Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга

На правах рукописи

Блинов Дмитрий Анатольевич Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга 01.03.02 – aстрофизика и звёздная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург – 2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Гаген-Торн Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Юрий Николаевич, Учреждение Российской академии наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН кандидат физико-математических наук Бычкова Вера Соломоновна, Учреждение Российской академии наук Физи­ ческий институт им. П. Н. Лебедева РАН

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга МГУ

Защита диссертации состоится 29 ноября 2011 г. в 15 ч. 30 мин. на заседа­ нии совета Д. 212.232.15 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 28, ауд. (Математико-механический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В. В.

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

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

Всё разнообразие типов и проявлений активности галактических ядер объясняется в рамках общей «унифицированной схемы». 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 иони­ зует газ в этой области, и она даёт широкие эмиссионные линии в спектре.

На бльшем расстоянии от центральной машины плазма движется с мень­ о шей 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 наблюде­ нии под некоторыми углами. У некоторых объектов часть вещества выбрасы­ вается 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 на­ блюдаться 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 наблю­ дателя приводит к сильному релятивистскому усилению излучения джета.

По этой же причине блазары показывают наиболее ярко выраженную актив­ ность среди всех АЯГ.

Из-за большой удалённости отдельные компоненты блазаров не разреша­ ются. Поэтому изучение их структуры представляет большую сложность и возможно лишь косвенными методами. По современным представлениям, за запуск, ускорение и коллимацию джета ответственно магнитное поле, сило­ вые линии которого закручены в спираль из-за дифференциального враще­ ния аккреционного диска. Поэтому по крайней мере во внутренних частях джетов должно присутствовать спиралеобразное магнитное поле. Часть тео­ ретических 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 пе­ рестаёт преобладать над кинетической энергией частиц: заканчивается зо­ на 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 милли­ метровых волнах. В некоторые промежутки времени излучение джета может определяться отдельными возмущениями плотности, распространяющимися вдоль джета.

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.

Общая характеристика работы

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 боль­ шое разнообразие проявлений активности данного класса объектов аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру и образованием ультрарелятивист­ ских джетов. Тем не менее множество вопросов остаются нерешёнными.

В частности, по-прежнему обсуждаются вопросы, связанные со структу­ рой джета и магнитного поля в нём, а также природой различных компонен­ тов в излучении АЯГ. Окончательно не выяснена причина изменений спек­ трального распределения энергии в обоих пиках бимодального спектра. Ак­ тивно 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 инфракрас­ ном и оптическом диапазонах. Анализ фотометрических и поляриметриче­ ских данных позволяет установить некоторые детали, связанные со строени­ ем джетов блазаров и их отдельными компонентами.

Цели диссертационной работы Основной целью данной работы было выделение отдельных источников в из­ лучении блазаров, установление их поляризационных характеристик и спек­ трального распределения энергии на основе данных многоцветной фотомет­ рии и поляриметрии в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Кроме того, в работе выяснялись причины изменения цветовых характери­ стик переменных компонентов во вспышках.

Для достижения поставленных целей решались следующие подзадачи:

проведение многоцветных мониторинговых наблюдений блазаров;

обработка результатов наблюдений;

моделирование наблюдательных данных;

определе­ ние спектрального распределения энергии в излучении постоянного и пере­ менного источников.

Научная новизна Впервые реализована численная модель, позволяющая по поляриметриче­ ским данным разделять в общем излучении блазаров постоянный и перемен­ ные источники, а также получать их параметры поляризации и интенсив­ ность. Проведена интерпретация результатов моделирования на основании различных моделей джетов. Данные, полученные при моделировании, позво­ лили независимым образом вычислить спектральное распределение энергии постоянного и переменного компонентов блазара OJ 287 и объяснить его цве­ товую переменность в рамках двухкомпонентной модели. Для BL Lacertae обнаружено, что спектральный индекс излучения переменного компонента отличается в различных вспышках. Показано, что такие вспышки могут объ­ ясняться в рамках модели ударных волн в джете. На основании многолет­ них рядов фотометрических наблюдений 12 блазаров установлено, что крат­ ковременное изменение спектрального индекса переменного компонента во вспышках является характерным для блазаров явлением, причём спектр мо­ жет становиться как более жёстким, так и более мягким. Проведён анализ данных для одной из таких вспышек у блазара PKS 1510-089, сопровождав­ шейся мониторингом поляризации в оптике и наблюдениями в гамма- и ра­ дио-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 посто­ янных и переменных источников, формирующих излучение активных ядер галактик. Практическая значимость заключается в том, что в процессе ра­ боты над диссертацией были получены новые наблюдательные данные для ряда блазаров. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для реше­ ния задач, не затронутых в диссертации. Результаты данной научной работы могут использоваться во всех организациях, где занимаются изучением ак­ тивных ядер галактик.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конферен­ циях и семинарах:

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

2. Конференция пользователей Больших телескопов России и КТБТ, САО РАН, 13 – 16 октября 2010 г.

3. Международная студенческая конференция «Наука и прогресс», Cанкт­ Петербург, Россия, 15 – 19 ноября 2010 г.

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

5. XXVIII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астро­ номии», Пущино, Россия, 19 – 21 апреля 2011 г.

6. III 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.

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

Во Введении обосновывается актуальность работы, описываются основ­ ные цели и задачи диссертации, научная новизна, научная и практическая ценность исследования. Также сформулированы результаты, выносимые на защиту, приводится список конференций и работ, где были представлены ре­ зультаты данного исследования, указан личный вклад автора.

В Главе 1 в пункте 1.1 даётся описание аппаратуры, с помощью ко­ торой проводились наблюдения: трёх телескопов (АЗТ-8, АЗТ-24, LX-200) и приёмников излучения (камеры ST-7 XME и SWIRCAM). В пункте 1. описываются методики оптических и инфракрасных наблюдений с использо­ ванием ПЗС-камер, а также методы начальной редукции данных. В пункте 1.3 кратко описаны основные методы, применяемые при фотометрии точеч­ ных источников, способы оценки ошибок наблюдений и алгоритм перехода из инструментальной фотометрической системы в стандартную. Также при­ водится общее описания пакета программ, используемых при фотометрии и поляриметрии.

В Главе 2 описывается методика анализа переменности спектрального распределения энергии. Пункт 2.1 посвящён общим особенностям и пробле­ мам, имеющим место при анализе цветовой переменности блазаров. В пунк­ те 2.2 показано, что если наблюдаемые в двух полосах потоки ложатся на прямые линии на диаграммах «поток-поток», то отношение потоков в этих полосах для переменного компонента, ответственного за активность на дан­ ном временном интервале, остаётся неизменным. В случае многополосных наблюдений этот метод позволяет получать относительное спектральное рас­ пределение энергии для переменного источника без дополнительных предпо­ ложений о его вкладе в общий поток. Достоинства и недостатки методики кратко перечисляются в пункте 2.3. Алгоритм применения метода описан в пункте 2.4.

Глава 3 посвящена численной модели, в которой переменность парамет­ ров поляризации и интенсивности излучения блазаров на долговременной шкале объясняется наличием постоянного и переменных источников поляри­ зованного излучения. В пункте 3.1 качественно описаны доводы, на основании которых данная модель может объяснять наблюдаемые у некоторых блаза­ ров зависимости поляризационных параметров. Алгоритм модели описан в пункте 3.2. В пунктах 3.3 - 3.6 приведены результаты моделирования много­ летних рядов фотополяриметрических наблюдений блазаров BL Lac, OJ 287, 3C 454.3 и S5 0716+714. Обсуждается возможная интерпретация результатов моделирования в контексте структуры джетов блазаров. Зависимость полу­ ченных в модели светимостей постоянных компонентов от углов видимости джетов рассматривается в пункте 3.7. Показано что эта зависимость не проти­ воречит предположению, что в роли постоянного источника может выступать протяжённый невозмущённый джет в зоне ускорения и коллимации.В пункте 3.8 приведены общие выводы.

Глава 4 посвящена цветовой переменности блазара OJ 287. В пункте 4. приведены сведения об идентификации объекта и его активности в оптиче­ ском диапазоне спектра. Пункт 4.2 описывает используемый ряд наблюдений, полученный в рамках международной кампании по мониторингу данного бла­ зара в 18 обсерваториях. В пункте 4.3 с помощью метода, описанного в Главе 2, и результатов моделирования из Главы 3 получено спектральное распреде­ ление энергии излучения постоянного источника и переменного компонента.

В пункте 4.4 делается вывод, что полученные спектральные индексы постоян­ ного и переменного источников позволяют объяснить наблюдаемое цветовое поведение OJ 287 в рамках такой двухкомпонентной модели. Вблизи мини­ мума блеска общий поток определяется, в основном, постоянным источником с мягким спектром. С ростом потока переменного источника его более жёст­ кое излучение начинает преобладать и суммарный спектр становится более «голубым».

В Главе 5 исследуется цветовая переменность блазара BL Lac. Общее описание объекта и краткий обзор литературы приведены в пункте 5.1. Осо­ бенности используемого наблюдательного ряда описаны в пункте 5.2. Пункт 5.3 посвящён анализу вариаций спектрального распределения энергии пере­ менного источника. Делается вывод, что при малых потоках излучение бла­ зара определяется единственным переменным компонентом с неизменным на временах порядка лет спектром. В случае же больших потоков в отдельных вспышках переменность определяется, в основном, действием другого пере­ менного источника, спектральное распределение которого меняется от вспыш­ ки к вспышке. В пункте 5.4 кривые блеска в двух полосах исследуются на предмет возможной задержки между их вариациями. Делается вывод, что запаздывание не превышает трёх минут. В пункте 5.5 резюмируются резуль­ таты исследования цветовой переменности данного блазара, делается вывод, что изменение потока во вспышках может объясняться прохождением удар­ ных волн в джете.

В Главе 6 на основании многолетних рядов фотометрических наблю­ дений, полученных в НИАИ СПбГУ, исследуется поведение спектрального распределения энергии переменного источника во время отдельных вспышек у 12 блазаров. В пункте 6.1 приводятся характеристики вспышек, в которых наблюдались цветовые изменения. Делается вывод, что подобное поведение в активной фазе характерно для блазаров в целом, однако у некоторых ис­ точников не обнаружено цветовых изменений в ярком состоянии. Отмечает­ ся, что во вспышках спектр переменного компонента может становиться как более жёстким, так и более мягким. Обсуждаются возможные механизмы возникновения вспышек с изменением спектрального распределения энергии.

Пункт 6.2 посвящён одной из вспышек блазара PKS 1510-089, сопровождав­ шейся значительным изменением спектрального индекса излучения перемен­ ного источника. В совокупности с предшествующим вращением плоскости поляризации в оптическом диапазоне и сопутствующим выбросом узла на радиокартах, подобное поведение интерпретируется, как прохождение удар­ ной волны в джете. В пункте 6.3 делается вывод, что ни один из возможных механизмов цветовой переменности не подходит для полной интерпретации всех наблюдаемых проявлений вспышечной активности, и, вероятно, данные механизмы действуют совместно.

В Заключении суммированы основные результаты работы.

В Приложении А приведена ключевая часть кода программы, реали­ зующей стохастическую модель оптической переменности из Главы 3.

В Приложении Б приведены диаграммы «поток-поток» и графики спектрального распределение энергии переменных компонентов во вспышках и спокойном состоянии, которые обсуждаются в пункте 6.1 Главы 6.

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 излу­ чения блазаров BL Lac, OJ 287, 3C 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», наблюдае­ мое в оптической области спектра у OJ 287, является результатом сов­ местного действия двух синхротронных источников излучения: красно­ го постоянного источника с = 2.03 и переменного компонента с более жёстким спектром = 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 поряд­ ка нескольких лет. Во время отдельных вспышек переменность BL Lac обусловлена дополнительным источником, распределение энергии кото­ рого 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 ак­ тивном состоянии начала 2009 года. Интерпретация серии вспышек, со­ провождавшейся вращением плоскости поляризации, как распростране­ ние 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 распреде­ ления энергии во вспышках – характерное для блазаров явление, и, вероятно, не все подобные вспышки могут быть объяснены в рамках модели ударных волн в джете.

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 11 ста­ тей — 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. D’Ammando F., Pucella G., Raiteri C. M.,..., Blinov D.,... (106 авт.) AGILE detection of a rapid -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 -ray flare in the blazar 3C // 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 C. 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 -ray flare emission in the jet of the BL Lacertae object OJ287 more than 14 pc from the central engine // The Astrophysical Journal Letters. 2011.

Vol. 726. P. L13.

9. D’Ammando F., Raiteri C. M., Villata M...., Blinov D.,... (115 авт.) AGILE detection of extreme -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 Е. И. Цветовая перемен­ ность BL Lacertae в 2002-2008 годах // Астрономический журнал. 2011.

Т. 88, C. 1084-1092.

11. Блинов Д. А., Гаген-Торн В. А., Гаген-Торн Е. И., Такало Л. 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 вычисле­ ний принадлежат автору, вклад соавторов в постановку задачи и обсуждение одинаков;

статьи 2, 4, 6, 7, 9 содержат результаты наблюдений, выполненных автором;

в статьях 3, 5, 8 использованы результаты выполненных автором наблюдений, вклад соавторов в обсуждение одинаков;

в статье 10 вклад всех соавторов одинаков;

в статье 11 автору принадлежит постановка задачи и большая часть вычислений, вклад всех соавторов в обсуждение результатов одинаков.