Квазары — самые яркие и удалённые объекты во Вселенной — служат маяками для изучения космической эволюции, тёмной материи и межгалактической среды. Эти активные ядра галактик, питаемые сверхмассивными чёрными дырами, излучают энергию в тысячи раз превышающую светимость всей галактики.
Физика квазаров. В центре квазара находится сверхмассивная чёрная дыра массой 10⁸-10¹⁰ M⊙, аккрецирующая вещество со скоростью 1-100 M⊙ в год. Аккреционный диск разогревается до 10⁵-10⁶ К, излучая в широком спектральном диапазоне от радио до гамма-лучей. Эффективность преобразования массы в энергию достигает 10% (у термоядерного синтеза — 0,7%).
Релятивистские джеты. Многие квазары выбрасывают коллимированные струи плазмы со скоростями, близкими к световой. Джеты формируются вращением чёрной дыры и магнитными полями, простираются на сотни тысяч световых лет. При направленности к наблюдателю (блазары) светимость усиливается релятивистским эффектом в 10-100 раз.
Красные смещения и расстояния. Самые далёкие квазары имеют красные смещения z > 7, что соответствует времени, когда возраст Вселенной составлял менее 800 млн лет. Квазар J1342+0928 (z = 7.54) наблюдается таким, каким он был через 690 млн лет после Большого взрыва, содержа чёрную дыру массой 800 млн M⊙.
Гравитационное линзирование. Массивные галактики между квазаром и наблюдателем фокусируют свет, создавая множественные изображения и усиливая яркость в 10-1000 раз.
Квазар H1413+117 («крест Эйнштейна») показывает четыре изображения одного источника. Временные задержки между изображениями позволяют измерить постоянную Хаббла.
Абсорбционные системы. Спектры квазаров содержат линии поглощения от межгалактических облаков водорода (лес Лайман-альфа), металлов и пыли на различных красных смещениях. Анализ абсорбции позволяет изучать химическую эволюцию Вселенной и распределение барионов в космической паутине.
Переменность и микролинзирование. Квазары демонстрируют переменность блеска на масштабах дней-лет из-за изменений аккреции и эффектов микролинзирования звёздами в линзирующих галактиках. Анализ переменности даёт информацию о размерах излучающих областей и массах чёрных дыр.
Эволюция популяций. Плотность квазаров достигла максимума при z ~ 2-3 («эпоха квазаров»), когда звездообразование и рост чёрных дыр были наиболее активными. Современная Вселенная содержит в 1000 раз меньше активных квазаров, так как большинство сверхмассивных чёрных дыр исчерпали топливо.
Реионизация Вселенной. Ранние квазары могли способствовать реионизации водорода в интервале z = 6-15, «включив свет» во Вселенной после тёмных веков. Их ультрафиолетовое излучение ионизовало нейтральный водород в пузырях радиусом до 10 Мпк вокруг каждого квазара.
Корреляция с тёмной материей. Квазары населяют самые массивные гало тёмной материи (>10¹² M⊙), формируя трассеры крупномасштабной структуры. Статистика квазаров подтверждает модель ΛCDM и позволяет измерить параметры космологии независимо от сверхновых.
Поиски экзотических эффектов. Спектры далёких квазаров используются для поиска изменения фундаментальных констант (α, μ), дополнительных измерений и нарушения лоренц-инвариантности. Пока значимых отклонений не найдено.
Обзоры и статистика. Цифровой обзор неба SDSS каталогизировал >500 000 квазаров до z ~ 5. Будущие обзоры LSST и Euclid обнаружат миллионы квазаров до z ~ 8, включая переменные и линзированные системы.
Спектроскопия высокого разрешения. Наземные 10-метровые телескопы с адаптивной оптикой достигают разрешения R ~ 100 000, позволяя исследовать структуру широких эмиссионных линий и кинематику газа вблизи чёрных дыр. JWST в ближнем ИК изучает квазары до z ~ 15.
Радио- и рентгеновская астрономия. Квазары — яркие источники во всех диапазонах. Радиоинтерферометрия с базой 10 000 км разрешает джеты на субпарсековых масштабах. Рентгеновские обсерватории изучают горячий газ в аккреционных дисках и короны чёрных дыр.
Будущие проекты. Телескоп ELT (диаметр 39 м) обеспечит спектроскопию квазаров до z ~ 10 с разрешением по скорости 1 км/с. Космический интерферометр в дальнем ИК сможет непосредственно отобразить тени горизонтов событий сверхмассивных чёрных дыр в ближайших квазарах.
Мультимессенджерная астрономия. Нейтринные события от блазаров (TXS 0506+056) открывают новое окно в физику релятивистских джетов. Будущие детекторы гравитационных волн смогут регистрировать слияния сверхмассивных чёрных дыр — потенциальных предшественников квазаров.
Свет далёких квазаров служит машиной времени, позволяющей изучать Вселенную в её младенчестве и понимать процессы, сформировавшие современный космос. Каждый фотон, пришедший от квазара, путешествовал миллиарды лет, неся информацию о самых экстремальных явлениях природы.