Оценка физических параметров активных ядер галактик радиоастрономическими методами

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи

Черников Павел Александрович

Оценка физических параметров

активных ядер галактик

радиоастрономическими методами

Специальность 01.03.02

Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва

2006

Работа выполнена в Пущинской радиоастрономической обсерватории

АКЦ ФИАН им. П. Н. Лебедева

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук В.С. Артюх

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.С. Бескин (ФИАН)

кандидат физико-математических наук А.Г. Горшков (ГАИШ МГУ)

Ведущая организация:

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

Защита состоится 29 января 2007 года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д002.023.01 Физического института им.

П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан 18 декабря 2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук Ю.А. Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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 нормальными галактиками. Часто это избыточное излучение приходит из очень малых областей, расположенных в центре галактики, из чего можно сделать вывод, что источником активности галактик является активность их ядер. Галактики с активными ядрами составляют по численности около 1% нормальных галактик. 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.

Активные ядра галактик (АЯГ) исследуются во всем диапазоне электромагнитных волн. В радиодиапазоне практически все наблюдения ядер галактик, содержащих компактные источники, проведены в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, где можно добиться высокой чувствительности и разрешения. Однако для решения ряда задач при исследовании АЯГ необходимы наблюдения и на низких частотах, причем также с высоким разрешением и высокой чувствительностью. РСДБ систем, работающих в метровом диапазоне волн нет, но в этом диапазоне весьма эффективным оказался метод межпланетных мерцаний. Этот метод успешно применяется в исследовании активных галактик, позволяя получать информацию об угловой структуре источников малых угловых размеров (менее 1). В частности, наблюдения мерцаний радиоисточников на частоте 102 МГц успешно ведутся уже много лет на Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ПРАО ФИАН).

Наблюдения компактных радиоисточников в АЯГ на низких частотах являются необходимыми для получения информации о физических условиях в них. Как известно, подавляющее большинство внегалактических радиоисточников имеют степенные спектры в широком диапазоне частот. Наиболее вероятным механизмом нетеплового излучения внегалактических источников является синхротронное излучение ансамбля релятивистских электронов, распределение которых по энергиям также является степенным. На частотах ниже 1 ГГц спектр излучения некоторых радиоисточников отклоняется от степенного закона, при этом наблюдается уплощение спектра или его завал. Наиболее вероятный механизм, формирующий завалы спектров компактных радиоисточников в АЯГ на низких частотах, – синхротронное самопоглощение излучения. В 1963 году В.И. Слышом было предложено использовать этот эффект для измерения угловых размеров радиоисточников, то есть для получения информации о самих радиоисточниках (Slish, 1963). Позже в ряде работ было предложено использовать этот эффект для оценок напряженности магнитного поля и плотности релятивистских электронов (de Bruyn, 1976; Marscher, 1977; Marscher, 1987; Артюх, 1988).

До недавнего времени на ПРАО ФИАН исследования физических условий в АЯГ, содержащих компактные радиоисточники, проводились по методике, основанной на модели однородного источника синхротронного излучения (Артюх, 1988). Данная методика представляет собой систему интерпретации радиоастрономических данных, которая позволяет получать оценки напряженности магнитного поля, плотности релятивистских электронов, энергии магнитного поля и релятивистских частиц в тех АЯГ, которые содержат компактные радиоисточники с низкочастотными завалами спектров. При этом предполагается, что низкочастотный завал спектра радиоисточника вызван синхротронным самопоглощением излучения. Достоинства этой методики – простота и независимость от предположения о равнораспределении энергий магнитного поля и релятивистской плазмы, которое иногда используют для оценки плотности релятивистских электронов и напряженности магнитных полей.

Однако массовые наблюдения радиоисточников, проведенные в том числе и на ПРАО ФИАН в 1980-1990-х годах, показали, что спектры компактных радиоисточников, находящихся в галактических ядрах, явно отличаются от спектра однородного источника синхротронного излучения. Практически не встречаются радиоисточники, спектры которых можно описать в рамках модели однородного источника. В тоже время, спектры неоднородных источников синхротронного излучения, конкретно сферически симметричных источников, в которых магнитное поле и плотность релятивистских электронов являются степенными функциями, позволяют описать все известные нам спектры компактных радиоисточников в АЯГ. Поэтому возникла необходимость создания новой системы интерпретации радиоастрономических данных, основанной на модели неоднородного источника синхротронного излучения.

Цель работы – исследование активных ядер галактик, содержащих компактные радиоисточники: оценка физических параметров радиоисточников в АЯГ по методике, основанной на модели однородного источника синхротронного излучения; создание новой методики оценок физических параметров компактных радиоисточников в АЯГ, основанной на модели неоднородного источника синхротронного излучения; получение первых результатов исследования ядер близких радиогалактик по новой методике.

Научная новизна

В диссертации получен ряд новых результатов. Наблюдения компактных радиоисточников, выполненные на радиотелескопе БСА ФИАН 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 в результате наблюдений на частоте 102 МГц, выполненных на радиотелескопе БСА методом межпланетных мерцаний. Для этих и еще 10 объектов, для 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 этой методики в ядрах радиогалактик 3С 111 и 3С 465 обнаружены сильно неоднородные магнитные поля напряженностью 102 

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.

Основные положения, 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. Еще у 10 источников выявлены низкочастотные завалы спектров по данным из литературы. Получены оценки физических параметров (напряженности магнитного поля, плотности релятивистских электронов, энергий магнитного поля и релятивистских частиц) этих радиоисточников по методике, основанной на модели однородного источника синхротронного излучения (Артюх, 1988). Равнораспределение энергий частиц и поля наблюдается в 8 радиоисточниках (6 радиогалактик и 2 квазара). 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 3С 120, 3С 273, 3С 279 и 3С 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 проанализированы 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 нч > 1.2, а у сферических моделей нч

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 напряженности магнитного поля от центра источника к краю увеличивается длина спектра, где источник частично непрозрачен, а величина спектрального индекса нч не меняется.

Особо выделены модели, в которых H ~ 1/r2, а релятивистские частицы распределены приблизительно однородно. Спектры таких моделей являются плоскими (нч 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. По этой причине 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 3С 111 и 3С 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 102  ~ 10-2 Гс, а в 3С 465  ~ 10-1 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.

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.

Публикации и вклад автора

Материалы диссертации опубликованы в восьми статьях:

1. Артюх В.С., 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 В.С., 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 самостоятельно 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 радиотелескопе БСА ФИАН, анализ и интерпретация полученных результатов выполнены совместно с сотрудниками ПРАО АКЦ ФИАН.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 146 страниц основного текста, 16 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 284 наименования. Общий объем работы – 159 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен краткий обзор наблюдений АЯГ. Отмечен дефицит низкочастотных радионаблюдений и их необходимость для исследования физических условий в АЯГ. Обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы.

В первой главе «Метод межпланетных мерцаний» описан метод 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 источников каталога 3С.

Во второй главе «Исследование активных ядер галактик на основе модели однородного источника синхротронного излучения» кратко представлена методика оценки физических параметров радиоисточников, основанная на модели однородного источника синхротронного излучения (Артюх, 1988). Проведены исследования физических условий в 56 компактных радиоисточниках с крутыми спектрами. 28 источников являются радиогалактиками, 26 – квазарами и два источника на момент наблюдений не имели оптического отождествления (4С 66.14 и OQ 323). Проведены наблюдения этих радиоисточников на частоте 102 МГц на радиотелескопе БСА ФИАН методом межпланетных мерцаний. Обнаружены низкочастотные завалы спектров 42 радиоисточников, из них 20 – радиогалактики, 21 – квазары и один не имеет оптического отождествления (OQ 323).