sterrenstelsels & nevels

Wat is een quasar?

Artist impressie van de quasar J0313-1806
Artist impressie van quasar J0313-1806, momenteel de verst verwijderde quasar die we kennen. Quasars zijn erg heldere objecten in het jonge heelal die worden aangedreven door superzware zwarte gaten. Deze illustratie toont een wijde accretieschijf rond een zwart gat en toont een extreem snelle wind die een snelheid van ongeveer 20% van de lichtsnelheid bereikt, in de directe omgeving van J0313-1806. Credit: Image via NOIRLab/ NSF/ AURA/ J. da Silva/ Keck Observatory.

Een quasar is een extreem helder en ver verwijderde puntbron die zichtbaar is met radiotelescopen. De bron is een zogenoemde Actieve Galactische Nucleus die wordt gevoed door een supermassief zwart gat.

Het woord ‘quasar’ is afkomstig van ‘quasi-stellar radio source’. Quasars kregen die naam omdat ze voor astronomen die de eerste eind jaren ’50/begin jaren ’60 begonnen te ontdekken, op sterren leken. Maar quasars zijn geen sterren. Het zijn jonge sterrenstelsels die zich op enorme afstanden van ons vandaan bevinden. Hun aantallen nemen toe naarmate we verder weg in het heelal kunnen kijken. Hoe kunnen ze zo ver weg zijn en toch zo helder? Het antwoord hierop is dat quasars extreem helder zijn tot wel een factor 1000 helderder dan ons eigen sterrenstelsel. We weten dat ze extreem actief zijn en dat ze over het gehele elektromagnetische spectrum enorme hoeveelheden straling uitzenden.

Omdat ze ver van ons zijn verwijderd zien we deze objecten toen het heelal nog jong was. De oudste quasar die we momenteel kennen heet J0313-1806. De afstand tot deze quasar is berekend op 13,03 miljard lichtjaar. Dit betekent dat we de quasar zien krap 670 miljoen jaar na de Oerknal.

Wat gebeurde er in die tijd in het heelal dat quasars zo enorm helder konden worden?

Astronomen denken tegenwoordig dat quasars de extreem heldere centra zijn van nog zeer jonge sterrenstelsels. Na tientallen jaren van intensief onderzoek is er ook een andere term voor deze objecten: een quasar is een type ‘actieve galactische nucleus’ oftewel een AGN. Er zijn verschillende soorten AGN’s die allemaal een eigen verhaal hebben. De intense straling die door een AGN wordt uitgestraald wordt vermoedelijk opgewekt door een supermassief zwart gat in hun centrum. De straling wordt uitgezonden als materie in de accretieschijf rond het zwarte gat tot miljoenen graden wordt oververhit door de intense wrijving die wordt opgewekt door de stofdeeltjes, gas en andere materie in de schijf die talloze keren met elkaar in botsing komen.

De binnenwaartse spiraal van materie in de accretieschijf van een superzwaar zwart gat, dat wil zeggen in het midden van een quasar, is het resultaat van deeltjes die tegen elkaar botsen en stuiteren en momentum verliezen. Dat materiaal kwam uit de enorme gaswolken, voornamelijk bestaande uit moleculair waterstof, die het heelal vulden in het tijdperk kort na de Oerknal.

Dus, gepositioneerd zoals ze waren in het vroege heelal, hadden quasars een enorme voorraad materie om zich mee te voeden.

Als materie in de accretieschijf van een quasar/zwart gat opwarmt, genereert het radiogolven, röntgenstralen, ultraviolet en zichtbaar licht. De quasar wordt zo helder dat hij hele sterrenstelsels kan overtreffen. Maar onthoud… quasars zijn erg ver weg. Ze zijn zo ver van ons verwijderd dat we alleen de actieve kern of kern van het sterrenstelsel waarin ze zich bevinden, waarnemen. Het is alsof je ’s nachts een koplamp van een auto in de verte ziet: je hebt geen idee naar welk type auto je kijkt want alles behalve de koplamp bevindt zich in het donker.

Aan de andere kant zijn er sterrenstelsels die niet als quasar geclassificeerd worden maar die nog steeds heldere, actieve centra hebben waar we de rest van het sterrenstelsel van kunnen zien. Een voorbeeld van dit type AGN zijn de zogenoemde Seyfert-stelsels. Ze zijn vernoemd naar de astronoom Carl Keenan Seyfert die ze als eerste identificeerde.

Messier 77 in Cetus
Messier 77 in Cetus. Door NASA, ESA & A. van der Hoeven – http://www.spacetelescope.org/news/heic1305/, Publiek domein, Koppeling

NGC 1068 (Messier 77) was een van de eerste Seyfert-stelsels die werden geclassificeerd. Het is het helderste en een van de meest nabije type 2 Seyfert-stelsels en het is het prototype van deze klasse.

Seyfert-stelsels vormen misschien 10% van alle sterrenstelsels in het heelal: ze worden niet als quasar geclassificeerd omdat ze veel jonger zijn en goed gedefinieerde structuren hebben, in plaats van de nogal vormloze en amorfe jonge sterrenstelsels waarvan wordt aangenomen dat ze enkele honderden miljoenen jaren na de Oerknal quasars hebben bevat.

Maar neem de hoeveelheden energie in ogenschouw die nodig zijn om een object voldoende te verlichten om het zichtbaar te maken op radiogolflengtes vanaf de verste uithoeken van het heelal zoals een zeeman die een glimp kan opvangen van een verre vuurtoren over een hele oceaan. Quasars kunnen tot duizend keer de energie uitstralen van de gecombineerde helderheid van de ongeveer 200 miljard sterren in ons eigen sterrenstelsel. Een typische quasar is 27 biljoen keer helderder dan onze Zon! Vervang de Zon aan de hemel door een quasar en zijn ongelooflijke helderheid zou je onmiddellijk verblinden als je roekeloos genoeg zou zijn om er rechtstreeks naar te kijken. Als je een quasar zou plaatsen op de afstand van Pluto dan zou deze alle oceanen op Aarde verdampen tot stoom in 1/5de van een seconde.

Astronomen geloven dat veel, zo niet alle, grote sterrenstelsels in hun jeugd door een zogenoemde “quasarfase” zijn gegaan. Als dat zo was dan werden ze minder helder toen ze geen materie meer hadden om de accretieschijf rond hun superzware zwarte gaten te voeden. Na dit tijdperk kwamen sterrenstelsels tot rust, hun centrale zwarte gaten kregen geen materie meer om zich te voeden. Men heeft echter gezien dat het zwarte gat in het centrum van ons eigen sterrenstelsel even opvlamt terwijl passerend materiaal erin valt en radiogolven en röntgenstraling vrijkomen. Het is denkbaar dat hele sterren uit elkaar worden gescheurd en verteerd als ze de waarnemingshorizon van een zwart gat passeren. De waarnemingshorizon is het punt waarop er geen weg terug meer mogelijk is.

Er moet echter wel op worden gewezen dat onze kennis van de evolutie van sterrenstelsels, van jeugdige quasars tot rustige sterrenstelsels van middelbare leeftijd, verre van volledig is. Sterrenstelsels bieden ons vaak uitzonderingen, als voorbeeld hoeven we niet verder te zoeken dan ons eigen sterrenstelsel. We weten nu bijvoorbeeld dat er 3,5 miljoen jaar geleden een gigantische explosie plaatsvond in het centrum van ons sterrenstelsel die bekend staat als een Seyfert-flare. Het was blijkbaar geconcentreerd rond Sagittarius A*, het superzware zwarte gat van ons sterrenstelsel, dat twee lobben van oververhit plasma produceerde die zich ongeveer 25.000 lichtjaar uitstrekten vanaf de noordelijke en zuidelijke galactische polen. Deze enorme lobben worden Fermibellen genoemd en ze zijn tegenwoordig zichtbaar op gamma- en röntgengolflengtes (dit zijn zeer hoogfrequente elektromagnetische emissies).

Astronomen leren dus nog steeds over de specifieke kenmerken van de evolutie van sterrenstelsels.

De geschiedenis van quasars is voor astronomen inderdaad een weg met hobbels. Toen quasars eind jaren vijftig voor het eerst werden waargenomen zagen astronomen die radiotelescopen gebruikten sterachtige objecten die radiogolven uitstraalden (dus quasi-stellaire radio objecten) maar deze objecten waren niet zichtbaar in optische telescopen. Hun gelijkenis met sterren, hun helderheid en kleine hoekdiameters brachten astronomen uit die tijd begrijpelijkerwijs tot de veronderstelling dat ze naar objecten in het eigen sterrenstelsel keken. Onderzoek van radiospectra van deze objecten onthulde echter dat ze mysterieuzer waren dan iemand had verwacht.

Veel vroege waarnemingen van quasars, zoals die van de twee eerst ontdekte quasars 3C48 en 3C273, werden begin jaren ’60 gedaan door de Brits-Australische astronoom John Bolton. Zijn collega’s en hij waren verbaasd over het feit dat quasars niet zichtbaar waren in optische telescopen. Ze wilden de zogenaamde “optische tegenhangers” van quasars vinden. Dat wil zeggen: een quasar die ze ook met hun ogen konden zien in plaats van alleen detecteerbaar met radiotelescopen.

Astronomen wisten toen niet dat quasars extreem ver weg waren, te ver weg om met hun optische tegenhangers vanaf de Aarde zichtbaar te maken. Maar in 1963 vonden de astronomen Allan Sandage en Thomas Matthews wat leek op een zwakke blauwe ster in het centrum van een bekende quasar. Ze namen het spectrum op en ze stonden perplex: het leek in niets op wat ze ooit eerder hadden gezien. Ze konden er geen kop of munt van maken.

Vervolgens konden Bolton en zijn team met behulp van de 5 meter Hale telescoop op Mount Palomar quasar 3C273 bestuderen terwijl deze achter de Maan passeerde. Door deze waarnemingen konden ze ook spectra verkrijgen. En ook deze spectra zagen er heel vreemd uit met onherkenbare emissielijnen. Emissielijnen vertellen astronomen welke chemische elementen aanwezig zijn in het object dat ze onderzoeken. Maar de spectraallijnen van de quasar waren onzinnig: er leken elementen te duiden die niet aanwezig mochten zijn.

Waterstofspectrum van de quasar 3C273
Het waterstofspectrum van de quasar 3C273. De emissielijnen zijn naar rechts verschoven richting de langere golflengtes. Ze vertonen dus een roodverschuiving en dat betekent dat de quasar zich op een enorme afstand van ons moet bevinden. Credit: Universiteit van Alberta.

Het was de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt die, na onderzoek van de vreemde emissielijnen in de spectra van quasars, suggereerde dat astronomen normale emissielijnen zagen die sterk waren verschoven naar het rode uiteinde van het elektromagnetische spectrum!

En zo hadden ze hun antwoord. De roodverschuiving was te wijten aan de grote afstand van de quasar. Het licht wordt uitgerekt door de uitdijing van het heelal tijdens zijn lange reis naar ons vanaf de rand van het zichtbare heelal.

Maar als het echt waar was dat quasars zo ver weg waren, aan de rand van het zichtbare heelal, hoe konden ze dan zulke grote hoeveelheden energie hebben opgewekt? In 1964 werd zelfs het bestaan van zwarte gaten fel bediscussieerd. Er waren veel wetenschappers die ze als niets anders beschouwden dan wiskundige rariteiten omdat ze zeker niet konden bestaan in het echte heelal.

Het debat over quasars woedde tot in de jaren ’70 toen een nieuwe generatie telescopen op Aarde en in de ruimte onomstotelijk vaststelde dat quasars inderdaad op grote afstanden liggen, dat we sterrenstelsels zien toen ze nog jong waren, dat de quasar-fase een natuurlijke fase is in hun groei. Nu zwarte gaten eindelijk ook serieus werden genomen konden astronomen nu eindelijk de identiteit modelleren van de bijna onbegrijpelijke krachtpatsers achter quasars: superzware zwarte gaten die ontzagwekkende hoeveelheden gas verbruiken en daardoor enorme hoeveelheden energie over het spectrum uitstralen.

Dit model legt uit waarom quasars aan de rand van het zichtbare heelal zitten en waarom we ze niet dichterbij zien: omdat quasars jonge sterrenstelsels zijn die niet lang na hun ontstaan in het vroege heelal worden gezien.

De studie van quasars en actieve galactische kernen in het algemeen is ver gekomen maar er is nog steeds veel dat astronomen niet begrijpen. Het is vrijwel onmogelijk om de hoeveelheden energie te bevatten die worden gegenereerd door de motoren van het zwarte gat in de harten van quasars. Het is even moeilijk in te schatten hoe ver ze van ons zijn verwijderd. Quasars zijn slechts een voorbeeld van een dier in de kosmische dierentuin waarvan men gewoon de feiten moet accepteren in plaats van ze te proberen te begrijpen.

Eerste publicatie: 26 maart 2021
Bron: EarthSky