Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга

Данная работа посвящена изучению активных ядер галактик, которые являются самыми мощными устойчивыми источниками излучения во Вселенной. Для объектов данного класса характерна высокая светимость, производимая в малом объёме, нетепловой характер спектра во всех диапазонах длин волн от радио до гамма и, зачастую, сильная поляризация излучения. Практически все представители активных ядер галактик (далее — АЯГ) показывают переменность, а некоторые из них имеют ультрарелятивистские джеты, которые демонстрируют сверхсветовые движения на радиокартах. Почти сразу после установления внегалактической природы квазаров в качестве источника энергии АЯГ была предложена аккреция на сверхмассивную чёрную дыру.

К активным ядрам галактик относят около десяти типов объектов, наблюдательные свойства которых существенно отличаются. Классификация АЯГ многомерна и включает в себя такие параметры, как отношение плотности потока в радио и оптическом диапазонах, морфологию джетов, наличие или отсутствие в спектре широких эмиссионных линий, амплитуду переменности потока излучения в оптике и другие характеристики.

Всё разнообразие типов и проявлений активности галактических ядер объясняется в рамках общей «унифицированной схемы» [1, 2]. В данной модели сверхмассивная чёрная дыра и аккреционный диск погружены в область, где присутствуют отдельные облака газа, быстро движущиеся в гравитационном потенциале чёрной дыры. Жёсткое излучение от аккреционного диска ионизует газ в этой области, и она даёт широкие эмиссионные линии в спектре. На большем расстоянии от центральной машины плазма движется с меньшей скоростью, и её излучение проявляется в виде узких эмиссионных линий. Центральная область окружена непрозрачным молекулярно-пылевым тором, который затеняет аккреционный диск и область широких линий при наблюдении под некоторыми углами. У некоторых объектов часть вещества выбрасывается в виде коллимированных ультрарелятивистских струй, направленных вдоль оси аккреционного диска. В зависимости от того, под каким углом описанная структура расположена по отношению к лучу зрения, будут наблюдаться те или иные свойства. В данной диссертации изучаются блазары — активные ядра, ось джета которых направлена под малым углом к лучу зрения. Движение вещества с околосветовой скоростью в направлении наблюдателя приводит к сильному релятивистскому усилению излучения джета. По этой же причине блазары показывают наиболее ярко выраженную активность среди всех АЯГ.

Из-за большой удалённости отдельные компоненты блазаров не разрешаются, поэтому изучение их структуры представляет большую сложность и возможно лишь косвенными методами. По современным представлениям за запуск, ускорение и коллимацию джета ответственно магнитное поле, силовые линии которого закручены в спираль из-за дифференциального вращения аккреционного диска [3]. Поэтому, по крайней мере, во внутренних частях джетов должно присутствовать спиралеобразное магнитное поле (см. рис. 1). Часть теоретических моделей и наблюдательных данных указывают на то, что быстрая сердцевина джета в области ускорения должна быть окружена значительно более медленной оболочкой.

На некотором расстоянии от чёрной дыры энергия магнитного поля перестаёт преобладать над кинетической энергией частиц: заканчивается зона ускорения, и магнитное поле становится более хаотичным. В конце зоны ускорения и коллимации, вероятно, присутствует стоячая ударная волна или зона реколлимации, которая наблюдается как ядро радиоджета на миллиметровых волнах. В некоторые промежутки времени излучение джета может определяться отдельными возмущениями плотности, распространяющимися вдоль джета. quasar structure q.

0 О On HEUCAL MAGNETIC FIELD Q О О.

STANDING MOVING CONICAL SHOCK ^ SHOCK Jgr о n* ^.

EMISSION-LINE CLOUDS О О.

BROAD NARROW О of of a" of of of a' of.

T7TT7T77 quasar emission.

Oq o°0 «0 0 О UU-WAVP SUPERLUMINAL KNOT.

У On «com /RADI0−7-RAY.

0 o° ?^°o°o o00.

Г MM-X-RAY.

EMISSION UNES BROAD NARROW Q.

O^Oo.

Рис. 1. Характерная для блазаров структура джетов (по работе [3]).

В установлении вышеописанной структуры джета немаловажную роль сыграли мониторинговые фотополяриметрические наблюдения в оптическом диапазоне. Эти наблюдения, наряду с наблюдениями в других диапазонах спектра, и в дальнейшем будут способствовать совершенствованию нашего понимания природы активных ядер галактик.

Актуальность работы.

В последние годы благодаря росту чувствительности приборов, расширению международной кооперации и проведению регулярных наблюдений во всех доступных диапазонах наблюдается значительный прогресс в установлении деталей феномена АЯГ. Унифицированная модель хорошо объясняет большое разнообразие проявлений активности данного класса объектов аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру и образованием ультрарелятивистских джетов. Тем не менее множество вопросов остаются нерешёнными.

В частности, по-прежнему обсуждаются вопросы, связанные со структурой джета и магнитного поля в нём, а также природой различных компонентов в излучении АЯГ. Окончательно не выяснена причина изменений спектрального распределения энергии в обоих пиках бимодального спектра. Активно обсуждается механизм формирования гамма-излучения, локализация области, где оно производится, и его связь с длинноволновым излучением.

Безусловно, для подтверждения и дальнейшего развития теоретических моделей необходима надёжная наблюдательная основа, немаловажную роль в которой играют многополосные мониторинговые наблюдения в инфракрасном и оптическом диапазонах. Анализ фотометрических и поляриметрических данных позволяет установить некоторые детали, связанные со строением джетов блазаров и их отдельными компонентами.

Цели диссертационной работы.

Основной целью данной работы было выделение отдельных источников в излучении блазаров, установление их поляризационных характеристик и спектрального распределения энергии на основе данных многоцветной фотометрии и поляриметрии в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Кроме того, в работе выяснялись причины изменения цветовых характеристик переменных компонентов во вспышках.

Для достижения поставленных целей решались следующие подзадачи: проведение многоцветных мониторинговых наблюдений блазаровобработка результатов наблюдениймоделирование наблюдательных данныхопределение спектрального распределения энергии в излучении постоянного и переменного источников.

Научная новизна.

Впервые реализована численная модель, позволяющая по поляриметрическим данным разделять в общем излучении блазаров постоянный и переменные источники, а также получать их параметры поляризации и интенсивность. Проведена интерпретация результатов моделирования на основании различных моделей джетов. Данные, полученные при моделировании, позволили независимым образом вычислить спектральное распределение энергии постоянного и переменного компонентов блазара О Л 287 и объяснить его цветовую переменность в рамках двухкомпонентной модели. Для ВЬ ЬасеЛае обнаружено, что спектральный индекс излучения переменного компонента отличается в различных вспышках. Показано, что такие вспышки могут объясняться в рамках модели ударных волн в джете. На основании многолетних рядов фотометрических наблюдений 12 блазаров установлено, что кратковременное изменение спектрального индекса переменного компонента во вспышках является характерным для блазаров явлением, причём спектр может становиться как более жёстким, так и более мягким. Проведён анализ данных для одной из таких вспышек у блазара РКЯ 1510−089, сопровождавшейся мониторингом поляризации в оптике и наблюдениями в гаммаи радио-диапазонах. Показано, что наблюдаемые проявления активности могут быть объяснены прохождением возмущения в джете.

Научная и практическая значимость.

Научная ценность состоит в получении новых сведений о параметрах постоянных и переменных источников, формирующих излучение активных ядер галактик. Практическая значимость заключается в том, что в процессе работы над диссертацией были получены новые наблюдательные данные для ряда блазаров. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для решения задач, не затронутых в диссертации. Результаты данной научной работы могут использоваться во всех организациях, где занимаются изучением активных ядер галактик.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Построенная численная модель оптической переменности, позволяющая непосредственно из поляризационных данных выделять в излучении блазаров постоянный и переменные компоненты и получать их средние параметры Стокса. Результаты моделирования поляризованного излучения блазаров BL Lac, OJ 287, ЗС 454.3 и S5 0716+714, в случае когда присутствуют постоянный и переменные источники поляризованного излучения, и интерпретация результатов.

2. Вывод о том, что цветовое поведение «голубее, когда ярче», наблюдаемое в оптической области спектра у OJ 287, является результатом совместного действия двух синхротронных источников излучения: красного постоянного источника с, а = —2.03 и переменного компонента с более жёстким спектром, а = —1.41.

3.

Заключение

о том, что при малых уровнях потока активность BL Lac определяется переменным компонентом, имеющим степенной спектр, спектральный индекс которого остаётся постоянным на временах порядка нескольких лет. Во время отдельных вспышек переменность BL Lac обусловлена дополнительным источником, распределение энергии которого меняется от вспышки к вспышке. Такое цветовое поведение может быть интерпретировано как прохождение ударных волн в джете.

4. Результаты анализа наблюдательных данных для PKS 1510−089 в активном состоянии начала 2009 года. Интерпретация серии вспышек, сопровождавшейся вращением плоскости поляризации, как распространение возмущения в джете. Объяснение мощной вспышки с изменением спектрального индекса, совпавшей с появлением радиоузла, ударным взаимодействием возмущения в джете с зоной реколлимации.

5. Вывод о том, что кратковременное изменение спектрального распределения энергии во вспышках — характерное для блазаров явление, и, вероятно, не все подобные вспышки могут быть объяснены в рамках модели ударных волн в джете.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Fermi Symposium, Вашингтон, США, 2−5 ноября 2009 г.

2. Конференция пользователей Больших телескопов России и КТБТ, С АО РАН, 13 — 16 октября 2010 г.

3. Международная студенческая конференция «Наука и прогресс», Санкт-Петербург, Россия, 15−19 ноября 2010 г.

4. 40-я международная студенческая научная конференция «Физика космоса», Екатеринбург, Россия, 31 января — 4 февраля 2011 г.

5. XXVIII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, Россия, 19−21 апреля 2011 г.

6. Ill Fermi Symposium, Рим, Италия, 9−12 мая 2011 г.

7. Объединённый астрофизический семинар Лаборатории физики звёзд и Лаборатории внегалактических исследований и гамма-астрономии, КрАО, Украина, 12 сентября 2011 г.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 11 статей — в рецензируемых журналах, 1 статья — в сборнике трудов конференций и 2 — в сборниках тезисов докладов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Blinov D. A., Hagen-Thorn V. A. Stochastic model of optical variability of BL Lacertae // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 503, no. 1. Pp. 103−106.

2. DAmmando F., Pucella G., Raiteri С. M., ., Blinov D.,. (106 авт.) AGILE detection of a rapid 7-ray flare from the blazar PKS 1510−089 during the GASP-WEBT monitoring // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 508. Pp. 181−189.

3. Marscher A. P., Jorstad S. G., Larionov V. M., ., Blinov D.,. (32 авт.) Probing the Inner Jet of the Quasar PKS 1510−089 with Multi-Waveband Monitoring During Strong Gamma-Ray Activity // The Astrophysical Journal Letters. 2010. Vol. 710. Pp. L126-L131.

4. Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M., ., Blinov D.,. (265 авт.) A change in the optical polarization associated with a 7-ray flare in the blazar 3C279 // Nature. 2010. Vol. 463. Pp. 919−923.

5. Jorstad S. G., Marscher A. P., Larionov V. M., ., Blinov D.,. (32 авт.) Flaring Behavior of the Quasar 3C 454.3 Across the Electromagnetic Spectrum // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 715. Pp. 362−384.

6. Abdo A. A., Ackermann M., Agudo I.,. Blinov D.,. (217 авт.) Fermi Large Area Telescope and multi-wavelength observations of the flaring activity of PKS 1510−089 between 2008 September and 2009 June // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 721. Pp. 1425−1447.

7. Raiteri С. M., Villata M., Bruschini L. ., Blinov D.,. (55 авт.) Another look at the BL Lacertae flux and spectral variability. Observations by GASP-WEBT, XMM-Newton, and Swift in 2008;2009 // Astronomy and Astrophysics. 2010. Vol. 524. P. A43.

8. Agudo I., Jorstad S. G., Marscher A. P. ., Blinov D.,. (21 авт.) Location of 7-ray flare emission in the jet of the BL Lacertae object О J287 more than 14 pc from the central engine // The Astrophysical Journal Letters. 2011. Vol. 726. P. L13.

9. D’AmmandoF., Raiteri С. M., Villata M. ., Blinov D.,. (115 авт.) AGILE detection of extreme 7-ray activity from the blazar PKS 1510−089 during March 2009. Multifrequency analysis // Astronomy and Astrophysics. 2011. Vol. 529. P. A145.

10. Гаген-Торн В. А., Блинов Д. А., Гаген-Торн E. И. Цветовая переменность BL Lacertae в 2002;2008 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1084−1092.

11. Блинов Д. А., Гаген-Торн В. А., Гаген-Торн Е. И., Такало JI. О., Силан-пяя А. Оптическая переменность блазара OJ 287 в 2005;2009 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1169−1176.

Личный вклад автора.

В статье 1 разработка алгоритма, создание программы и проведение вычислений принадлежат автору, вклад соавторов в постановку задачи и обсуждение одинаковстатьи 2, 4, 6, 7, 9 содержат результаты наблюдений, выполненных авторомв статьях 3, 5, 8 использованы результаты выполненных автором наблюдений, вклад соавторов в обсуждение одинаковв статье 10 вклад всех соавторов одинаковв статье 11 автору принадлежит постановка задачи и большая часть вычислений, вклад всех соавторов в обсуждение результатов одинаков.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы (107 наименований) и двух приложений. Общий объем диссертации — 144 страницы, из них 28 страниц приложений. Работа содержит 71 рисунок и 11 таблиц.

Заключение

.