Wanneer we omhoog kijken naar de nachtelijke hemel, zien we sterren die hooguit enkele duizenden lichtjaren van ons verwijderd zijn. Maar diep in het heelal bestaan objecten die zo helder zijn dat ze zichtbaar zijn over miljarden lichtjaren afstand. Deze kosmische bakens heten quasars en behoren tot de meest fascinerende en extreme verschijnselen die de sterrenkunde kent.
Een quasar is in feite de extreem heldere kern van een ver sterrenstelsel. De energie wordt opgewekt in de omgeving van een superzwaar zwart gat met een massa van miljoenen tot miljarden zonnen. Wanneer gas, stof en sterren door de zwaartekracht naar dit zwarte gat vallen, vormt zich een gloeiende accretieschijf. In die schijf bereikt het materiaal temperaturen van miljoenen graden, waardoor het intense straling uitzendt over het hele elektromagnetische spectrum, van radiogolven tot röntgen- en gammastraling. Omdat dit proces bijzonder efficiënt is, kan een quasar veel meer energie uitstralen dan alle sterren in het gaststelsel samen.
Een van de meest intrigerende aspecten van quasars is hun rol als kosmische bakens. Omdat ze zo helder zijn, zijn ze zichtbaar tot in het vroege heelal. Astronomen gebruiken quasars om de uitdijing van het heelal te meten en om de verdeling van materie op grote schaal te onderzoeken. Het licht van een verre quasar kan onderweg door gaswolken en sterrenstelsels worden geabsorbeerd. Die absorptielijnen in het quasarlicht geven informatie over de samenstelling van het intergalactische medium. Zo fungeren quasars als achterlichtbronnen waarmee astronomen de structuur van het heelal in kaart brengen.
De ontdekking van mysterieuze radiobronnen
Het verhaal van de quasars begint in de jaren vijftig en zestig van de twintigste eeuw, in de begintijd van de radioastronomie. Met grote antennes ontdekten astronomen talloze krachtige radiobronnen aan de hemel. Veel van die bronnen konden worden geïdentificeerd met sterrenstelsels, maar sommige leken samen te vallen met ogenschijnlijk gewone “sterren” op fotografische platen. Een beroemd voorbeeld is de bron 3C 273 in het sterrenbeeld Maagd. In 1963 slaagde de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt erin het spectrum van dit object te ontcijferen. Tot zijn verbazing vond hij absorptielijnen die overeenkwamen met gewone waterstof, maar sterk naar rood verschoven waren. De mate van roodverschuiving betekende dat 3C 273 miljarden lichtjaren ver weg moest zijn, en toch zo helder dat het zichtbaar was met een telescoop. Dit was een schok voor de astronomie: een object dat eruitzag als een ster, maar dat een energie uitstraalde die het vermogen van hele sterrenstelsels ver overtrof. Schmidt introduceerde de term “quasi-stellar radio source”, afgekort quasar. Inmiddels weten we dat niet alle quasars sterke radiobronnen zijn, maar de naam bleef.
Eigenschappen van quasars
Quasars hebben een aantal kenmerkende eigenschappen die ze onderscheiden van andere actieve sterrenstelsels:
- Enorme helderheid: sommige quasars stralen duizenden keren meer licht uit dan een volledig sterrenstelsel zoals de Melkweg. Dit maakt ze zichtbaar tot op afstanden van meer dan 12 miljard lichtjaar.
- Compacte bron: ondanks hun enorme energieproductie zijn quasars qua uitstraling erg compact. Hun kern is vaak niet groter dan ons zonnestelsel, wat betekent dat de energiebron zich in een zeer klein volume concentreert.
- Sterke roodverschuiving: quasars bevinden zich meestal op grote kosmologische afstanden, wat zichtbaar is in hun spectra. De roodverschuiving laat zien dat hun licht miljarden jaren onderweg is geweest. We zien quasars dus zoals ze waren in de vroege geschiedenis van het heelal.
- Variabiliteit: quasars vertonen vaak snelle veranderingen in helderheid, soms op tijdschalen van dagen of weken. Dit duidt erop dat de stralende regio zeer klein moet zijn, omdat een groot object niet zo snel in helderheid kan variëren.
- Jets en radiostraling: veel quasars produceren smalle jets van plasma die met bijna de lichtsnelheid worden weggeschoten. Deze jets zenden krachtige radiostraling uit en kunnen reusachtige structuren vormen die groter zijn dan het gaststelsel zelf.
Quasars en de evolutie van sterrenstelsels
Onderzoek suggereert dat quasars vooral actief waren in het vroege heelal, ongeveer 10 miljard jaar geleden. In die periode groeiden sterrenstelsels snel en hadden hun centrale zwarte gaten veel brandstof in de vorm van gas en stof. Naarmate sterrenstelsels ouder werden en de toevoer van materie afnam, nam ook de quasaractiviteit af. Dit betekent dat quasars niet alleen extreme objecten zijn, maar ook een fase in de levenscyclus van sterrenstelsels vertegenwoordigen. Onze eigen Melkweg heeft een relatief rustig zwart gat in het centrum, maar mogelijk heeft het in het verre verleden ook als quasar gefunctioneerd.
Enkele bekende quasars
De beroemdste en nog steeds helderste quasar aan de hemel is 3C 273, gelegen in het sterrenbeeld Maagd. Dit object, op zo’n 2,4 miljard lichtjaar afstand, werd in 1963 door Maarten Schmidt geïdentificeerd als de eerste quasar. Het leek op een gewone ster, maar bleek miljarden lichtjaren verder weg te staan en toch helder genoeg om zelfs met middelgrote amateurtelescopen zichtbaar te zijn. 3C 273 was het overtuigende bewijs dat quasars extreem energierijke kernen van verre sterrenstelsels zijn. Nog eerder was er echter al een raadselachtig object ontdekt: 3C 48. Deze bron in het sterrenbeeld Jachthonden gaf een spectrum dat astronomen aanvankelijk niet konden verklaren. Pas later werd duidelijk dat ook hier sprake was van een sterk roodverschoven object op zo’n 4,3 miljard lichtjaar afstand. Daarmee werd 3C 48 de eerste quasar die op de astronomische kaarten verscheen, al duurde het enige tijd voordat men besefte wat het precies was.
Een van de meest indrukwekkende quasars die we kennen is Ton 618, eveneens in de Jachthonden. Dit object staat ruim 10 miljard lichtjaar van ons verwijderd en bevat een zwart gat dat naar schatting 66 miljard keer zo zwaar is als onze zon. Daarmee behoort Ton 618 tot de grootste en zwaarste zwarte gaten die ooit zijn ontdekt, een ware “monsterquasar” die de kracht en extremiteit van deze objecten laat zien. Nog verder weg staat ULAS J1120+0641, een quasar in het sterrenbeeld Leeuw. Dit object wordt gezien zoals het was slechts 770 miljoen jaar na de oerknal, op een afstand van bijna 13 miljard lichtjaar. Het is een van de oudst bekende quasars en geeft een uniek inkijkje in de periode van de kosmische dageraad, toen de eerste sterrenstelsels en zwarte gaten zich begonnen te vormen.
Ten slotte is er PKS 1127-145, een quasar in het sterrenbeeld Beker op ongeveer 10 miljard lichtjaar afstand. Dit object is beroemd om zijn gigantische jet, die zich miljoenen lichtjaren ver door de ruimte uitstrekt. Dankzij röntgenwaarnemingen met de Chandra-telescoop is PKS 1127-145 van groot belang geweest voor ons begrip van hoe jets van quasars zich ontwikkelen en hoe ze hun omgeving beïnvloeden.
