авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург – 2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный консультант:

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

Официальные оппоненты:

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

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга МГУ

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В. В.

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

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

Всё разнообразие типов и проявлений активности галактических ядер объясняется в рамках общей «унифицированной схемы». В данной модели сверхмассивная чёрная дыра и аккреционный диск погружены в область, где присутствуют отдельные облака газа, быстро движущиеся в гравитационном потенциале чёрной дыры. Жёсткое излучение от аккреционного диска иони­ зует газ в этой области, и она даёт широкие эмиссионные линии в спектре.

На бльшем расстоянии от центральной машины плазма движется с мень­ о шей скоростью и её излучение проявляется в виде узких эмиссионных линий.

Центральная область окружена непрозрачным молекулярно-пылевым тором, который затеняет аккреционный диск и область широких линий при наблюде­ нии под некоторыми углами. У некоторых объектов часть вещества выбрасы­ вается в виде коллимированных ультрарелятивистских струй, направленных вдоль оси аккреционного диска. В зависимости от того, под каким углом описанная структура расположена по отношению к лучу зрения, будут на­ блюдаться те или иные свойства. В данной диссертации изучаются блазары — активные ядра, ось джета которых направлена под малым углом к лучу зрения. Движение вещества с околосветовой скоростью в направлении наблю­ дателя приводит к сильному релятивистскому усилению излучения джета.

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

Из-за большой удалённости отдельные компоненты блазаров не разреша­ ются. Поэтому изучение их структуры представляет большую сложность и возможно лишь косвенными методами. По современным представлениям, за запуск, ускорение и коллимацию джета ответственно магнитное поле, сило­ вые линии которого закручены в спираль из-за дифференциального враще­ ния аккреционного диска. Поэтому по крайней мере во внутренних частях джетов должно присутствовать спиралеобразное магнитное поле. Часть тео­ ретических моделей и наблюдательных данных указывают на то, что быстрая сердцевина джета в области ускорения должна быть окружена значительно более медленной оболочкой.

На некотором расстоянии от чёрной дыры энергия магнитного поля пе­ рестаёт преобладать над кинетической энергией частиц: заканчивается зо­ на ускорения, и магнитное поле становится более хаотичным. В конце зоны ускорения и коллимации вероятно присутствует стоячая ударная волна или зона реколлимации, которая наблюдается как ядро радиоджета на милли­ метровых волнах. В некоторые промежутки времени излучение джета может определяться отдельными возмущениями плотности, распространяющимися вдоль джета.

В установлении вышеописанной структуры джета немаловажную роль сыграли мониторинговые фотополяриметрические наблюдения в оптическом диапазоне. Эти наблюдения, наряду с наблюдениями в других диапазонах спектра, и в дальнейшем будут способствовать совершенствованию нашего понимания природы активных ядер галактик.



Общая характеристика работы





Актуальность работы В последние годы благодаря росту чувствительности приборов, расширению международной кооперации и проведению регулярных наблюдений во всех доступных диапазонах наблюдается значительный прогресс в установлении деталей феномена АЯГ. Унифицированная модель хорошо объясняет боль­ шое разнообразие проявлений активности данного класса объектов аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру и образованием ультрарелятивист­ ских джетов. Тем не менее множество вопросов остаются нерешёнными.

В частности, по-прежнему обсуждаются вопросы, связанные со структу­ рой джета и магнитного поля в нём, а также природой различных компонен­ тов в излучении АЯГ. Окончательно не выяснена причина изменений спек­ трального распределения энергии в обоих пиках бимодального спектра. Ак­ тивно обсуждается механизм формирования гамма-излучения, локализация области, где оно производится, и его связь с длинноволновым излучением.

Безусловно, для подтверждения и дальнейшего развития теоретических моделей необходима надёжная наблюдательная основа, немаловажную роль в которой играют многополосные мониторинговые наблюдения в инфракрас­ ном и оптическом диапазонах. Анализ фотометрических и поляриметриче­ ских данных позволяет установить некоторые детали, связанные со строени­ ем джетов блазаров и их отдельными компонентами.

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

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

Для достижения поставленных целей решались следующие подзадачи:

проведение многоцветных мониторинговых наблюдений блазаров;

обработка результатов наблюдений;

моделирование наблюдательных данных;

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

Научная новизна Впервые реализована численная модель, позволяющая по поляриметриче­ ским данным разделять в общем излучении блазаров постоянный и перемен­ ные источники, а также получать их параметры поляризации и интенсив­ ность. Проведена интерпретация результатов моделирования на основании различных моделей джетов. Данные, полученные при моделировании, позво­ лили независимым образом вычислить спектральное распределение энергии постоянного и переменного компонентов блазара OJ 287 и объяснить его цве­ товую переменность в рамках двухкомпонентной модели. Для BL Lacertae обнаружено, что спектральный индекс излучения переменного компонента отличается в различных вспышках. Показано, что такие вспышки могут объ­ ясняться в рамках модели ударных волн в джете. На основании многолет­ них рядов фотометрических наблюдений 12 блазаров установлено, что крат­ ковременное изменение спектрального индекса переменного компонента во вспышках является характерным для блазаров явлением, причём спектр мо­ жет становиться как более жёстким, так и более мягким. Проведён анализ данных для одной из таких вспышек у блазара PKS 1510-089, сопровождав­ шейся мониторингом поляризации в оптике и наблюдениями в гамма- и ра­ дио-диапазонах. Показано, что наблюдаемые проявления активности могут быть объяснены прохождением возмущения в джете.

Научная и практическая значимость Научная ценность состоит в получении новых сведений о параметрах посто­ янных и переменных источников, формирующих излучение активных ядер галактик. Практическая значимость заключается в том, что в процессе ра­ боты над диссертацией были получены новые наблюдательные данные для ряда блазаров. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для реше­ ния задач, не затронутых в диссертации. Результаты данной научной работы могут использоваться во всех организациях, где занимаются изучением ак­ тивных ядер галактик.

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

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

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

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

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

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

6. III Fermi Symposium, Рим, Италия, 9 – 12 мая 2011 г.

7. Объединённый астрофизический семинар Лаборатории физики звёзд и Лаборатории внегалактических исследований и гамма-астрономии, КрАО, Украина, 12 сентября 2011 г.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В Заключении суммированы основные результаты работы.

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

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

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Построенная численная модель оптической переменности, позволяющая непосредственно из поляризационных данных выделять в излучении блазаров постоянный и переменные компоненты и получать их средние параметры Стокса. Результаты моделирования поляризованного излу­ чения блазаров BL Lac, OJ 287, 3C 454.3 и S5 0716+714, в случае когда присутствуют постоянный и переменные источники поляризованного излучения, и интерпретация результатов.

2. Вывод о том, что цветовое поведение «голубее, когда ярче», наблюдае­ мое в оптической области спектра у OJ 287, является результатом сов­ местного действия двух синхротронных источников излучения: красно­ го постоянного источника с = 2.03 и переменного компонента с более жёстким спектром = 1.41.

3. Заключение о том, что при малых уровнях потока активность BL Lac определяется переменным компонентом, имеющим степенной спектр, спектральный индекс которого остаётся постоянным на временах поряд­ ка нескольких лет. Во время отдельных вспышек переменность BL Lac обусловлена дополнительным источником, распределение энергии кото­ рого меняется от вспышки к вспышке. Такое цветовое поведение может быть интерпретировано как прохождение ударных волн в джете.

4. Результаты анализа наблюдательных данных для PKS 1510-089 в ак­ тивном состоянии начала 2009 года. Интерпретация серии вспышек, со­ провождавшейся вращением плоскости поляризации, как распростране­ ние возмущения в джете. Объяснение мощной вспышки с изменением спектрального индекса, совпавшей с появлением радиоузла, ударным взаимодействием возмущения в джете с зоной реколлимации.

5. Вывод о том, что кратковременное изменение спектрального распреде­ ления энергии во вспышках – характерное для блазаров явление, и, вероятно, не все подобные вспышки могут быть объяснены в рамках модели ударных волн в джете.

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 11 ста­ тей — в рецензируемых журналах, 1 статья — в сборнике трудов конференций и 2 — в сборниках тезисов докладов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Blinov D. A., Hagen-Thorn V. A. Stochastic model of optical variability of BL Lacertae // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 503, no. 1. Pp.

103-106.

2. D’Ammando F., Pucella G., Raiteri C. M.,..., Blinov D.,... (106 авт.) AGILE detection of a rapid -ray flare from the blazar PKS 1510-089 during the GASP-WEBT monitoring // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol.

508. Pp. 181-189.

3. Marscher A. P., Jorstad S. G., Larionov V. M.,..., Blinov D.,... (32 авт.) Probing the Inner Jet of the Quasar PKS 1510-089 with Multi-Waveband Monitoring During Strong Gamma-Ray Activity // The Astrophysical Journal Letters. 2010. Vol. 710. Pp. L126-L131.

4. Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M.,..., Blinov D.,... (265 авт.) A change in the optical polarization associated with a -ray flare in the blazar 3C // Nature. 2010. Vol. 463. Pp. 919-923.

5. Jorstad S. G., Marscher A. P., Larionov V. M.,..., Blinov D.,... (32 авт.) Flaring Behavior of the Quasar 3C 454.3 Across the Electromagnetic Spectrum // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 715. Pp. 362-384.

6. Abdo A. A., Ackermann M., Agudo I.,..., Blinov D.,... (217 авт.) Fermi Large Area Telescope and multi-wavelength observations of the flaring activity of PKS 1510-089 between 2008 September and 2009 June // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 721. Pp. 1425-1447.

7. Raiteri C. M., Villata M., Bruschini L...., Blinov D.,... (55 авт.) Another look at the BL Lacertae flux and spectral variability. Observations by GASP­ WEBT, XMM-Newton, and Swift in 2008-2009 // Astronomy and Astrophysics.

2010. Vol. 524. P. A43.

8. Agudo I., Jorstad S. G., Marscher A. P...., Blinov D.,... (21 авт.) Location of -ray flare emission in the jet of the BL Lacertae object OJ287 more than 14 pc from the central engine // The Astrophysical Journal Letters. 2011.

Vol. 726. P. L13.

9. D’Ammando F., Raiteri C. M., Villata M...., Blinov D.,... (115 авт.) AGILE detection of extreme -ray activity from the blazar PKS 1510-089 during March 2009. Multifrequency analysis // Astronomy and Astrophysics. 2011.

Vol. 529. P. A145.

10. Гаген-Торн В. А., Блинов Д. А., Гаген-Торн Е. И. Цветовая перемен­ ность BL Lacertae в 2002-2008 годах // Астрономический журнал. 2011.

Т. 88, C. 1084-1092.

11. Блинов Д. А., Гаген-Торн В. А., Гаген-Торн Е. И., Такало Л. О., Силан­ пяя А. Оптическая переменность блазара OJ 287 в 2005-2009 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1169-1176.

Личный вклад автора В статье 1 разработка алгоритма, создание программы и проведение вычисле­ ний принадлежат автору, вклад соавторов в постановку задачи и обсуждение одинаков;

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

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

в статье 10 вклад всех соавторов одинаков;

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



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.