Содержание
Список иллюстраций............................................. v
Список таблиц............................................. vii
1 Введение 1
1.1 Объекты типа BL Lac. Открытие ............................ 1
1.2 Наблюдаемые свойства...................................... 3
1.2.1 Переменность........................................ 3
1.2.1.1 Радиодиапазоы.............................. 4
1.2.1.2 Оптический и ИК-диапазон................... 6
1.2.1.3 U V-диапазон............................... 7
1.2.1.4 Рентгеновский диапазон..................... 8
1.2.1.5 Гам ма- диапазон.........‘................. 9
1.2.2 Спектральные линии................................. 11
1.2.3 Хозяйские галактики и окружение.................... 13
1.2.4 Радиоструктура..................................... 17
1.2.4.1 Килопарсековые масштабы, FRI источники 17
1.2.4.2 Парсековые масштабы....................... 20
1.3 Гравитационное микролинзирование ........................ 22
1.4 Выборки объектов типа BL Lac............................. 24
1.4.1 Рентгеновские выборки.............................. 24
1.4.2 Оптические выборки................................. 25
1.4.3 Радиовыборки. Выборка Кура и Шмидта ....... 26
1.5 Мотивация и цели работы.................................. 27
1.6 Состав диссертации....................................... 30
i
2 РСДБ-наблюдения и обработка данных 32
2.1 История развития PC ДБ................................. 32
2.2 РСДБ как основной инструмент изучения АГЯ.............. 34
2.3 Основные принципы интерферометрии...................... 35
2.3.1 Простой интерферометр............................ 35
2.3.2 Отклик интерферометра на точечный источник ... 36
2.3.3 Случай протяженного источника.................... 38
2.3.4 Отличия метода РСДБ от обычной интерферометрии 42
2.4 Построение радиокарт источников........................ 44
2.4.1 Первичная калибровка данных наблюдений......... 44
2.4.2 Процедура гибридного картографирования......... 45
2.4.2.1 Алгоритм “CLEAN”....................... 45
2.4.2.2 Метод замкнутых фаз и самокалибровки . . 47
2.4.3 Поляризационная калибровка..................... 50
3 Интегральные меры вращения лацертид 55
3.1 Введение. Постановка задачи и стратегия наблюдений ... 55
3.2 Наблюдения............................................. 57
3.3 Результаты наблюдений.................................. 59
3.3.1 Радиоструктура 0119 4-115 и 0235 + 164 .......... 59
3.3.2 Интегральные меры вращения и их природа........ 59
3.4 Заключение к главе 3................................... 62
4 РСДБ-наблюдения объектов типа BL Lacertae на частоте
5 ГГц 73
4.1 Наблюдения и обработка данных.......................... 75
4.2 Результаты наблюдений.................................. 76
4.2.1 РСДБ свойства полной выборки................... 77
4.2.2 Свойства поляризации РСДБ-ядер и характеристики магнитного поля в джетах ........................... 78
4.2.3 Сверхсветовые движения......................... 80
ii
4.3 Заключение к главе 4
82
5 Поперечные магнитные поля в джетах лацертид 91
■5.1 Наблюдения, эпоха февраля 1997 г........................... 92
5.2 Результаты наблюдений....................................... 94
5.2.1 2254 + 074 .......................................... 95
5.2.2 0823 + 033 .......................................... 96
5.2.3 0954 + 658 .......................................... 97
5.2.4 1749 + 701 .......................................... 98
5.3 Заключение к главе 5........................................ 99
6 Взаимодействие выброса с окружающей средой 102
6.1 Результаты наблюдений.......................................102
6.1.1 0745 + 241 ......................................... 102
6.1.2 1418 + 546 ......................................... 103
6.1.3 1652 + 398 ......................................... 104
6.2 Заключение к главе 6........................................104
7 Неоднородное распределение меры вращения источника
0820 + 225 на парсековых масштабах 111
7.1 Результаты наблюдений.......................................112
7.1.1 Структура в общей интенсивности......................112
7.1.2 Распределение меры вращения на парсековых масштабах ...................................................113
7.1.3 Структура линейной поляризации после «деротации» 115
7.1.4 Оценка величины магнитного поля и свойства тепловой плазмы .............................................117
7.2 Заключение к главе 7........................................121
Заключение 130
А Фарадеевское вращение
132
В Допплеровское усиление 134
С «Сверхсветовое» движение 137
И Соотношение между линейными и угловыми размерами 140 Литература 142
Список иллюстраций
2.1 Геометрия элементарного интерферометра......................
2.2 Протяженный источник радиоизлучения.........................
3.1 VLA-изображения 0119 + 115 на 1.41 и 1.63 ГГц...............
3.2 VLA-изображения 0235 + 164 на 1.41 и 1.66 ГГц...............
3.3 цц-покрытие 0119 4- 115 и 0235 + 164 при VLA-наблюдениях .
3.4 Зависимость х(^2) Ддя 18 источников выборки ................
3.4 Зависимость \ (^2) Для 18 источников выборки (продолжение)
3.4 Зависимость х (^2) Для 18 источников выборки (продолжение)
3.5 Зависимость |RM| (|b|)......................................
3.6 Зависимость т (Л) — деполяризация отсутствует...............
3.7 Зависимость т (RM) для разных длин волн.....................
4.1 ^-распределение для источников KS-выборки...................
4.2 Распределение \в - Xcore| ДДя 23 объектов из KS-выборки ....
4.3 Распределение \в — XjetI ДДя 20 объектов из KS-выборки ....
4.4 Распределение 0Qp?h для 16 объектов типа BL Lac из выборки Кура и Шмидта..................................................
5.1 ш?~покрытие при VLBA-наблюдениях............................
5.2 /-карты 2254 + 074 на 15 ГГц в суперпозиции с х~векторами .
5.3 I-карты 0823 + 033 на 8 и 15 ГГц в суперпозиции с х-векторами
5.4 I-карта 0954 + 568 на 22 и 8 ГГц в суперпозиции с х-векторами
5.5 I-карты 1749 + 701 на 5 и 15 ГГц в суперпозиции с х-векторами
36
39
63
64
65
66
67
68
70
71
72
74
79
80
81
92
95
96
97
98
5.6 Усиление поперечной составляющей магнитного поля при увеличении степени закрутки силовых линий................... 100
5.7 Усиление поперечной составляющей магнитного поля при уменьшении угла к лучу зрения.............................101
6.1 РСДБ-изображения 0745 4- 241 на15, 8 и 5 ГГц..............106
6.2 РСДБ-изображения 1418 4 546 на 5 ГГц....................107
6.3 РСДБ-изображения 1652 4 398 на 5 ГГц....................108
6.4 РСДБ-изображения 1652 4 398 на 8 ГГц....................109
6.5 РСДБ-изображения 1652 4 398 на 15 ГГц ....................110
7.1 Зависимость величины магнитного поля и концентрации тепловых электронов от размера облака........................120
7.2 РСДБ-изображения 0820 4 225 на 5 ГГц....................124
7.3 РСДБ-изображения 0820 4 225 на 8 ГГц..................125
7.4 РСДБ-изображения 0820 4 225 на 15 ГГц .................. 126
7.5 Распределение спектрального индекса и меры вращения в 0820 4 225 .............................................. 127
7.6 I-карта 0820 4 225 па 5 ГГЦ в суперпозиции с векторами магнитного поля после исправления за распределение ДМ .......128
7.7 Распределение степени поляризации 0820 4 225 на 8 и 5 ГГц . 129
B.1 Допплеровское усиления излучения..........................136
C.1 Сверхсветовое расширение радиоисточника...................138
С.2 Видимая поперечная составляющая скорости /Зарр источника,
движущегося под углом (р к лучу зрения....................139
0.1 Линейный размер как функция красного смещения.............141
Список таблиц
1.1 Полная К&Э-радиовыборка объектов типа ВЬ ЬасегЬае 27
3.1 Интегральные меры вращения лацертид......................... 69
4.1 РСДБ-антенны ............................................... 76
4.2 Модели источников......................................... 84
4.2 Модели источников (продолжение)........................... 85
4.2 Модели источников (продолжение)........................... 86
4.2 Модели источников (продолжение)........................... 87
4.3 Поляризационные РСДБ-свойства полной выборки на частоте
5 ГГц...................................................... 88
4.3 Поляризационные РСДБ-свойства полной выборки на частоте
5 ГГц (продолжение) ....................................... 89
4.4 Видимые скорости компонентов источников из КБ-выборки . . 90
5.1 УБВА-антенны ............................................... 93
Глава 1
Введение
1.1 Объекты типа BL Lac. Открытие
Объект BL Lacertae (BL Ящерицы) был открыт в 1929 г. немецким астрономом Хоффмейстером [76] и}поскольку источник имел звез- у дообразный вид,был классифицирован как «неправильная переменная» звезда. Таким образом, первоначально предполагалось, что BL Lac., а позже и другие подобные объекты, могут быть необычными звездами, принадлежащими нашей Галактике. Их основным признаком была переменность блеска, достигающая в оптическом диапазоне 4 — 5т (т.е. изменение светимости до 100 раз).
Первым из неоптических участков электромагнитного спектра, которые стали доступны для интенсивных астрономических исследований, оказался радиодиапазон, в котором и был обнаружен МакЛеодом и Эндрю [102] переменный радиоисточник 2200 + 420, отождествленный Шмидтом с объектом BL Lac в 1968 г. [150]. Впоследствии было показано [160], что BL Lac обладает рядом крайне необычных свойств, таких, в частности, как высокая степень линейной поляризации излучения от источника, сильная и быстрая переменность, а также отсутствие сильных эмиссионных линий в оптическом диапазоне. BL Lac был единственным известным с такими пекулярными свойствами объектом до 1972 г., когда Стритматтером и др. [166] были найдены еще четыре объекта со сходными характеристиками, и впервые эти источники были идентифицированы как отдельный класс — объекты типа BL Г,ас, или лацертиды, а также было выдвинуто предположение о внегалак-
1
id
тической природе этих объектов и их подобий по отношению к гораздо * более многочисленному классу объектов — квазарам. Эта точка зрения была впоследствии подтверждена Карсвеллом и др. [27] после первого измерения величины красного смещения объекта BL Lac [106], которое составило z = 0.07, что соответствует расстоянию 213 Мпс (здесь и далее мы полагаем Щ = 100 h км с”1 Мпс"1, qo = 0.5; h ~ 0.6 — 0.7 [16Ï).
В 1975 г. Ульрих и др. [175] показали, что по крайней мере несколько объектов типа BL Lac находятся в ядрах галактик. Более поздние исследования в этом направлении были проведены Штейном и др. [160], которые расширили размер этого класса источников до 30 объектов.
В 1976 г. с помощью телескопа Sky Survey Instrument на борту спутника Ariel V был зарегитстрирован объект Mkn 421 как источник рентгеновского излучения [137], что было первым обнаружением источника типа BL Lac в области высоких энергий. В дальнейшем на Compton Gamma Ray Observatory (1991-2000) было обнаружено излучение мощностью более 100 МэВ от 68 Активных Галактических Ядер, 14 из которых являются лацертидами [68]. Три объекта типа BL Lac были зарегистрированы на очень высоких энергиях (более 300 ГэВ): Mkn 421 [124], Mkn 501 [132] и 1ES 2344 + 514 [28]. Обычно считается обоснованным, что большая часть излучения фактически во всех диапазонах, от радио вплоть до ультрафиолета, генерируется синхротронным механизмом.
Число открытых объектов типа BL Lac на данный момент не превышает 500, тогда как число квазаров, обнаруженных в течение последних десятилетий составляет > 15 000 [183], причем заметная часть (больше 300 объектов типа BL Lac) была открыта недавно в рентгеновском диапазоне по наблюдениям международной космической обсерватории ROSAT (1990-1999) [11]. Основная трудность в обнаружении лацертид заключается в слабости, а часто и в полном отсутствии линий излучения и поглощения в их оптических спектрах. Красное смешение определяется по излучению активного ядра, хотя иногда наблюдаются линии
2
поглощения, по которым может быть определен нижний предел красного смещения объекта, соответствующий расстоянию до объекта.
1.2 Наблюдаемые свойства
Именно экстремально быстрая и сильная переменность лацертид послужила причиной их обнаружения. Со временем, открывались все новые необычные свойства этих объектов — отсутствие эмиссионных линий в их оптических спектрах, высокая степень линейной поляризации, точечность оптической структуры и высокая компактность радиоструктуры, наблюдаемый односторонний характер выбросов на парсековых масштабах, «сверхсветовые» движения РСБД-компонентов в джетах.
1.2.1 Переменность
Переменность является определяющим критерием объектов типа BL Lac. Сильные изменения потока были обнаружены по всех диапазонах электромагнитного спектра. Систематические исследования наиболее быстрых изменений потока источников ограничиваются наблюдательными особенностями и инструментальными эффектами на низких частотах и слабыми потоками на высоких энергиях. В настоящее время лацертиды наблюдаются в очень широком диапазоне частот, W - 1028 Гц. Для детального изучения феномена переменности был разработан ряд программ по долгопериодическому мониторингу внегалактических объектов, среди которых особое место занимают лацертиды. Такие проекты крайне важны для исследования феномена переменности, но они обладают определенной неполнотой, поскольку большая часть наблюдательного времени уделяется хорошо известным и относительно ярким объектам, в то время, когда более слабые, а. следовательно и более многочисленные источники несут не менее важную наблюдательную информацию.
3
1.2.1.1 Радиодиапазон
Интенсивные наблюдения в радиодиапазоне по мониторингу внегалактических радиоисточников проводятся во множестве обсерваторий. Крупнейшими программами в этой области являются регулярные наблюдения источников в Радио Обсерватории Университета штата Мичиган [2, 3, 79], в Радио Обсерватории Метсахови [147, 181] и на РАТАН-600 [90]. В Мичиганской обсерватории детектируются не только значения полной интенсивности объекта, но также и линейно поляризованный поток и угол поляризации. Такие регулярные наблюдения дают возможность для детального изучения изменений физических характеристик объектов. Выло установлено, что эти изменения в объектах типа BL Lac не носят сколько-нибудь периодического характера, а основные времена переменности могут составлять от нескольких месяцев до нескольких лет и в среднем короче, чем характерные времена переменности, наблюдаемые в квазарах. Тем не менее, для нескольких лацертид отмечалось наличие именно периодической переменности, например в случае источника OJ 287 (0851 4- 202) [26, 87]. Мониторинг компактных внегалактических объектов, осуществляемый на РАТАН-600, дает уникальную возможность проводить квазиодновременные (в пределах минуты) наблюдения в широком интервале длин волн (1.4 — 31 см), и тем самым исследовать эволюцию спектра источников [90].
Исследования более быстрой переменности в нескольких источниках начались в 80-х г. Так, в OJ 287 была отмечена переменность в полной интенсивности на 0.5% в течение 15 минут на частоте 5 ГГц [138]. Объект 0716 + 714 показал понижение потока на 20% за время меньше двух суток на частоте 2.7 ГГц [173]. В BL Гас также получены некоторые указания на присутствие переменности на масштабах времени в несколько часов [185]. В 1986 г. при проведении систематических наблюдений по изучению изменения плотности потока от, главным образом, компактных радиоисточников, вызванного мерцаниями при прохождении излу-
4
чения через межзвездную среду [71, 72], был обнаружен эффект быстрой переменности потока внегалактических радиоисточников [189, 73], названный IDV (IntraDay Variability). Одним из первых lDV-источииков был объект типа BL Lac 1749 + 701, который показал изменение потока (сначала падение, потом рост до прежнего значения) на 7% в течение 20 часов на длине волны наблюдения 11 см [184]. Это открытие дало начало ряду наблюдательных программ но исследованию характеристик этого явления и в конечном итоге его теоретической интерпретации. В настоящее время существует несколько больших программ по систематическому наблюдению IDV-источников, проводящиеся на наиболее чувствительных радиотелескопах — 100-метровом телескопе в Эффельсбер-ге [133], американской системе апертурного синтеза VLA (NRAO), Австралийской Компактной Решетке (АТСА) [86] и на ридиотелескопе в Вестерборке (WSRT) [32]. Такие наблюдения показывают, что вариации потока в течение нескольких часов среди объектов типа BL Lac встречаются не так уж редко. Интересный результат был получен Габуздой и др. [58] при VLA и VLBI-наблюдениях IDV-источника 0716 + 714 на частоте 5 ГГц, в котором позиционный угол поляризации вращался на 50° в течение 12 часов, тогда как вариации потоков в полной интенсивности и линейной поляризации были незначительными; причем эта переменность была обнаружена на расстоянии около 25 угловых миллисекунд от PCДВ-ядра, что указывает на возможное присутствие переменности не только в компактных ядерных областях, но также и в более удаленных компактных компонентах.
Объекты типа BL Lac являются быстропеременными и на более низких частотах (// < 1 Г'Гц) [67]. Для объяснения этой переменности источников был предложен механизм мерцаний вследствие прохождения излучения через межзвездную среду [63]. Таким образом, предполагалось, что изменения яркости не являются внутренними по отношению к источнику, а происходят «по дороге». Убедительным аргументом про-
5
тив такой точки зрения — внешней природы переменности — является корреляция переменности на низких (v < 1 ГГц) и более высоких (i/ < 1 ГГц) частотах, что предполагает внутренний механизм переменности. Более того, для источника 0716 + 714 была установлена, корреляция переменности между радио и оптическим диапазоном [184], в котором эффект мерцаний на межзвездной среде не может вызвать никакой переменности по причине высокой частоты оптического излучения. Наблюдаемое (иногда) присутствие переменности поляризованного излучения без значительных изменений интенсивности также не может быть объяснено эффектом мерцаний. Таким образом, лацертиды характеризуются переменностью в радиодиапазоне на масштабах времени от минут до месяцев, причем большая часть этой переменности является внутренней. Однако, как убедительно показано для случаев 0405 — 385 [861 и J1819 + 3845 [32], оба механизма, внутренний и «распространительный» ответственны за наблюдаемый временной спектр переменности радиоизлучения.
1.2.1.2 Оптический и ИК-диапазон
Мониторинговые программы по изучению оптической переменности ведутся в нескольких обсерваториях: в Финляндии (Tuorla Optical Quasar Monitoring Program) с 1980 г. [157], в Италии (Perugia Blazar Monitoring Program) с 1994 г. [171], в Бюроканской обсерватории (Petersburg Quasar Monitoring Program) с 1972 г. [14], в Специальной Астрофизической Обсерватории на 6 метровом телескопе БТА [81] и крупнейшая программа в США на базе обсерватории Rosemary Hill в рамках проекта Multiwavelength Monitoring Program [187]. Около половины источников тина BL Lac, наблюдаемых этими программами, имеют сильные изменения яркости в интервале времени от нескольких суток до нескольких недель, но не имеют долгопериодической переменности. Оставшаяся часть источников имеет как долгопериодическую пере-
6
- Київ+380960830922