Общая характеристика работы.
Актуальность темы
Внегалактические радиоисточники являются одними из самых больших известных структур во Вселенной. Энергия, сконцентрированная в них в форме релятивистских частиц и магнитного поля, велика и достигает Ю60эрг и более. Детальное объяснение процессов, происходящих внутри таких структур, требует разработки конкретных физических моделей, которых на сегодняшний день существует много, но, ни одна из них не обеспечивает полного и успешного описания наблюдаемых проявлений. Радиоизображения с высоким угловым разрешением позволяют' увидеть компактную деталь, соответствующую активному ядру галактики (АЯГ), которая, предполагается, является «центральной машиной». Однако, РСДБ-наблюдения (Радиоинтерферометрия со СверхДлинной Базой) по-прежнему не обеспечивают полного разрешения центральных областей, поскольку разрешающая способность таких систем в лучшем случае ограничена диаметром Земли и не превышают долей угловой миллисекунды на сантиметровых длинах волн. Кроме того, РСДБ-исследованиями охвачено весьма ограниченное число (несколько тысяч) ярких в радиодиапазоне объектов с плотностями потоков от 0.1 Ян1 и выше.
Нетепловой спектр излучения компактных активных ядер галактик и его переменность обычно объясняются синхротронным механизмом излучения релятивистских частиц, ускоряемых в окрестностях сверхмассивной черной дыры. Крайне интересным представляется изучение различий между найденными классами объектов, связанных со сверхмассивной черной дырой (радиогалактики, квазары, лацертиды, источники с сильным рентгеновским и гамма излучением).
Комплексные многочастотные исследования структуры и спектров, использующие наблюдения на РСДБ сетях и одиночных антеннах, позволяют.
1 1 Ян= 10″ 26 Вт/ м2*Гц сделать конкретные выводы о физике процессов в этих компактных объектах. Становится возможным проводить полноценный статистический анализ характеристик большого количества внегалактических объектов, наблюдаемых на одиночных антеннах и интерферометрах (спектры, компактная и протяженная радиоструктура, переменность и поляризация). Наблюдение переменности излучения потока АЯГ на одиночных антеннах в широком диапазоне длин волн поставляет независимую от интерферометрических наблюдений и важную информацию о структуре источников и динамике процессов, происходящих в них. В АЯГ наблюдаются сложные процессы изменения потока излучения. Мы видим изменения плотности потока, происходящие на различных временных шкалах и имеющие различные спектральные характеристики [ Wagner and Witzel, 1995].
Статистические свойства спектральных индексов радиоисточников являются важным инструментом, как для понимания физики объектов, так и для исследования эволюции разных их классов и взаимосвязи между ними. Информация о спектрах в широком диапазоне длин волн облегчает задачу разделения различных классов объектов и определения их общих свойств. Кроме того, внегалактические источники представляют собой инструмент для космологических исследований. Их статистика и светимости, пространственная плотность позволяют делать оценки, важные для космологической эволюции Вселенной.
При решении вышеуказанных проблем астрофизики радиотелескоп РАТАН-600 [Парийский, 1993} до сих пор является уникальным инструментом, обеспечивая возможность получения мгновенного спектра в широком диапазоне частот (1−30 ГГц) за сравнительно короткий промежуток времени (от 1 до 50 минут в зависимости от склонения радиоисточника).
Радиоисточники, находящиеся в области северного полюса Мира, представляют особый интерес для исследований, так как из-за больших склонений доступны для наблюдения большинству наземных радиотелескопов.
Северного полушария Земли в течение длительного времени. Такие незаходящие источники предоставляют хорошую возможность их наблюдения в течение суток и более, что особенно важно при исследовании переменности космических объектов в области низких потоков, требующих значительных времен накопления сигналов. Исследуемая область содержит в себе внегалактические источники радиоизлучения, так как они находятся за пределами плоскости нашей Галактики (галактическая широта исследуемой области > 12°).
С другой стороны, в указанной области небесной сферы не выполнялись обзоры источников неба на разных частотах далее до средних уровней плотности потока. Единственный представительный обзор выполнен на частоте 1.4 ГГц с использованием системы апертурного синтеза VLA2 о.
Condon et al., 1998] (далее NVSS-обзор). В связи с этим, спектральные характеристики радиоисточников в этой области неба слабо изучены. Так, на частоте 5 ГГц значения плотностей потоков имеют менее половины источников исследуемой в настоящей работе выборке. Вблизи частоты 20 ГГц измерения имеют около 10% источников. Данные оценки сделаны с использованием базы данных CATS4 [Verkhodanov et al., 1997] (на момент марта 2005 г.).
Цели и задачи исследования:
Основная цель работы — многочастотное исследование полной по плотности потока (S > 200 мЯн на частоте 1.4 ГГц) выборки внегалактических радиоисточников на шести частотах (1.1, 2.3, 4.8, 7.7, 11.2 и 21.7 ГГц) в малоизученной области Северного неба вблизи полюса с использованием радиотелескопа РАТАН-600. Основу работы образуют новые данные наблюдений на РАТАН-600, полученные с участием автора, и их анализ, выполненный также с привлечением результатов, полученных другими.
2 VLA — the Very Large Array.
3 NRAO (National Radio Astronomy Observatory) VLA Sky Survey.
4 Система поддержки астрофизических каталогов [http://www.sao.ru/cals/] авторами на одиночных антеннах и РСДБ сетях. Исследуется спектральное поведение радиоисточников выборки на частотах РАТАН-600. Исследуется переменность радиоизлучения объектов выборки с плоскими спектрами (спектральный индекс, а >-0.5, при S~va5) на временных масштабах от суток до 8 лет.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Многочастотный каталог полной по плотности потока выборки 504 радиоисточников приполярной области Северного неба.
2. Результаты оптических отождествлений источников полученного каталога.
3. Широкодиапазонные мгновенные радиоспектры исследуемых источников каталога на шести длинах волн: 1.38, 2.7, 3.9, 6.25, 13 и 30 см. Статистические свойства выборки.
4. Результаты исследования долговременной переменности источников выборки, имеющих плоские спектры, на временных масштабах от суток до 8 лет.
Основные результаты диссертации:
1. Проведен многочастотный обзор источников радиоизлучения в области северного полюса Мира со следующими критериями выборки:
L L.
• прямое восхождение 00 < RA < 24 ;
• склонение 75° < 8 < 88° (|6| > 12°);
• плотность потока S > 200 мЯн (на частоте NVSS — 1.4 ГГц);
• общее число источников — 504.
Получен многочастотный каталог полной по плотности потока выборки 504 радиоисточников приполярной области неба на длинах волн 1.38, 2.7, 3.9, 6.25, 13 и 30 см. С использованием модулей штатного пакета FADPS (Flexible Astronomical Data Processing System) и расчетной диаграммы направленности Южного сектора РАТАН-600 написан алгоритм обработки измерений,.
5 далее везде спектральный индекс рассматривается, исходя из условия S ~ Va учитывающий особенности наблюдений вблизи полюса с большой временной длительностью.
2. Получены мгновенные широкодиапазонные спектры источников каталога, выполнен их анализ и определены спектральные свойства выборки такой полноты в диапазоне частот 1−21.7 ГГц в приполярной области неба. Доля источников с плоскими (спектральный индекс а>-0.5) спектрами — 11%, большинство источников имеют нормальные (~1.1<а<~0.5) спектры — 65%, 24% источников выборки имеют крутые спектры (а <-1.1).
3. С использованием внегалактической базы данных NED (NASA/TPАС) получены оптические отождествления и красные смещения радиоисточников. Большинство из них не отождествлено с оптическими объектами (72.8%). С галактиками отождествлено 110 источников выборки (~ 21.8%), среднее красное смещение которых равно 0.32- с квазарами отождествлено 27 источников 5.4%) со средним красным смещением 1.13.
4. Исследована долговременная переменность объектов каталога со спектральным индексом, а > -0.5 на интервале 8 лет с привлечением наблюдений источников этой области неба в 1999 г. Показано, что в выборке преобладают источники, спектральная плотность потока которых описывается степенным законом и убывает с частотой. Исследования выявили 46% источников с переменностью плотности потока радиоизлучения от 30% и выше (по уровню 5а) на 3−4 частотах РАТАН-600 (21.7, 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц). Обнаружено, что средний индекс переменности для объектов растет слабо как с частотой (уровень — 0.3−0.5 в диапазоне частот 4.8−21.7 ГГц), так и со спектральным индексом. На основании анализа многочастотных радиоспектров и долговременной переменности выявлено 4 кандидата в GPS-источники (Gigahertz-Peaked Spectrum): J0626+82, J0726+79, J1823+79 и J1935+81.
5. Исследована быстрая переменность источников каталога (на масштабах от суток до месяца). Обнаружено 15 источников (из 33 исследовавшихся источников с плоским спектром), показавших переменность на масштабах порядка суток и более (в системе отсчета наблюдателя) на длинах волн 1.38, 2.7, 3.9 и 6.3 см. Амплитуда переменности не превышает 10%, что согласуется с предыдущими результатами на таких масштабах для внегалактических радиоисточников. Для большинства источников амплитуда переменности растет с ростом частоты. Из 15 исследовавшихся источников 11 были обнаружены нами впервые как быстропеременные в радиодиапазоне одновременно на трех-четырех частотах. По результатам статистического анализа быструю переменность показали как объекты с долговременной переменностью (изменение плотности потока — от 30% и выше по уровню 5а), так и объекты со стационарным радиоспектром. Для малоизученного ранее объекта типа BL Lacertae J2022+76 переменность радиоизлучения на этих масштабах на частотах 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц обнаружена впервые. Показано, что она коррелирует на этих частотах. Амплитуда переменности источника уменьшается с ростом частоты. Изменение величины амплитуды переменности (уменьшение с ростом частоты) вместе с наличием корреляции изменений потока на разных частотах может указывать на внешние причины переменности. С привлечением данных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также более ранних радио измерений, выполнен анализ быстрой переменности объекта типа BL Lacertae J2005+77. Сравнительный анализ быстрой переменности источника, полученной на РАТАН-600 в 2007 г. и переменности, полученной на VLA и Effelsberg в 1997 г. показал одинаковый ход амплитуды переменности с частотой, а именно — рост. При этом в 2007 г. величина амплитуды переменности уменьшилась в несколько раз: она не превышала 3% на частотах 4.8, 7.7 и 11.2 ГГц, тогда как в 1997 г. она достигала 6−9% в этом диапазоне. Источник является типичным представителем АЯГ, в котором развитие вспышечной активности происходит с временной задержкой от оптического к радио диапазону.
Новизна и научная значимость. Многочастотный каталог и мгновенные широкодиапазонные спектры 504-х источников каталога получены впервые для полной выборки такой полноты в указанной области неба. Исследование быстрой и долговременной переменности для источников выборки с плоскими спектрами выполнено так же впервые. Результаты спектрального анализа настоящего обзора радиоисточников являются новыми и достоверными, так как измерения и обработка производились апробированными ранее методами, на всех частотах практически одновременно с использованием одного инструмента, что позволило уменьшить влияние систематических ошибок и переменности радиоисточников на результаты обзора.
Научная и практическая ценность работы. Настоящий обзор радиоисточников является многочастотным и полным. Поэтому полученные результаты являются характерными и для любой другой выборки источников с такой же полнотой. Полученные результаты наблюдений и анализа спектральных свойств источников могут быть использованы в дальнейших экспериментальных и теоретических исследованиях. Полнота и статистическая значимость выборки позволяют исследовать природу объектов и механизмы их переменного и постоянного радиоизлучения. Полученные многочастотные широкодиапазонные мгновенные радиоспектры позволяют прослеживать динамику вспышки и использовать результаты для интерпретации переменности радиоизлучения в рамках существующих или будущих моделей.
Проведение данного обзора было инициировано необходимостью отбора перспективных компактных радиоисточников для научной программы наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон» [http://wvw. asc. rssi. ru/RadioAstron/index. html]. Результаты могут использоваться в работах с этим интерферометром для получения изображений, координат и угловых перемещений различных объектов Вселенной с исключительно высоким разрешением.
Большинство источников приполярного обзора являются мало изученными в широком диапазоне частот. Экспериментальная информация по долговременной и кратковременной переменности подобных радиоисточников является важной для пополнения списка уже известных переменных объектов, а также для будущих исследований миссии Планка [Planck, 2005] на высоких частотах, где такого рода источники могут быть непредсказуемо яркими.
Выполненный алгоритм обработки измерений может использоваться и в дальнейшем при обработке наблюдений в приполярной области неба. Личный вклад автора диссертации. Все результаты диссертации опубликованы в 11 работах, перечисленных в Списке публикаций [1−11], и получены в соавторстве. Личный вклад состоит в следующем.
1. Участие в проведении и обработке наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600, в адаптации программного обеспечения [1−11].
2. Участие в анализе спектральных свойств выборки радиоисточников, в сравнительном статистическом анализе данных, полученных с помощью РАТАН-600 и австралийского телескопа Australia Telescope Compact Array (АТСА) [1, 4]- в сравнительном анализе переменности радиоизлучения объектов типа BL Lacertae J2022+76 и J2005+77 [3, 9]- в многочастотных спектральных исследованиях выборки Gigahertz-Peaked Spectrum источников и кандидатов с помощью РАТАН-600, отборе «истинных» GPS-источников и сравнительном анализе данных РАТАН-600 и PC ДБ измерений VLBI6 [5, 6, 7, 10].
3. Отождествления источников каталога с оптическими источниками с использованием базы данных NED [1].
4. Статистический анализ данных по долговременной и быстрой переменности [2, 3, 8, 11].
6 Very Long Baseline Interferometry.
Кроме того, во всех работах [1−11] автор участвовал в обсуждении полученных результатов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, трех Приложений и Списка цитируемой литературы. Содержит 44 рисунка на 65 страницах, 21 таблиц на 20 страницах. Общий объем составляет 182 страницы, включая рисунки, таблицы и библиографию из 123 наименований на 6 страницах. Представленная диссертация является результатом работ, выполненных и опубликованных в течение 2005;2009 гг. Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах [1−11], перечисленных в Списке публикаций по теме диссертации, и обсуждались автором на семинарах САО РАН, АКЦ ФИАН, двух Всероссийских и восьми Международных конференциях.
Выводы по Главе 4.
1. Исследована долговременная переменность объектов каталога со спектральным индексом a > -0.5 на интервале 8 лет с привлечением наблюдений источников этой области неба в 1999 г. Показано, что в выборке преобладают источники, спектральная плотность потока которых описывается степенным законом и убывает с частотой. Исследования выявили 46% источников с переменностью плотности потока радиоизлучения от 30% и выше (по уровню 5о¦) на 3−4 частотах РАТАН-600 (21.7, 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц). Обнаружено, что средний индекс переменности для объектов растет слабо как с частотой (уровень — 0.3−0.5 в диапазоне частот 4.8−21.7 ГГц), так и со спектральным индексом.
2. Исследована быстрая переменность источников каталога (на масштабах от суток до месяца). Обнаружено 15 источников (из 33 исследовавшихся источников с плоским спектром), показавших переменность на масштабах порядка суток и более (в системе отсчета наблюдателя) на длинах волн 1.38, 2.7, 3.9 и 6.3 см. Амплитуда переменности не превышает 10%, что согласуется с предыдущими результатами на таких масштабах для внегалактических радиоисточников. Для большинства источников амплитуда переменности растет с ростом частоты. Из 15 исследовавшихся источников 11 были обнаружены нами впервые как быстропеременные в радиодиапазоне одновременно на трех-четырех частотах (21.7, 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц).
3. По результатам статистического анализа быструю переменность показали как объекты с долговременной переменностью (изменение плотности потока — от 30% и выше по уровню 5сг), так и объекты со стационарным радиоспектром.
4. В исследуемой выборке на основе анализа спектральных свойств и долговременной переменности выявлено 4 кандидата в Gigahertz-Peaked Spectrum (GPS) источники: J0626+82, J0726+ 79, J1823+79 uJl935+81.
5. Для малоизученного ранее объекта типа BL Lacertae J2022+7611 переменность радиоизлучения на этих масштабах на частотах 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц обнаружена впервые. Показано, что она коррелирует на этих частотах. Амплитуда переменности источника уменьшается с ростом частоты. Изменение величины амплитуды переменности (уменьшение с ростом частоты) вместе с наличием корреляции изменений потока на разных частотах может указывать на внешние причины переменности (например, мерцание на межзвездной среде). С привлечением данных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также более ранних радио измерений, выполнен анализ быстрой переменности объекта типа BL Lacertae J2005+77. Сравнительный анализ быстрой переменности источника, полученной на РАТАН-600 в 2007 г. и переменности, полученной на VLA и Effelsberg в 1997 г. показал одинаковый ход амплитуды переменности с частотой — рост. При этом в 2007 г. величина амплитуды переменности уменьшилась в несколько раз: она не превышала 3% на частотах 4.8, 7.7 и 11.2 ГГц, тогда как в 1997 г. она достигала 6−9% в этом диапазоне. Источник является типичным представителем АЯГ, в котором развитие вспышечной активности происходит с временной задержкой от оптического к радио диапазону.
6. Классическая методика статистического анализа быстрой переменности для полноповоротных параболических антенн радиотелескопов была адаптирована к особенностям РАТАН-600 (антенны переменного профиля). Использованный нами метод учитывает изменение ширины диаграммы направленности отдельного сектора РАТАН-600 с высотой источника над горизонтом.
Заключение
.
Суммируем основные результаты, полученные в диссертации:
1. Впервые проведен глубокий многочастотный обзор источников радиоизлучения в области Северного Полюса Мира со следующими критериями выборки:
1 L.
• прямое восхождение источников 00 < а < 24 ;
• склонение 75° < д < 88° (|Ь| > 12°);
• плотность потока S > 200 мЯн (на частоте NVSS — 1.4 ГГц);
• общее число источников — 504.
Впервые получен многочастотный каталог полной по плотности потока выборки 504 радиоисточников приполярной области Северного неба на длинах волн 1.38, 2.7, 3.9, 6.25, 13 и 30 см. С использованием модулей штатного пакета FADPS (Flexible Astronomical Data Processing System) и расчетной диаграммы направленности Южного сектора РАТАН-600 написан алгоритм обработки измерений, учитывающий особенности наблюдений вблизи полюса с большой временной длительностью.
2. На основе полученного многочастотного каталога 504 источников получены их мгновенные широкодиапазонные с пектры на шести длинах волн: 1.38, 2.7, 3.9, 6.25, 13 и 30 см. Выполнен их анализ и определены спектральные свойства выборки такой полноты в диапазоне частот 121.7 ГГц в приполярной области неба. Доля источников с плоскими (а >-0.5) спектрами — 11% (51 источник), большинство источников выборки имеют нормальные (-1.1 <ог<-0.5) спектры — 65%, 24% источников выборки имеют крутые спектры (а < -1.1).
3. С использованием внегалактической базы данных NED (NASA/IPAC) получены оптические отождествления и красные смещения радиоисточников. Большинство из них не отождествлено с оптическими объектами (72.8%). С галактиками отождествлено 110 источников выборки (~ 21.8%), среднее красное смещение которых равно 0.32- 27 источников (~ 5.4%) отождествлены с квазарами со средним красным смещением 1.13.
4. По полученным данным наблюдается 6% дефицит источников с растущими спектрами (а > 0), что может быть объяснено спектральными характеристиками «подпороговых» источников, не попавших в исходную выборку на частоте 1.4 ГГц.
5. Исследована долговременная переменность объектов каталога со спектральным индексом, а > -0.5 на интервале 8 лет с привлечением наблюдений источников этой области неба в 1999 г. Показано, что преобладают источники, спектральная плотность потока которых убывает с частотой. Исследования выявили 46% источников с переменностью плотности потока радиоизлучения от 30% и выше (по уровню 5 а) на 3−4 частотах РАТАН-600 (21.7, 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц). Обнаружено, что средний индекс переменности для объектов растет слабо как с частотой (уровень — 0.3−0.5 в диапазоне частот 4.8−21.7 ГГц), так и со спектральным индексом.
6. Исследована быстрая переменность источников каталога (на масштабах от суток до месяца). Обнаружено 15 источников (из 33 исследовавшихся источников с плоским спектром), показавших переменность на масштабах порядка суток и более (в системе отсчета наблюдателя) на длинах волн 1.38, 2.7, 3.9 и 6.3 см. Амплитуда переменности не превышает 10%, что согласуется с предыдущими результатами на таких масштабах для внегалактических радиоисточников. Для большинства источников амплитуда переменности растет с ростом частоты. Из 15 исследовавшихся источников 11 были обнаружены нами впервые как быстропеременные в радиодиапазоне одновременно на трех-четырех частотах (21.7, 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц).
7. По результатам статистического анализа быструю переменность показали как объекты с долговременной переменностью (изменение плотности потока — от 30% и выше по уровню 5о), так и объекты со стационарным радиоспектром.
8. В исследуемой выборке на основе анализа спектральных свойств и долговременной переменности выявлено 4 кандидата в Gigahertz-Peaked Spectrum (GPS) источники: J0626+82, J0726+79, J1823+79 и J1935+81.
9. Для малоизученного ранее объекта типа BL Lacertae J2022+76 переменность радиоизлучения на этих масштабах на частотах 11.2, 7.7 и 4.8 ГГц обнаружена впервые. Показано, что она коррелирует на этих частотах. Амплитуда переменности источника уменьшается с ростом частоты. Изменение величины амплитуды переменности (уменьшение с ростом частоты) вместе с наличием корреляции изменений потока на разных частотах может указывать на внешние причины переменности (например, мерцание на межзвездной среде). С привлечением данных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также более ранних радио измерений, выполнен анализ быстрой переменности объекта типа BL Lacertae J2005+77. Сравнительный анализ быстрой переменности источника, полученной на РАТАН-600 в 2007 г. и переменности, полученной на VLA и Effelsberg в 1997 г. показал одинаковый ход амплитуды переменности с частотой — рост. При этом в 2007 г. величина амплитуды переменности уменьшилась в несколько раз: она не превышала 3% на частотах 4.8, 7.7 и 11.2 ГГц, тогда как в 1997 г. она достигала 6−9% в этом диапазоне. Источник является типичным представителем АЯГ, в котором развитие вспышечной активности происходит с временной задержкой от оптического к радио диапазону.
10. Классическая методика статистического анализа быстрой переменности для полноповоротных параболических антенн радиотелескопов была адаптирована к особенностям РАТАН-600 (антенны переменного профиля). Использованный нами метод учитывает изменение ширины диаграммы направленности отдельного сектора РАТАН-600 с высотой источника над горизонтом.
БЛАГОДАРНОСТИ.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю Мингалиеву Марату Габдуллоеичу за внимание и поддержку на протяжении всей работы, Бурсову Николаю Николаевичу, у которого многому научилась в процессе совместной деятельности, Ларионову Михаилу Григорьевичу, принимавшему участие в ряде работ по теме проведенных исследованийКовалеву Юрию Андреевичу и Конниковой Валентине Константиновне за ценные советы и рекомендации.
Особая благодарность сотрудникам Лаборатории радиометров континуума и Лаборатории антенных систем, без которых эта работа была бы невозможной.
