Um núcleo galáctico ativo (AGN) é uma região compacta no centro de uma galáxia que tem uma luminosidade muito maior do que o normal em pelo menos uma parte do espectro eletromagnético com características que indicam que a luminosidade não é produzida por estrelas. Esse excesso de emissão não estelar foi observado nas bandas de ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, óptico, ultravioleta, raios-X e raios gama. Uma galáxia que hospeda um AGN é chamada de "galáxia ativa". A radiação não estelar de um AGN é teorizada como resultado do acreção de matéria por um buraco negro supermassivo no centro de sua galáxia hospedeira.
Os núcleos galácticos ativos são as fontes persistentes mais luminosas de radiação eletromagnética no universo e, como tal, podem ser usados como meio de descobrir objetos distantes; sua evolução em função do tempo cósmico também impõe restrições aos modelos do cosmos.
As características observadas de um AGN dependem de várias propriedades, como a massa do buraco negro central, a taxa de acreção de gás no buraco negro, a orientação do disco de acreção, o grau de obscurecimento do núcleo pela poeira cósmica e a presença ou ausência de jatos.
Numerosas subclasses de AGN foram definidas com base em suas características observadas; os AGN mais poderosos são classificados como quasares. Um blazar é um AGN com um jato apontado para a Terra, no qual a radiação do jato é aumentada por radiação relativística.
História thumb|Quasar 3C 273 observado pelo Telescópio Espacial Hubble Durante a primeira metade do século XX, observações fotográficas de galáxias próximas detectaram algumas assinaturas características de emissão de AGN, embora ainda não houvesse uma compreensão física da natureza do fenômeno AGN. Algumas observações iniciais incluíram a primeira detecção espectroscópica de linhas de emissão dos núcleos de NGC 1068 e Messier 81 por Edward Fath (publicado em 1909), e a descoberta do jato em Messier 87 por Heber D. Curtis (publicado em 1918). Outros estudos espectroscópicos feitos por astrônomos, incluindo Vesto M. Slipher, Milton L. Humason e Nicholas U. Mayall, notaram a presença de linhas de emissão incomuns em alguns núcleos de galáxias. Em 1943, Carl K. Seyfert publicou um artigo no qual descrevia observações de galáxias próximas com núcleos brilhantes que eram fontes de linhas de emissão extraordinariamente amplas. As galáxias observadas como parte deste estudo incluíram NGC 1068, NGC 4151, NGC 3516 e NGC 7469. Galáxias ativas como essas são conhecidas como galáxias Seyfert em homenagem ao trabalho pioneiro de Seyfert.
O desenvolvimento da radioastronomia foi um grande catalisador para a compreensão do AGN. Algumas das primeiras fontes de rádio detectadas são galáxias elípticas ativas próximas, como Messier 87 e Centaurus A. Outra fonte de rádio, Cygnus A, foi identificada por Walter Baade e Rudolph Minkowski como uma galáxia distorcida por maré com um espectro de linha de emissão incomum, tendo uma velocidade de recessão de 16.700 km por segundo. A pesquisa de rádio 3C levou a um maior progresso na descoberta de novas fontes de rádio, bem como na identificação das fontes de luz visível associadas à emissão de rádio. Em imagens fotográficas, alguns desses objetos tinham aparência quase pontual ou quase estelar e foram classificados como "fontes de rádio quase estelares" (mais tarde abreviadas como "quasares").
O astrofísico armênio soviético Viktor Ambartsumian introduziu os Núcleos Galácticos Ativos no início da década de 1950. Na Conferência de Física de Solvay em 1958, Ambartsumian apresentou um relatório argumentando que "explosões em núcleos galácticos fazem com que grandes quantidades de massa sejam expelidas. Para que essas explosões ocorram, os núcleos galácticos devem conter corpos de enorme massa e natureza desconhecida. Deste ponto em diante, os Núcleos Galácticos Ativos (AGN) tornaram-se um componente chave nas teorias da evolução galáctica". Sua ideia foi inicialmente aceita com ceticismo. (PDF)
Um grande avanço foi a medição do desvio para o vermelho do quasar 3C 273 por Maarten Schmidt, publicado em 1963. Schmidt observou que, se esse objeto era extragaláctico (fora da Via Láctea, a uma distância cosmológica), seu grande desvio para o vermelho de 0.158 implicava que era a região nuclear de uma galáxia cerca de 100 vezes mais poderosa do que outras galáxias de rádio que haviam sido identificadas. Pouco depois, espectros ópticos foram usados para medir os desvios para o vermelho de um número crescente de quasares, incluindo 3C 48, ainda mais distantes no desvio para o vermelho de 0.37.
As enormes luminosidades desses quasares, bem como suas propriedades espectrais incomuns, indicavam que sua fonte de energia não poderia ser estrelas comuns. O acreção de gás em um buraco negro supermassivo foi sugerido como a fonte do poder dos quasares em artigos de Edwin E. Salpeter e Jakov Seldovich em 1964. Em 1969, Donald Lynden-Bell propôs que as galáxias próximas contêm buracos negros supermassivos em seus centros como relíquias de quasares "mortos", e que a acreção de buracos negros era a fonte de energia para a emissão não estelar nas galáxias Seyfert próximas. Nas décadas de 1960 e 1970, as primeiras observações astronômicas de raios-X demonstraram que galáxias Seyfert e quasares são fontes poderosas de emissão de raios-X, que se originam das regiões internas dos discos de acreção de buracos negros.
Hoje, os AGN são um tópico importante da pesquisa astrofísica, tanto observacional quanto teórica. A pesquisa AGN abrange pesquisas observacionais para encontrar AGN em amplas faixas de luminosidade e desvio para o vermelho, exame da evolução cósmica e crescimento de buracos negros, estudos da física de acreção de buracos negros e emissão de radiação eletromagnética de AGN, exame das propriedades dos jatos e fluxos de matéria do AGN, e o impacto da acreção de buracos negros e atividade quasar na evolução da galáxia.
Modelos thumb|UGC 6093 é classificada como uma galáxia ativa, o que significa que ela hospeda um núcleo galáctico ativo Por muito tempo foi argumentado que um AGN deve ser alimentado pelo acreção de massa em buracos negros maciços (106 a 1010 vezes a massa solar). AGN são compactos e persistentemente extremamente luminosos. A acreção pode potencialmente dar uma conversão muito eficiente de energia potencial e cinética em radiação, e um buraco negro massivo tem uma alta luminosidade de Eddington e, como resultado, pode fornecer a alta luminosidade persistente observada. Acredita-se agora que existem buracos negros supermassivos nos centros da maioria, senão de todas as galáxias massivas, uma vez que a massa do buraco negro se correlaciona bem com a dispersão de velocidade do bojo galáctico (a relação M-sigma) ou com a luminosidade do bojo. Assim, características semelhantes a AGN são esperadas sempre que um suprimento de material para acreção entra na esfera de influência do buraco negro central.
Disco de acreção
No modelo padrão de AGN, o material frio próximo a um buraco negro forma um disco de acreção. Processos dissipativos no disco de acreção transportam a matéria para dentro e o momento angular para fora, enquanto fazem com que o disco de acreção se aqueça. O espectro esperado de um disco de acreção atinge o pico na banda de onda óptica-ultravioleta; além disso, uma coroa de material quente se forma acima do disco de acreção e pode espalhar fótons de Compton inverso até energias de raios-X. A radiação do disco de acreção excita o material atômico frio próximo ao buraco negro e este, por sua vez, irradia em linhas de emissão específicas. Uma grande fração da radiação AGN pode ser obscurecida por gás interestelar e poeira perto do disco de acreção, mas (em uma situação de estado estacionário) isso será re-irradiado em alguma outra banda de onda, provavelmente o infravermelho.
Jatos relativísticos right|thumb|200px|Imagem tirada pelo Telescópio Espacial Hubble de um jato de 5.000 anos-luz de comprimento ejetado da galáxia ativa Messier 87. A radiação síncrotron azul contrasta com a luz estelar amarela da galáxia hospedeira
Alguns discos de acreção produzem jatos de fluxos gêmeos, altamente colimados e rápidos que emergem em direções opostas de perto do disco. A direção da ejeção do jato é determinada pelo eixo do momento angular do disco de acreção ou pelo eixo de rotação do buraco negro. O mecanismo de produção do jato e, de fato, a composição do jato em escalas muito pequenas não são compreendidos atualmente devido à resolução dos instrumentos astronômicos ser muito baixa. Os jatos têm seus efeitos observacionais mais óbvios na banda de ondas de rádio, onde a Interferometria de Longa Linha de Base pode ser usada para estudar a radiação síncrotron que eles emitem em resoluções de escalas sub-parsec. No entanto, eles irradiam em todas as bandas de onda do rádio até a faixa de raios gama através do síncrotron e do processo de espalhamento de Compton inverso, e assim os jatos AGN são uma segunda fonte potencial de qualquer radiação contínua observada.
AGN radiativamente ineficiente Existe uma classe de soluções "radiativamente ineficientes" para as equações que governam a acreção. Existem várias teorias, mas a mais conhecida delas é a Fluxo de Acreção Dominado por Advecção (ADAF). Nesse tipo de acreção, que é importante para taxas de acreção bem abaixo do limite de Eddington, a matéria acretiva não forma um disco fino e, consequentemente, não irradia eficientemente a energia que adquiriu ao se aproximar do buraco negro. Acreção radiativamente ineficiente tem sido usada para explicar a falta de forte radiação do tipo AGN de buracos negros massivos nos centros de galáxias elípticas em aglomerados, onde de outra forma poderíamos esperar altas taxas de acreção e luminosidades correspondentemente altas. Espera-se que o AGN radiativamente ineficiente não tenha muitas das características do AGN padrão com um disco de acreção.
Aceleração de partículas AGN são uma fonte candidata de raios cósmicos de alta e ultra-alta energia (Mecanismo centrífugo de aceleração).
Características observacionais Não existe uma única assinatura observacional de um AGN. A lista abaixo abrange alguns dos recursos que permitiram que os sistemas fossem identificados como AGN.
Emissão de contínuo óptico nuclear. Isso é visível sempre que houver uma visão direta do disco de acreção. Os jatos também podem contribuir para esse componente da emissão de AGN. A emissão óptica tem uma dependência aproximadamente da lei de potência do comprimento de onda. Emissão infravermelha nuclear. Isso é visível sempre que o disco de acreção e seu ambiente são obscurecidos por gás e poeira próximos ao núcleo e depois reemitidos ('reprocessamento'). Por se tratar de emissão térmica, pode ser distinguida de qualquer emissão relacionada a jato ou disco. Amplas linhas de emissão óptica. Estes vêm de material frio próximo ao buraco negro central. As linhas são largas porque o material emissor está girando em torno do buraco negro com altas velocidades, causando uma série de deslocamentos Doppler dos fótons emitidos. Linhas de emissão óptica estreitas. Estes vêm de material frio mais distante e, portanto, são mais estreitos do que as linhas largas. Emissão contínua de rádio. Isto é sempre devido a um jato. Ele mostra um espectro característico da radiação síncrotron. Emissão contínua de raios-X. Isso pode surgir tanto de um jato quanto da coroa quente do disco de acreção por meio de um processo de espalhamento: em ambos os casos, mostra um espectro de lei de potência. Em alguns AGN rádio-silenciosos há um excesso de emissão de raios-X suaves além do componente de lei de potência. A origem dos raios-X moles não é clara no momento.