Silnik kwazara może mieć skalę Układu Słonecznego, a być widoczny z miliardów lat świetlnych
Kwazar może przewyższać jasnością całą swoją galaktykę, choć jego centralny silnik jest astronomicznie bardzo zwarty. Akrecja na supermasywną czarną dziurę uwalnia energię w wewnętrznej części dysku na skalach liczonych w promieniach grawitacyjnych. Dla czarnej dziury o miliardzie mas Słońca sam promień Schwarzschilda wynosi około 20 jednostek astronomicznych — porównywalnie ze skalą zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Tymczasem kwazar 3C 273, oddalony o około 2,5 miliarda lat świetlnych, jest tak jasny, że Hubble musi blokować blask jego jądra, by badać otoczenie.
Niewielki silnik w centrum ogromnej galaktyki
Supermasywna czarna dziura może ważyć miliony lub miliardy mas Słońca, ale jej horyzont jest maleńki w porównaniu z galaktyką. Promień Schwarzschilda wynosi około 3 km na każdą masę Słońca. Dla miliarda mas Słońca daje to około 3 miliardów kilometrów, czyli mniej więcej 20 jednostek astronomicznych. Oznacza to, że najgłębsza część centralnego silnika mieści się na skali porównywalnej z Układem Słonecznym, podczas gdy galaktyka ma dziesiątki tysięcy lat świetlnych średnicy.
Światło nie pochodzi z horyzontu
Kwazar nie świeci dlatego, że coś wydostaje się z wnętrza czarnej dziury. Źródłem ogromnej mocy jest materia tracąca energię podczas akrecji jeszcze przed przekroczeniem horyzontu. Gaz wiruje coraz szybciej, nagrzewa się i emituje promieniowanie w szerokim zakresie widma. Akrecja może być znacznie wydajniejszym sposobem zamiany masy-energii na promieniowanie niż fuzja wodoru w gwiazdach, dlatego stosunkowo zwarty region może rywalizować jasnością z bilionami gwiazd.
3C 273 pokazał, jak ekstremalne są kwazary
3C 273 był pierwszym rozpoznanym kwazarem. Znajduje się około 2,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi, a NASA opisuje jego jasność jako ponad dziesięciokrotnie większą niż jasność najjaśniejszych olbrzymich galaktyk eliptycznych. Gdy w latach 60. ustalono jego ogromną odległość, stało się jasne, że zwykła gwiazda nie może zasilać takiego źródła. Dziś centralnym mechanizmem kwazarów jest akrecja na supermasywne czarne dziury.
Szybka zmienność ogranicza rozmiar źródła
W wielu aktywnych jądrach jasność zmienia się na tyle szybko, że sama przyczynowość daje ograniczenie rozmiaru emitującego regionu: obiekt nie może skoordynować globalnej zmiany szybciej, niż światło pokona jego rozmiar. Dlatego krótkie czasy zmienności od dawna były argumentem, że kwazary nie świecą równomiernie z całej galaktyki, lecz mają bardzo zwarte centra. Współczesne modele rozdzielają kilka skal: najgorętszy dysk, koronę, obszar linii emisyjnych, torus i dżet, więc „silnik” nie jest jedną twardą kulą o jednej średnicy.
Wpływ centralnego regionu może sięgać całej galaktyki
Energia kwazara nie musi pozostać blisko horyzontu. Promieniowanie, wiatry i relatywistyczne dżety mogą oddziaływać z gazem w galaktyce macierzystej i poza nią. W modelach ewolucji galaktyk taki feedback może regulować dopływ gazu i tempo powstawania gwiazd. Kontrast skal jest więc podwójny: procesy rozpoczynają się w regionie liczonym w jednostkach astronomicznych lub promieniach grawitacyjnych, ich światło może być widoczne z miliardów lat świetlnych, a skutki dynamiczne mogą obejmować galaktyczne odległości.
„Skala Układu Słonecznego” nie oznacza, że cały kwazar jest tak mały
Wokół centralnego silnika istnieje hierarchia coraz większych struktur. Najbliżej leżą horyzont, korona i wewnętrzny dysk; dalej znajduje się część dysku emitująca światło optyczne, obszary szerokich i wąskich linii emisyjnych, pyłowy torus, a dżet może sięgać daleko poza galaktykę. Dlatego porównanie ze skalą Układu Słonecznego dotyczy podstawowej grawitacyjnej skali supermasywnej czarnej dziury i najbardziej wewnętrznego silnika, nie całego obszaru świecącego kwazara. Właśnie ta hierarchia jest interesująca: niewielki centralny region ustala budżet energii, ale materia przetwarza i transportuje tę energię na odległości różniące się o wiele rzędów wielkości.