Un cuásar ( / ˈk w eɪ z ɑːr / KWAY -zar ) es un núcleo galáctico activo (AGN) extremadamente luminoso . A veces se lo conoce como objeto cuasi estelar , abreviado QSO . La emisión de un AGN es alimentada por un agujero negro supermasivo con una masa que varía de millones a decenas de miles de millones de masas solares , rodeado por un disco de acreción gaseoso . El gas en el disco que cae hacia el agujero negro se calienta y libera energía en forma de radiación electromagnética . La energía radiante de los cuásares es enorme; los cuásares más poderosos tienen luminosidades miles de veces mayores que la de una galaxia como la Vía Láctea . [2] [3] Los cuásares generalmente se clasifican como una subclase de la categoría más general de AGN. Los desplazamientos al rojo de los cuásares son de origen cosmológico . [4]
El término cuásar se originó como una contracción de "fuente de radio cuasi-estelar [similar a una estrella] " (porque se identificaron por primera vez durante la década de 1950 como fuentes de emisión de ondas de radio de origen físico desconocido) y cuando se identificaron en imágenes fotográficas en longitudes de onda visibles, se parecían a puntos de luz tenues similares a estrellas. Las imágenes de alta resolución de cuásares, particularmente del Telescopio Espacial Hubble , han demostrado que los cuásares ocurren en los centros de las galaxias y que algunas galaxias anfitrionas son galaxias en fuerte interacción o fusión . [5] Al igual que con otras categorías de AGN, las propiedades observadas de un cuásar dependen de muchos factores, incluida la masa del agujero negro, la tasa de acreción de gas, la orientación del disco de acreción en relación con el observador, la presencia o ausencia de un chorro y el grado de oscurecimiento por gas y polvo dentro de la galaxia anfitriona.
Se han identificado alrededor de un millón de cuásares con corrimientos al rojo espectroscópicos fiables , [6] y entre 2 y 3 millones identificados en catálogos fotométricos . [7] [8] El cuásar conocido más cercano está a unos 600 millones de años luz de la Tierra. El récord del cuásar conocido más distante sigue cambiando. En 2017, se detectó el cuásar ULAS J1342+0928 con un corrimiento al rojo z = 7,54. La luz observada desde este cuásar de 800 millones de masas solares se emitió cuando el universo tenía solo 690 millones de años. [9] [10] [11] En 2020, se detectó el cuásar Pōniuāʻena de un momento de solo 700 millones de años después del Big Bang , y con una masa estimada de 1.500 millones de veces la masa del Sol. [12] [13] A principios de 2021, se informó del cuásar QSO J0313–1806 , con un agujero negro de 1.600 millones de masas solares, en z = 7,64, 670 millones de años después del Big Bang. [14]
Los estudios de descubrimiento de cuásares han demostrado que la actividad de cuásares era más común en el pasado distante; la época pico fue hace aproximadamente 10 mil millones de años. [15] Las concentraciones de múltiples cuásares se conocen como grandes grupos de cuásares y pueden constituir algunas de las estructuras más grandes conocidas en el universo si los grupos observados son buenos trazadores de la distribución de masa.
El término cuásar fue utilizado por primera vez en un artículo del astrofísico Hong-Yee Chiu en mayo de 1964, en Physics Today , para describir ciertos objetos astronómicamente desconcertantes: [16]
Hasta ahora, para describir estos objetos se ha utilizado el nombre, un tanto largo, de "fuentes de radio cuasi estelares". Como se desconoce por completo su naturaleza, resulta difícil preparar una nomenclatura breve y adecuada para ellos, de modo que sus propiedades esenciales resulten obvias a partir de su nombre. Para mayor comodidad, en este artículo se utilizará la forma abreviada "cuásar".
Entre 1917 y 1922, los trabajos de Heber Doust Curtis , Ernst Öpik y otros demostraron que algunos objetos (" nebulosas ") vistos por los astrónomos eran en realidad galaxias lejanas como la Vía Láctea. Pero cuando comenzó la radioastronomía en la década de 1950, los astrónomos detectaron, entre las galaxias, un pequeño número de objetos anómalos con propiedades que desafiaban toda explicación.
Los objetos emitían grandes cantidades de radiación de muchas frecuencias, pero no se podía localizar ninguna fuente ópticamente, o en algunos casos solo un objeto débil y puntual parecido a una estrella distante . Las líneas espectrales de estos objetos, que identifican los elementos químicos de los que está compuesto el objeto, también eran extremadamente extrañas y desafiaban toda explicación. Algunos de ellos cambiaban su luminosidad muy rápidamente en el rango óptico e incluso más rápidamente en el rango de rayos X, lo que sugiere un límite superior en su tamaño, tal vez no más grande que el Sistema Solar . [17] Esto implica una densidad de potencia extremadamente alta . [18] Se produjo una considerable discusión sobre lo que podrían ser estos objetos. Se los describió como " fuentes de radio cuasi estelares [que significa: similares a estrellas] " u "objetos cuasi estelares" (QSO), un nombre que reflejaba su naturaleza desconocida, y esto se acortó a "cuásar".
Los primeros cuásares ( 3C 48 y 3C 273 ) fueron descubiertos a finales de los años 1950, como fuentes de radio en estudios de radio de todo el cielo. [19] [20] [21] [22] Primero se observaron como fuentes de radio sin un objeto visible correspondiente. Usando pequeños telescopios y el Telescopio Lovell como interferómetro , se demostró que tenían un tamaño angular muy pequeño. [23] Para 1960, cientos de estos objetos habían sido registrados y publicados en el Tercer Catálogo de Cambridge mientras los astrónomos escaneaban los cielos en busca de sus contrapartes ópticas. En 1963, Allan Sandage y Thomas A. Matthews publicaron una identificación definitiva de la fuente de radio 3C 48 con un objeto óptico . Los astrónomos habían detectado lo que parecía ser una débil estrella azul en la ubicación de la fuente de radio y obtuvieron su espectro, que contenía muchas líneas de emisión anchas desconocidas. El espectro anómalo desafiaba la interpretación.
El astrónomo británico-australiano John Bolton realizó muchas de las primeras observaciones de cuásares, incluyendo un gran avance en 1962. Se predijo que otra fuente de radio, 3C 273 , sufriría cinco ocultaciones por parte de la Luna . Las mediciones tomadas por Cyril Hazard y John Bolton durante una de las ocultaciones utilizando el radiotelescopio Parkes permitieron a Maarten Schmidt encontrar una contraparte visible de la fuente de radio y obtener un espectro óptico utilizando el telescopio Hale de 200 pulgadas (5,1 m) en el Monte Palomar . Este espectro reveló las mismas líneas de emisión extrañas. Schmidt pudo demostrar que era probable que se tratara de las líneas espectrales ordinarias del hidrógeno desplazadas al rojo un 15,8%, en ese momento, un alto desplazamiento al rojo (con solo un puñado de galaxias mucho más débiles conocidas con un desplazamiento al rojo mayor). Si esto se debía al movimiento físico de la "estrella", entonces 3C 273 se alejaba a una velocidad enorme, alrededor de 100 km/h.47 000 km/s , muy por encima de la velocidad de cualquier estrella conocida y desafiando cualquier explicación obvia. [24] Una velocidad extrema tampoco ayudaría a explicar las enormes emisiones de radio de 3C 273. Si el corrimiento al rojo era cosmológico (ahora se sabe que es correcto), la gran distancia implicaba que 3C 273 era mucho más luminosa que cualquier galaxia, pero mucho más compacta. Además, 3C 273 era lo suficientemente brillante como para detectarse en fotografías de archivo que datan de la década de 1900; se encontró que era variable en escalas de tiempo anuales, lo que implica que una fracción sustancial de la luz se emitía desde una región de menos de 1 año luz de tamaño, diminuta en comparación con una galaxia.
Aunque planteó muchas preguntas, el descubrimiento de Schmidt revolucionó rápidamente la observación de los cuásares. Schmidt, Greenstein y Oke identificaron rápidamente el extraño espectro del 3C 48 como hidrógeno y magnesio desplazados al rojo en un 37 %. Poco después, dos espectros de cuásar más en 1964 y cinco más en 1965 también se confirmaron como luz ordinaria que había sido desplazada al rojo en un grado extremo. [25] Si bien las observaciones y los desplazamientos al rojo en sí no fueron puestos en duda, su interpretación correcta fue muy debatida, y la sugerencia de Bolton de que la radiación detectada de los cuásares eran líneas espectrales ordinarias de fuentes distantes altamente desplazadas al rojo con una velocidad extrema no fue ampliamente aceptada en ese momento.
Un corrimiento al rojo extremo podría implicar una gran distancia y velocidad, pero también podría deberse a una masa extrema o quizás a alguna otra ley desconocida de la naturaleza. Una velocidad y una distancia extremas también implicarían una inmensa producción de energía, que carecía de explicación. Los pequeños tamaños se confirmaron mediante interferometría y observando la velocidad con la que el cuásar en su conjunto variaba su producción, y por su incapacidad para ser vistos incluso con los telescopios de luz visible más potentes como algo más que débiles puntos de luz similares a estrellas. Pero si eran pequeños y estaban muy lejos en el espacio, su producción de energía tendría que ser inmensa y difícil de explicar. Del mismo modo, si fueran muy pequeños y estuvieran mucho más cerca de esta galaxia, sería fácil explicar su aparente producción de energía, pero menos fácil explicar sus corrimientos al rojo y la falta de movimiento detectable contra el fondo del universo.
Schmidt observó que el corrimiento al rojo también está asociado con la expansión del universo, tal como se codifica en la ley de Hubble . Si el corrimiento al rojo medido se debía a la expansión, esto apoyaría una interpretación de objetos muy distantes con una luminosidad y una potencia de salida extraordinariamente altas, mucho más allá de cualquier objeto visto hasta la fecha. Esta luminosidad extrema también explicaría la gran señal de radio. Schmidt concluyó que 3C 273 podría ser una estrella individual de unos 10 km de ancho dentro (o cerca) de esta galaxia, o un núcleo galáctico activo distante. Afirmó que un objeto distante y extremadamente poderoso parecía más probable que fuera correcto. [24]
La explicación de Schmidt para el alto corrimiento al rojo no fue ampliamente aceptada en ese momento. Una preocupación importante era la enorme cantidad de energía que estos objetos tendrían que estar irradiando, si estaban distantes. En la década de 1960, ningún mecanismo comúnmente aceptado podía explicar esto. La explicación actualmente aceptada, que se debe a la materia en un disco de acreción que cae en un agujero negro supermasivo , recién fue sugerida en 1964 por Edwin E. Salpeter y Yakov Zeldovich , [26] e incluso entonces fue rechazada por muchos astrónomos, ya que en ese momento la existencia de agujeros negros en general se consideraba teórica.
Durante los años 1960 y 1970 se propusieron varias explicaciones, cada una con sus propios problemas. Se sugirió que los cuásares eran objetos cercanos y que su corrimiento al rojo no se debía a la expansión del espacio sino a la luz que escapaba de un pozo gravitatorio profundo . Esto requeriría un objeto masivo, lo que también explicaría las altas luminosidades. Sin embargo, una estrella de suficiente masa para producir el corrimiento al rojo medido sería inestable y excedería el límite de Hayashi . [27] Los cuásares también muestran líneas de emisión espectral prohibidas , previamente solo vistas en nebulosas gaseosas calientes de baja densidad, que serían demasiado difusas para generar la potencia observada y encajar dentro de un pozo gravitatorio profundo. [28] También hubo serias preocupaciones con respecto a la idea de cuásares cosmológicamente distantes. Un fuerte argumento en contra de ellos era que implicaban energías que excedían con creces los procesos de conversión de energía conocidos, incluida la fusión nuclear . Se sugirió que los cuásares estaban hechos de alguna forma estable de antimateria desconocida hasta entonces en tipos de regiones del espacio igualmente desconocidos, y que esto podría explicar su brillo. [29] Otros especularon que los cuásares eran un extremo de agujero blanco de un agujero de gusano , [30] [31] o una reacción en cadena de numerosas supernovas . [32]
Finalmente, a partir de la década de 1970, muchas líneas de evidencia (incluidos los primeros observatorios espaciales de rayos X , el conocimiento de los agujeros negros y los modelos modernos de cosmología ) demostraron gradualmente que los corrimientos al rojo de los cuásares son genuinos y se deben a la expansión del espacio , que los cuásares son de hecho tan poderosos y distantes como Schmidt y otros astrónomos habían sugerido, y que su fuente de energía es materia de un disco de acreción que cae sobre un agujero negro supermasivo. [33] Esto incluyó evidencia crucial de la visualización óptica y de rayos X de las galaxias anfitrionas de cuásares, el hallazgo de líneas de absorción "intermedias", que explicaban varias anomalías espectrales, observaciones de lente gravitacional , el hallazgo de Gunn en 1971 de que las galaxias que contienen cuásares mostraban el mismo corrimiento al rojo que los cuásares, [34] y el hallazgo de Kristian en 1973 de que el entorno "borroso" de muchos cuásares era consistente con una galaxia anfitriona menos luminosa. [35]
Este modelo también encaja bien con otras observaciones que sugieren que muchas o incluso la mayoría de las galaxias tienen un agujero negro central masivo. También explicaría por qué los cuásares son más comunes en el universo primitivo: a medida que un cuásar absorbe materia de su disco de acreción, llega un punto en el que hay menos materia cerca y la producción de energía disminuye o cesa, a medida que el cuásar se convierte en un tipo de galaxia más común.
El mecanismo de producción de energía del disco de acreción fue finalmente modelado en la década de 1970, y también se detectaron directamente agujeros negros (incluida la evidencia que mostraba que se podían encontrar agujeros negros supermasivos en los centros de esta y muchas otras galaxias), lo que resolvió la preocupación de que los cuásares eran demasiado luminosos para ser el resultado de objetos muy distantes o que no se podía confirmar la existencia de un mecanismo adecuado en la naturaleza. En 1987 se "aceptó ampliamente" que esta era la explicación correcta para los cuásares, [36] y la distancia cosmológica y la producción de energía de los cuásares fueron aceptadas por casi todos los investigadores.
Más tarde se descubrió que no todos los cuásares emiten una fuerte emisión de radio; de hecho, solo un 10% aproximadamente emiten una fuerte emisión de radio. Por ello, se utiliza el nombre de "QSO" (objeto cuasi estelar) (además de "cuásar") para referirse a estos objetos, que se clasifican a su vez en "fuertes en radio" y "silenciosos en radio". El descubrimiento del cuásar tuvo grandes implicaciones para el campo de la astronomía en la década de 1960, incluido el acercamiento entre física y astronomía. [38]
En 1979, el efecto de lente gravitacional predicho por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein fue confirmado observacionalmente por primera vez con imágenes del cuásar doble 0957+561. [39]
Un estudio publicado en febrero de 2021 mostró que hay más cuásares en una dirección (hacia Hydra ) que en la dirección opuesta, lo que aparentemente indica que la Tierra se está moviendo en esa dirección. Pero la dirección de este dipolo está a unos 28° de la dirección del movimiento de la Tierra en relación con la radiación de fondo de microondas cósmica . [40]
En marzo de 2021, una colaboración de científicos, relacionada con el Event Horizon Telescope , presentó, por primera vez, una imagen polarizada de un agujero negro , específicamente el agujero negro en el centro de Messier 87 , una galaxia elíptica aproximadamente a 55 millones de años luz de distancia en la constelación de Virgo , revelando las fuerzas que dan origen a los cuásares. [41]
Ahora se sabe que los cuásares son objetos distantes pero extremadamente luminosos, por lo que cualquier luz que llega a la Tierra está desplazada hacia el rojo debido a la expansión del universo . [42]
Los cuásares habitan en los centros de las galaxias activas y se encuentran entre los objetos más luminosos, poderosos y energéticos conocidos en el universo, emitiendo hasta mil veces la energía de salida de la Vía Láctea , que contiene entre 200 y 400 mil millones de estrellas. Esta radiación se emite a través del espectro electromagnético casi uniformemente, desde rayos X hasta el infrarrojo lejano con un pico en las bandas ópticas ultravioleta, y algunos cuásares también son fuertes fuentes de emisión de radio y rayos gamma. Con imágenes de alta resolución de telescopios terrestres y el Telescopio Espacial Hubble , las "galaxias anfitrionas" que rodean a los cuásares se han detectado en algunos casos. [43] Estas galaxias normalmente son demasiado tenues para ser vistas contra el resplandor del cuásar, excepto con técnicas especiales. La mayoría de los cuásares, con la excepción de 3C 273 , cuya magnitud aparente promedio es 12,9, no se pueden ver con telescopios pequeños.
Se cree (y en muchos casos se ha confirmado) que los cuásares se alimentan de la acreción de material en agujeros negros supermasivos en los núcleos de galaxias distantes, como sugirieron en 1964 Edwin Salpeter y Yakov Zeldovich . [19] La luz y otras radiaciones no pueden escapar del interior del horizonte de sucesos de un agujero negro. La energía producida por un cuásar se genera fuera del agujero negro, por tensiones gravitacionales y una inmensa fricción dentro del material más cercano al agujero negro, a medida que orbita y cae hacia el interior. [36] La enorme luminosidad de los cuásares resulta de los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos centrales, que pueden convertir entre el 5,7% y el 32% de la masa de un objeto en energía , [44] en comparación con solo el 0,7% para el proceso de fusión nuclear de cadena p–p que domina la producción de energía en estrellas similares al Sol. Se han medido masas centrales de 10 5 a 10 9 masas solares en cuásares utilizando el mapeo de reverberación . Se ha confirmado que varias docenas de galaxias grandes cercanas, incluida la Vía Láctea , que no tienen un centro activo y no muestran ninguna actividad similar a la de un cuásar, contienen un agujero negro supermasivo similar en sus núcleos (centro galáctico) . Por lo tanto, ahora se piensa que todas las galaxias grandes tienen un agujero negro de este tipo, pero solo una pequeña fracción tiene suficiente materia en el tipo de órbita adecuado en su centro para activarse y generar radiación de tal manera que se puedan ver como cuásares. [45]
Esto también explica por qué los cuásares eran más comunes en el universo primitivo, ya que esta producción de energía termina cuando el agujero negro supermasivo consume todo el gas y el polvo que hay cerca de él. Esto significa que es posible que la mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, hayan pasado por una etapa activa, apareciendo como un cuásar o alguna otra clase de galaxia activa que dependía de la masa del agujero negro y de la tasa de acreción, y ahora están inactivas porque carecen de un suministro de materia para alimentar a sus agujeros negros centrales para generar radiación. [45]
Es poco probable que la materia que se acumula en el agujero negro caiga directamente en él, sino que tendrá un cierto momento angular alrededor del agujero negro, lo que hará que la materia se acumule en un disco de acreción . Los cuásares también pueden encenderse o volverse a encender cuando las galaxias normales se fusionan y el agujero negro se infunde con una nueva fuente de materia. [47] De hecho, se ha sugerido que un cuásar podría formarse cuando la galaxia de Andrómeda colisione con la galaxia de la Vía Láctea en aproximadamente 3 a 5 mil millones de años. [36] [48] [49] [50]
En la década de 1980, se desarrollaron modelos unificados en los que los cuásares se clasificaron como un tipo particular de galaxia activa , y surgió un consenso de que en muchos casos es simplemente el ángulo de visión lo que los distingue de otras galaxias activas, como los blazares y las radiogalaxias . [51]
El cuásar con el mayor corrimiento al rojo conocido (a agosto de 2024 [update]) es UHZ1 , con un corrimiento al rojo de aproximadamente 10,1, [9] que corresponde a una distancia de movimiento de aproximadamente 31 700 millones de años luz de la Tierra (estas distancias son mucho mayores que la distancia que la luz podría viajar en los 13 800 millones de años de historia del universo porque el universo se está expandiendo).
Ahora se sabe que muchos cuásares se forman a partir de colisiones de galaxias, que impulsan la masa de las galaxias hacia los agujeros negros supermasivos que se encuentran en sus centros.
Más queSe han descubierto 900.000 cuásares (hasta julio de 2023), [6] la mayoría de ellos procedentes del Sloan Digital Sky Survey . Todos los espectros de cuásares observados tienen desplazamientos al rojo entre 0,056 y 10,1 (hasta 2024), lo que significa que se encuentran a una distancia de entre 600 millones y 30 mil millones de años luz de la Tierra . Debido a las grandes distancias a los cuásares más lejanos y a la velocidad finita de la luz, estos y el espacio que los rodea aparecen tal y como existían en el universo primitivo.
El poder de los cuásares se origina en agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el núcleo de la mayoría de las galaxias. Los desplazamientos Doppler de las estrellas cercanas a los núcleos de las galaxias indican que giran alrededor de enormes masas con gradientes de gravedad muy pronunciados, lo que sugiere la existencia de agujeros negros.
Aunque los cuásares parecen débiles cuando se los observa desde la Tierra, son visibles desde distancias extremas, siendo los objetos más luminosos del universo conocido. El cuásar más brillante del cielo es 3C 273 en la constelación de Virgo . Tiene una magnitud aparente promedio de 12,8 (lo suficientemente brillante como para ser visto a través de un telescopio amateur de tamaño medio ), pero tiene una magnitud absoluta de −26,7. [53] Desde una distancia de unos 33 años luz, este objeto brillaría en el cielo con una intensidad casi tan intensa como la del Sol . La luminosidad de este cuásar es, por tanto, de unos 4 billones (4 × 1012 ) veces la del Sol, o alrededor de 100 veces la de la luz total de galaxias gigantes como la Vía Láctea . [53] Esto supone que el cuásar está irradiando energía en todas direcciones, pero se cree que el núcleo galáctico activo está irradiando preferentemente en la dirección de su chorro. En un universo que contiene cientos de miles de millones de galaxias, la mayoría de las cuales tenían núcleos activos hace miles de millones de años pero solo se ven hoy, es estadísticamente seguro que miles de chorros de energía deberían apuntar hacia la Tierra, algunos más directamente que otros. En muchos casos es probable que cuanto más brillante sea el cuásar, más directamente se dirija su chorro a la Tierra. Dichos cuásares se denominan blazares .
El cuásar hiperluminoso APM 08279+5255 , cuando fue descubierto en 1998, tenía una magnitud absoluta de -32,2. Las imágenes de alta resolución obtenidas con el telescopio espacial Hubble y el telescopio Keck de 10 m revelaron que este sistema presenta un efecto de lente gravitacional . Un estudio del efecto de lente gravitacional de este sistema sugiere que la luz emitida se ha magnificado en un factor de ~10. Aún es sustancialmente más luminoso que los cuásares cercanos, como 3C 273.
Los cuásares eran mucho más comunes en el universo primitivo que en la actualidad. Este descubrimiento de Maarten Schmidt en 1967 fue una prueba sólida y temprana en contra de la cosmología del estado estacionario y a favor de la cosmología del Big Bang . Los cuásares muestran los lugares donde los agujeros negros supermasivos están creciendo rápidamente (por acreción ). Las simulaciones detalladas informadas en 2021 mostraron que las estructuras de las galaxias, como los brazos espirales, utilizan fuerzas gravitacionales para "frenar" el gas que, de otro modo, orbitaría los centros de las galaxias para siempre; en cambio, el mecanismo de frenado permitió que el gas cayera en los agujeros negros supermasivos, liberando enormes energías radiantes. [54] [55] Estos agujeros negros coevolucionan con la masa de las estrellas en su galaxia anfitriona de una manera que no se comprende del todo en la actualidad. Una idea es que los chorros, la radiación y los vientos creados por los cuásares detienen la formación de nuevas estrellas en la galaxia anfitriona, un proceso llamado "retroalimentación". Se sabe que los chorros que producen fuertes emisiones de radio en algunos cuásares en los centros de los cúmulos de galaxias tienen suficiente potencia para evitar que el gas caliente de esos cúmulos se enfríe y caiga sobre la galaxia central.
La luminosidad de los cuásares es variable, con escalas de tiempo que van desde meses hasta horas. Esto significa que los cuásares generan y emiten su energía desde una región muy pequeña, ya que cada parte del cuásar tendría que estar en contacto con otras partes en una escala de tiempo tal que permitiera la coordinación de las variaciones de luminosidad. Esto significaría que un cuásar que varía en una escala de tiempo de unas pocas semanas no puede tener un tamaño mayor que unas pocas semanas luz. La emisión de grandes cantidades de energía desde una región pequeña requiere una fuente de energía mucho más eficiente que la fusión nuclear que alimenta a las estrellas. La conversión de energía potencial gravitatoria en radiación al caer en un agujero negro convierte entre el 6% y el 32% de la masa en energía, en comparación con el 0,7% de la conversión de masa en energía en una estrella como el Sol. [44] Es el único proceso conocido que puede producir una potencia tan alta en un plazo muy largo. (Las explosiones estelares, como las supernovas y los estallidos de rayos gamma , y la aniquilación directa de materia y antimateria , también pueden producir una salida de energía muy alta, pero las supernovas solo duran días, y el universo no parece haber tenido grandes cantidades de antimateria en los momentos relevantes).
Dado que los cuásares exhiben todas las propiedades comunes a otras galaxias activas , como las galaxias Seyfert , la emisión de los cuásares se puede comparar fácilmente con las de galaxias activas más pequeñas alimentadas por agujeros negros supermasivos más pequeños. Para crear una luminosidad de 10 40 vatios (el brillo típico de un cuásar), un agujero negro supermasivo tendría que consumir el material equivalente a 10 masas solares por año. Los cuásares más brillantes conocidos devoran 1000 masas solares de material cada año. Se estima que el más grande conocido consume materia equivalente a 10 Tierras por segundo. Las luminosidades de los cuásares pueden variar considerablemente con el tiempo, dependiendo de su entorno. Dado que es difícil alimentar a los cuásares durante muchos miles de millones de años, después de que un cuásar termina de acrecentar el gas y el polvo circundante, se convierte en una galaxia ordinaria.
La radiación de los cuásares es parcialmente "no térmica" (es decir, no se debe a la radiación del cuerpo negro ), y se observa que aproximadamente el 10% también tiene chorros y lóbulos como los de las radiogalaxias que también transportan cantidades significativas (pero poco entendidas) de energía en forma de partículas que se mueven a velocidades relativistas . Las energías extremadamente altas podrían explicarse por varios mecanismos (ver aceleración de Fermi y mecanismo centrífugo de aceleración ). Los cuásares pueden detectarse en todo el espectro electromagnético observable , incluyendo radio , infrarrojo , luz visible , ultravioleta , rayos X e incluso rayos gamma . La mayoría de los cuásares son más brillantes en su longitud de onda ultravioleta del marco de reposo de 121,6 nm de la línea de emisión Lyman-alfa del hidrógeno, pero debido a los tremendos desplazamientos al rojo de estas fuentes, esa luminosidad máxima se ha observado tan lejos en el rojo como 900,0 nm, en el infrarrojo cercano. Una minoría de cuásares muestra una fuerte emisión de radio, que es generada por chorros de materia que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Si se observan hacia abajo, parecen blazares y a menudo tienen regiones que parecen alejarse del centro más rápido que la velocidad de la luz ( expansión superlumínica ). Se trata de una ilusión óptica debida a las propiedades de la relatividad especial .
Los desplazamientos al rojo de los cuásares se miden a partir de las fuertes líneas espectrales que dominan sus espectros de emisión visible y ultravioleta. Estas líneas son más brillantes que el espectro continuo. Presentan un ensanchamiento Doppler que corresponde a una velocidad media de varios porcentajes de la velocidad de la luz. Los movimientos rápidos indican claramente una gran masa. Las líneas de emisión del hidrógeno (principalmente de la serie Lyman y la serie Balmer ), helio, carbono, magnesio, hierro y oxígeno son las líneas más brillantes. Los átomos que emiten estas líneas varían de neutros a altamente ionizados, lo que los deja altamente cargados. Este amplio rango de ionización muestra que el gas está altamente irradiado por el cuásar, no solo caliente, y no por las estrellas, que no pueden producir un rango tan amplio de ionización.
Al igual que todas las galaxias activas (no oscurecidas), los cuásares pueden ser fuentes potentes de rayos X. Los cuásares con ondas de radio también pueden producir rayos X y rayos gamma mediante la dispersión Compton inversa de fotones de menor energía por los electrones emisores de radio en el chorro. [57]
Los cuásares de hierro muestran fuertes líneas de emisión resultantes del hierro de baja ionización (Fe II ), como IRAS 18508-7815.
Los cuásares también proporcionan algunas pistas sobre el final de la reionización del Big Bang . Los cuásares más antiguos conocidos ( z = 6) [ necesita actualización ] muestran una depresión de Gunn-Peterson y tienen regiones de absorción frente a ellos, lo que indica que el medio intergaláctico en ese momento era gas neutro. Los cuásares más recientes no muestran ninguna región de absorción, sino que sus espectros contienen un área puntiaguda conocida como el bosque Lyman-alfa ; esto indica que el medio intergaláctico ha experimentado una reionización en plasma y que el gas neutro existe solo en pequeñas nubes.
La intensa producción de radiación ultravioleta ionizante también es significativa, ya que proporcionaría un mecanismo para que se produzca la reionización a medida que se forman las galaxias. A pesar de esto, las teorías actuales sugieren que los cuásares no fueron la fuente primaria de reionización; las causas principales de la reionización fueron probablemente las primeras generaciones de estrellas , conocidas como estrellas de Población III (posiblemente el 70%), y las galaxias enanas (galaxias pequeñas de alta energía muy tempranas) (posiblemente el 30%). [58] [59] [60] [61] [62] [63]
Los cuásares muestran evidencia de elementos más pesados que el helio , lo que indica que las galaxias atravesaron una fase masiva de formación estelar , creando estrellas de población III entre el momento del Big Bang y los primeros cuásares observados. La luz de estas estrellas puede haber sido observada en 2005 utilizando el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA , [64] aunque esta observación aún debe confirmarse.
La taxonomía de los cuásares incluye varios subtipos que representan subconjuntos de la población de cuásares que tienen propiedades distintas.
Debido a que los cuásares son extremadamente distantes, brillantes y de pequeño tamaño aparente, son puntos de referencia útiles para establecer una cuadrícula de medición en el cielo. [70] El Sistema Internacional de Referencia Celestial (ICRS) se basa en cientos de fuentes de radio extragalácticas, en su mayoría cuásares, distribuidos por todo el cielo. Debido a que son tan distantes, son aparentemente estacionarios según la tecnología actual, sin embargo, sus posiciones se pueden medir con la máxima precisión mediante interferometría de línea de base muy larga (VLBI). Las posiciones de la mayoría se conocen con una precisión de 0,001 segundos de arco o mejor, lo que es órdenes de magnitud más preciso que las mejores mediciones ópticas.
Una agrupación de dos o más cuásares en el cielo puede ser el resultado de una alineación casual, donde los cuásares no están asociados físicamente, de la proximidad física real o de los efectos de la gravedad que curva la luz de un solo cuásar en dos o más imágenes mediante lente gravitacional .
Cuando dos cuásares parecen estar muy cerca uno del otro vistos desde la Tierra (separados por unos pocos segundos de arco o menos), se los suele denominar "cuásar doble". Cuando los dos también están cerca uno del otro en el espacio (es decir, se observa que tienen desplazamientos al rojo similares), se los denomina "par de cuásares", o "cuásar binario" si están lo suficientemente cerca como para que sus galaxias anfitrionas probablemente estén interactuando físicamente. [71]
Como los cuásares son objetos raros en el universo, la probabilidad de encontrar tres o más cuásares separados cerca de la misma ubicación física es muy baja, y determinar si el sistema está muy separado físicamente requiere un esfuerzo de observación significativo. El primer cuásar triple verdadero se encontró en 2007 mediante observaciones en el Observatorio WM Keck en Mauna Kea , Hawái . [72] LBQS 1429-008 (o QQQ J1432-0106) se observó por primera vez en 1989 y en ese momento se descubrió que era un cuásar doble. Cuando los astrónomos descubrieron el tercer miembro, confirmaron que las fuentes estaban separadas y no eran el resultado de lentes gravitacionales. Este cuásar triple tiene un corrimiento al rojo de z = 2,076. [73] Los componentes están separados por un estimado de 30 a 50 kiloparsecs (aproximadamente 97 000 a 160 000 años luz), lo que es típico para las galaxias en interacción. [74] En 2013, se encontró el segundo triplete verdadero de cuásares, QQQ J1519+0627, con un corrimiento al rojo z = 1,51, y todo el sistema encaja dentro de una separación física de 25 kpc (unos 80.000 años luz). [75] [76]
El primer sistema de cuásar cuádruple verdadero fue descubierto en 2015 con un corrimiento al rojo z = 2,0412 y tiene una escala física general de aproximadamente 200 kpc (aproximadamente 650.000 años luz). [77]
Un cuásar de imágenes múltiples es un cuásar cuya luz sufre un efecto de lente gravitacional , lo que da como resultado imágenes dobles, triples o cuádruples del mismo cuásar. El primer cuásar de este tipo que se descubrió fue el cuásar de imagen doble Q0957+561 (o cuásar gemelo) en 1979. [78] Un ejemplo de un cuásar de triple lente es PG1115+08. [79] Se conocen varios cuásares de imagen cuádruple, incluidos la cruz de Einstein y el cuásar de la hoja de trébol , y los primeros descubrimientos de este tipo ocurrieron a mediados de la década de 1980.
![Las imágenes del cuásar SDSS J165202.64+172852.3 en el centro y a la derecha presentan nuevas observaciones del JWST en múltiples longitudes de onda para demostrar la distribución del gas alrededor del objeto. [81]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/26/Webb's_View_Around_the_Extremely_Red_Quasar_SDSS_J165202_64+172852_3_(weic2217a).jpeg/1280px-Webb's_View_Around_the_Extremely_Red_Quasar_SDSS_J165202_64+172852_3_(weic2217a).jpeg)
![Estas dos imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA revelan dos pares de cuásares que existieron hace 10 mil millones de años y residen en los corazones de galaxias en fusión.[80]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg/1280px-Hubble_Resolves_Two_Pairs_of_Quasars.jpg)
_(aspire1).jpg/1280px-Webb_identifies_the_earliest_strands_of_the_cosmic_web_(annotated)_(aspire1).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Primer modelo que muestra cómo fluye el gas a través del universo hacia el centro de un agujero negro supermasivo.
