הבנת מקור האנרגיה של הקוואזרים היא אחת המשימות המאתגרות ביותר באסטרונומיה. הקוואזרים זוהרים פי 1000 מאורה של גלקסיה אך שטחם אינו עולה על זה של מערכת השמש. תהליכי היתוך בכוכבים רגילים אינם יעילים מספיק כדי לייצר צפיפות האנרגיה כה גדולה, כזו הנפלטת מהקוואזרים. כיצד נוכל להדגים זאת? נניח שאנחנו משתמשים במהירות הגז החם סמוך לליבת הקוואזר, כדי לקבל הערכה של המסה הכלואה בפארסק המרכזי של הגלקסיה. לאחר מכן נניח כי תהליכי היתוך רגילים גורמים לשחרור אנרגיה זו (מבלי לענות על השאלה כיצד כמות כה גדולה של כוכבים יכולה להידחס לנפח כה זעיר?). השמש משחררת 0.7% מהמסה שלה בצורה של אנרגיה קרינה. לכן, אם האות M היא המסה הכוללת של הכוכבים בסדרה הראשית, הנמצאים בתוך הפארסק המרכזי, הרי E = 0.007 Mc2 היא כמות האנרגיה המקסימלית שיכולה להיפלט מכוכבים באזור כה קטן. אך כמות האנרגיה הנצפית גדולה פי 15 עד 40 פעמים מאנרגית ההיתוך של כוכבים אלה. במילים אחרות, מקור האנרגיה בתוך קוואזר הוא כה יעיל, כי הוא משחרר 10% עד 30% מהמסה-אנרגיה האגורה בחומר. יעילות כה גבוהה, שההיתוך בלבות כוכבים אינו יכול להגיע אליה.
באדיבות NASA
המרכיב הבסיסי לדגם המתאר את מקור האנרגיה של קוואזר הוא חור שחור סופר-מאסיבי. גוף קומפקטי זה הוא "מנוע" הכבידה, שמעצים את התכונות הנצפות של קוואזרים. ראינו שהראיות לחורים שחורים בגלקסיות קרובות הן חזקות למדי. חורים שחורים של קוואזר יצטרכו להיות בעלי מסה שבין 106 ל -1010 מסות שמש. אין עדיין תצפית ישירות לגבי רדיוס שוורצשילד שלהם. עלינו להכיר בכך שמודל החור השחור בקוואזרים הוא ספקולטיבי, ואינו מודל ודאי, כמו למשל, מודל האבולוציה הכוכבית.
על פי המודל הסטנדרטי, החור השחור על-מסיבי במרכז קוואזר נוצר וגדל על-ידי הצטברות (איסוף) של גז וכוכבים ששכנו בחלק המרכזי של גלקסיה. מאחר שרוב הגלקסיות מסתובבות, צפוי גם שהחור השחור יסתובב. חוק שימור התנע הזוויתי מעיד על כך שהוא יסתובב במהירות גבוהה. שום קרינה לא יכולה להימלט מאופק האירוע של חור שחור. עם זאת, החומר הנופל אל החור השחור מואץ ופולט כמויות עצומות של קרינה. האזור סביב חור שחור סופר מאסיבי הוא מאיץ חלקיקים עתיר אנרגיה, הממיר את האנרגיה הפוטנציאלית של החומר, הנכנס לחור השחור, לקרינה ואנרגיה קינטית של חלקיקים יחסותיים הנפלטים החוצה. תהליך זה יעיל ביותר. בעיקרון, חור שחור מסתובב יכול להמיר 20% עד 30% של המסה שנופלת אליו לאנרגיה טהורה. עובדה זו מאפשרת להסביר את הזוהר עצום הנפלט מקוואזרים. רוב האנרגיה הזאת אינה קרינת-חום, המשתרעת על פני כל הספקטרום האלקטרומגנטי. קוואזרים מסוימים התגלו באמצעות גלי רדיו, שאורכם כאורך אדם גבוה במיוחד, בעוד שאחרים פולטים קרינת גאמא שאורך הגל שלה הוא כגודל גרעין אטומי!
באדיבות NASA
המרכיב העיקרי השני של מודל הקוואזר הוא דיסקת ספיחה, מאגר הגז והאבק החמים שמזינים את החור השחור. סיבוב החומר שנופל אל החור השחור יוצר דיסק, ולא ענן כדורי. הסמיכות של מקור קרינה אינטנסיבי פירושו שהדיסק חם מאד. באמצעות קרינת החום נמדדות טמפרטורות של 10,0000K עד 20,0000K במספר קוואזרים. טמפרטורה העולה בקנה אחד עם הקרינה הצפויה מדיסקת ספיחה סביב קוואזר. פלסמה בטמפרטורה כה גבוהה פולטת את מרבית האנרגיה שלה בתחום האולטרה-סגול, וקרינת רנטגן. סקרים הראו כי רוב הקוואזרים פולטים קרינה בעוצמה גבוהה. דסקה כה חמה גורמת לחומר "להתנפח" לצורת צמיג, או סופגנייה, אך הוא אינו שטוח כמו פנקייק. הגיאומטריה הזאת מסתירה את החור השחור לצופה הנמצא במישור המשווני, אך הוא יוכל לראות את האור הנפלט בקטבים של ציר הסיבוב.
מחוץ לדסקת הספיחה מקיפים את החור השחור הענק ענני גז בעלי צפיפות נמוכה יותר. עננים אלה נמצאים במרחק הקטן מפארסק, הם מיונן חלקית על ידי קרינה אולטרה סגולה חזקה שמקורה ב"מנוע המרכזי", והם נעים במהירויות של עשרות אלפי קילומטרים לשנייה, בהשפעת כוח הכבידה חזק, שנוצר על ידי החור השחור. אזור זה גורם להופעתם של קווי פליטה רחבים בספקטרום הקוואזר. אסטרונומים פיתחו שיטה חכמה, הנקראת מיפוי הדהוד (reverberation mapping), המאפשרת למדוד את מסת החור השחור של הקוואזר. הספק הקרינה משתנה, ובקצב דומה, באיחור מסויים, משתנים קווי הפליטה הרחבים שפולטים העננים. זמן ההשהייה בין שני התהליכים קובע את רוחב פס הפליטה (R) והרוחב של קווי פליטה מאפשרים לחשב את השינוי במהירות הגז (ΔV), הנגרם על ידי כוח הכבידה של חור שחור על-מסיבי. על פי חוקי קפלר, מסת החור השחור
M = R(ΔV)2/G, כאשר G הוא קבוע הכבידה. בכל הקוואזרים מופיעים קווי פליטה רחבים, אך קווי פליטה של גלקסיות פעילות בעלות נגיהות נמוכה הם צרים יותר, ובעלי רוחב של מאות קילומטרים לשנייה. לכן, הגז שגורם להופעת הקווים הצרים הוא רחוק הרבה יותר ממרכז הגלקסיה; אילו עננים שמרחקם מגיע לכדי מאות קילופארסק ממרכז הגלקסיה.
מספר קוואזרים אף נושאים חתימה המרהיבה ביותר של פעילות גרעינית: סילוני רדיו. רוב הקוואזרים הם מקורות רדיו חלשים; סילוני גז נצפו רק בקוואזרים שהם מקורות רדיו חזקים. האזור סביב חור שחור על-מסיבי יכול לשמש מאיץ החלקיקים רב-עוצמה. דסקת הספיחה חוסמת את רוב האור הנפלט, אבל החומר יכול להיות מואץ בשני הכיוונים הניצבים למישור הדסקה, לאורך ציר הסיבוב. הסילונים הנפלטים מסביבת הקוואזר הם סילונים יחסותיים. החומר זורם החוצה יכול לנוע בין 90% עד ל- 95% ממהירות האור. חלקיקים בודדים, בעלי אנרגיה גבוהה, יכולים לנוע אף מעבר ל- 99.9% ממהירות האור. האזור שבו נוצרים סילוני החומר ואנרגיה, הוא אזור מורכב בצורה יוצאת דופן. אזור זה כולל: חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, קרינה, גלי הלם ושדות מגנטיים. מחשבי העל משמשים כדי לדמות את המבנה ואת האבולוציה של סילוני הפליטה. תצפיות רדיו הצליחו לחשוף מגוון עשיר של סילונים אסטרופיזיקליים. חלקם יוצאים מאזורי הגרעין, עוזבים את הגלקסיה המארחת, ומתפרשים על פני מיליוני שנות אור לעבר החלל הבין-גלקטי.
האם אסטרונומים יכולים לתאר את סיפור החיים של קוואזרים בהישען על תצפיות שלנו בגלקסיות קרובות? לפני עשרה מיליארד שנים, חורים שחורים גדלו במהירות במרכזי גלקסיות מסיביות, הניעו את האינטראקציות התכופות בין הגלקסיות ביקום המוקדם והצפוף. הקוואזרים שבהם ההיסט לאדום הגבוה ביותר מציבים אילוצים חמורים ביחס לתיאוריות החור השחור. הקוואזאר שבו ההיסט לאדום הגבוה ביותר מגיע לכדי z=7.1, מה שאומר שחור שחור הצליח לגדול ולגדול עד לכמה מיליארדי מסות שמש, כבר 750 מיליון שנים אחרי המפץ הגדול. מאז השיא שהתרחש 8 מיליארד שנה לאחר המפץ הגדול, זוהרם של הקוואזרים הואם. חורים שחורים סופר-מסיביים לא יכולים להיעלם! עם זאת, הם יכולים לאבד את היכולת שלהם לזרוח בעוצמה כה גבוהה, אם אין להם דלק. ככל שהיקום מתרחב, יש פחות אינטראקציות בין הגלקסיות, וככל שאוכלוסיות כוכבים מתפתחת, כמות המסה הזמינה לדלק של פעילות גרעינית הולכת ופוחתת. בינתיים, רוב הקוואזרים כבר נכנסו לתקופת הרעב בשתיקה זועפת, כאשר מדי פעם מופיעים פרקי זמן נדירים של פעילות.
אם נחבר את כל האנרגיה שפלט הקוואזר ברגעי השיא של פעילותו, ונניח את קיומו של מודל החור השחור הסופר מאסיבי, נוכל לחשב את מסת שרידי הקוואזר שנותרו עד ימינו. התחזית היא כי לרוב הגלקסיות יהיו במרכזן חורים שחורים בעלי 106 מסות שמש, 10% יהיו בעלי 107 מסות שמש, 1% יהיו בעלי 108 מסות שמש, וכן הלאה. למרבה הפלא, חיפושים אחר חורים שחורים במרכזי גלקסיות סמוכות נמצאו חורים שחורים ביחס המשוער. תקופת הזוהר של הקוואזרים התרחשה לפני מיליארדי שנים, אך אנו עדיין רואים את הצללים שהותירו, אורבים בליבן של גלקסיות סמוכות.
Author: Chris Impey