Kvasaren – ljusstarkast av allt

Att kvasarer kan uppfattas som stjärnor beror på att de är de mest avlägsna objekt som astronomerna kan observera.En kvasar är en liten del av det innersta i en galax. Men den sänder ut hundratals gånger mer strålning än en vanlig galax, t ex Vintergatan, som i sin tur lyser lika starkt som flera miljarder stjärnor tillsammans.

Men medan Vintergatan är några hundra tusental ljusår i diameter är en kvasar inte större än några få ljusdagar. Därför är det inte så konstigt att kvasarerna ända sedan upptäckten för fyrtio år sedan fortfarande fascinerar många. Vad är det för monster på himlen som ser ut som en ljusprick men öser ut ohyggliga mängder energi?

De objekt som senare kom att kallas kvasarer – ”skenbara stjärnor” – var kända redan på 1950-talet genom observationer med radioteleskop. År 1962 hade astronomer i Australien lyckats bestämma läget för objektet 3C273 i Virgohopen på södra natthimlen. Den stora överraskningen kom när ljuset från det stjärnliknande objektet studerades våglängd för våglängd i ett s k spektrum.

Ljusvågen tänjs

Vanligen känner man igen de gaser som sänder ut strålning (eller absorberar strålning när ljuset passerar igenom) genom att varje gas har sina karakteristiska ljusvåglängder. Men det här spektrumet tycktes innehålla okänd strålning. Det var Maarten Schmidt, astronom vid Palomarobservatoriet i Kalifornien, som fick äran att först studera kvasarens spektrum. Snart upptäckte han att våglängderna visst stämde: det var samma gamla strålar fast med cirka 15 procent längre våglängder.

Schmidt förstod att det är universums expansion som förlänger ljusvågorna, ett redan tidigare känt fenomen kallat rödförskjutning. Ljuset lämnade kvasaren för länge sedan, när universum var mycket mindre. Men i takt med universums expansion tänjs också ljusvågorna. Genom att mäta rödförskjutningen kunde han beräkna hur länge ljuset har varit på väg mot oss. Och resultatet var häpnadsväckande: det visade sig att kvasaren 3C273 sände ut sin ljusstråle för drygt en miljard år sedan.

Snart fann astronomerna fler kvasarer och så långt bort att de skickade ut sitt ljus i universums tidiga barndom, för mer än tio miljarder år sedan. Kvasarerna befann sig ojämförligt längre bort än några då kända objekt på himlen.

Svart hål i mitten

De nya fynden förbryllade. Om ljuset kom så långt ifrån, måste en kvasar ha en ljusstyrka som flera hundra galaxer tillsammans. Till råga på allt visade det sig att ljusstyrkan hos några av kvasarerna kan variera markant: de kan bli flera gånger ljusare på bara några få dagar.

Detta måste i sin tur innebära att det ljusalstrande området inte kan vara mycket större än att ljuset hinner ta sig från ena änden till den andra inom den tidsrymd som ljusstyrkan varierar. Man kan på så sätt räkna ut att kvasarljuset kommer från ett område som inte är större än vårt solsystem. Det är ytterst litet med tanke på hur mycket energi som kvasaren lämnar ifrån sig.

De gåtfulla kvasarerna gav upphov till många frågor. Hur länge kan en kvasar ösa ut så mycket strålning? De flesta kvasarer verkar befinna sig på stort avstånd från oss, medan de på närmare håll är betydligt färre. Längre bort innebär längre sedan – var alltså kvasarerna vanligare förr i tiden? En annan fråga är hur dessa objekt förhåller sig till vanliga galaxer och stjärnor. Är de månne en fas i utvecklingen av galaxerna? Och den allra mest förbryllande frågan av alla: var kommer all denna energi ifrån? Ännu har vi inga säkra svar. Däremot finns en hel del idéer och spekulationer som vi fortsätter att pröva.

Det finns bara ett sätt för en kvasar att få fram så mycket energi inom så liten volym – det är om dess kärna består av ett massivt svart hål. Ett svart hål är så kompakt att om jorden omvandlades till ett sådant skulle den bli 1 centimeter i diameter. Kvasarens svarta hål, med en massa av en miljard solar, slukar all materia i sin närhet. När materien faller in mot det svarta hålet frigörs energi med en effektivitet som vida överskrider energiproduktionen i kärnreaktionerna inuti stjärnorna.

Vanligare än förmodat

Det visade sig att de först funna kvasarerna bara var toppen på ett isberg. Tusentals kvasarer är numera kända av astronomerna. De är inte särskilt svåra att känna igen, eftersom de till skillnad från stjärnorna sänder ut strålning i alla våglängder, från de kortaste gammastrålarna till långa radiovågor. Så småningom har kvasarer visat sig vara de ljusstarkaste exemplen på ett betydligt mer utbrett fenomen, s k aktiva galaxcentrum. Flera av de mer närliggande galaxerna har i sina centrum strålningskällor som visserligen är rätt ljussvaga men som har egenskaper liknande kvasarers. Gemensamt för dem alla är strålningens egenskaper och att den härrör från materia som faller in mot ett svart hål beläget i centrum av en galax.

Till skillnad från stjärnor som är runda som klot är kvasarer inte sfäriska. En kvasars utseende beror därför på betraktarens perspektiv. Detta förklaras med att materia som faller in mot det svarta hålet samlas i en roterande skiva och rör sig sakta mot centrum. Vi kan råka se den från sidan eller rakt uppifrån eller i en annan vinkel. Ett utmärkande drag för en kvasar är att en liten del av materien skickas ut åt två håll längs med rotationsaxeln i form av en stråle, med nära ljusets hastighet.

Den infallande materien består i huvudsak av gas och stoft och skymmer effektivt sikten in mot det svarta hålet. Men för en viss typ av kvasarer, s k blazarer, är sikten vinkelrät mot materieskivan och in mot hålet i det närmaste fri. Blazarer erbjuder därför en sällsynt möjlighet att direkt studera de fysikaliska processer som är ansvariga för kvasarfenomenet.

Om det nu är så att de flesta galaxer i sitt centrum härbärgerar svarta hål, kan man fråga sig vilken roll kvasarerna har i galaxernas utvecklingshistoria. I dag tror vi astronomer att universum är hierarkiskt uppbyggt. Med det menar vi att de minsta beståndsdelarna, dvs stjärnor och mindre stjärnhopar, bildades först. Därefter slogs de samman till galaxer, som i sin tur bildade galaxhopar. Dessa kan bestå av tusentals galaxer.

De mönster av galaxer och galaxhopar som vi kan se på himlen kan mäta upp till några hundra miljoner ljusår i diameter. Detta kanske verkar stort men är litet jämfört med storleken på den del av världsalltet som vi kan observera och som är drygt hundra gånger större. Så sett i ett ännu större perspektiv är rymdens materia relativt jämnt fördelad.

Två former

När vi tittar mot en galax kan vi grovt urskilja två former – en elliptisk del, som består av gamla stjärnor, och en roterande skiva av gas och stoft, där nya stjärnor kontinuerligt bildas. Vissa galaxer ser ut som fylliga ellipser och består mest av gamla stjärnor. I andra syns mest skivan av gas och stoft, där de unga stjärnorna ofta bildar ett vackert spiralmönster.

Men bara en liten del av alla galaxer innehåller en kvasar i centrum. För detta krävs alltså att ett svart hål ska finnas där och dessutom att det svarta hålet är aktivt, dvs matas med materia från dess närmaste omgivning. Så antingen har endast ett fåtal galaxer ett massivt svart hål i centrum eller så är det svarta hålet aktivt bara under en kort tid. Det är det sistnämnda som verkar mest troligt för oss i dag och vi hoppas kunna bättre förstå galaxernas tillblivelse genom att studera kvasarerna.

Vi kan beräkna massan hos det svarta hålet genom att mäta hur fort stjärnorna rör sig i dess närhet. Men för att få syn på detta med teleskop från jorden fordras mycket god skärpa. Eftersom skärpan begränsas av rörelser i luften var det inte förrän vi fick tillgång till rymdteleskopet Hubble för ungefär tio år sedan som vi kunde börja göra tillförlitliga mätningar.

Det har då visat sig att massan hos det svarta hålet är cirka en tusendel av massan hos den elliptiska delen av värdgalaxen. Detta förklarar ett sedan länge känt förhållande: att man finner de mest intensivt strålande kvasarerna hos de mest massiva elliptiska galaxerna.

Det finns nämligen en övre gräns för hur mycket strålning som ett svart hål kan producera. Dragningskraften hos det svarta hålet ökar ju massivare det är. Men materia på väg in mot det svarta hålet bromsas av strålning som är på väg ut. Ju mer materia som faller in, desto mer strålning frigörs och desto mer bromsas den infallande materien.

Även om direkta mätningar inte har gjorts på särskilt många galaxer än, föreställer vi oss att alla galaxer har ett svart hål i centrum. I vår egen galax, Vintergatan, gömmer sig ett svart hål som väger lika mycket som 2-3 miljoner solar. Svarta hål inne i de största elliptiska galaxerna kan ha en massa som är lika stor som flera miljarder solmassor.

Metallhalten avslöjar sambandet

Men hur lång är kvasarfasen i galaxens historia? Några hundra miljoner år, har man räknat fram. Och det är en intressant tidsrymd av flera skäl. Den motsvarar t ex längden på den mest intensiva perioden i galaxens liv, då gas och stoft omvandlas till stjärnor. Det har man sett hos några närliggande galaxer. Sådana intensiva stjärnbildningsperioder kan inträffa flera gånger under galaxens livstid.

Några hundra miljoner år är också den tid som det tar för två galaxer att kollidera, och ofta händer det att stjärnbildningen blir som intensivast vid galaxkollisioner. Astronomiska bilder, där man har kunnat urskilja delar av två galaxer, stöder detta.

Vi tror också att kvasarens livstid och kanske till och med dess tillkomst, är direkt kopplad till den intensiva stjärnbildningsfasen i galaxernas liv. Ju mer materia det svarta hålet lyckas fånga in, desto mer växer det till. Att det växer under samma tidsrymd som stjärnorna bildas som mest i en galax tror vi inte är en slump. Det finns nämligen flera sorters observationer som bekräftar att dessa två processer är sammanlänkade.

För det första kan vi numera med den nya generationens teleskop följa utvecklingen av galaxerna tillbaka till den tid då universum endast var några procent av sin nuvarande ålder. Även om den första generationens stjärnor ännu inte har upptäckts står det klart att vi redan nu till stor del kan studera bildningen av de flesta stjärnor. Vad vi då finner är att förekomsten av kvasarer ganska väl följer variationen i den universella stjärnbildningshastigheten.

För det andra visar studier av grundämnen i kvasarernas omgivning att kvasarfenomenet och intensiv stjärnbildning hör ihop. Grundämnena i rymden har två olika ursprung. Väte, helium och litium bildades först, relativt snart efter Stora smällen, medan alla tyngre grundämnen, som astronomerna något oegentligt kallar metaller, har bildats inuti stjärnorna. När stjärnan dör sprids dessa grundämnen i rymden och blir byggmaterial till nya generationer stjärnor. Därför förväntar man sig att metallhalten i yngre stjärnor ska vara högre än i de äldre stjärnorna. Mycket riktigt har astronomerna sedan länge kunnat bekräfta detta med sina observationer.

Svarta hål finns verkligen

Men det har visat sig att betydande lokala variationer kan förekomma, och till de mest extrema exemplen hör kvasarerna. Gasen runt kvasaren tycks innehålla betydligt större andel metaller än vad som kunde förväntas.

Även om kvasarernas speciella egenskaper gör en noggrann analys något osäker står det klart att metallförekomsten troligtvis är högre än hos exempelvis solen. Samtidigt vet vi att de flesta kvasarer skickade ut sina ljusstrålar långt innan solen ens var född. Därför tror vi att det runt kvasarerna bildas stjärnor i en takt som är mycket högre än den normala på andra ställen i universum vid samma tidpunkt.

Att vi inte kan se kvasarer med låg metallhalt beror nog på att det svarta hålet var för litet i ett tidigt skede av stjärnbildningen, och därmed var dess strålning för svag för att vi ska kunna se den från jorden. Men när det svarta hålet växte till i takt med att allt fler stjärnor bildades i den omgivande galaxen blev kvasaren tillräckligt ljusstark för att vi skulle märka den. Fast då hade metallhalten knuten till stjärnbildningen hunnit öka.

Att kvasarerna uppkommer i samband med stjärnbildning i den omgivande galaxen är ett av flera sätt att se på utvecklingen. Det är fullt möjligt att det förhåller sig tvärtom – att ett svart hål är nödvändigt för att stjärnorna ska börja bildas i ett gas- och stoftmoln. Kanske har embryot till det svarta hålet alstrats först och sedan fick det i gång stjärnbildningen. Vi vet inte.

Forskningen kring förekomsten av svarta hål i galaxernas centrum är fortfarande i sin linda. Det är bara fyrtio år sedan som kvasarerna upptäcktes. För första gången kunde man visa att svarta hål inte bara är matematiska konstruktioner utan högst reella objekt. Hur och när de bildades vet vi inte, men vi vet att de ställer till med några av de mest spektakulära fenomenen i universum.

CLAES-INGVAR BJÖRNSSON ÄR DOCENT I ASTRONOMI VID STOCKHOLMS UNIVERSITET. HAN FORSKAR OM KVASARER OCH ANDRA KOMPAKTA OBJEKT I RYMDEN. HANS FORSKNING STÖDS AV VETENSKAPSRÅDET.