Спектральные исследования динамики газовых облаков в сейфертовских галактиках и в галактиках с hii–областями

УДК: 524.7+524.5+524.3 На правах рукописи

ВАЛИУЛЛИН РАШИТ РАВИЛЕВИЧ

Спектральные исследования динамики газовых облаков в сейфертовских

галактиках и в галактиках с HII–областями

01.03.02 астрофизика и радиоастрономия

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова» АО «Национальный центр космических исследований и технологий»

Научный руководитель	кандидат физико-математических наук, доцент Денисюк Э.К.
Официальные оппоненты	доктор физико-математических наук, профессор Сомсиков В.М
	кандидат физико-математических наук, доцент Глушко В.Н.
Ведущая организация	Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

Защита состоится «10» сентября 2010 года в 1500 часов на заседании Объединённого диссертационного совета ОД 53.03.01 при АО «Национальный центр космических исследований и технологий» по адресу: 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, 15, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДТОО «Астрофизический института им. В.Г. Фесенкова» по адресу: 050020, г. Алматы, Медеуский р-н, Каменское плато, Обсерватория, 23.

Автореферат разослан «____» _______________ 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор Вильковиский Э.Я.

Введение

Общая характеристика работы. Диссертация посвящена исследованию динамики газовых облаков в сейфертовских галактиках (СГ) и галактиках с протяжёнными HII–областями, проведённому на основе большого количества оригинальных спектрограмм, которые были получены соискателем в 1989-2009гг., а также спектрограмм, снятых в Астрофизическом институте имени В.Г. Фесенкова (АФИФ) в 1976-1988гг.

Ядра СГ являются наиболее ярким, а значит наиболее доступным для исследований на небольших телескопах, типом активных ядер галактик (АЯГ). По этой причине, когда в 60-х годах стали проявлять повышенный интерес к АЯГ, в АФИФ были начаты наблюдений нескольких десятков СГ. К настоящему времени получено несколько тысяч спектрограмм СГ, часть которых была обработана и использована в данной диссертации.

Актуальность исследуемой темы. Повышенный интерес к АЯГ связан с тем, что к ним относятся ядра галактик, процессы в которых нельзя объяснить свойствами сконцентрированных в них звезд и газа. По мнению большинства исследователей в центре АЯГ находится чёрная дыра в активной фазе.

Сложность исследования АЯГ, в том числе и ядер СГ, связана с тем, что они находятся от нас на очень больших расстояниях. Это приводит к тому, что элементы АЯГ, ответственные за их необычные свойства, невозможно разрешить даже при помощи космических телескопов. Поэтому главным методом изучения строения ядерных и околоядерных областей СГ является исследование их фотометрической и спектральной переменности. Изучение характера переменности позволяет получить данные о строении АЯГ, а также о динамических процессах, происходящих в этих объектах. Фотометрические и спектральные изменения могут происходить на самых разных временных шкалах, от нескольких минут до десятков лет. Такие, постоянно происходящие, изменения требуют непрерывного слежения за АЯГ. Поэтому на всех крупных обсерваториях мира, а также и на телескопах, работающих за пределами земной атмосферы, значительное количество времени уделяется наблюдениям АЯГ.

Но даже после проведения длительных мониторинговых исследований конкретного АЯГ и получения на их основе надёжных результатов, процесс исследования нельзя считать завершённым, так как в любой момент может начаться процесс изменения активности ядра, который приведёт к появлению у АЯГ новых свойств. Примером такого поведения может служить ядро галактики NGC4151, которое в последние десятилетия вело себя крайне непредсказуемо. Резко менялся поток в континууме. На крыльях широких эмиссионных линий появлялись и исчезали эмиссионные детали. Несмотря на неоднократные международные мониторинги, масса черной дыры, находящейся в ядре этой галактики, до сих пор определяется с низкой точностью. До конца неясны параметры орбит газовых облаков, являющиеся причиной эмиссионных деталей на крыльях широких эмиссионных линий. По этим причинам фотометрические и спектроскопические исследования даже хорошо изученных АЯГ не теряют своей актуальности.

Цель работы – изучение динамических характеристик газовых облаков в сейфертовских галактиках и в галактиках с HII–областями.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести спектральные наблюдения СГ и галактик с HII–областями, доступных для исследования на используемых телескопах.
2. Выполнить предварительную обработку полученных спектрограмм СГ и выбрать объекты с сильной переменностью. Для галактик с HII–областями – выбрать галактики с чётко выраженной структурой области HII.
3. Провести спектральные наблюдения выбранных СГ в течение максимально длительного промежутка времени. Для галактик с HII–областями – получить широкощелевые спектрограммы при различных значениях дисперсии и позиционного угла (ПУ) щели спектрографа.
4. Обработать все пригодные для спектрофотометрии спектрограммы выбранных СГ, включая архивные данные. Результат обработки представить в виде профилей широкой компоненты бальмеровских линий H и H за разные даты наблюдений. Для галактик с HII–областями – провести обработку спектрограмм и получить их монохроматические изображения на выходе бесщелевого спектрографа (дисперсные изображения) при разных значениях позиционного угла щели спектрографа.
5. Выбрать метод исследования профилей СГ. При выборе метода необходимо было учесть тип спектральной переменности СГ. Для галактик с HII–областями – использовать новые методы: модификацию «реверсивного метода определения лучевых скоростей звёзд» [1] и модификацию метода «спектроскопии вращающихся планет с высоким (спектральным) разрешением» [2].
6. Используя выбранный метод, получить динамические характеристики газовых облаков в исследуемых СГ. Для галактик с HII–областями – получить лучевые скорости газовых облаков и выявить их тонкую структуру.

Объектами исследования являются сейфертовские галактики и галактики с HII–областями.

Предмет исследования: характеристики газовых облаков в сейфертовских галактиках и галактиках с HII–областями.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались хорошо разработанные методы классической спектрофотометрии и модифицированные методы, разработанные автором данной диссертации.

Научная новизна исследований обусловлена тем, что в данной работе:

1. Анализируются уникальные по охваченному временному диапазону ряды наблюдений (1970–2009гг.), причём значительная часть спектрограмм была получена соискателем (результаты наблюдений с 1989 по 2009гг.). Остальная часть спектрограмм была получена Э.К. Денисюком (результаты наблюдений с 1976 по 1988гг.). В дополнение к этому оригинальному наблюдательному материалу были использованы спектры, взятые из литературы.
2. Получены зависимости от времени отношений потоков в синем крыле к потокам в красном крыле (FН-син./FН-кр.) в шести симметричных интервалах широкой компоненты линии H СГ NGC4151 на промежутке 1970 – 2009гг. Выделены три глобальных максимума на графиках зависимости FН-син./FН-кр. от времени. Показано, что отклонение значения (FН-син./FН-кр. ) от единичного уровня связано с дополнительным излучением или поглощением облаков газа, движущихся по кеплеровским орбитам вокруг центрального фотоионизующего источника. Сделаны оценки динамических характеристик вышеупомянутых газовых облаков и приведены оценки их размеров.
3. Рассмотрены типы спектральной переменности СГ, не связанные с динамикой газовых облаков. Выдвинуто предположение о том, что причиной быстрых (в течение нескольких дней) и сверхбыстрых (на временных промежутках в 20–30 мин) изменений контуров широких компонент эмиссионных линий СГ является эффект реверберации – изменение яркости и профиля эмиссионных линий в квазарах и СГ вслед за изменением яркости центрального источника фотоионизации. В рамках этого предположения даётся объяснение всплеска излучения в широкой компоненте линии H в СГ Mrk1095, наблюдавшегося соискателем в октябре-декабре 1989г. Дана интерпретация обнаруженного соискателем сверхбыстрого изменения контура широкой компоненты линии H в СГ Mrk474, имевшего место в ночь с 25 на 26 апреля 1999г.
4. Предложена модификация классического «реверсивного метода определения лучевых скоростей звёзд». Модифицированный метод позволяет быстро и точно определять относительные лучевые скорости газовых облаков в галактиках с HII–областями и, следовательно, эффективно изучать поле скоростей в указанном типе галактик. Приведены результаты его применения к галактике NGC3310. Получены лучевые скорости для двух эмиссионных облаков в центральной части этой галактики.
5. Предложена модификация метода «спектроскопии вращающихся планет с высоким (спектральным) разрешением». Этот модифицированный метод позволяет детально исследовать пространственные структуры галактик с HII–областями. Приведены результаты его применения к галактике NGC3310. Получена пространственная структура двух газовых облаков.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты спектральных наблюдений СГ NGC4151 в области бальмеровской линии H, выполненных автором диссертации в 1989–2009гг.
2. Результат обработки контуров линии H, представленный в виде графиков отношений потоков в синем крыле к потокам в красном крыле

(FН-син./FН-кр.), взятых в симметричных интервалах широкой компоненты линии H. Графики построены для временного интервала 1970-2009гг.

3. Результат обработки спектральных рядов СГ Mrk1095, выявивший всплеск излучения широкой компоненты линии H в октябре-декабре 1989г.
4. Модификация «реверсивного метода определения лучевых скоростей звёзд» и полученные с помощью модифицированного метода лучевые скорости двух газовых облаков в центральной части галактики NGC3310.
5. Модификация метода «спектроскопии вращающихся планет с высоким (спектральным) разрешением» и результаты применения модифицированного метода для получения тонкой пространственной структуры двух газовых облаков в центральной части галактики NGC3310.

Апробация работы. Результаты исследования были доложены на:

1. Совещании рабочей группы «Активные ядра галактик» в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) (1992г.).
2. Международном 184-м коллоквиуме МАС IAU: «AGN Surveys» в Бюраканской астрофизической обсерватории (2001г.).
3. Международной конференции: «AGN Variability from X-Rays to Radio Waves» в КрАО (2004г.).
4. Международной конференции – Первые Фесенковские чтения: «Современная астрофизика: традиции и перспективы» в АФИФ (2005г.).
5. Международной конференции – Вторые Фесенковские чтения: «Современная астрофизика: традиции и перспективы» в АФИФ (2007г.)
6. Международном симпозиуме: «Актуальные проблемы внегалактической астрономии» в Пущинской радиоастрономической обсерватории (2008г.).

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Контуры широкой компоненты линии H СГ NGC4151, полученные автором в результате обработки 691 спектрограммы этой галактики, могут быть использованы другими исследователями этого объекта для получения новых данных по динамике газовых облаков в центральной части этой СГ.
2. Модифицированные методы широкощелевой (бесщелевой) спектроскопии галактик с протяженными НII–областями, могут быть использованы для улучшения качества и точности результатов спектральных наблюдений галактик и других эмиссионных объектов.

Личный вклад автора. Часть результатов, включённых в диссертацию, получена в соавторстве с научным руководителем. Автором лично выполнена следующая работа:

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научных статьи (из них 8 – без соавторов) в республиканской и зарубежной печати (Армения, Украина, Россия, США), в том числе 8 в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю и аттестации в сфере образования и науки МОН РК к кандидатским диссертациям.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из Введения, четырёх разделов, Заключения и списка литературы. Объем работы 100 страниц, в том числе 47 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 104 источника.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении рассмотрено современное состояние проблемы, актуальность темы, цель, задачи, объект, предмет, методы и научная новизна исследования, положения выносимые на защиту, апробация научных результатов, практическая ценность работы, личный вклад автора.

В первом разделе дается критический обзор литературы по СГ с выделением нерешённых проблем.

В подразделе 1.1 описана история открытия СГ и выделены проблемы, связанные с интерпретацией наблюдаемых особенностей этих объектов. Проанализирован сложный процесс осознания общности природы ядер квазаров и СГ.

В подразделе 1.2 рассмотрены спектральные особенности СГ. Показаны отличительные особенности спектров сейфертовских галактик первого типа (СГ 1) и спектров сейфертовских галактик второго типа (СГ 2).

В подразделе 1.3 рассмотрены стандартные модели АЯГ. Отмечены их недостатки. Особое внимание уделено унификационной модели, позволяющей решить проблему существования двух типов СГ (СГ 1 и СГ 2).

Во втором разделе даётся описание устройства спектрографа слабых объектов, который с 1970г. используется в Астрофизическом институте им. Фесенкова (АФИФ) для наблюдения СГ. Приведена методика наблюдений и обработки спектров СГ.

В подразделе 2.1 даётся подробное описание спектрографа слабых объектов. Отдельно рассмотрен узел входной щели и дополнительное устройство точного наведения, отличающего спектрограф слабых объектов от классических моделей спектрографов. Показаны особенности использования спектрографа слабых объектов при наблюдении с трехкаскадным электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) и цифровым приёмником излучения, выполненным на основе ПЗС – приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицей).

В подразделе 2.2 описана процедура получения спектрограмм как с использованием ЭОПа (регистрация на фотоплёнке), так и с применением ПЗС-матрицы (регистрация на компьютере в цифровом формате). Показаны особенности обработки спектрограмм, полученных на этих приёмниках изображения.

В третьем разделе приводятся результаты обработки спектров СГ NGC4151, полученных в АФИФ в 1976–2009гг. Исследуются интегральные потоки в симметричных интервалах широкой компоненты эмиссионных линий. В рамках модели газовых облаков, двигающихся с параболическими скоростями, найдены динамические характеристики двух газовых облаков. Приведены оценки их размеров.

В подразделе 3.1 приводятся: (1) параметры телескопа и спектрографа, (2) типы приёмников излучения, которые использовались при получении спектров в разные периоды наблюдения СГ NGC4151 в АФИФ. Даны оценки интенсивности наблюдений СГ NGC4151 в разные годы.

В подразделе 3.2 описана процедура обработки спектрограмм СГ NGC4151, полученных как с использованием ЭОПа, так и при помощи ПЗС-матрицы. Особое внимание уделено разделению на составляющие сложного наблюдаемого профиля, состоящего из широкой компоненты линии H, узкой компоненты линии H и узких линий [NII] и [SII]. Необходимость выделения широкой компоненты линии H из сложного наблюдаемого профиля обусловлена тем, что для исследования процессов, происходящих в ядре СГ, важно иметь неискажённые профили широких компонент эмиссионных линий. Анализ их изменений во времени дает нам возможность исследовать динамику газовых облаков в окрестности центрального ионизующего источника. Не менее важно правильно выделить узкие линии [NII] и [SII], так как интегральный поток в узких запрещённых линиях используются обычно в качестве реперов, относительно которых измеряются потоки в широких компонентах эмиссионных линий. Возможность использовать узкие линии [NII] и [SII] в качестве реперов обусловлена тем, что они образуются в достаточно больших объёмах газа, вдали от сильно переменного источника ионизующего излучения, поэтому изменения потока излучения в этих линиях происходит слабо и достаточно медленно.