4 Космическое рентгеновское и гамма-излучение
жүктеу/скачать 1.44 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 8. Сверхмассивные черные дыры в ядрах активных галактик
7.2. МикроквазарыСреди рентгеновских двойных – кандидатов в черные дыры в последнее время большой интерес исследователей привлекают, так называемые, “микроквазары”. “Микроквазар” – это объект, для которого характерны наблюдающиеся в радиодиапазоне джеты, то есть выбросы плазмы, движущейся в противоположные стороны с релятивистскими скоростями (v/c 0.9). На сегодняшний день в нашей Галактике известно 8 подобных объектов. Принято считать, что два из них (SS433, LS5039) содержат нейтронную звезду, а, по крайней мере, 6 являются кандидатами в черные дыры (GRO J 1655-40, GRS 1915+105, GRS1758-258, 1E1740.7-2942, XTE J 1550-564,) типа рентгеновских новых (Zhang et al., 1994; Belloni et al., 2000; Мiller et al., 2001; Мirabel et al., 1992; in't Zand et al., 1999). Помимо релятивистских струй – джетов, в некоторых источниках (1E1740.7-2942) наблюдаются протяженные области излучения, размер которых существенно больше «стандартного» аккреционного диска (Cui et al. 2001). Для ряда систем (XTE J 1550-564, SAX J 1819.3-2525, GRO J 1655-40) получены оценки функции масс, позволяющие сделать более определенный вывод в пользу коллапсара с массой, превышающей предел Оппенгеймера-Волкова (Оrosz and Bailyn, 1997; Оrosz et al., 2001а; Оrosz et al., 2001б). Большой интерес представляет изучение активности в жестком излучении рентгеновской двойной GRO J 1655-40, которая известна также как новая Скорпиона 1994 г. (Hjellming and Rupen, 1995; Таvani et al., 1996). Это, пожалуй, единственный объект среди кандидатов в черные дыры, для которого удалось наблюдать орбитальную периодичность в диапазоне, как мягкого, так и жесткого рентгеновского излучения. По-видимому, впервые активность этого объекта в жестком излучении, впоследствии ставшего известным как рентгеновская новая XN Sco 1994 (Harmon et al., 1995; Zhang et al., 1996), наблюдалась в эксперименте на станции “Прогноз-9” в 1983 г., в ходе которого было обнаружено, что среди новых периодических процессов суточного диапазона, открытых в этом эксперименте, 62–ч период связан с рентгеновской новой Скорпиона 1994 г. (GRO J 1655-40) (Кудрявцев и др., 1998). Это периодический процесс также удалось наблюдать в ходе эксперимента ГРИФ, проводившегося в 1995-1997 гг. на орбитальной космической станции (ОКС) “Мир” (Кудрявцев и др., 2001). Наибольшая активность этого источника в жестком диапазоне энергий согласно данным космической обсерватории CGRO имела место в июле 1994 – августе 1995 гг. (Кroeger et al., 1996; Zhang et al., 1997). Следует отметить, что микроквазары могут проявлять свойства, не всегда укладывающиеся в типичную картину поведения рентгеновских двойных – кандидатов в черные дыры. Это относится, в частности, к источнику GRS1915+105 – первому галактическому объекту, для которого были обнаружены релятивистcкие выбросы вещества (джеты) (Мirabel and Rodrigues, 1994). Источник GRS1915+105 был открыт в эксперименте с прибором WATCH на космической обсерватории «Гранат» в 1992 г. (Castro-Tirado et al., 1992). Предполагается, что он находится на расстоянии 12.5 кпс, и, хотя из-за большого поглощения в межзвездной среде пока не удалось обнаружить оптический компаньон (удалось идентифицировать GRS1915+105 только с объектом, излучающим в инфракрасном диапазоне), что необходимо для более или менее надежного определения параметров компонентов двойной системы, ввиду высокой рентгеновской светимости и ряду других сходных признаков с источником GRO J 1655-40, объект GRS1915+105 также рассматривается как кандидат в черные дыры. Согласно данным наблюдений на обсерватории им. Росси он может находиться в трех состояниях, при этом все разнообразие временной переменности в рентгеновском диапазоне может быть сведено к переходам (относительно быстрым) между этими состояниями (Belloni et al., 2000). В то же время известно (см. выше), что стандартная картина поведения двойных систем – кандидатов в черные дыры в жестком излучении обычно укладывается в рамки переходов между двумя состояниями – «жесткого» с относительно небольшой рентгеновской светимостью и «мягкого» - с высокой рентгеновской светимостью. К микроквазарам также относят источник GRS1758-258, который был открыт в результате наблюдений с гамма-телескопом СИГМА на космической обсерватории «Гранат» (Sunyaev et al., 1991). Он расположен в районе центра Галактики и по некоторым характеристикам похож на объект 1E1740.7-2942, который также рассматривается в качестве кандидата в черные дыры и микроквазара. Одной из отличительных черт этих объектов является исключительно жесткий спектр излучения, простирающийся до энергий 300-500 кэВ. Именно благодаря такому спектру, напоминающему спектр двойной системы Cyg X-1 – одного из основных кандидатов в черные дыры, источники 1E1740.7-2942, GRS1758-258 также относят к этому классу объектов, хотя прямых оценок функции масс для них не получено из-за трудностей оптических наблюдений источников в центре Галактики. 8. Сверхмассивные черные дыры в ядрах активных галактик8.1. Наблюдательные проявления активных галактических ядер в жестком излученииВ жестком диапазоне электромагнитного спектра излучает большинство внегалактических объектов. Тепловое излучение горячего газа вблизи галактического ядра и межгалактического газа является причиной светимости многих галактик и скоплений галактик в диапазоне "мягкого рентгеновского излучения". Совместный анализ наблюдений в оптическом, инфракрасном и радио диапазонах внегалактических рентгеновских (2-7 кэВ) источников, зарегистрированных с помощью космического телескопа “Чандра” показал, что примерно 4% галактик, зарегистрированных на определенном уровне чувствительности, излучают в рентгеновском диапазоне постоянно. Принимая во внимание возраст Вселенной (1010 лет), это означает, что средняя продолжительность процессов, обеспечивающих рентгеновскую светимость, составляет порядка 500 миллионов лет. Очевидно, что при этом некоторые галактики могут быть активны в рентгеновском диапазоне в течение более продолжительного времени, но тогда другие галактики должны быть неактивны в жестком излучении вовсе (Barger et al., 2001). Согласно наиболее распространенным представлениям внегалактические объекты, излучающие в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах, т.е. блазары, квазары, сейфертовы и радиогалактики имеют одинаковую природу и представляют собой объекты одного вида - так называемые активные галактические ядра (Active Galactic Nuclei, AGN). Принято считать, что источником колоссальной светимости (1047-1048 эрг/с) этих объектов, в том числе и в жестком диапазоне электромагнитного спектра, является аккреция вещества на сверхмассивную (с массой 106-109M) черную дыру, расположенную в центре галактического ядра. При этом вокруг "черной дыры" образуется вращающийся сверхмассивный аккреционный диск, вдоль оси вращения которого происходит высокоскоростное истечение плазмы - образуются, так называемые, плазменные струи (plasma jet), приводящие к образованию в окружающей материи ударных волн, с которыми связаны ускорение частиц и генерация жесткого излучения. Такие джеты также ответственны за интенсивное радиоизлучение активных галактических ядер. Излучение джетов направлено, поэтому активные в радиодиапазоне AGN с джетами, ориентированными под значительным углом относительно луча зрения проявляются как - радиогалактики с широкой линией (Broad Line Radio Galaxies - BLRG). Наличие уширенных линий в спектре свидетельствует о высокоэнергичных процессах, приводящих к истечению вещества с большими скоростями. Помимо радиогалактик уширенные линии характерны для некоторых сейфертовых галактик и квазаров. Среди последних особый класс объектов составляют блазары, спектр излучения которых состоит из более мягкой синхротронной части, находящейся в ультрафиолетовой или рентгеновской области, и энергичного гамма-излучения. Рентгеновское и гамма-излучение блазаров также сильно направлено и, по-видимому, происходит от релятивистских джетов. При этом рентгеновское и гамма излучение джетов столь сильно, что превосходит интенсивность компонента излучения, связанного с ядром галактики. Принято считать, что наличие в спектре излучения активных галактических ядер и квазаров теплового компонента, который является доминирующим в диапазоне от нескольких эВ до 1 кэВ (так называемый, большой голубой бамп, Big Blue Bump, BBВ), свидетельствует о том, что подпитка материей центральных свермассивных черных дыр в подобных объектах идет через образование аккреционных дисков (Collin et al., 2001). Этот тепловой компонент более выражен в оптическом и ультрафиолетовом излучении квазаров, отличающихся большой светимостью, чем сейфертовых галактик и квазаров малой светимости. В диапазоне мягкого рентгеновского излучения спектр излучения АГЯ является продолжением теплового спектра из ультрафиолетового диапазона и в степенном представлении характеризуется показателем 1.5. При энергиях свыше 1 кэВ он становится более жестким ( 0.7). Для большинства объектов спектр излучения при энергиях выше 1 кэВ может быть представлен в виде суперпозиции степенного континуума с показателем ( 0.9) (обрезается при энергиях 100-200 кэВ), широкой эмиссионной особенности, связанной с K линией слабоионизованного железа, и особенности типа горба с максимумом при энергии 30 кэВ (Nandra et al., 1997). При этом светимость в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах (BBB светимость) либо выше, либо, по крайней мере, одного порядка, чем светимость в жестком рентгеновском излучении. При увеличении светимости спектр излучения обычно становится более жестким. Как известно, характерный временной масштаб переменности (t) излучения связан с размером (r) излучающей области: r 103tM-1 (8) где r выражено в радиусах Шварцшильда RS, t – в сутках, M – масса центральной черной дыры в 107M. Накопленная к настоящему времени информация относительно переменности излучения АГЯ довольно противоречива. Однако можно отметить несколько более или менее хорошо установленных фактов относительно масштабов переменности в разных энергетических диапазонах для некоторых классов объектов. В частности, типичное время переменности в ультрафиолетовом диапазоне, которое может достигать порядка величины, составляет несколько суток для cейфертовых галактик и несколько месяцев для квазаров с высокой светимостью. В рентгеновском диапазоне наблюдается более быстрая, по сравнению с ультрафиолетовым диапазоном, переменность. Так, для некоторых АГЯ характерные времена переменности рентгеновского излучения составляют часы, и даже десятки минут. В результате длительных наблюдений отдельных АГЯ, проведенных на космической обсерватории EXOSAT, была обнаружена довольно сильная антикорреляция амплитуды вариаций и полной рентгеновской светимости (Lawrence and Papadakis, 1993). В дальнейшем этот результат был подтвержден и наблюдениями на спутнике ASCA (Nandra et al., 1997). Отсутствие в спектре жесткого излучения линии электрон-позитронной аннигиляции и обрезание спектра при энергиях порядка 100 кэВ являются сильным аргументом в пользу того, что основной механизм светимости АГЯ имеет тепловой характер, причем излучение связано с электронами, имеющими среднюю температуру 50 кэВ. Именно обратным комптоновским рассеянием ультрафиолетовых фотонов из BBB-области спектра на горячих электронах объясняют степенной характер спектра жесткого излучения. Спектральные особенности - типа горба при энергиях 30 кэВ и линию железа связывают с комптоновским отражением от оптически толстого слоя холодной (то есть не сильно ионизованной) материи, температура которой в случае преобладания радиационных механизмов ионизации менее 1 миллиона градусов. Считается, что именно эта материя обуславливает излучение в BBB–области спектра (Collin et al., 2001). Таким образом, рассмотренные выше наблюдательные факты говорят о том, что в АГЯ существует очень горячая относительно компактная область, излучающая в рентгеновском диапазоне, и более протяженная холодная область, которая обеспечивает светимость в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Принято считать, что в АГЯ формируются аккреционные диски. В качестве свидетельств в пользу этого рассматривают необходимость подпитки центральной черной дыры необходимым количеством материи (чтобы обеспечить наблюдаемую светимость), а также указания на анизотропию: коллимированные струи, разлет газа в ограниченных конусах и т.п.. Последнее указывает на то, что аккрецирующая материя обладает угловым моментом и, значит, должна формировать аккреционный диск. Основной проблемой моделирования аккреционного диска является необходимость объяснения переноса углового момента «наружу», для чего требуется перенос массы “внутрь”. Более или менее полная модель основана на принципе “турбулентной вязкости” в соответствии с, так называемым, “–предписанием” Шакуры и Сюняева (Shakura and Sunyaev, 1973), согласно которому обусловленное вязкостью напряжение равно полному давлению газа и излучения, умноженному на фактор , величиной порядка 1. Это эквивалентно следующему соотношению:
где vrad – радиальная скорость, cs - скорость звука, H – толщина диска, R – радиус диска. На основе совместных инфракрасных, оптических и рентгеновских наблюдений внегалактических объектов, излучающих в жестком диапазоне, были сделаны оценки скорости аккреции вещества в АГЯ на сверхмассивную черную дыру. Значения жүктеу/скачать 1.44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
изменяются от 0.01M/год для АГЯ, находящихся на расстояниях, характеризуемых красным смещением z 0.05, до 10M/год для z 1 (Barger et al., 2001).