Оценка физических параметров активных ядер галактик радиоастрономическими методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Черников, Павел Александрович

• Черников, Павел Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Черников, Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Метод межпланетных мерцаний

§1.0 теории межпланетных мерцаний в приближении фазового экрана

§2. Методика обработки наблюдений мерцающих источников на БСА АКЦ ФИАН

§3. Результаты тестовых наблюдений мерцающих источников на БСА АКЦ ФИАН

ГЛАВА II. Исследование активных ядер галактик на основе модели однородного источника синхротронного излучения

§ 1. Методика оценки физических параметров радиоисточников на основе модели однородного источника синхротронного излучения

§2. Исследование 56 компактных радиоисточников с крутыми спектрами

§3. Эволюция физических условий в переменных радиоисточниках

ГЛАВА III. Методика оценки физических параметров радиоисточников на основе модели неоднородного источника синхротронного излучения

§ 1. Свойства спектров неоднородных источников синхротронного излучения

§2. Методика оценки физических параметров неоднородных радиоисточников

ГЛАВА IV. Исследование активных ядер галактик на основе модели неоднородного источника синхротронного излучения

§1. Наблюдения

§2. Оценка влияния тепловой плазмы "

§3. Оценка физических параметров ядер радиогалактик 135 ЗС 111 и ЗС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка физических параметров активных ядер галактик радиоастрономическими методами»

Исследование природы галактик - одна из актуальных задач современной астрофизики. Особый интерес представляют активные галактики, которые обнаруживают избыток излучения в каком-либо диапазоне электромагнитных волн по сравнению с ближними нормальными галактиками. Часто это избыточное излучение приходит из очень малых областей, расположенных в центре галактики, откуда выходят и радиовыбросы, из чего можно сделать вывод, что источником активности галактик является активность их ядер. Галактики с активными ядрами составляют по численности около 1% нормальных галактик. В отдельных случаях процессы, протекающие в активных ядрах галактик, не могут быть объяснены свойствами только сконцентрированных в них звезд и газа. Активность ядер может проявляться в генерации мощного рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и радиоизлучения, в выбросах облаков плазмы, в ускорении газовых облаков.

К настоящему времени получен обширный наблюдательный материал, на основании которого можно сформулировать отличительные свойства галактик, содержащих активные ядра: широкие эмиссионные линии водорода и запрещенные линии некоторых других элементов, мощное инфракрасное и рентгеновское излучение (у многих объектов оно переменное), очень компактные (с угловыми размерами менее 1") источники излучения, а также протяженные выбросы (джеты) и радиооблака, наблюдаемые не только в радиодиапазоне, но и в оптической и рентгеновской областях спектра.

Галактики с активными ядрами стали активно изучаться в начале 1940-х годов. В 1943 году появилась работа К. Сейферта о спектральных исследованиях шести спиральных галактик с яркими звездообразными ядрами (Seyfert, 1943). В спектрах этих объектов наблюдались необычайно широкие эмиссионные линии высокого возбуждения, свидетельствовавшие о движении газа со скоростями от 300 до 3000 км/с. Ядра сейфертовских галактик оказались мощнейшими источниками излучения (со светимостью от 1039 до 1045 эрг/с) с непрерывным спектром в диапазоне частот от 1012 до

22

10 Гц. При этом ответственной за излучение ядра позднее была признана очень компактная (около 0.1 пк) область. Косвенно об этом свидетельствовал характер переменности излучения: наряду с медленной (годы) низкоамплитудной составляющей наблюдалась быстрая (месяцы и недели) высокоамплитудная составляющая.

В 1950-1960-е годы развитие техники радиоастрономических наблюдений позволило обнаружить галактики с аномально большим радиоизлучением - радиогалактики (Jennison & Das Gupta, 1953). Этот термин возник в результате отождествления ряда мощных источников радиоизлучения с относительно слабыми источниками оптического излучения - далекими галактиками. В качестве характерного признака радиогалактик полагалось наличие двух излучающих облаков, располагающихся более или менее симметрично относительно родительской галактики, видимой в оптическом диапазоне. Обычно радиооблака находятся в 10-100 кпк от ядра родительской галактики, далеко за пределами ее звездной составляющей. Известны радиогалактики, в которых расстояние между компонентами радиоизлучения достигает 2-5 Мпк. Вместе с гигантскими радиооблаками в большинстве радиогалактик наблюдаются компактные ядра, отождествляемые с ядрами оптических галактик.

Создание в конце 1950-х годов в Великобритании на обсерватории Джодрелл Бэнк (Jodrell Bank Observatory) радиоинтерферометра с базой 122 км (Allen et al., 1962) позволило обнаружить ряд компактных источников с угловыми размерами меньше секунды дуги. Освоение метода лунных затмений радиоисточников (Гетманцев и Гинзбург, 1950) также повысило разрешающую способность наблюдений и позволило измерять точные координаты источников. В 1963 году таким методом была выделена компактная компонента в радиоисточнике ЗС 273 и измерены ее точные координаты (Hazard et al., 1963). В том же году было установлено, что некоторые широкие эмиссионные линии в спектре ЗС 273, ранее не поддававшиеся расшифровке, принадлежат линиям бальмеровской серии водорода и линиям Mg II, если принять, что объект имеет красное смещение z = 0.158, что соответствует расстоянию 630 Мпк (Schmidt, 1963). Таким образом, этот источник оказался очень ярким (13т) внегалактическим объектом, такие объекты стали называть квазарами (от англ. quasistellar radio source, quasar). Спектры квазаров подобны спектрам сейфертовских галактик Syl, однако в целом квазары имеют значительно большую светимость, нежели сейфертовские галактики.

Позже было обнаружено, что существует большое количество компактных голубых объектов со всеми свойствами квазаров, но не имеющих такого мощного радиоизлучения (Sandage, 1965). Радиоспокойные квазары в литературе иногда называли квазагами, иногда просто квазизвездными источниками. Среди квазизвездных источников были выделены объекты типа BL Lac (лацертиды) (Schmitt, -Д968) -сильнопеременные источники, непрерывный спектр которых очень похож на непрерывный спектр квазаров. Однако в радиоизлучении лацертид не было ярких эмиссионных линий, по которым можно было бы определить их красное смещение. В дальнейшем было установлено, что спектральные линии у этих объектов имеются, но они настолько слабы, что видеть их можно только в минимуме яркости источника. Красные смещения, измеренные по этим линиям, показали, что лацертиды являются ядрами далеких галактик. Например, красное смещение объекта BL Lac составляет 0.07, что соответствует расстоянию 280 Мпк.

Идея радиоинтерферометра с независимыми гетеродинами (Матвеенко и др., 1965) позволила создать интерферометры со сверхдлинными базами (РСДБ), с помощью которых галактики с активными ядрами были изучены с высоким угловым разрешением. К настоящему времени получены подробные радиокарты множества галактик. Одним из интереснейших результатов этих исследований стало открытие видимых «сверхсветовых» разлетов радиоизлучающих источников (Cohen et al., 1971; Whitney et al., 1973).

Бурные процессы в сейфертовских галактиках, радиогалактиках, N-галактиках, лацертидах, необыкновенно высокое энерговыделение в квазарах, - все это свидетельствует о необычных по сравнению с нормальными галактиками физических условиях в этих объектах. Границы этих классов галактик не являются достаточно четкими, поэтому время от времени в литературе появляются сообщения о том, что та или иная галактика, ранее принадлежавшая одному классу, теперь должна быть причислена к другому. Также было обнаружено, что некоторые сейфертовские галактики меняют свой класс. По мере накопления наблюдательного материала появляются предложения расширить имеющуюся классификацию, выделив, например, галактики с узкими эмиссионными линиями, рокосы, блазары и т.д. В основе перечисленных классификаций нет какой-либо физической теории, и неясно, являются ли галактики разных классов действительно разными физическими системами, или это одни и те же объекты, находящиеся на разных стадиях эволюции.

Отметим, что первые исследования активных галактик были направлены на поиск различий в поведении объектов разных классов. Ряд исследователей предложили классифицировать внегалактические радиоисточники по различным признакам (см., например, Fanaroff & Riley, 1974; Miley, 1980). Однако начиная "с 1970-х годов исследователи стали обращать внимание на общие свойства квазаров, сейфертовских галактик и радиогалактик. Примерно в эти годы появился термин AGN (Active Galactic Nuclei - в пер. с англ. активные ядра галактик, АЯГ), а среди астрофизиков все больше распространялось убеждение, что мы имеем дело не с разными объектами, а с различными проявлениями активности галактических ядер. Например, оказалось, что квазары, активные в радиодиапазоне, являются преимущественно ядрами гигантских эллиптических галактик (Rowan-Robinson, 1977; Miller, 1981; Gehren et al., 1984), а радиоспокойные квазары -ядрами спиральных галактик (Hatchings et al., 1984; Peacock et al., 1986). Было обнаружено большое сходство между источниками типа BL Lac и сильнопеременными квазарами, в литературе их объединили в один класс -блазары.

В 1970-х годах появились и первые модели объектов, пытавшиеся объяснить различие между классами активных галактик их геометрической ориентацией по отношению к наблюдателю. Позднее такие модели были названы «унифицированными схемами». Так, в 1977 году М. Роуан-Робинсон предложил (Rowan-Robinson, 1977), а А. Лауренси и М.Элвис (Lawrence & Elvis, 1982) развили идею существования пылевых экранов в центральных частях галактик. Модель пылевых экранов хорошо объясняла разницу между различными типами сейфертовских галактик, однако она столкнулась с серьезными трудностями при объяснении перехода галактик из одного типа в другой.

Особый интерес представляет центральный источник излучения активных галактик - так называемая центральная машина. Существует несколько моделей центрального источника: звездные скопления (Coldate, 1967; Peebles, 1972), сверхмассивная звезда (Fowler, 1966) или магнетоид (Озерной и Чертопруд, 1966). В настоящее время наиболее распространенной является модель черной дыры (Зельдович и Новиков, 1971; Begelman et al., 1980; Новиков и Фролов, 1986). В частности, энерговыделение объясняется аккрецией окружающего газа на черную дыру, а морфологическая конфигурация центральных областей определяется темпами аккреции.

В 1980-х годах появились унифицированные модели центральной машины, пытавшиеся объяснить существование различных классов объектов. В ряде работ источником мощности радиогалактик и квазаров предполагались черные дыры, окруженные кольцом пыли. Если источник ориентирован по отношению к наблюдателю так, что ось пылевого кольца расположена вдоль луча зрения, то есть вдоль джета, то объект должен быть быстро переменным, у него не должно наболюдаться радиооблаков, что характерно для блазаров. Если же источник повернут так, что наблюдатель смотрит на него под не очень большим углом к оси и может видеть генератор энергии в центре, то такой объект будет иметь все свойства квазара. Если же наблюдатель видит такой объект сбоку, когда пыль закрывает центр, то в этом случае источник проявит себя как радиогалактика. Наиболее радикально гипотеза унификации квазаров и радиогалактик была сформулирована в работе П. Бартела (Barthel, 1989). Автор этой работы постулировал, что самые яркие квазары и все радиогалактики (даже самые слабые в видимом свете) внутренне одинаковы, а все различие их наблюдательных характеристик определяется ориентацией луча зрения относительно пылевого кольца.

Множество нерешенных проблем, касающихся как строения центральных областей активных галактик, так и их физики в целом, способствовали тому, что в настоящее время эти объекты активно исследуются во всем диапазоне электромагнитных волн. Так, например, были обнаружены галактики с ультрафиолетовым континуумом - галактики Маркаряна (Маркарян, 1967; Маркарян и Липовецкий, 1972). С выходом за атмосферу начались наблюдения в инфракрасном и рентгеновском диапазонах, где галактики с активными ядрами также являются сильными источниками излучения. Подробные обзоры результатов этих исследований приведены в работах (Kellermann & Pauliny-Toth, 1981; Wiita, 1985). Эффективно ведутся исследования и в радиодиапазоне. Большинство квазаров и радиогалактик имеют малые угловые размеры и являются слабыми радиоисточниками вследствие большой удаленности. Поэтому их изучение требует наблюдений с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

В последнее десятилетие особое внимание уделялось космологическим проблемам. В частности, большой прогресс достигнут в исследовании неоднородностей микроволнового фона (см., например, Насельский и др., 2003). На системе радиотелескопов VLA на 1,4 ГГц были выполнены обзоры неба NVSS (Condon et al., 1998) с разрешением 45" и чувствительностью до 2.5 мЯн, а также FIRST (White et al., 1997) с разрешением 5" и чувствительностью до 1 мЯн. Кроме того, к уже имевшимся с 1960-х годов обзорам ЗС (Edge et al., 1950) и 4С (Scott & Ryle, 1961; Pilkington & Scott, 1965; Gower et al., 1967) добавились обзоры GB6 (Gregory et al., 1996) на 5 ГГц с чувствительностью до 20 мЯн; PMN (Griffith & Wright, 1993; Wright et al., 1994; Griffith et al. 1994) на 5 ГГц с чувствительностью до 20 мЯн; WENSS (Rengelink et al., 1997) на 325 МГц с чувствительностью до 18 мЯн. Эти обзоры позволили уточнить зависимость числа источников от плотности потока, исследовать крупномасштабные неоднородности Вселенной, провести статистический анализ радиоспектров сотен объектов, а также осуществить поиск гравитационных линз (см., например, De Breuck et al., 1999; Rengelink, 1999; Winn et al., 2001; Myers et al., 2003). Оптические отождествления позволили к настоящему времени открыть несколько десятков тысяч квазаров и радиогалактик, особенно благодаря данным обзора Sloan Digital Sky Survey (Stoughton et al., 2002).

Несмотря на впечатляющие достижения последних лет, остались и нерешенные проблемы. В частности, множество вопросов связано с возникновением и эволюцией галактик, с природой активности галактических ядер. Для решения этих проблем нужна, в частности, информация о физических условиях в АЯГ. Обзор работ, посвященных исследованию физических условий в АЯГ, можно найти в работе (Begelman et al., 1984).

Информацию о физических условиях можно получить из наблюдений компактных радиоисточников в АЯГ, когда в их спектрах имеются низкочастотные завалы. В радиодиапазоне практически все наблюдения ядер галактик проведены в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, где можно добиться высокой чувствительности и разрешения. Система VLA позволяет наблюдать радиоисточники с плотностями потока порядка нескольких миллиянских с разрешением ~ Iй. Системы MERLIN и VLBA позволяют проводить наблюдения компактных радиоисточников с разрешением от 0.01" до 0.0001". Однако для решения ряда задач при исследовании ядер активных галактик необходимы наблюдения и на низких частотах, причем также с высоким разрешением и высокой чувствительностью.

В метровом диапазоне волн весьма эффективным оказался метод межпланетных мерцаний, в частности, подробно описанный в работе (Артюх, 1990). С 1970-х годов этот метод успешно применяется в исследовании активных галактик, позволяя получать информацию об угловой структуре источников малых угловых размеров (менее 1"). Привлекательность метода связана с его дешевизной и эффективностью. Например, на частоте 100 МГц интерферометр с разрешающей способностью в 0.1" (типичное разрешение при наблюдениях методом межпланетных мерцаний) должен иметь базу 6000 км. Создание такого интерферометра связано с большими финансовыми и техническими трудностями, тогда как метод мерцаний требует одиночной антенны даже с некалибруемой эффективной площадью.

Наблюдения мерцаний радиоисточников успешно ведутся с 1964 года на Радиоастрономической станции Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ныне Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН). Ввод в строй в 1974 году Большой синфазной антенны (радиотелескоп БСА) с эффективной площадью в направлении на зенит 3-104 м2 (Виткевич и др., 1976) позволил измерять угловые размеры слабых компактных радиоисточников с плотностью потока порядка 1 Ян.

Как известно, подавляющее большинство внегалактических радиоисточников имеют степенные спектры в широком диапазоне частот. Поскольку радиоизлучение многих источников к тому же частично линейно поляризовано, то наиболее вероятным и общепризнанным механизмом нетеплового излучения внегалактических источников является синхротронное излучение ансамбля релятивистских электронов, распределение которых по энергиям также является степенным. На низких частотах спектр излучения некоторых радиоисточников отклоняется от степенного закона, наблюдается уплощение спектра или его завал.

Известно несколько возможных причин низкочастотных завалов спектров радиоисточников: обрыв энергетического спектра радиоэлектронов при низких энергиях, эффект Разина (Разин, 1960), поглощение излучения тепловой плазмой и синхротронное самопоглощение. В работе (Артюх, 1988) было показано, что синхротронное самопоглощение излучения является наиболее вероятным механизмом, вызывающим низкочастотные завалы спектров компактных радиоисточников в АЯГ.

В 1963 году В.И. Слыш предложил использовать наблюдения низкочастотных завалов спектров компактных радиоисточников в АЯГ для оценки угловых размеров источников, делая предположение о напряженности магнитного поля в них (Slish, 1963). Тем самым было предложено использовать самопоглощение синхротронного излучения для получения информации о самом источнике излучения. В дальнейшем эта идея была использована другими авторами для получения оценок физических параметров радиоисточников (de Bruyn, 1976; Marscher, 1977; Marscher, 1987; Артюх, 1988).

С 1987 года на ПРАО проводятся исследования физических условий в АЯГ по методике, представленной в (Артюх, 1988). В ходе этих исследований низкочастотные завалы спектров многих компактных радиоисточников были обнаружены с помощью наблюдений, выполненных на радиотелескопе БСА на частоте 102 МГц методом межпланетных мерцаний. Были получены оценки напряженности магнитных полей, плотности релятивистских электронов, энергий магнитных полей и релятивистских электронов для десятков АЯГ. Обнаружено, что в ряде АЯГ не выполняется широкораспространенное предположение о равнораспределении энергий магнитного поля и релятивистской плазмы (Артюх и Оганнисян, 1988; Артюх и др., 1999; Tyul'bashev & Chernikov, 2001). Найдена корреляция между физическими условиями в галактических ядрах и морфологией родительских галактик (Артюх, 1987). Исследования пяти гигантских радиогалактик показали, что, возможно, существует связь между формой радиогалактик и физическими условиями в их ядрах (Артюх и др., 1994). Обзор проведенных работ содержится в (Artyukh, 2001).

Стоит отметить, что методика оценки физических параметров радиоисточников была основана на модели однородного источника синхротронного излучения. В то же время массовые наблюдения, проведенные в 1980-1990-х годах, показали, что спектры компактных радиоисточников, находящихся в галактических ядрах, явно отличаются от спектра однородного источника, и в некоторых случаях отличия очень сильны (см., например, Stanghellini et al., 1998). Поэтому возникла необходимость создания новой системы интерпретации радиоастрономических данных, основанной на модели неоднородного источника синхротронного излучения.

Цели и задачи исследования

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию физических условий в активных ядрах галактик. Часть этих исследований была проведена с помощью старой методики (Артюх, 1988). Однако главная задача заключалась в разработке новой методики оценки физических параметров радиоисточников в АЯГ, основанной на модели неоднородного источника синхротронного излучения.

Научная новизна

В диссертации получен ряд новых результатов. Наблюдения компактных радиоисточников, выполненные на радиотелескопе БСА на частоте 102 МГц методом межпланетных мерцаний, являются самыми низкочастотными наблюдениями АЯГ со столь высоким разрешением (порядка 0.1") и с предельно высокой для метрового диапазона волн чувствительностью (порядка 0.1 Ян). Благодаря этому у 32 радиоисточников обнаружены низкочастотные завалы спектров. Для этих и еще 10 объектов, у которых завалы спектров выявлены по опубликованным в литературе результатам наблюдений, получены оценки напряженности магнитного поля и концентрации релятивистских электронов, а также плотности энергий поля и частиц по старой методике, основанной на модели однородного источника синхротронного излучения (Артюх, 1988).

Выявлены особенности спектров неоднородных источников синхротронного излучения в результате модельных расчетов спектров излучения для сферически симметричных моделей степенного вида. Установлена связь этих особенностей спектров с параметрами моделей.

На основе выявленных особенностей спектров неоднородных источников синхротронного излучения создана новая методика оценки физических параметров радиоисточников. Данная методика дает принципиально новую возможность получения информации о степени неоднородности пространственного распределения магнитного поля и плотности релятивистских электронов в АЯГ, чего нельзя получить с помощью старой методики, основанной на модели однородного источника.

С помощью новой методики в ядрах радиогалактик ЗС 111 и ЗС 465 обнаружены сильно неоднородные магнитные поля напряженностью 102<#<104 Гс в центральных частях галактических ядер на масштабе порядка 0.1 пк.

Практическая значимость

Новая методика оценки физических параметров радиоисточников на основе модели неоднородного источника синхротронного излучения позволяет получать информацию о характере неоднородности в распределении магнитных полей и релятивистских электронов в АЯГ, содержащих компактные радиоисточники. Применение этой методики к исследованию физических условий в АЯГ позволит выявить особенности физических условий в АЯГ разных классов. Исследование АЯГ с разными красными смещениями позволит установить характер изменения физических условий в галактических ядрах в ходе эволюции галактик. Исследование переменных радиоисточников в АЯГ позволит установить характер изменения во времени физических условий в этих объектах.

Полученные оценки физических параметров радиоисточников с крутыми спектрами и близких радиогалактик будут использованы в дальнейших статистических исследованиях этих объектов.

Разработанный автором комплекс компьютерных программ для обработки наблюдений мерцающих источников позволил автоматизировать процесс обработки данных, получаемых на радиотелескопе БСА ФИАН.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. В результате наблюдений 56 локализованных в АЯГ компактных радиоисточников с крутыми спектрами, которые были выполнены на радиотелескопе БСА ФИАН на частоте 102 МГц методом межпланетных мерцаний обнаружены низкочастотные завалы спектров у 32 источников. Для этих и еще 10 объектов, у которых завалы спектров выявлены по опубликованным в литературе результатам наблюдений, получены оценки физических параметров (напряженности магнитного поля, плотности релятивистских электронов, энергий магнитного поля и релятивистских частиц) по методике, основанной на модели однородного источника синхротронного излучения (Артюх, 1988). Равнораспределение энергий частиц и поля наблюдается в 8 радиоисточниках (6 радиогалактиках и 2 квазарах). В ядрах большей части радиогалактик доминирует магнитное поле. В квазарах наблюдается различное соотношение между энергиями поля и частиц. Напряженности магнитных полей в ядрах радиогалактик в среднем на порядок превосходят напряженности полей в квазарах.

2. Исследована эволюция выбросов вещества в переменных радиоисточниках ЗС 120, ЗС 273, ЗС 279 и ЗС 345. Получены указания на то, что по мере расширения выбросов вещества напряженность магнитного поля в них убывает, в то время как концентрация релятивистских частиц растет.

3. На основании модельных расчетов исследованы спектры неоднородных источников синхротронного излучения. Спектры источников вычислялись путем численного решения уравнения переноса излучения. Расчеты выполнялись для одномерных и сферически симметричных моделей степенного вида.

В области частичной непрозрачности спектры одномерных моделей круче спектров трехмерных структур: у одномерных спектральный индекс в области полупрозрачности а„ч > 1.2, а у сферических моделей анч < 1.4.

Выявлено, что изменение формы магнитного поля влияет на форму спектра источника значительно сильнее, чем форма пространственного распределения частиц. В частности, когда меняется только плотность частиц, а магнитное поле однородно, спектры неоднородных источников практически неотличимы от спектра однородного источника. Небольшие отличия появляются только при очень больших значениях перепада концентрации частиц от центра источника к краю (более чем в 104 раз). С увеличением перепада поля от центра к краю источника увеличивается длина спектра, где источник частично непрозрачен, а величина спектрального индекса анч не меняется. Л

Особо выделены модели, в которых Н~ 1/r, а релятивистские частицы распределены приблизительно однородно. Спектры таких моделей являются плоскими (анч ~ 0). Магнитное поле радиальной формы может создавать тепловая плазма, истекающая из центра галактического ядра (подобно солнечному ветру, который формирует магнитное поле Солнца в районе Земли). Возможно, плоские спектры некоторых компактных радиоисточников в АЯГ формируются таким способом.

Показано, что приближенные аналитические спектры источников, полученные в (De Bruyn, 1976; Marsher, 1977), не всегда совпадают с более точными, полученными путем численного решения уравнения переноса излучения. Сделан вывод, что методика оценки физических параметров радиоисточников, основанная на модели неоднородного источника синхротронного излучения, должна строиться на численных решениях.

4. Предложена новая методика оценки физических параметров радиоисточников в АЯГ, основанная на модели сферически симметричного источника синхротронного излучения, в котором напряженность магнитного поля и плотность релятивистских электронов меняются по степенному закону. Данная методика позволяет получать принципиально новую информацию о характере неоднородности пространственного распределения магнитных полей и плотности релятивистских электронов в радиоисточниках, чего нельзя сделать в рамках модели однородного источника.

5. Проведено исследование ядер радиогалактик ЗС 111 и ЗС 465 по новой методике. Обнаружено, что магнитные поля в ядрах этих радиогалактик являются сильно неоднородными. В центральных областях на масштабах порядка 0.1 пк магнитное поле является очень сильным (от 102Гс до 104 Гс), в то время как средние поля на масштабе в несколько парсеков малы: в ЗС 111 <#> ~ 10~2 Гс, а в ЗС 465 <Н> ~ Ю-1 Гс. Плотность энергии магнитного поля везде внутри ядер данных радиогалактик значительно превосходит плотность релятивистской плазмы. Последнее обстоятельство указывает на то, что магнитное поле может играть существенную роль в формировании узких прямых джетов, выходящих из ядер данных радиогалактик.

Публикации и личный вклад автора

Материалы диссертации опубликованы в восьми статьях:

1. Артюх B.C., Тюльбашев С. А., Черников П. А., «Исследование компактных радиоисточников с крутыми спектрами методом межпланетных мерцаний на 102 МГц», 1999, Астрономический журнал, 76, 3;

2. Тюльбашев С. А., Черников П. А., «Физические условия в компактных радиоисточниках с крутыми спектрами», 2000, Астрономический журнал, 77, 331;

3. Tyul'bashev S. A., Chernikov P. A., «Properties of CSS radio sources from 102 MHz interplanetary scintillation observations», Astronomy and Astrophysics, 2001, 373, 381;

4. Tyul'bashev S. A., Chernikov P. A., «Physical Conditions in CSS Radio Sources», IAU Symposium, 2002,199,211;

5. Артюх В. С., Черников П. А., «Синхротронные спектры неоднородных радиоисточников», 2001, Астрономический журнал, 78, 20;

6. Тюльбашев С. А., Черников П. А., «Относительное изменение физических параметров внегалактических радиоисточников с переменным излучением», 2004, Астрономический журнал, 81, 789;

7. Артюх В. С., Черников П. А., «Исследование физических условий в активных ядрах галактик. Методика оценки физических параметров радиоисточников», 2006, Астрономический журнал, 83, 224;

8. Черников П. А., Артюх B.C., Тюльбашев С. А., Лапаев К. А., «Исследование физических условий в активных ядрах галактик. Физические условия в ядрах близких радиогалактик», 2006, Астрономический журнал, 83,233.

В этих работах автором проведен анализ структуры радиоисточников и выполнены необходимые для получения оценок физических параметров расчеты. Автору диссертации принадлежит разработка необходимых для численного моделирования алгоритмов и вычислительных программ, проведение расчетов выполнено автором самостоятельно. Проведение наблюдений на БСА ФИАН, анализ и интерпретация полученных результатов выполнены совместно с сотрудниками ПРАО АКЦ ФИАН.

Апробация работы

Материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались на семинарах и Ученом совете АКЦ ФИАН, а также на следующих российских и международных конференциях:

1. Школа-семинар молодых радиоастрономов «Радиоастрономия в космосе», Пущино, 1998;

2. IAU Symposium 199 «The Universe at Low Radio Frequencies», Индия, 1999;

3. Всероссийская конференция «Астрофизика на рубеже веков», Пущино, 1999;

4. Всероссийская конференция «Радиоастрономия на пороге XXI века», Пущино, 2000;

5. Всероссийская конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 2004;

6. Всероссийская астрономическая конференция (ВАК-2004) «Горизонты Вселенной», МГУ, ГАИШ, 2004;

7. Всероссийская конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 2005.

Краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. Во введении дан краткий обзор наблюдений активных ядер галактик. Отмечен дефицит низкочастотных наблюдений и необходимость этих наблюдений для понимания природы активности галактик.

В первой главе представлено краткое описание метода межпланетных мерцаний, изложены основные принципы методики обработки наблюдений мерцающих источников на БСА ФИАН, представлены результаты модернизации системы автоматизации наблюдений на БСА ФИАН и обработки данных, в качестве примера приведены итоги обработки наблюдений ряда радиоисточников каталога ЗС.

Вторая глава посвящена исследованию АЯГ по методике, основанной на модели однородного источника. Приведено краткое описание этой методики. Представлены оценки физических параметров 42 компактных радиоисточников с крутыми спектрамии, а также описана эволюция физических параметров расширяющихся сверхсветовых выбросов в квазарах ЗС 120, ЗС 273, ЗС 279 и ЗС 345.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния неоднородностей магнитного поля и релятивистской плазмы на спектры синхротронных источников. Выявлены основные закономерности спектров неоднородных источников. Представлен новый метод оценки физических параметров радиоисточников, основанный на модели неоднородного источника синхротронного излучения.

В четвертой главе приводятся результаты исследования АЯГ по методике, основанной на неоднородной модели радиоисточника. Приведены результаты исследования физических "параметров в ядрах близких (z < 0.1) протяженных (порядка нескольких угловых минут) радиогалактик.

В заключении обсуждаются основные результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Черников, Павел Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию физических условий в активных ядрах галактик. Перечислим основные результаты работы.

1. На БСА АКЦ ФИАН проведены наблюдения 56 компактных радиоисточников с крутыми спектрами на 102 МГц. 28 источников являются радиогалактиками, 26 - квазарами и два источника на момент наблюдений не имели оптического отождествления (4С 66.14 и OQ 323). Обнаружены низкочастотные завалы спектров 42 радиоисточников (32 - непосредственно по результатам наблюдений на 102 МГц), из них 20 - радиогалактики, 21 -квазары и один не имеет оптического отождествления (OQ 323).

Получены оценки напряженности магнитного поля, плотности релятивистской электрон-позитронной плазмы, плотности энергии магнитного поля и плотности энергии релятивистских частиц в компактных компонентах радиоисточников. Оценки получены в рамках модели однородного источника синхротронного излучения. Равнораспределение энергий частиц и поля наблюдается в 8 из 42 источников (в 6 радиогалактиках и 2 квазарах). В 10 радиогалактиках, 8 квазарах и источнике OQ 323 плотность энергии магнитного поля на несколько порядков больше плотности энергии релятивистских частиц. В 4 радиогалактиках и 11 квазарах наблюдается обратная ситуация.

2. Получены указания на то, что энергия магнитного поля доминирует в большей части радиогалактик, тогда как в квазарах может наблюдаться различное соотношение между плотностями энергии частиц и поля, в том числе и равнораспределение. Средняя по всем источникам напряженность магнитного поля в исследованных радиогалактиках оказалась на порядок больше средней напряженности магнитного поля в квазарах. Сделан вывод, что, возможно, существует корреляция между линейным размером и рядом физических параметров компактных компонент радиоисточников с крутыми спектрами. Так, плотность релятивистских частиц больше у источников, имеющих более компактные размеры, а напряженность магнитного поля сильнее у более протяженных объектов. Зависимости физических параметров исследованных радиоисточников от красного смещения не обнаружено.

3. Исследовано относительное изменение физических условий в ходе расширения сверхсветовых выбросов вещества внутри переменных радиоисточников. Оказалось, что в ходе расширения выброса энергия магнитного поля в нем падает, в то время как энергия релятивистских частиц растет. Так, за 8 месяцев расширения выброса внутри радиоисточника ЗС 379 в 1982 году энергия магнитного поля упала в 14 раз, а энергия релятивистских частиц выросла в три раза. Это косвенно доказывает отсутствие равнораспределения между энергиями магнитного поля и релятивистских частиц в этих объектах.

4. При помощи численного моделирования проведено исследование свойств спектров неоднородных источников синхротронного излучения. Вычисления проводились для моделей степенного вида. Рассматривались одномерные и сферически симметричные модели. Показано, что в области частот, где источник является частично прозрачным, спектры одномерных моделей круче спектров трехмерных структур: у одномерных спектральный индекс в области полупрозрачности анч> 1.2, а у сферических моделей а„ч < 1.4. Оказалось, что изменение формы магнитного поля влияет на вид спектра источника значительно сильнее, чем изменение формы распределения релятивистских частиц.

Показано, что степенные модели источника синхротронного излучения позволяют получать спектры практически любой формы, встречаемой у реальных радиоисточников.

Установлено, что модели, у которых напряженность магнитного поля убывает по квадратичному закону (#~1/г ), а распределение релятивистских электронов не сильно отличается от однородного, имеют плоские спектры (а„ч ~ 0). Предложен механизм формирования плоских спектров компактных радиоисточников в АЯГ. Если в результате выброса (истечения) вещества из центра галактического ядра магнитные силовые линии вытягиваются в радиальных направлениях, то образуется магнитное поле, напряженность которого убывает по квадратичному закону. При этом спектры компактных (ядерных) радиоисточников должны быть плоскими или близкими к плоским в зависимости от распределения релятивистских электронов.

В случаях, когда меняется только плотность частиц, а напряженность магнитного поля постоянна, спектры неоднородных источников практически неотличимы от спектра однородного источника. Небольшие отличия появляются только при очень больших коэффициентах перепада плотности частиц от центра источника к краю.

Сделан вывод о том, что точность приближенных аналитических выражений для спектров неоднородных источников недостаточна для интерпретации спектров компактных радиоисточников, полученных на основе современных РСДБ-наблюдений. По этой причине методика интерпретации наблюдений компактных радиоисточников должна быть основана на численных решениях уравнения переноса излучения.

5. Создана новая методика оценки физических параметров радиоисточников, основанная на модели неоднородного источника синхротронного излучения. Для аппроксимации пространственного распределения реальных магнитных полей и плотности релятивистских электронов в исследуемых радиоисточниках выбраны степенные модели распределения магнитного поля и плотности частиц. Теоретические спектры радиоисточников получаются путем численного решения уравнения переноса излучения. Эта методика дает принципиально новую информацию о пространственном распределении магнитного поля и релятивистских электронов внутри радиоисточников.

Для однозначного выбора модели радиоисточника и получения однозначных оценок его физических параметров необходимо знать спектр радиоисточника от высоких частот, где источник прозрачен, до низких частот, где он полностью непрозрачен. Необходимо знать частоты изломов спектра как в области низких частот vII4, так и в области высоких частот vB4. Кроме того, необходимо знать зависимость угловых размеров источника от частоты в этом же частотном диапазоне. В реальной ситуации обычно нам известен спектр радиоисточника, а информация об его угловых размерах имеется только на нескольких частотах (чаще всего на одной). Показано, что в таком случае из наблюдений можно получить только интервальные оценки физических параметров радиоисточника.

Данная методика автоматизирована. Разработан алгоритм и составлена вычислительная программа для получения оценок физических параметров радиоисточников при равномерном распределении релятивистских электронов. Показано, что эта модель дает минимальные оценки Н(г), Ец(г) и, соответственно, максимальные оценки пе(г) и Ее(г) среди всех физически приемлемых моделей. При этом максимальные значения Н(г) не более, чем на два порядка превосходят минимальные, а для остальных параметров максимальные значения от минимальных отличаются менее чем на порядок. С появлением дополнительных измерений угловых размеров радиоисточника на других частотах интервалы допустимых значений физических параметров сужаются.

6. На радиотелескопе БСА АКЦ ФИАН проведены наблюдения 16 близких радиогалактик методом межпланетных мерцаний на частоте 102 МГц. Компактные радиоисточники обнаружены лишь у четырех исследованных радиогалактик, а для оставшихся радиогалактик даны верхние оценки плотности потока компактных компонент (Черников и др., 2006).

Качество наблюдательных данных, необходимое для анализа, получено только для двух радиогалактик: ЗС 111 и ЗС 465. Получены оценки физических параметров ядер этих радиогалактик по методике, основанной на модели неоднородного источника синхротронного излучения. В результате обнаружено, что в ядрах ЗС 111 и ЗС 465 магнитное поле является сильно неоднородным. Перепад напряженности магнитного поля от центра к краю ядерных радиоисточников составляет около четырех порядков. В самых центральных частях радиоисточников, на масштабе <0.1 пк, 102<Н<104 Гс.

В ядрах данных радиогалактик плотность энергии магнитного поля явно превышает плотность энергии релятивистских электронов. Возможно, сильные магнитные поля играют существенную роль в формировании узких прямых джетов, выходящих из ядер этих радиогалактик. В то же время на больших удалениях от ядра форма радиовыбросов этих галактик определяется взаимодействием выброшенного вещества с межзвездной и межгалактической средой (как считает большинство исследователей) и не зависит от физических условий в ядре.

7. Разработан комплекс программ для автоматизации обработки наблюдений мерцающих радиоисточников проводимых на БСА ФИАН на частоте 111 МГц. В настоящее время это самые низкочастотные наблюдения компактных радиоисточников с высокой чувствительностью и высоким разрешением. Программы оптимизированы под современную операционную систему Windows ХР. Создан модуль для автоматического определения угловых размеров источников по спектрам их мерцаний (ранее эта работа выполнялась вручную). Эти программы позволяют получить из наблюдений оценки координат источника, интегральной плотности потока, дисперсии шумов и мерцаний, индекса мерцаний, углового размера и плотности потока мерцающей компоненты, коэффициента асимметрии мерцаний. Проведены тестовые наблюдения 12 радиоисточников из каталога ЗС на частоте 111 МГц. Эти наблюдения позволили отладить комплекс автоматизации наблюдений и обработки получаемых данных на БСА ФИАН, введенный в эксплуатацию в 2003 году.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Черников, Павел Александрович, 2006 год

1. Бескин B.C., 2005, Осесимметричные стационарные течения в астрофизике.

2. М.: ФИЗМАТЛИТ Брауде С.Я., 1967, АЖ, 44, 309

3. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д., 1971, Теория тяготения и эволюция звезд.

4. Проник И.И., 1987, АЖ, 16, 28

5. Разин В.А., 1960, Изв. вузов. Радиофизика, 3, 921

6. Слыш В.И., 1965, Диссертация на соискание ученой степени к.ф-м.н.,

7. ФИАН им. П.Н. Лебедева АН СССР Смирнов Н.В., 1939, Оценка расхождения между эмпиричискими кривыми распределения в двух независимых выборках, Бюллетень МГУ, 2, вып. 2, 1

8. Тюльбашев С.А., 1997, АЖ, 74, 812 Тюльбашев С.А., Черников П.А., 2000, АЖ, 77, 331

9. Черников П.А., Артюх B.C., Тюльбашев С.А., Лапаев К.А., 2006, АЖ, 83, 233 Шишов В.И., Пынзарь А.В., 1975, Изв. вузов. Радиофизика, 18, 506 Шишов В.И., 1967, Труды ФИАН, 38, 171

10. Шишов В.И., Тюльбашев С.А., Артюх B.C., Субаев И.В., Чашей И.В.,

11. U Symposium № 129, 25 Allen B.R, Anderson B, Conway R.G, Palmer H.P, Reddish V.C, Rowson B,1962 MNRAS, 124,477 Aller H.D, Aller M.F, Latimer G.E, Hodge P.E, 1985, ApJ, 9, 513

12. MNRAS, 219, 883 Chandrasekhar S., MNRAS, 1952, 112, 475 Cohen M.H., Cannon W., Pursell G.H. et al., 1971, ApJ, 170, 207 Cohen A.M., Porcas R.W., Browne I.W.A., Daintree E.J., Walsh D.,1977, MNRAS, 84,1 Coldate S.A., 1967, ApJ, 150, 163

13. Condon J.J., Cotton W.D., Greisen E.W., Yin Q.F., Perley R.A., Taylor G.B.,

14. The Most Distant Radio Galaxies", Proc. Colloq., Amsterdam De Bruyn A. G., 1976, AAp, 52, 439 Dennett-Thorpe J., de Bruyn A.G., 2000, ApJ, 529, L65 Dent W.A., 1965, Science, 148, 1458

15. Douglas J.N., Bash F.N., Bozyan F.A., Torrence G.W., Wolfe C.,1996, AJ, 111, 1945 Edge D.O., Shakeshaft J.R., McAdam W.B., Baldwin J.E., Archer S., 1959,

16. MNRAS, 68, 37 Fanaroff B.L., Riley J.M, 1974, MNRAS, 167, 31 Fanti C., Fanti R., Parma P., Schilizzi R.T., van Breugel W.J.M., 1985, AAp, 143, 292

17. Fanti C., Fanti R., Schilizzi R.T., Spencer R.E., van Breugel W.J.M.,1986, AAp, 170, 10 Fanti C., Fanti R., Parma P., Venturi Т., Schilizzi R.T., Nan Rendong,

18. Edwards P.G., Hirabayashi H., 2000, ApJS, 131, 95 Fowler W.A., 1966, ApJ, 144, 180

19. Gear W.K., Brown L.M.J., Robson E.I., Ade E. I., Griffin M.J., Smith M.G.,

20. Hughes P.A., Aller H.D., Aller M.F., 1991, ApJ, 374, 57 Hundhausen A., 1972, "Coronal expansion and solar wind". New York.

21. AAp, 362, 27 Jones D.L., 1984, ApJ, 276, L5 Jones T.W., Hardee P.E., 1979, ApJ, 228, 268 Kapahi V.K., AApS, 43, 381, 1981 Kellermann K.I., 1964, ApJ, 140, 969

22. MNRAS, 194, 693 Lawrence A., Elvis M., 1982, ApJ, 256, 410 Leahy J.P., 1984, MNRAS, 208, 3231.ahy J.P., Black A.R.S., Dennett-Thorpe J., Hardcastle M.J., Komissarov S.,

23. Marscher A.P., Marshall F.E., Mushotzky R.F., Dent W.A., Balonek T.J.,

24. Hartman M.F., 1979, AJ, 233, 498 Marscher A.P., Gear W.K., 1985, ApJ, 298, 114

25. McGilchrist M., Baldwin J.E., Riley J.M., Titterington D.J., Waldram E.M.,

26. Warner P.J., 1990, MNRAS, 246, 110

27. Mercier R.P., 1962, Proc. R. Soc., A58, 382

28. Miley G. K, 1980, Ann. Rev. AAp, 18, 165

29. Miller J.S., 1981, PASP, 93, 681

30. O'Dea C.P., Baum S.A., Fanti R., Fanti C., 1996, "The Second Workshop on

31. Nicolson G., 1985, AJ, 90, 1599 Preuss E., Fosbury R.A.E., 1983, MNRAS, 204, 783 Preuss E., Pauliny-Toth I.I.K., Witzel A., Kellermann K.I.,

32. Shaffer D.B., 1977, AAp, 54, 297 Purvis A., Tappin S.J., Rees W.G., Hewish A., Duffett-Smith P.J.,1987, MNRAS, 229, 589 Readhead A.C.S., Napier P.F., Bignell R.C, 1980, ApJL, 237, 55 Rendong N., Schilizzi R.T., Fanti C., Fanti R., van Breugel W.J.M.,

33. Muxlow T.W.B., IAU Symposium №129, 119 Rendong N., Schilizzi R.T., Fanti C., Fanti R., 1991, AAp, 252, 513

34. Rendong N, Schilizzi R.T, van Breugel W.J.M, Fanti C, Fanti R,

35. Muxlow T.W.B., Spencer R.E, 1991b, AAp, 245, 449 Rengelink R., 1999, "The Most Distant Radio Galaxies",

36. Proc. Colloq, Amsterdam Rengelink R.B, Tang Y, de Bruyn A.G, Miley G.K, Bremer M.N,

37. Roettgering H.J.A, Bremer M.A.R, 1997, AapS, 124, 259 Riley J.M, Branson N.J.B.A, 1973, MNRAS, 164, 271 Robertson J.G, 1984, AAp, 138,41

38. Robson E.I, Gear W.K, Clegg P.E, Ade P.A.R, Smith M.G, Griffin M.J,

39. Sanghera H.S, Saikia D.J, Luedke E, Spencer R.E, Foulsham P.A, Akujor C.E,

40. Tzioumis A.K, 1995, AAp, 295, 629 Schmidt M, 1963, Nature, 197,1040 Schmitt J, 1968, Nature, 218, 663 Scott P.F, Ryle M, 1961, MNRAS, 122, 389 SeyfertC. K, 1943, ApJ, 97, 28

41. Shaw M.A, Tzioumis A.K, Pedlar A, 1992, MNRAS, 256, 6 Shimmins A.J, Wall J.V, 1973, Australian Journal of Physics, 26, 93 Simon R. S, Readhead A.C.S, Moffet A.T, Wilkinson P.N, Anderson B, 1980, ApJ, 236, 707

42. Simon R. S, Readhead A.C.S, Moffet A.T, Wilkinson P.N, Booth R, Allen B, Burke B.F, 1990, ApJ, 354, 140

43. Slish V.I., 1963, Nature, 199, 682

44. Spencer R.E., McDowell J.C., Charlesworth M., Fanti C., Parma P.,

45. Peacock J.A., 1989, MNRAS, 240, 657 Spencer R.E., Schilizzi R.T., Fanti C., Fanti R., Parma P., van Breugel W. J. M.,

46. Valtonen M, 1992, AAp, 254, 71 van Breugel W.J.M., 1980, AAp, 88, 248 van Breugel W.J.M., Miley G., Heckman Т., 1984, AJ, 89, 5 van Breugel W.J.M., Fanti C., Fanti R., Stanghellini C., Schilizzi R.T.,

47. Spencer R.E., 1992, AAp, 256, 56 Van der Laan H., 1966, Nature, 211,1131

48. Venturi T, Castaldini С, Cotton W.D, Feretti L, Giovannini G, Lara L,

49. Marcaide J.M, Wehrle A.E., 1995, ApJ, 454, 735 Wagner S.J., Witzel A, 1995, AAp, 33, 163

50. Waldram E.M, Yates J.A, Riley J.M, Warner P.J, 1996, MNRAS, 282, 779 Wegner G, Colless M, Saglia R.P, McMahan R.K, Davies R.L, Burstein D,

51. Baggley G, 1999, MNRAS, 305, 259 Wehrle A.E., Cohen M.N, 1989, ApJ, 346, L69 Wehrle A. E, Preston R. A, Meier D. L, Gorenstein M.V, Shapiro I.I,

52. Wilkinson P.N, Readhead A.C.S, Anderson B, Purcell G.H, 1979, ApJ, 232, 365 Wilkinson P.N, Tzioumis A.K, Benson J.M, Walker P.C, Simon R.S,1991, Nature, 352, 313 Winn J.N, Hewitt J.N, Patnaik A.R, Schechter P.L, Schommer R.A, Lopez S,

53. Maza J, Wachter S, 2001, AJ, 121,1223 Witzel A, Veron P, Veron M.P, 1971, AAp, 11,171

54. Witzel A, Pauliny-Toth I.I.K, Geldzahler B.J, Kellermann K.I, 1978, AJ, 83, 475 Witzel A, Heeshen D.S, Schalinski C.J, Krichbaum T.R,

55. Mitt. Astron. Ges, 1986,65,239 Witzel A, Pauliny-Toth I.I.K, Nauber U, Schmidt J, 1979, AJ, 84, 942 Wright A.E, Griffith M.R, Burke B.F, Ekers R.D, 1994, ApJS, 91,111

56. Wright A, Otrupcek R.E, 1992, Bull. Inf. Centre Donnees Stellaires, 41, 47 Wrobel J.M, Simon R.S, 1986, ApJ, 309, 593

57. Список использованных аббревиатур1. АЖ Астрономический журнал

58. ЖТЭФ Журнал теоретической и экспериментальной физики

59. ПАЖ Письма в Астрономический журнал

60. УФН Успехи физических наук

61. AAp Astronomy and Astrophysics

62. AApS -Astronomy and Astrophysics Supplement Series1. AJ Astronomical Journal1. ApJ Astrophysical Journal

63. ApJL Astrophysical Journal Letters

64. ApJS Astrophysical Journal Supplement Series

65. MemRAS Memories of the Royal Astronomical Society

66. MNRAS Monthly Notices of the Royal Astronomical Society