Исследование Микроструктуры и Радиоспектров Активных Ядер Галактик

Оглавление
Введение 12
1 Методы РСДБ и их применение к исследованию многочастотной структуры объекта типа ВЬ ЬасегЧае 0716+714 19
1.1 Введение...................................................19
1.1.1 РСДБ и развитие современной науки....................19
1.1.2 Внегалактический объект 0716+714.....................21
1.2 Методы РСДБ наблюдений и их обработки......................24
1.2.1 Простой интерферометр, свертка изображения и функция видности...............................................24
1.2.2 Системы координат....................................29
1.2.3 Суточное вращение и траектории на (гг,-у) плоскости . 32
1.2.4 Частота интерференции и функции видности.............34
1.2.5 Параметры Стокса ....................................36
1.2.6 Интерферометр с круговой поляризацией антенн ... 37
1.2.7 Калибровка поляризационных РСДБ данных...............38
1.2.8 Проблемы апертурного синтеза и гибридное картографирование ..............................................39
1.3 Наблюдения 0716+714, обработка и их результаты.............44
1.3.1 Наблюдения...........................................44
1.3.2 Калибровка...........................................44
1.3.3 Результаты вторичной обработки.......................45
1.3.4 Мешала ли нам быстрая переменность?..................56
1.4 Обсуждение и анализ результатов............................58
1.4.1 Моделирование данных.................................58
1.4.2 Полный спектр 0716+714 и большие угловые масштабы 60
1.4.3 Направление развития струи...........................62
1.4.4 Движение компонента на А = 6 см .....................64
2
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
1.4.5 Спектральный анализ.................................65
1.4.6 Поляризация РСДБ ядра и структура магнитного ноля 69
1.4.7 Компонент К2 на карте линейной поляризации 1.3 см 71
1.4.8 Яркостная температура РСДБ ядер.....................71
1.4.9 Миллисекундная структура 0716+714 и общие свойства объектов типа BL Lacer tac 72
1.5 Выводы....................................................73
2 Компактность активных ядер галактик 75
2.1 Компактность 160 активных ядер галактик на 15 ГГц ... . 75
2.1.1 Введение............................................75
2.1.2 Характеристика наблюдательных данных................76
2.1.3 Методика анализа....................................77
2.1.4 Результаты и их Обсуждение .........................79
2.2 Сравнение интегральных и коррелированных плотностей потока на 2 и 8 ГГц............................................110
2.3 Выводы....................................................114
3 Наблюдения и анализ мгновенных спектров радиоизлучения компактных внегалактических объектов 117
3.1 Наблюдения мгновенных спектров 550 компактных внегалактических объектов в диапазоне 1-22 ГГц на радиотелескопе РАТАН-600 .............................................117
3.1.1 Введение...........................................117
3.1.2 Выборка источников ................................119
3.1.3 Наблюдения.........................................130
3.1.4 Обработка сканов и калибровка......................134
3.1.5 Результаты наблюдений .............................141
3.2 Статистический и модельный анализ мгновенных радиоспектров 550 компактных внегалактических объектов................167
3.2.1 Введение...........................................167
3.2.2 Используемые данные наблюдений.....................169
3.2.3 Результаты и их Обсуждение ........................170
3.3 Выводы....................................................182
4 Моделирование переменного радиоизлучения и микроструктуры активных ядер галактик и сравнение с наблюдениями 184
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
4.1 Поиск переменных квазаров и галактик, пригодных для космологических радиоизмерений: лацертида 0235+164 .......... 184
4.1.1 Введение............................................184
4.1.2 Отбор данных наблюдений.............................185
4.1.3 Методика численного расчёта.........................186
4.1.4 Аппроксимация наблюдений 0235+164 моделью . . . 188
4.1.5 Оценка физических параметров в модели
0235+164 .......................................... 190
4.2 Численное моделирование переменного многочастотного радиоизлучения и структуры квазара 2145+067 ................ 192
4.2.1 Используемые данные наблюдений......................193
4.2.2 Методика моделирования..............................194
4.2.3 Результаты модельной подгонки.......................195
4.2.4 Эволюция физических параметров......................196
4.2.5 Моделирование структуры и расстояние до объекта . 198
4.3 Модель активных галактических ядер с радиальным магнитным полем и переменность миллиметровых радиоспектров 200
4.3.1 Введение............................................200
4.3.2 Спокойные спектры...................................201
4.3.3 Спектры всплесков...................................205
4.4 Диаграмма направленности синхротронного излучения струи
в модели радиального магнитного поля ......................208
4.4.1 Введение............................................208
4.4.2 Методика расчета....................................210
4.4.3 Результаты расчёта..................................210
4.4.4 Обсуждение результатов..............................212
4.5 Численное моделирование радиоизображений струйных выбросов из активных ядер галактик......................214
4.5.1 Введение............................................214
4.5.2 Методика расчёта....................................215
4.5.3 Результаты расчёта и их обсуждение..................217
4.5.4 Сравнение с наблюдениями ...........................221
4.5.5 О проблемах модельной интерпретации ................224
4.6 Сильные радиовспышки в 1997-1998 годах в 6 активных ядрах галактик, отобранных для РСДБ исследований .... 225
4.6.1 Наблюдения мгновенных спектров в диапазоне 1-22
ГГц для 5 эпох на РАТАН-600 ....................... 225
4.6.2 Спокойные спектры и эволюция вспышек................226
ОГЛАВЛЕНИЕ 5
4.6.3 Сильная вспышка в объекте типа ВЬ ЬасеИае 0235+164
на 1-230 ГГц...................................228
4.7 Выводы...............................................230
Заключение 234
Литература 238
Список рисунков
1.1 Схема простого 2-х элементного суммирующего (а) и умножающего (б) интерферометра..................................25
1.2 Диаграмма направленности для простого 2-х элементного суммирующего (а) и умножающего (б) интерферометра. ... 26
1.3 Отклик суммирующего (а) и корреляционного (б) интерферометров на прохождение через его одномерную диаграмму направленности радиоисточника....................................27
1.4 Геометрические соотношения между наблюдаемым объектом и интерферометром.......................................29
1.5 Проекция небесной сферы на плоскость (у, ги).................31
1.6 Заполнение {и, у)- плоскости для 6 см РСДБ эксперимента
(/)..........................................................45
1.7 Карты полной интенсивности и линейной поляризации 0716-1-714 для эксперимента с мировой РСДБ сетью на 6 см...............46
1.8 Заполнение (и, у) плоскости для 3.6 см (а) и 1.35 см (б) УЬВА эксперимента (/).......................................49
1.9 Карты полной интенсивности и линейной поляризации 0716+714 для эксперимента с сетью УЬВА на 3.6 см.....................50
1.10 Карты полной интенсивности и линейной поляризации 0716+714 для эксперимента с сетью УЬВА на 1.35 см....................53
1.11 Результаты УЬА измерений излучения от источника 0716+714
на эпоху 1991.43............................................ 57
1.12 Усреднённый спектр источника 0716+714 на эпоху 1994.22. . 61
1.13 Мгновенные спектры 0716+714, измеренные в 1998 году на РАТАН-600 ................................................. 62
1.14 Изменение параметров компонента А во времени на Л — 6 см. 63
6
СПИСОК РИСУНКОВ 7
2.1 Гистограмма распределения объектов по красному смещению 2:.....................................................77
2.2 Гистограмма распределения объектов по 7^, Кс, ДГ"1. . . 81
2.3 Гистограммы распределений объектов по индексам компактности Д/Р*, Рс/Рг, и зависимость компактности от
красного смещения г.........................................82
2.4 Зависимость индекса компактности Рс/Д от индекса компактности рь/р3............................................86
2.5 Гистограммы распределения объектов по оценкам яркост-
ных температур ядер.........................................88
2.6 Зависимость индексов компактности объектов от потоков Р8
и ^.........................................................89
2.7 Зависимость плотностей потока излучения объектов Р8,
Рс от красного смещения.....................................90
2.8 Зависимость потока Д от Рс и Рс от Д........................91
2.9 Гистограммы, характеризующие переменность параметров
моделей ядер................................................93
2.10 Гистограммы распределения изображений объектов по углу, равному разнице между позиционным углом большей оси эллипса модели ядра и позиционным углом направления развития струи; зависимость этого угла от красного смещения. 94
2.11 Гистограмма распределения по углу, равному разнице между позиционным углом большей оси эллипса модели ядра и позиционным углом большей оси эллипса диаграммы на-
правленности УЪВА.............................................95
2.12 Гистограммы и зависимости для параметров моделей ядер
и диаграмм направленности УЫЗА............................96
2.13 Гистограммы распределения по угловому размеру диаграммы направленности УЬВА вдоль направления малой оси эллипса модели для объектов, у которых эта ось не была разрешена..........................................................97
2.14 Зависимость ^соге, 0та^, втт, вт\п/@т&] от красного смещения. 98
2.15 Зависимость Ть от красного смещения г. Нанесены данные
для каждой эпохи наблюдения каждого источника.................99
2.16 Коррелированная плотность потока в зависимости от проекции базы на картинную плоскость Ііиу. Для каждого источника приведены данные для той эпохи наблюдений, когда
Рс — максимальна.............................................101
СПИСОК РИСУНКОВ
8
2.17 Пример переменности во времени для зависимости коррелированного потока от (и,у) радиуса для семи источников. 109
2.18 Зависимость полного потока с масштабов миллисекунд дуги от полного потока, измеренного на РАТАН-600 на 2.3 (а) и
8 (б) ГГц.................................................111
3.1 Пример полной записи (скана) для объекта 4С 39.25 ........ 133
3.2 Пример подгонки моделируемой диаграммы направленности Северного сектора РАТАН-600 к отклику на источник
для наблюдения 4С 39.25 ................................. 135
3.3 Калибровочный коэффициент Яса1 в зависимости от высоты
Н на всех длинах волн.....................................137
3.4 Сравнение наших и чужих опубликованных наблюдательных данных для некоторых слабопеременных ярких радиоисточников.....................................................140
3.5 Измеренные мгновенные спектры 546 компактных объектов 142
3.6 Гистограмма распределения источников по красному смещению г...................................................169
3.7 Интерпретация разных типов мгновенных спектров суммой 2-ух “основных” спектров..................................171
3.8 Статистика спектральных параметров Л, В, С.................174
3.9 Гистограммы распределений источников по двухчастотному спектральному индексу..................................176
3.10 Средние формы мгновенных спектров ........................180
4.1 Квазиодновременные спектры 0235+164 ...................... 189
4.2 Относительное изменение во времени подгоняемых параметров модели 0235+164 .................................... 191
4.3 Относительное изменение во времени физических параметров модели 0235+164 .................................... 192
4.4 Изменение во времени граничных подгоночных параметров модели для 2145+067 ..................................... 195
4.5 Результаты численного моделирования переменного многочастотного радиоизлучения и структуры квазара 2145+067. 196
4.6 Результаты численного моделирования переменного радиоизлучения 2145+067 на частотах ниже 5 ГГц.................197
4.7 Изменение во времени физических параметров модели для 2145+067 ................................................ 198
СПИСОК РИСУНКОВ
9
4.8 “Спокойные” спектры 11 источников...........................202
4.9 Спектры 12 всплесков в 11 источниках после вычитания из измеренных потоков “спокойных” уровней, соответствующих спектрам на рис. 4.8.......................................206
4.10 Многочастотная диаграмма направленности излучения узкой струи..................................................211
4.11 Модельная структура полностью развитой стационарной струи
в зависимости от частоты...................................218
4.12 Пример изображения струи в модели в интенсивности и линейной поляризации на двух частотах, спектры излучения полностью развитой стационарно излучающей струи.................219
4.13 Изображение полностью развитой стационарной струи, построенное для сравнения со структурой объекта 04544-84 . . 222
4.14 Пример структуры нестационарно излучающей струи .... 223
4.15 Вспышечная переменность спектров шести активных ядер галактик, отобранных для РСДБ исследований, по измере-ням на РАТАН-600............................................... 226
4.16 Радиоперемеиность лацертиды 0235+164 на 1-230 ГГц в 1997-1998 годах.................................................229
Список таблиц
1.1 Параметры моделей карт 0716+714............................59
1.2 Параметры компонента А (А = 6 см), пересчитанные на эпоху 1994.22............................................... 65
1.3 Спектральные индексы о, ~ Vе*..............................67
1.4 Оценка яркостной температуры РСДБ ядер.....................72
2.1 Пример автоматической подгонки для п-компонентной модели (приведено для квазара ЗС 273)...................... 79
2.2 Параметры источников. Для каждого источника результаты представлены для той эпохи наблюдения, для которой оцененная яркостная температура ядра максимальна...............83
2.3 Средние значения для определённых параметров карт источников, с формально посчитанными ошибками среднего. . 100
3.1 Выборка 550 компактных внегалактических объектов 120
3.2 Параметры широкополосных приёмников РАТАН-600 в 1997 году, использованных нами в наблюдениях..................131
3.3 Измеренные и оценённые ширины и отношения г для диаграммы направленности Северного сектора РАТАН-600 со вторичным зеркалом №1 для разных длин волн Л и высот Н 132
3.4 Параметры калибровочных источников: спектральная плотность потока, Ян, и коэффициенты коррекции за разрешение де^ и за поляризацию дро\ (сверху вниз)...................136
3.5 Результаты мгновенных 6-частотных наблюдений 550 объектов на радиотелескопе РАТАН-600....................... 158
3.6 Вероятности корреляции между спектральными параметрами А:В,С.................................................174
10
СПИСОК ТАБЛИЦ
11
3.7 Средние значения спектральных параметров и их формально посчитанные ошибки (в скобках) для разных типов объектов........................................................175
3.8 Величина коэффициента к (и её ошибки в скобках) для линейной аппроксимации вида а = к lg(F2.3) + Ь............177
3.9 Статистика Колмогорова-Смирнова для сравнения гистограмм распределений объектов разных типов по спектральным параметрам...............................................178
4.1 Вычисленные значения критерия согласия х2 Для рассматриваемых эпох..........................................188
4.2 Используемые данные наблюдений переменности потока излучения 2145+067 во времени на частотах от 0.3 до 37 ГГц. . 193
4.3 Результаты интерпретации “спокойных” спектров............204
4.4 Результаты аппроксимации моделью спектров всплесков . . 205
4.5 Ширина диаграммы направленности релятивистской струи
и угол наблюдения максимума ДН для 7 = 2.5..............212
Введение
Актуальность темы. Радиоастрономические исследования структуры ядер активных галактик и их переменности начались около 35-ти лет назад, но только в последние годы стало доступным получение полноценных, подробных и высококачественных радиоспектров и радиоизображений для сотен внегалактических источников. Это произошло, в основном, по двум причинам: из-за улучшения чувствительности и углового разрешения новых радиотелескопов и создания систем апертурного синтеза, включая глобальную интерферометрическую сеть. Роль радиоастрономии в исследовании компактных объектов невозможно переоценить, так как именно методика РСДВ позволяет достичь углового разрешения на Земле в десятки микросекунд, а разработка и запуск космических радиотелескопов позволят сделать следующий качественный скачок в угловом разрешении.
Изучение галактик позволило выявить два основных возможных процесса активности: активность в ядре, обусловленная наличием сверхмас-сивной черной дыры, и/или вспышка звездообразования в галактике. Работа связана, в основном, с изучением первого процесса.
Излучение нетеплового спектра компактных ядер активных галактик, его переменность и наблюдаемые сверхсветовые движения объясняются синхротронным механизмом излучения релятивистских частиц, ускоряемых в окрестностях сверхмассивной черной дыры. Представляет интерес выбор между конкретными физическими моделями возникновения и излучения релятивистских струй, исследование феномена быстрой переменности в радиодиапазоне, уверенно подтвержденного только в последние годы. Данные рентгеновского и гамма диапазонов привели к новой задаче: построение модели излучения этих объектов в разных диапазонах электромагнитного спектра. Крайне интересным представляется изучение различий между найденными классами объектов, связанных со
12
ВВЕДЕНИЕ
13
сверхмассивной черной дырой (радиогалактики, квазары, лацертиды, источники с сильным рентгеновским и гамма излучением). Комплексные многочастотные исследования структуры и спектров, использующие наблюдения на РСДБ сетях и на одиночных антеннах, позволят сделать конкретные выводы о физике процессов в этих компактных объектах. Только сейчас становится возможным проводить полноценный, значимый статистический анализ характеристик большого количества внегалактических объектов, наблюдаемых на одиночных антеннах и интерферометрах (спектры, компактная и протяженная радиоструктура, их переменность и поляризация). Таким образом, астрономы получают возможность пользоваться мощным методом при комплексном изучении внегалактических объектов разных типов — статистически исследовать ранее недоступные большие выборки на многих частотах.
Целью работы является многочастотное исследование компактных внегалактических радиоисточников, активных ядер галактик: постоянных и переменных спектров, угловой микроструктуры и их взаимосвязи. Основу исследований образуют новые данные наблюдений, полученные с участием автора на радиотелескопе РАТАН-600, обработанные автором данные наблюдений на РСДБ сетях и результаты наблюдений других авторов как на одиночных антеннах, так и с использованием метода РСДБ. Наблюдательные свойства исследуются с помощью статистического анализа и сравнения с расчетами, проведенными для известных моделей релятивистских струй.
Научная новизна работы. Все основные научные результаты, вынесенные на защиту, являются новыми. В частности, трехчастотные РСДБ карты линейной поляризации объекта типа BL Lacertae 0716+714 получены впервые. Впервые на одном радиотелескопе проведен обзор мгновенных широкополосных спектров в диапазоне 1—22 ГГц на 6-ти частотах для 550 компактных внегалактических радиоисточников. Каждый спектр на всех частотах измерен практически одновременно — в течение нескольких минут. На данный момент это наиболее короткий временной интервал 6-ти частотных измерений, использованный для наиболее полного массового обзора широкополосных спектров компактных внегалактических объектов. Результаты анализа этого обзора являются новыми и одними из наиболее достоверных, так как на них не оказывал влияния эффект возможного искажения спектров из-за пеодновременности измерений. Анализ физической модели, предложенной Кардашевым (1969), и ее приложений к наблюдениям проводился ранее во многих работах. Но-
ВВЕДЕНИЕ
14
визна представленных в диссертации результатов по этой модели определяется анализом новых, ранее не рассмотренных вопросов — диаграммы направленности и радиоизображений стационарных и переменных источников, а также распространением вывода других работ о возможности объяснения моделью наблюдений переменных объектов па новые источники — как переменного, так и квазистационарного излучения.
Научная и практическая ценность работы. Полученные результаты наблюдений и анализа ядер активных галактик могут быть использованы в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях в области внегалактической астрономии. Таблицу с определенными параметрами компактных источников можно использовать при подготовке списков источников для наблюдений на РСДБ системах (с космическим интерферометром, в частности). Представленные данные наблюдений широкополосных спектров — для проверки и/или калибровки наблюдений на одиночных антеннах. Полученный список источников, для которых обнаружена незначительная разница между интегральным потоком излучения с площадки диаметром в миллисекунды дуги и потоком, регистрируемым одиночными антеннами, рекомендуется к использованию для калибровки и/или проверки калибровки РСДБ экспериментов. Полученные мгновенные спектры излучения 550 компактных внегалактических объектов можно использовать для целей создания инерциальной системы отсчета на основе компактных внегалактических объектов (как для отбора источников, так и для исследования их свойств). Результаты обзора спектров являются частью нового массового комплексного исследования компактных внегалактических объектов, основанного на периодических измерениях спектров 550 объектов, начатых АКЦ ФИАН на РАТАН-600 в 1997 году. Благодаря полноте и статистической значимости выборки, периодические кооперативные измерения и анализ поведения спектров и микроструктуры этих источников позволят более полно исследовать в будущем природу объектов и причины их постоянного и переменного радиоизлучения.
Личный вклад автора в совместные работы. Восемь работ [1,2,3,4,6,7, 11,12] из 13 публикаций, перечисленных в Списке публикаций по теме диссертации, выполнены в соавторстве. Во всех совместных работах автор диссертации участвовал в постановке задачи и обсуждении полученных результатов. Кроме этого, личный вклад заключался в следующем.
1. Работа [1]. Анализ данных УЬВА обзора при помощи разработанных автором программных средств, моделирование карт с использованием па-
ВВЕДЕНИЕ
15
кета difmap.
2. Работа [3]. Сравнительный статистический анализ данных, полученных с помощью РАТАН-600 и VLB А.
3. Работа [7]. Участие в обработке и анализе данных РСДБ измерений.
4. Работы [2,4,6]. Подготовка ежедневных электронных заданий и текущий контроль результатов наблюдений на РАТАН-600. Проведение около 40% всех измерений мгновенных спектров в качестве дежурного наблюдателя. Участие в разработке программного обеспечения, используемого при обработке наблюдений, обработка всех наблюдательных данных в диапазоне 1-22 ГГц, кроме обработки калибраторов и получения калибровочной зависимости.
5. Работы [4,6,11,12]. Разработка пакета программ и проведение с его помощью статистического анализа и модельной интерпретации результатов наблюдений.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав и Заключения. Содержит 58 рисунков, 21 таблицу, и библиографию из 185 наименований. Общий объем составляет 250 страниц, включая рисунки, таблицы и библиографию.
Апробация результатов. Результаты, изложенные в диссертации, обсуждались автором на семинарах АКЦ ФИ АН, РАТАН-600, РТ-22 КрАО, на. кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на около 40 конференциях. В частности, результаты диссертации обсуждались и опубликованы в трудах следующих конференций.
1. IAU Symposium 159, “Active Galactic Nuclei across the Electromagnetic Spectrum”, Женева, Швейцария (1993).
2. IAU Symposium 175, “Extragalactic radio sources”, Болонья, Италия
(1995).
3. IAU Colloquium 164, “Radio Emission from Galactic and Extragalactic Compact Sources”, Сокорро, США (1997).
4. IAU Symposium 194, “Activity in galaxies and related phenomena”, Бю-ракан, Армения (1998).
5. “BL Lac Phenomenon Meeting”, Турку, Финляндия (1998).
6. 17th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, Мюнхен, Германия (1994).
7. Международные конференции памяти Гамова, Одесса, Украина (1994,
1999).
8. “Современные проблемы астрофизики”, Одесса, Украина (1996).
ВВЕДЕНИЕ
16
9. “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, Пущино (1998, 2000).
10. “Астрофизика на рубеже веков”. Пущино (1999).
11. XXV (1993), XXVI (1995), XXVII (1997) Всероссийские радиоастрономические конференции.
12. Международная конференция памяти трех выдающихся астрофизиков: Шкловского, Каплана и Пикельнера, ГАИШ, Москва (1996).
13. Научные сессии АКЦ ФИАН, Пущино (1996, 1997, 1998, 1999, 2000).
14. “The Young European Radio Astronomers Conference”: Кембридж, Великобритания, (1994); Римини, Италия (1996).
15. Международные конференции студентов-физиков: Санкт-Петербург, Россия (1994), Копенгаген, Дания (1995); Сегед, Венгрия (1996); Вена, Австрия (1997).
16. Зимняя астрономическая школа, Коуровка, УрГУ (1994, 1995, 1996, 2000).
17. Всероссийская научная конференция студентов-физиков, УрГУ, Екатеринбург, Заречный (1994, 1995, 1996).
18. Открытая конференция молодых ученых, физический факультет Киевского Университета им. Тараса Шевченко, Украина (1997, 1998). Список публикаций по теме диссертации Результаты автора по
теме диссертации опубликованы в научных журналах и в трудах около 40
упомянутых выше конференций. Основные результаты диссертации суммированы в следующих 13 работах.
1. Ковалев Ю.Ю., Кардашев Н.С., “Компактность активных ядер галактик”, Препринт ФИАН № 21, 2000.
2. Kovalev Y.Y., Nizhelsky N.A., Kovalev Yu.A., Berlin A.В., Zhekanis G.V., Mingaliev M.G., Bogdantsov A.V., “Survey of Instantaneous 1-22 GHz Spectra of 550 Compact Extragalactic Objects with Declinations from —30° to +43°”, 1999, Astron. Astrophys. Supply v. 139, p. 545.
3. Попов M.B., Ковалев Ю.Ю., “Статистический анализ радиовыбросов в квазарах”, 1999, Астрой, эюурнт. 76, с. 643.
4. Kovalev Y.Y., Nizhelsky N.A., Kovalev Yu. A., Sidorenkov V.N., Mingaliev M.G., Bogdantsov A.V., “Monitoring of 1-22 GHz instantaneous spectra of 550 compact extragalactic objects in 1997-1998”, 1999, ASP Conf. Ser., IAU194, p. 177.
ВВЕДЕНИЕ
17
5. Kovalev Y.Y., “Strong Radio Outbursts in Six Active Galactic Nuclei in 1997-1998”, 1999, ASP Conf. Ser., IAU194, p. 418.
6. Kovalev Y.Y., Terasranta H., Tornikoski M, Valtaoja E., “Strong Flare in the BL Lacertae Object 0235+164 at 1-230 GHz in 1997-1998”, 1999, ASP Conf. Ser., v. 159, p. 65.
7. Gabuzda D.C., Kovalev Y.Y., Krichbaum T.P., Alef W., Kraus A., Witzel A., Quirrenbach A. “VLBI polarization observations of the rapidly variable BL Lacertae object BL 0716+714”, 1998, Astron. Astrophys., v. 333, p. 445; Ковалев 10.TO., “Исследование многочастотной структуры объекта типа BL Lacertae 0716+714 методами РСДБ”, Дипломная работа, ГАИШ МГУ, 1997.
8. Kovalev Y.Y., “Simulation of the Variable Multifrequency Radio Emission and Structure for the Quasar 2145+067”, 1996, in ‘Extragalactic radio sources\ eds. R.D. Ekers, C. Fanti, L. Padrielli, КАР, p. 487.
9. Kovalev Y.Y., “Structure of Active Galactic Nuclei in a model with the radial magnetic field”, 1995, in: XXVIIth YERAC meeting, eds.
D. A. Green and W. Steffen, Cambridge University Press (electronic proc., http://www.mrao.cam.ac.uk/yerac/kovalev/kovalev.html).
10. Ковалев IO.IO., “Радиоизображение струйных выбросов в активных галактических ядрах: сильная деполяризация?”, 1994, Тезисы докладов конференции Астрофизика и космология после Гамова \ Москва: Космосинформ, с. 17.
11. Ковалев Ю.Ю., Ларионов Г.М., “Поиск переменных квазаров и галактик, пригодных для космологических радиоизмерений: квазар 02354-16”, 1994, Письма в Астрой, жури., т. 20, с. 7.
12. Нестеров Н.С., Ковалев Ю.Ю., Бабак С.В., Ларионов Г.М., “Модель активных галактических ядер с радиальным магнитным нолем и переменность миллиметровых радиоспектров”, 1994, Астрой, жури., т. 71, с. 850.
13. Ковалев Ю.Ю., “Диаграмма направленности синхротронного излучения плазменной струи в радиальном магнитном поле”, 1994, Астрой, жури., т. 71, с. 846.
ВВЕДЕНИЕ
18
Более подробно рассмотрение современного состояния исследований по тому или иному вопросу, а также постановка задачи даются во введениях к соответствующим разделам диссертации. В Главе 1 дан обзор основных принципов РСДБ наблюдений и их обработки, проведено исследование многочастотной структуры объекта типа ВЬ Ьасег1ае 0716+714 методами РСДБ. В Главе 2 исследована компактность 160 активных ядер галактик на 15 ГГц и 20 ядер — на 8 и 2.3 ГГц при использовании данных наблюдений системы апертурного синтеза УЬВА и наблюдений одиночных антенн. В Главе 3 представлены результаты наблюдений на РАТАН-600 и анализа мгновенных спектров 550 компактных внегалактических объектов в диапазоне 1-22 ГГц. В Главе 4 проведено моделирование переменного радиоизлучения и микроструктуры отдельных активных ядер галактик и сравнение результатов моделирования с наблюдениями. Основные результаты Главы 1 опубликованы в работе [7]. Главы 2 — в
[1,3], Главы 3 — в [2,4], Главы 4 — в [5,6,8-13] из Списка публикаций по теме диссертации, приведенного выше. Основные результаты, выносимые на защиту, суммированы в Заключении.
Глава 1
Методы РСДБ и их применение к исследованию многочастотной структуры объекта типа BL Lacertae 0716+714
1.1 Введение
1.1.1 РСДБ и развитие современной науки
Вплоть до середины XX столетия астрономические наблюдения космических объектов с высоким разрешением велись только в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. Сооружение в конце 60-х и на протяжении 70-х годов больших систем апертурного синтеза с кабельными линиями связи в Кембридже (Великобритания), Вестерборке (Нидерланды), Грин Бэнке (США), и особенно, системы VLA (Very Large Array, вблизи Сокорро, США) привело к значительному улучшению разрешения (< 1") и чувствительности (до 10 мкЯн) в радиодиапазоне. Несколько лучшее разрешение достигается только на некоторых крупнейших современных оптических телескопах (например, на телескопе им. Хаббла). Интерферометр с радиорелейной линией связи впервые был использован в обсерватории Джодрелл Бэнк (Великобритания). Максимальные базы в сот-
19
ГЛАВА 1. Исследование BL 0716+714 методами PC ДБ
20
ни километров инструмента с симпатичным названием MERLIN (Multi-Element Radio-Linked Interferometr) дали возможность получать изображения с угловым разрешением порядка O'/Ol-O'.'l.
С появлением идеи радиоинтерферометра со сверхдлинными базами (РСДБ) радиоастрономия стала абсолютным лидером по угловому разрешению. В некоторых современных РСДБ экспериментах удаётся достичь разрешения лучше одной десятой миллисекунды дуги (ср. с разрешением космического оптического телескопа им. Хаббла. около СУ' 1)! Только в последние годы начинают появляться оптические интерферометрические системы или проекты таковых, которые должны будут иметь сравнимое разрешение.
Впервые независимое когерентное преобразование сигналов на радиотелескопах, участвующих в эксперименте, и регистрация их на магнитофонах с последующей обработкой на ЭВМ были предложены в 1965 году советскими учёными Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым и Г.Б. Шо-ломицким (1965). Эта идея позволяет включаться в РСДБ любому количеству произвольно расположенных на Земном шаре антенн, при этом достигается разрешение порядка отношения длины волны наблюдения к диаметру Земли. Довольно подробное и интересное описание Советско-Американского сотрудничества в области РСДБ привёл К. Келлерманн
(1996). Общая концепция РСДБ заключается в следующем. Ha. N антеннах одновременно проводятся наблюдения одного и того же объекта, амплитуда и фаза принимаемого сигнала независимо записываются на магнитофоны. Ленты с данными свозятся в корреляционный центр, где производится попарная корреляция данных от каждой антенны друг с другом (всего N(N — 1)/2 пар). После этого проводится калибровка данных и вторичная обработка.
Сегодня в мире существует три более или менее организованных системы РСДБ для проведения наблюдений структуры космических объектов — европейская, австралийская и американская сети. Только последняя из перечисленных, система VLB А, разработана в США специально для РСДБ экспериментов. Для неё специально продумывались наиболее выгодные положения РСДБ пунктов, строились практически одинаковые антенны, и др. Только она работает круглогодично с целью проведения РСДБ сеансов.
Уже запущен в космос первый спутник с радиотелескопом диаметром 8 метров но японскому проекту VSOP (см., например, Хирабаяши и др., 1998), и в будущем планируется запуск спутника с радиотелескопом диаметром
ГЛАВА 1. Исследование ВЬ 0716+714 методами РСДБ
21
10 метров по проекту РадиоАстрон (см., например, Андреянов и др., 1986), головная организация — АКЦ ФИАН, Москва. Космические телескопы в этих проектах используются как одна из антенн наземно-космической РСДБ сети. В проекте УБОР достигается разрешение в 2.5-3 раза лучшее, чем максимально возможное на Земле. Относительно небольшой выигрыш в разрешении с одной стороны позволяет получать удовлетворительное покрытие (гг,г») плоскости1 и неплохой динамический диапазон результирующих карт. В проекте РадиоАстрон астрономы надеются получить фантастическое разрешение (лучше 40 микросекунд дуги), определяемое выбранной орбитой спутника.
Разрешение порядка миллисекунды дуги позволяет изучать наиболее компактные области источников космического излучения. У компактных внегалактических объектов (квазаров и активных ядер галактик) удаётся исследовать релятивистские струи на парсековых масштабах, области, наиболее близко находящиеся от ядра галактики (предположительно, сверхмассивной чёрной дыры). Успешное исследование физики компактных струй, такие обнаруженные эффекты, как сверхсветовой разлёт компонентов, большие яркостные температуры (значительно выше комптоновского предела в 1012 К), применение РСДБ наблюдений внегалактических объектов для построения инерциальной системы отсчёта, использование результатов в космологии характеризуют РСДБ как один из наиболее эффективных методов современной астрономии. Его интенсивное развитие сегодня предполагает ещё более широкое применение в будущем, появление новых интересных результатов.
1.1.2 Внегалактический объект 0716+714
В настоящей Главе используются возможности современного РСДБ (мировой РСДБ сети и сети \'ЪВА) для исследования крайне интересного своими свойствами объекта типа ВЬ Ьасег^ае 0716+714.
Одной из первых работ, в которой было проведено довольно полное многочастотиое исследование излучения, приходящего от 0716+714, была публикация Бирмана и др. (1981). Авторы построили комбинированный спектр объекта, состоящий из точек в радио, оптическом, улътрафиоле-
43 РСДБ эксперименте (гг,г>) плоскость с идеально полным покрытием моделирует ноображаемую тарелку гигантского радиотелескопа с размером около диаметра Земли (или даже больше в случае иаземио-космических экспериментов). Положение точек на (гг,г;) плоскости отражает параметры векторов баз элементарных интерферометров.
ГЛАВА 1. Исследование ВЬ 0716+714 методами РСДБ
22
товом и рентгеновском диапазонах. Бирман и др. (1981) идентифицировали источник 0716+714 как объект типа ВЬ ЬасегЬае, так как не было обнаружено эмиссионных линий в оптическом спектре. Высокой оказалась степень линейной поляризации излучения в оптическом диапазоне (13.9 ± 1.2 % вдоль направления х = 1Н1 ± 2?4 и 28.6 ± 0.3 % вдоль направления х = 162?5 + 0?3), источник оказался сильно переменным.
Перлей и др. (1980) впервые опубликовали результаты УЬА наблюдений этого источника на 20 и 6 см. Наблюдалось неразрешённое УЬА ядро и “радиоуши” на северо-западе и юго-востоке от ядра (размеры ~ 7"). На 20 см карте северо-западное “ухо” превосходит второе и по интегральному потоку излучения и но угловым размерам (данная тенденция на 6 см сохранится и в более поздних УЬА картах). На 6 см северо-западное образование отсутствует, зато юго-восточное простирается на масштабы около 15". Отметим, что степень линейной поляризации УЬА ядра на 6 см оказалась равной р = 1.1%, позиционный угол поляризации УЬА ядра -81°.
Более поздние данные УЬА наблюдений структуры источника 0716+714 опубликованы, в частности, в статьях Антопучи и др. (1986, карта полной интенсивности на 20 см, эпоха 1985.1, протяжённые образования простираются симметрично относительно оси с позиционным углом £3 30°); Саикиа и др. (1987, карты полной и поляризованной интенсивности на 20 и 6 см, эпоха 1985.1, поляризация УЬА ядра р ж 6% на 20, 18, 6 и 2 см картах, это значение может увеличиваться до 30% в “радиоушах” на 20 см); Вагнер и др. (1996, карты полной и поляризованной интенсивности на 6 и 3.6 см, эпоха 1990.1, наблюдается та же структура протяжённых образований, позиционный угол поляризации лежит около значения 0°).
Экарт и др. (1987) опубликовали результаты наблюдений полной интенсивности на миллисекундных масштабах 0716+714 на А = 18, 6 и 1.35 см. Полная информация с результатами их моделирования представлена в табл. 1.1. В обзоре Ксу и др. (1995) можно видеть карту этого объекта на масштабах десятков миллисекунд дуги (Л = 6 см), где наблюдается слабое уярчение на расстоянии около 10 миллисекунд от ядра с обычным для этого объекта позиционным углом (см. ниже) около 15°.
Для анализа природы переменности спектров и структуры крайне важно знать красное смещение г источника 0716+714. К сожалению, ни одна из попыток определения г не увенчалась успехом. Стикель и др. (1993) представили изображение этого объекта в К фильтре (600 нм). Рядом с ним, на расстоянии 27" и 56" наблюдаются галактики, обозначенные С1
ГЛАВА 1. Исследование ВЬ 07164-714 методами РСДБ
23
и с красным смещением -г 0.26. Никакие наблюдения (Стикель и др., 1993; Вагнер и др., 1996) не смогли подтвердить наличие родительской галактики. Никаких эмиссионных линий в оптическом спектре не обнаружено (Бирман и др., 1981; Стикель и др., 1993). Отсутствие родительской галактики исключает из рассмотрения расстояния для г < 0.25. Вагнер и др. (1996) предлагают использовать оценку г > 0.3 для красного смещения 0716+714. В этом случае предполагаемая родительская галактика должна быть ярче М = —20.4 абсолютной звёздной величины.
Перейдём, наконец, к заключительной части введения, к самому интригующему свойству источника. Оказывается, этот внегалактический объект является одним из нескольких на сегодняшний день достоверно известных источников, обладающих быстрой переменностью на масштабах от часов до дней (см. обзор Вагнера и Витзеля, 1995). Основные результаты наблюдений и анализа этого феномена для 0716+714 можно видеть в работах Куирренбаха и др. (1989, 1991), Каппи и др. (1994), Хайдта и Вагнера (1996), Куана и др. (1996), Вагнера и др. (1996). Суммируем основные выводы. Источник — сильнопеременный на всех частотах, характерный период переменности — около одних суток. Обнаружена корреляция быстрой переменности между данными на разных частотных интервалах. Наблюдается корреляция для радио-оптических данных (в том числе, одновременное переключение “режимов” переменности), что ставит крест на интерпретации быстрой переменности посредством межзвёздных мерцаний. Найдена тесная корреляция между спектральным индексом (5-8.4 ГГц) и плотностью потока в оптике, что указывает на увеличение оптической толщи источника в низкочастотной части синхро-тронного спектра во время периодов большого потока оптического излучения. Многие аргументы говорят и против гипотезы о гравитационном микролинзировании. Предположение о внутренних причинах быстрой переменности приводит к невозможно большим яркостиым температурам и требует слишком большого коэффициента усиления за счёт релятивистского уярчения, чтобы избежать комптоновской катастрофы.
На сегодняшний день вопрос об интерпретации быстрой переменности остаётся открытым, большинство авторов склоняются к мысли о внутренних причинах этого явления. Поэтому так важно и интересно исследовать миллисекундную структуру объекта 0716+714.