä ohjaa nopeimmat hiukkaset ulos ergosfääristä ja tämä tapahtuu molemmilla magneettisilla navoilla, joissa magneettikenttä suuntautuu ulos kierteisenä "putkena". Hiukkaset jatkava vauhdikasta matkantekoaan kohti galaksien välistä avaruutta muodostaen näkyvät suihkut. Magneettisessa "putkessa" sähkövarautuneet hiukkaset säteilevät synkrotronisäteilyä. Kohdatessaan avaruudessa olevan kaasupilven, hiukkasten törmäys kuumentaa sitä ja näemme sen termistä smg-säteilyä emittoimavana "solmuna".