Blazars høje variabilitet forklares godt af deformeringen af ​​dens jetfly • Anton Biryukov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Astrofysik, Videnskab i Rusland, Extragalaktisk astronomi

Blazarens høje variabilitet forklares godt af deformeringen af ​​dens stråler.

Fig. 1. Ramme fra simuleringen af ​​de processer, der forekommer i blazaren. Figur fra webstedet nasa.gov

En international gruppe af astrofysikere, som også omfattede russiske forskere, offentliggjorde resultaterne af en analyse af observationerne fra Blazar CTA-102 i 2015-2016. I slutningen af ​​2016 steg lysstyrken hurtigt med mere end hundrede gange, hvilket gav observatører stærke argumenter til fordel for en af ​​de teorier, der forklarede den komplekse variabilitet af disse objekter. Forskere mener, at en sådan hurtig ændring i lysstyrke er vel beskrevet af en forholdsvis simpel model, der tager højde for blazarstrålens krumning.

Måske kan den vigtigste fysiske mekanisme i moderne astrofysik sikkert kaldes accretion. I det mindste er det en konstant ledsager af værker om sorte huller og neutronstjerner, som blev symboler for universets moderne videnskab. I forlængelsesprocessen fødes galakser (GC Jones et al., 2017. Galaxy Formation Through Filamentary Accretion at z = 6.1), stjerner (Lee Hartmann, 2008. Accretion Processes in Star Formation) og lige planeter (se for eksempel dannelsen af solsystemet og andre planetariske systemer). Artiklen af ​​N. Shakura og R. Sunyaev på Black Holes in Binary Systems: Observatoriske udseende på disk accretion, offentliggjort i 1973, er et af de mest citerede i astrofysikens historie. Den kunstneriske beskrivelse af accretion kan findes selv i Victor Pelevins roman "S.N.U.F.F.".

Accretion (lat. accretio – stigning, stigning) i astronomi kaldes processen for et stofs fald på gravitationscentret. Afhængig af de oprindelige betingelser kan accretion føre til utrolig lyse (i bogstavelig forstand). Således kan et stof, der falder på et sort hul med en masse på hundredvis af millioner af sol, generere en emission med en lysstyrke på 10 billioner gange solstråleffekten. Hvis et sådant system var i Andromeda Nebula ved siden af ​​os (i en afstand på 2,5 millioner lysår fra os), så ville det ligne den klareste stjerne i vores himmel (se R. Bachev et al., 2017. Intra-night variability af blazar CTA 102 i løbet af 2012 og 2016 gigantiske udbrud) – til astronomernes universelle lykke. Desuden kan strålingen i det foreliggende tilfælde næppe have haft stor indflydelse på udviklingen af ​​det jordiske liv (sammenlignet med solens stråling selvfølgelig).

Selv om der ikke findes sådanne systemer i galakserne tættest på os, er de ret almindelige i universet. Supermassive sorte huller er i centrene for næsten alle galakser (herunder vores). Og ganske ofte samler de på grund af den gigantiske tyngdekraft i store mængder et nærliggende interstellært stof, som med en vinkelmoment drejer rundt om et sort hul og danner en glødende accretionsdisk.Derudover dannes to stråler langs syhjulets rotationsakse (som det forstås – en separat samtale) – symmetriske, snævert rettede emissioner. Eksistensen af ​​sidstnævnte er tilsyneladende mulig på grund af de snoede linjer i det store magnetfelt bragt sammen med stoffet. Ud over disken yder sådanne stråler et betydeligt bidrag til strålingen af ​​hele systemet.

Sådanne accreting systemer er meget kompakte i forhold til deres forældre galakse. Størrelsen af ​​et sort hul (dens gravitationsradius) med en masse på en milliard sol er kun 20 astronomiske enheder (dette er radius af kredsløbet af Uranus). Størrelsen af ​​dens accretion disk er flere hundrede gange større. Til sammenligning er vores Milky Way Galaxy's diameter på 20 milliarder astronomiske enheder. Det er derfor klart, at sådanne genstande fremstår som (lyse) punktkilder placeret i galaksernes centre.

Af den måde har Milky Way centrale svarte hul (med en masse "4 millioner sol") sandsynligvis også oplevet mere end én gang, men ikke meget "lyse". Desuden kan den sidste sådanne periode kun være 300-400 år siden (M.G. Revnivtsev et al., 2004.En af de ældre er at gyde de berømte Fermi Bubbles.

Galakser med et aktivt accreting supermassiv sort hul kaldes aktive kernelakastoffer. På grund af den store afstand er galaksen i sig selv ikke altid synlig – i dette tilfælde er det kun muligt at skelne kun en lyst punkt (stjernelignende) kilde i centrum. Så i 1960'erne blev begrebet "quasar" (Eng. Quasar – fra Quasistellar).

Til dato er hundredvis af kvasarer allerede blevet katalogiseret, og al deres mangfoldighed er opdelt i flere fænomenologiske typer. Og en af ​​de mest interessante underklasser af disse objekter er blazars. Blazar er en quasar, så orienteret i rummet, at et af dets stråler skinner næsten præcis på os (figur 2). Strålen er meget lys, så denne situation kan sammenlignes med en laserpegerstråle, der kommer ind i øjet (prøv ikke at tjekke – det er farligt!). Blazars fik deres navn fra kombinationen af ​​ordet Quasar og navnene på BL-variablen af ​​Lizards (åbnet i 1929, blev dette objekt oprindeligt taget til at være en stjerne og derefter modtaget den passende betegnelse, og først efter næsten 30 år var det muligt at fastslå dets ekstragalaktiske natur) – arketypen af ​​sådanne objekter.

Fig. 2. Når man observerer et accreting supermassivt sort hul fra forskellige vinkler, vil observatøren se enten en quasar (fra siden) eller en blazar (langs strålen). På sidepanelet – Røntgenbillede af quasar GB1508 + 5714 og dets jet, opnået af Chandra Space observatoriet. Billede fra nasa.gov

Objektet CTA-102 er bare en blazar med en redshift z = 1.037, det vil sige lyset fra det gik til os i ca. 8 milliarder år. Som alle blazars demonstrerer den den komplekse, uregelmæssige variabilitet af sin stråling, registreret over hele spektret af elektromagnetiske bølger. For nylig i efteråret 2012 og slutningen af ​​2016 havde denne blazar to blink: det øgede sin lysstyrke tiere og hundreder af gange om et par uger (figur 3). På disse øjeblikke blev den tilgængelig til observation selv i små amatørteleskoper.

Fig. 3. Glanskurven på blazar CTA-102 i det optiske område i 2015-2016. Forskellige tegn Viser måledata fra forskellige observatorier. Kompliceret uregelmæssig variabilitet og et udbrud i slutningen af ​​2016 er synlige. Ændringen i lysstyrke med 5 størrelser (lodret akse) på denne graf svarer til at blinke 100 gange 100 gange. tid på den øverste skala givet i år som på bunden – i julianske dage Figur fra den diskuterede artikel i natur

Udbruddet i slutningen af ​​2016 var den mest kraftfulde, og i øjeblikket med maksimal lysstyrke i december havde blazaren en lysstyrke på mere end 1048 erg / c, hvilket midlertidigt gjorde det til en af ​​de mest kraftfulde permanente strålekilder, der nogensinde er set i himlen. Denne begivenhed blev genstand for en anmeldelse i en nylig journal. natur artikler fra en stor international gruppe af forskere, blandt dem var astrofysik fra St. Petersborg Universitet, Pulkovo Observatoriet og Krim Astrophysical Observatory.

Blazar CTA-102, der blev åbnet i begyndelsen af ​​60'erne af det sidste århundrede, var allerede mindst én gang helt nyhedens helte og globalt. I 1964 offentliggjorde den sovjetiske astrofysiker Nikolai Kardashev sit (allerede klassiske) arbejde Transmission of Information af Eksternt Civilisationer, hvor han tænkte på mulige signaler fra udenjordiske civilisationer. I dette arbejde introducerede han den såkaldte "Kardashev-skala", som rækker hypotetiske civilisationer afhængigt af mængden af ​​energi, de forbruger, og udtrykte også ideen om, at punkt-variable radiokilder med et bestemt spektrum kan vise sig at være "beacons" af vores brødre i tankerne.En af kandidaterne til sådanne kilder Kardashev kaldte CTA-102. Et år senere blev variablen af ​​dette objekt faktisk opdaget (som vi nu ved, skyldes det højst sandsynligt en bøjningsjet). En journalist var til stede i den videnskabelige rapport om dette resultat, hvor den efterfølgende artikel senere forårsagede en verdensfornemmelse.

Det fysiske grundlag for blazars variabilitet er stadig under drøftelse. Den grundlæggende model af disse objekter forudsætter, at materien i blazarstrålerne udløses med en hastighed tæt på lysets hastighed, hvilket forklarer strålingen i et snævert vinkelområde og den høje lysstyrke af denne glød. I dette tilfælde udstråles det udstrålende stof ikke ensartet langs strålen, og i øvrigt udsender forskellige dele af strålen hovedsagelig bølger af forskellig længde. Som følge heraf observerer vi en stærkt variabel kilde, hvis lysstyrke i radioen og optiske bånd ikke ændres synkront, men med et lille skifte i en eller anden retning. En sådan forklaring, ifølge forfatterne af den undersøgte diskussion, har imidlertid en alvorlig ulempe. Med hjælp er det svært at forklare den observerede variabilitet af STA-102 og dens lyse blink uden at skabe en kompleks model med et stort antal parametre og den efterfølgende fine fysiske justering.Oplevelsen af ​​naturforskere kræver det modsatte – jo enklere den fysiske model, jo mere sandsynligt er den relateret til virkeligheden. Naturen er doven (omend opfindsomme).

Lidt fysik. Ifølge den særlige relativitetsteori, hvis strålekilden bevæger sig til os i en vinkel θ til synsfeltet, vil alle tidsintervaller i referencerammen virke os kortere med δ gange, hvor \ (\ delta = \ left [\ Gamma \ left (1- \ frac {V} % \ cos \ theta \ højre) \ højre] ^ {- 1} \) er Doppler-faktoren, V – Radiatorens samlede hastighed, og \ (\ Gamma = (1 -V ^ 2 / c ^ 2) ^ {- 1/2} \) – Lorentz-faktoren (som forfatterne af artiklen om CTA-102 antog det samme langs strålen). Desuden vil fotoner udsendt af en isotrop kilde (i dens referenceramme) være tilbøjelige til at bevæge sig næsten langs bevægelsesretningen – i en smal kegle, hvis opløsning er ca. 1 / G radian. For virkelige genstande kan G nå værdier på 100 eller mere (T. Hovatta et al., 2009. Doppler-faktorer, Lorentz-faktorer og synsvinkler for kvasarer, BL Lacertae objekter og radialgalakser). Af denne grund, da al lys ikke længere er "smurt" over hele det himmelske kugle, men snarere samlet i en smal stråle, vil den eksterne observatør se strålingsobjektet meget lysere.

Således er den observerede variabilitetsskala ved små vinkler 9 og henholdsvisstor δ vil svare til "true" som \ (\ Delta t = \ Delta t_0 / \ delta \), og den observerede flux ved frekvensen v vil afvige fra den udsendte flux som \ (F (\ nu) = \ delta ^ {2 + \ alfa} F_0 (\ nu) \) under forudsætning af at emissionsspektret er kraftlov med eksponent-a. De observerede variationer i lysstyrke vil således kun blive bestemt ved variationer af δ.

Det er denne slags simpel model, og forskere tilbyder. Deres idé er som følger: Den registrerede lysstyrke og emissionsspektret for en plasmabund, der bevæger os nøjagtigt til os ved nærlyshastighed, afhænger meget af kun en parameter – vinklen mellem bevægelsesretningen og synslinien. Dette er en rent geometrisk virkning af den specielle relativitetsteori. Hvis vi antager, at plasmaet i CTA-102-strålen ikke bevæger sig nøjagtigt i en retlinie, men undertiden "wags", så kan det godt forklare blazarens opførsel (figur 4). En sådan hypotese, som det burde være, genererer adskillige observerbare konsekvenser, som forfatterne med succes verificerer.

Fig. 4. Den foreslåede model Blazar jet. Den forbliver ikke lige (omend heterogen i tæthedsfølelsen), og fra tid til anden bøjer den og måske endda vendinger.Som en del af virkningerne af relativistisk lysning og reducering af tiden er det i stand til at beskrive dets observerede variabilitet. Stråling i forskellige områder (optisk, infrarød, millimeter, radio) forekommer i forskellige dele af strålen. Figur fra den diskuterede artikel i natur

For det første, hvis blazarstrålingens variabilitet har en geometrisk karakter, skal amplituderne af dets lysning (eller tarnishing) ved forskellige bølgelængder matches: vi kigger på kilden med et enkelt strålingsspektrum, lige fra forskellige sider på forskellige tidspunkter. For det andet ændrer ikke kun kildens lysstyrke på grund af virkningerne af samme relativitetsteori, men også tiden for dens variabilitet, og således at variabiliteten i en lysere tilstand skal være hurtigere.

Forfatterne af artiklen under drøftelse præsenterer resultaterne af observationer af denne blazar i 2015-2016, som blev udført på 28 observatorier i radio, millimeter og optiske intervaller. I betragtning af bidraget fra den termiske komponent (stråling fra en accretionsdisk) viste de, at variationer i emissionsspektret for en jet (med en synkrotron natur) og dens lysstyrke på forskellige tidspunkter virkelig kan beskrives ved kun at ændre en parameter – vinklen mellem bevægelsesretningen af ​​lysstyrken og synsfelt.Afhængigheden af ​​tidsvariationen på kildens lysstyrke blev også fundet af forfatterne, når de analyserede observationsdataene.

Desuden er polariseringsegenskaberne for den observerede synkrotronstråling (dens optiske del) et væsentligt argument til fordel for forfatterens ide. Polarisering er en bestemt orientering af den elektriske feltvektor i en elektromagnetisk bølge. Synkrotronstrålingen selv er meget polariseret, og polarisationsretningen bestemmes af retningen af ​​det store magnetfelt (stråle) i forhold til observatøren i øjeblikket. Ændringer i retningen af ​​den lineære polarisation, som er fundet af forfatterne, skønt de ikke viser en stærk sammenhæng med kvasarens tilsyneladende lysstyrke, har stadig et karakteristisk udseende svarende til et magnetfelt, der vender sig i forhold til observatøren.

Resultaterne af dette arbejde kan være vigtige ikke kun for den akademiske videnskab, men også for de fleste af os daglige liv. Faktum er, at kvasarer på grund af deres lysstyrke måske er de fjerneste punktkilder, vi studerer. Og derfor bevæger de sig næsten ikke over himlen, og på grundlag af deres positioner er det praktisk at danne et grundlæggende koordinatsystem,hvilket er nødvendigt for satellitnavigering. På den måde har intet ændret sig i over tusind år – vi styres stadig af stjernerne.

Jo mere præcist positionerne af "reference" objekterne måles, hvor stjerner, der er synlige i det optiske område af stjerner, normalt fungerer som satellitter, jo bedre. I særdeleshed er det nødvendigt at sammenligne quasars koordinater i radio og optiske bånd så præcist som muligt. Men som du kan se, er det slet ikke let at gøre. For nylig blev det konstateret, at forskellige dele af jetlyset i forskellige områder (se Jets forstyrre præcist at bestemme koordinaterne for centrene af galakser, "Elements", 03.10.2017). Og nu viser det sig, at jets også sandsynligvis bøjer.

Kilde: C. M. Raiteri et al. Blazar spektralvariation som en snoet inhomogen stråle // natur. 2017. DOI: 10.1038 / nature24623.

Anton Biryukov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: