Інформації про їх будову Реферат циклу наукових праць на здобуття щорічної премії Президента України для молодих учених

Реферат

на здобуття щорічної премії Президента України для молодих учених

Цикл робіт присвячено дослідженню змінності активних ядер галактик (АЯГ) як джерела інформації про їхню будову, і має на меті комплексне дослідження властивостей активних ядер галактик за їх спостережною змінністю, зумовленою різними причинами, та визначення параметрів будови АЯГ за цією змінністю. Результати, одержані в даному циклі робіт, є значимими для теорії будови АЯГ і подальшої еволюції наукових уявлень про процеси, які грають визначну роль у „центральній машині” активного ядра.

Значну увагу приділяється аналізу причин змінності та відокремленню власних варіацій блиску в різних областях спектру, спричинених змінами внутрішніх умов самого АЯГ, від змінності, викликаної впливом міжгалактичного середовища, а також змінності форми спектру АЯГ в жорсткому рентгенівському діапазоні.

Найбільш сильні варіації блиску, що викликані впливом міжгалактичного середовища, виникають внаслідок впливу гравітаційного лінзування. Тому даний цикл робіт поділяється на 1. – Аналіз змінності АЯГ внаслідок впливу гравітаційного лінзування та 2. – дослідження власної змінності АЯГ, в першу чергу змінності первинного спектру активного ядра в жорсткому рентгенівському діапазоні.

1. Змінність позагалактичних джерела випромінювання внаслідок впливу гравітаційного лінзування.

Свою назву ефект гравітаційного лінзування (ГЛ) отримав в зв’язку з його подібністю до результату дії звичайної оптичної лінзи. Гравітаційне поле масивних об’єктів грає роль гігантського природного телескопу, дозволяючи дослідити будову віддалених джерела випромінювання. ГЛ є джерелом унікальної астрофізичної інформації про квазари – найбільш віддалені від нас АЯГ, для яких роль “телескопів” відіграють більш близькі галактики.

Але на фоні дії гравітаційного поля галактики-лінзи, що породжує декілька зображень одного й того ж самого джерела, і яку можна розглядати як майже статичну, спостерігається й інший ефект тієї ж самої фізичної природи, але спричинений окремими компактними об’єктами зоряних мас, що входять до складу лінзуючої галактики. Це - гравітаційне мікролінзування (ГМ). Від попереднього ефекту воно відрізняються не тільки величинами характерних мас лінзуючих об’єктів, але й типовими часовими масштабами явищ, внаслідок вищих швидкостей руху зір. Саме ГМ спричинює динамічні зміни яскравості зображень із часовими масштабами від тижнів до місяців. Порівнюючи зміни яскравості різних зображень в позагалактичних гравітаційно-лінзових системах, можна відділити ефекти мікролінзування від власних коливань блиску АЯГ. При цьому найбільш цінними є спостереження подій мікролінзування з великим підсиленням, які відповідають проходженню мікролінзуючого об’єкта поблизу від променя зору, оскільки вони дозволяють досліджувати будову джерела випромінювання за відносно невеликий проміжок часу. Ефекти ГМ найбільш помітні, коли джерело випромінювання проходить через каустику мікролінзи - на його кривій яскравості виникає значний пік. Це явище називають подією із великим підсиленням (ПВП). Такі події є особливо цінними. Вони дозволяють визначити деякі параметри ГЛС, виходячи з даних, накопичених за відносно невеликий проміжок часу, тоді як менш інтенсивні події ГМ, хоча й більш доступні, стають інформативними після накопичення статистичного матеріалу протягом десятиріч. Тому велику увагу привертають ПВП, виявлені в ГЛС Q2237+0305 спостережними групами OGLE та GLITP.

Перший лінзований квазар було відкрито у 1979 році Велшем, Гаршвеллом і Вейменом (“Перша Лінза”, Q0957+561). Нині відомо близько сотні кратних зображень квазарів, які зобов’язані своїм існуванням ГЛ. Криві яскравості різних зображень одного й того ж квазара в ГЛС, індуковані його власними коливаннями блиску, мають бути майже синхронними з певним часом затримки. Це дозволяє відокремлювати події сильного ГМ від власних коливань блиску квазара. В даному циклі робіт проводиться дослідження таких подій як в плані чисельного моделювання, так і обробки даних спостережень по гравітаційно-лінзованому квазару „Хрест Айнштайна” Q2237+0305.

Гравітаційно-лінзова система „Хрест Айнштайна” містить чотири зображення радіотихого квазара, разом вони за формою нагадують хрест загальною довжиною біля секунди дуги. Червоне зміщення джерела z_s=1.695, лінзуючої галактики z_g=0.0394.

Вперше явище ГМ було зафіксовано у цього об'єкта в 1989 році, і пізніше спостерігалося тут неодноразово. В ГЛС Q2237+0305 проведено серії спостережень багатьма групами, зокрема, OGLE та GLITP, дані яких оброблені в даному циклі робіт.

Конкретна модель джерела дозволяє зв'язати такі параметри, як світність квазара, його маса і розмір. Перші два параметри є доступними для вимірів. Особливо важливим параметром тут є темп падіння речовини в чорну діру. Знаючи масу і розмір центральної області, а також світність квазара, ми зможемо віддати перевагу конкретної моделі. При цьому може відігравати суттєву роль розподіл яскравості джерела. Для моделювання конкретної ситуації, таким чином, необхідно задати такі параметри: розмір джерела і функцію розподілу яскравості; параметри фонового поля; маси мікролінз та їх розподіл; відстані між лінзою і спостерігачем і між квазаром і спостерігачем.

В ході виконання робіт даного циклу створено обчислювальні програми, які дозволяють виконувати наступні завдання:

1. Проводити чисельне моделювання (припасування за методом найменших квадратів) кривих блиску зображень мікролінзованого джерела випромінювання під час подій сильного ГМ. Програми створено для різних розподілів яскравості по диску джерела (а саме, гаусівського розподілу, степеневого та профілю яскравості, типового для диску акреції в моделі Шакури-Сюняєва), вони дозволяють відновити такі параметри гравітаційно-лінзової системи, як розмір джерела, момент перетину його центром каустики, силу каустики тощо;

2. Відтворювати симуляції астрометричних (зміщення центру яскравості мікролінзованих зображень джерела по відношенню до незбуреного положення) та фотометричних (змінність блиску зображень джерела, зумовлену рухом його відносно лінзуючої матерії) проявів ГМ для заданих величин фонового гравітаційного поля об’єктів, віддалених від променя зору, густини неперервно розподіленої матерії поблизу променя зору (в тому числі темної), а також заданих початкових положень і швидкостей руху об’єктів, що відіграють роль гравітаційних мікролінз, і розподілу яскравості по диску джерела випромінювання.

• 
  для зображення А: діб та діб (за даними GLITP в смугах R та V) ; діб (перший пік яскравості за даними OGLE, смуга V); 52 діб (другий пік яскравості за даними OGLE, смуга V), і, відповідно, розміри джерела випромінювання - *10^–3псV/300км/с, *10^–3псV/300км/с, *10^–3псV/300км/с та
  

• 
  для зображення В: діб (за даними OGLE, смуга V), і розмір - *10^–3псV/300км/с;
  
• 
  для зображення С: діб (за даними OGLE, смуга V) і відповідно розмір - *10^–3псV/300км/с.
  

Згідно сучасних уявлень про будову АЯГ, однією зі складових „центральної машини” є над масивна чорна діра (масою 10⁶-10⁹ мас Сонця); на сьогоднішній день це майже не викликає сумніву. Проте, існують деякі складнощі із поясненням причин появи джетів та потужного радіовипромінювання в одних об’єктів, тоді як в інших цього явища не спостерігається. Джети – потужні викиди плазми з центральних частин АЯГ, складаються із заряджених частинок, які рухаються по спіралі, віддаляючись від центру. Це свідчить про визначну роль магнітного поля у формуванні джетів, і це є досить складним пунктом у створенні об’єднаної схеми будови радіогучних та радіотихих АЯГ в рамках моделі над масивної чорної діри. Для формування джетів у галактичних системах із акрецією необхідно існування великомасштабного магнітного поля, але згідно з висновками ЗТВ, матерія, яка сколапсувала у чорну діру, не може мати магнітного поля (відома теорема, сформульована Дж.А.Уілером як “чорна діра не має волосся”).

В рамках даної моделі джерелом потужного магнітного поля, що формує джети, вважається сама аккретуюча речовина. Як було показано Бландфордом та Пайном, формування джетів може відбуватися завдяки впливу полоїдального магнітного поля, яке перекочує речовину внутрішньої частини акреційного диску у джети і прискорює їх. Для такої моделі Бландфордом було доведено, що ефективна колімація джетів можлива тільки при умові високоефективної акреції (суб-едінгтонової), а для можливості акреції із такою високою ефективністю, потрібні високі значення моменту обертання центрального об’єкту (надмасивної чорної діри). Тобто, одним з факторів, що визначає, чи буде АЯГ радіогучним чи радіотихим, є ефективність процесу акреції речовини на центральну над масивну чорну діру. Таким чином, якщо обертовий момент чорної діри вищий за обертовий момент внутрішньої частини акреційного диску (умовно можна сказати - якщо чорна діра обертається швидше, ніж диск акреції на внутрішньому краї), енергія буде перекачуватися з ергосфери чорної діри у внутрішні частини диску завдяки наявності магнітного поля у акретуючої речовини по механізму Бландфорда-Знаєка. Полоїдальне магнітне поле речовини, що аккретує на надмасивну чорну діру, буде формувати з матерії внутрішніх частин акреційного диску джети за механізмом Бландфорда-Пайна.

Отже, радіогучність або радіотихість АЯГ залежить від співвідношення між обертовими моментами, або ж спінами, центральної над масивної чорної діри та акреційного диску. Через це така модель дістала назву „спін-парадигма”.

Одним з наслідків даної моделі є різниця між характерними формами спектру в рентгені, властивими радіогучним та радіотихим АЯГ. А саме, враховуючи, що первинне випромінювання АЯГ в жорсткому рентгені носить синхротронний характер із впливом зворотного Комптон-ефекту (так званий „синхротрон само-комптон”), густина енергії в спектрі описується формулою:

де Е – енергія випромінювання, Г – фотонний індекс, Е_с – експоненційний завал з боку високих енергій і К – нормалізацій на константа. Форму спектру, типову для радиотихих та радиогучних АЯГ показано нижче на рис. 1.

Рис. 1. – модельні спектри первинного випромінювання АЯГ

згідно спін-парадігми.
Згідно спін-парадигми, в рентгенівському спектрі радіогучного об’єкту має спостерігатися експоненційний завал на енергіях нижче 100 кеВ. Виникає цей завал завдяки тому, що найбільш високочастотне (рентгенівське та гама) синхротронне випромінювання генерується на внутрішній частині диску акреції (для синхротрону частота випромінювання , де - швидкість обертання частки, що випромінює, по орбіті радіусом навколо центрального масивного об’єкту), яка, отримуючи енергію з ергосфери НМЧД, руйнується і її матерія формує джети. Від цього залежить також профіль та інтенсивність лінії заліза 6.4 кеВ, так як вони визначаються мінімальним радіусом орбіти часток навколо центрального масивного об’єкту (чорної діри).

Нещодавно „спін-парадигму” було розширено Д.Гарофало із співавторами на випадок так званих „ретроградних систем” – йдеться про ситуацію, коли над масивна чорна діра має спін, що спрямований проти кутової швидкості обертання матерії, з якої складається диск акреції. Згідно цієї моделі у її найбільш сучасному вигляді – розширеної спін-парадигми (Гарофало із співавт. MNRAS 2010), якщо напрями обертових моментів акреційного диску і чорної діри співпадають, але акреційний диск має вищий обертовий момент, ніж чорна діра („випереджаючий проградний диск”), АЯГ матиме низький рівень випромінювання в радіодіапазоні і не матиме джетів; якщо момент обертання чорної діри вищий, ніж у диску акреції („відстаючий проградний диск”), АЯГ матиме середній рівень випромінювання в радіодіапазоні і слабкі джети. АЯГ, у якої напрями обертових моментів чорної діри та акреційного диску протилежні („ретроградний диск”), матиме найбільш потужне випромінювання в радіодіапазоні та виражені джети.

Втім, наслідок стосовно залежності форми спектру в жорсткому рентгені від конфігурації центральної частини АЯГ в такої моделі зберігається (Ho L.C. 2005, Astroph.& Sp.Sci., Vol.300, P.219; Merloni A., Fabian A. C. MNRAS, 2002, Vol.332, Is.1, P.165-175).

Все вищевказане дає декілька потенціальних можливостей перевірки спін-парадигми, і порівняння її з актуальними на даний час альтернативними моделями (і, водночас, ставить декілька спостережних завдань для з’ясування будови центральних частин АЯГ):

• 
  якщо радіогучність пов’язана із ефективністю акреції, і, отже, із швидкістю обертання НМЧД, процент РГ об’єктів серед усіх АЯГ має зростати із відстанню до них;
  
• 
  перевірка наявності зв’язку між світністю АЯГ в рентгенівському та гама-діапазонах, формою спектру (жорсткий або м’який) та радіогучністю може відповісти на питання, чи є ці параметри в дійсності пов’язані між собою, як це передбачає дана модель;
  
• 
  аналіз змінності форми профілю та інтенсивності емісійних ліній Fe-K може бути дуже інформативним, оскільки дозволяє відслідковувати зміни фізичних умов на внутрішньому краї акреційного диску.
  

Стосовно цього питання вже існує певна спостережна інформація, яка свідчить не на користь спін-парадигми: рентгенівські спостереження INTEGRAL, Swift, Suzaku та MAXI дозволили виявити радиотихі галактики Сейферта зі змінною формою спектру. В спектрі радиотихих галактик Сейферта IC 4329A (Gallimore J. та ін. 2006, AJ, Vol. 132, P.546,) та NGC 5506 (Soldi S. та ін. 2010, in: ``The Extreme Sky: Sampling the Universe above 10 keV'', arXiv:1001.4348) час від часу з’являється експоненційний завал на енергіях нижче 100 кеВ. Протиріччя між спостережуваною формою первинного рентгенівського спектру та наслідками спін-парадігми були виявлені також у радіотихих АЯГ Circinus galaxy (М.Moліна із співавт., MNRAS 2006) і GRS1734-292, а також радіогучної галактики 3C 390.3, в якої завалу на високих енергіях взагалі не було виявлено, (М. Moліна, 2009, тези канд. дисертації).

В даному циклі робіт виявлено ідентичну змінність у ще двох радиотихих галактик Сейферт - NGC 4388 і NGC 4945. Для аналізу форми первинного спектру АЯГ в рентгені та її змінності оброблено рентгенівські дані спостережень 16 активних ядер галактик (NGC 4388, NGC 4945, Q0957+561, Q2237+0305, вибірки з 11 радіогучних квазарів із червоним зміщенням z>1, блазара 3C 454.3) з борту космічних місій INTEGRAL, XMM-Newton та Swift. Проведено моделювання всіх сумарних рентгенівських спектрів, одержано параметри припасування (фотонні індекси, густини поглинаючої речовини на промені зору та ін.). Результати обробки рентгенівських даних по квазарах Q0957+561, Q2237+0305, вибірки з 11 радіогучних квазарів із червоним зміщенням z>1 не виявили змінності під час спостережень. Ці дані опубліковано у статтях „Рентгенівські властивості гравітаційно-лінзової системи Q0957+561 за даними спостережень XMM-Newton” (Вісник Київ. ун-ту. Астрономія. 2011. - №47.– С. 5-7) та "Q2237+0305 in X-rays: spectra and variability with XMM-Newton” (Astron. & Astroph., Vol. 490, Is. 3, 2008, pp.989-994), анонсовано тезами трьох вітчизняних конференцій [1, 2, 7].

Криві блиску NGC 4388, NGC 4945, 3C 454.3 демонструють змінність на часових масштабах місяців, причому змінність NGC 4388 та NGC 4945 в трьох різних діапазонах жорсткого рентгенівського спектру (20-40 кеВ, 40-60 кеВ та 60-100 кеВ) носить незкоррельований характер. Змінності на рентгенівських кривих блиску інших об’єктів за період спостережень виявлено не було. Виявлено, що спектр рентгенівського випромінювання галактик Сейферта NGC 4388 та NGC 4945 протирічить „спін-парадигмі”, тому що форма їх спектру в жорсткому рентгені (вище 10 кеВ) є змінною, причому трапляються як періоди із степеневим спектром із завалом вище 100 кеВ або без завалу, так і періоди із більш пласким спектром із експоненційним завалом нижче 100 кев, що вважається типовим для радіогучних об’єктів. Водночас, обробка даних XMM-Newton по NGC 4945 в м’якому рентгенів не виявила помітної змінності. Результати опубліковано у статтях „Studying the long-time variability of the Seyfert 2 galaxy NGC 4388 with INTEGRAL and Swift” (MNRAS, 2011, Vol. 417, Is.2, P. 1140–1147) та „Рентгенівські властивості активного ядра галактики NGC 4945 за даними двох спостережень XMM-Newton” (Вісник Київ. ун-ту. Фізика. 2010. - №10-11.– С. 87-90), працях конференції „Spectral variability in the Seyfert 2 galaxy NGC 4388” (Proceedings of science, 8^th INTEGRAL Workshop, http://pos.sissa.it/cgi-bin/reader/conf.cgi?confid=115) та „XMM-Newton observations of active galactic nucleus of NGC 4945” (WDS’ 09, Procs. Of Contrib. Papers, part III – Physics, Prague, 2009, eds. Safrankova J and Pavlu J., p.59-63), анонсовано тезами 1 закордонної та 2 вітчизняних конференцій.

Результати, одержані в даному циклі робіт, разом із вказаними вище результатами інших авторів (Сольді, Моліна, Галлімор) роблять актуальною задачею розробку альтернативних моделей будови „центральної машини” АЯГ. Найбільш перспективною альтернативною до спін-парадигми моделлю можна вважати модель подвійної чорної діри. В такій моделі окрім основної, надмасивної чорної діри, в „центральній машині” міститься чорна діра значно меншої (в 10-100 разів) маси, яка обертається навколо основної чорної діри, проходячи часс від часу кріз товщу диску акреції. Формування джетів в такій моделі керується припливною дією чорної дірки-компаньона на речовину диску акреції, завдяки чому утворюються два викиди у вигляді струменів – один в напрямі на компаньйон, інший в протилежному напрямі. Напрям викиду джетів залежить від того, під яким кутом компаньйон рухається по відношенню до площини акреційного диску. Роль магнітного поля в такій моделі менш важлива, ніж в моделі із одиночною надмасивною чорною дірою.

Утворитися такий об’єкт (подвійна чорна діра) міг в результаті зіткнення двох галактик (більш масивної та карликової). Відправною точкою для таких уявлень послугував згаданий вище факт, що абсолютна більшість радіогучних АЯГ знаходиться в еліптичних галактиках, які вважаються результатом злиття двох спіралевидних або дискоїдних об’єктів. Існування джетів в такій моделі пояснюється припливною дією чорної дірки – компаньйона на матерію акреційного диску.

При проходженні компаньйона крізь товщу диску мають виникати спалахи в усіх діапазонах довжин хвиль. На користь моделі (принаймні, для деякої частини радіогучних АЯГ, в першу чергу блазарів) свідчить виявлена у декількох об’єктів (OJ 287, 3С 454.3, AO 0235+16) змінність по типу періодичних яскравих спалахів, які спостерігаються в усіх довжинах хвиль від радіо до рентгену та гама-діапазонів. Виявлення ідентичної змінності у інших радіогучних об’єктів дозволило б підтвердити, що причиною явища радіогучності є подвійність чорної діри в центральній машині. В даному циклі робіт також проаналізовано результати спостережень блазара 3C 454.3, якій демонструє спалахоподібну змінність, описану вище.

Результати обробки рентгенівських даних по цьому об’єкту увійшли до складу статей „Multi-frequency studies of the non-stationary radiation of the blazar 3C 454.3” (Astronomy Reports, 2011, Volume 55, Issue 7, pp.608-615) та "Вспышечная активность блазара 3С454.3 в период 2004—2010 гг. от гамма- до радиодиапазонов длин волн” (Космічна наука і технологія. 2011. - Т. 17. - № 2. - С. 68–76), праць конференцій „Исследование активности блазара 3С454.3 в широком диапазоне длин волн” (Труды 10-й Гамовской конференции-школы. 2010. С.128-131. Астропринт).

Підпис автора _____________

Директор Астрономічної обсерваторії _______________ к. ф. –м. н. Єфіменко В. М.