Гравитационное линзирование объектами кинговского типа и ассоциации квазар-галактика тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Введение.

ГЛАВА 1. НАБЛЮДЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ КВАЗАР-ГАЛАКТИКА

1.1 Поиск тесных пар квазар—галактика.

1.2 Алгоритм отбора пар квазар—галактика.

1.3 Основные свойства тесных пар квазар—галактика.

1.3.1 Взаимное расположение галактик и квазаров в ассоциациях

1.4 Распределение галактик в пространстве.

1.4.1 Математические и физические фракталы.

1.4.2 Фрактальная размерность.

1.4.3 Описание метода выделенных цилиндров.

1.4.4 Применение метода к выборке LEDA

1.5 Результаты обработки каталога LEDA.

1.5.1 Определение фрактальной размерности.

1.5.2 Оценка параметра х.

1.5.3 Случай однородного распределения объектов в пространстве (D—3)

1.5.4 Вывод относительно фрактального распределения галактик.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЯВЛЕНИЯ АССОЦИАЦИЙ КВАЗАР—ГАЛАКТИКА

2.1 Гипотезы о появлении ассоциаций квазар—галактика

2.2 Исходные предположения модели гравитационного линзирования.

2.2.1 Источники.

2.2.2 Гравитационные линзы

2.2.3 Центральная поверхностная плотность линзы с кин-говским распределением масс.

2.2.4 Связь масса-плотность-радиус.

2.2.5 Параметры шаровых скоплений Млечного Пути

2.2.6 Параметры карликовых галактик.

2.2.7 Кластеры скрытой темной материи

2.2.8 Распределение линз вдоль лучей зрения.

2.3 Физические принципы гравитационного линзирования

2.3.1 Усиление потока излучения.

2.3.2 Приближение геометрической оптики.

2.3.3 Аберрационная зависимость и расщепление изображений

2.4 Гравитационное линзирование объектами с кинговским распределением масс.

2.4.1 Уравнение луча.

2.4.2 Коэффициент усиления.

2.4.3 Дополнительное условие сильного усиления.

2.4.4 Поперечное сечение линзы

2.4.5 Функция вероятности линзирования.

2.5 Интерпретация ассоциаций квазар—галактика.

2.5.1 Зависимость числа тесных пар квазар—галактика от положения линзы на отрезке наблюдатель-квазар. Линзирование или фратальность?.

2.5.2 Доля линзированных источников.

2.5.3 Квазары с абсорбциями.

2.5.4 Предварительные выводы.

ГЛАВА 3. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ СЛЕДСТВИЯ ТЕОРИИ ГРАВИТАЦИОННОГО ЛИНЗИРОВАНИЯ

3.1 Функция светимости фоновых источников

3.1.1 Дифференциальная вероятность линзирования

3.1.2 Функция распределения линзированных источников по видимой яркости.

3.1.3 Кажущаяся светимость квазаров.

Искривление лучей света в поле тяжести небесных тел, предсказанное А.Эйнштейном, было экспериментально подтверждено Эддингтоном в 1919 году. Это явление составляет физическую основу гравитационного линзирования. Открыть первую гравитационную линзу удалось лишь в 1979 году, и с тех пор астрономами достигнуты значительные успехи в исследовании гравитационно-линзовых эффектов. Были открыты радиокольца, дуги и дужки, кратные изображения квазаров. За последние 30 лет была широко развита общая теория линзирования. С ее помощью возможно измерить массы галактик-линз, оценить параметры скрытого вещества, уточнить постоянную Хаббла. По словам физика-теоретика Редже:"Мы находимся в преддверии новой эпохи в астрофизике, когда сведения о далеких галактиках будут получены путем исследования влияния их гравитации на свет, идущий от еще более далеких объектов."

Когда мы рассматриваем конкретную ситуацию с гравитационной линзой, то оказываемся перед широким выбором астрофизических параметров. Задача оказывается настолько сложна, что трудно построить однозначную модель линзы. С ростом точности наблюдений ситуация улучшается, однако "ощущается дефицит дополнительных проявлений гравитационно-линзовых эффектов. Поэтому поиск таких эффектов, как в теоретическом, так и в наблюдательном плане весьма актуален [Зах97]."

Существование крупномасштабных корреляций квазар—галактика является одним из возможных проявлений гравитационно-линзовых эффектов. В процессе изучения крупномасштабных корреляций между квазарами и галактиками затрагиваются многие фундаментальные проблемы современной астрономии. В их числе:

1) проблема повышенной светимости квазаров;

2) крупномасштабное распределение галактик в пространстве;

3) природа скрытой массы, кластеризация скрытой массы в масштабах от гало галактик до сверхскоплений галактик;

4) эволюция шаровых скоплений;

5) космологические модели Вселенной.

Этим определяется актуальность настоящей работы.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав, списка цитируемой литературы, содержащего 87 наименований. Общий объем диссертации 119 страниц, в том числе 34 рисунка и 11 таблиц.

3.2-4 Основные выводы относительно шаровых скоплений

В результате исследования свойств ассоциаций квазар—галактика и согласно принятым во введении предположениям о возможной природе этой связи отдается предпочтение шаровым скоплениям как наилучшим кандидатам в гравитационные линзы, находящимся в гало галактик, входящих в ассоциации. Помимо всего вышеперечисленного, следующие аргументы позволяют следовать этому предположению:

1) Шаровые скопления- реально существующие наблюдаемые объекты. Их число в гало отдельных галактик может достигать нескольких тысяч [Наг96], и это дает возможность использовать их в качестве кандидатов в гравитационные линзы, поскольку чем больше в гало потенциальных кандидатов в гравитационные линзы, тем больше суммарное поперечное сечение линз, а значит больше вероятность линзирования далеких источников.

2) К возможным проявлениям гравитационного линзирования относится расщепление изображения источника. В случае ШС, описываемых кинговской моделью, возможно появление 1, 2 или 3 изображений далекого источника. Характерное линейное расстояние между возможными изображениями определяется через радиус кольца Хвольсона-Эйнштейна

RolRLS где Rol, Rls, расстояния от наблюдателя до линзы, от линзы до источника, от наблюдателя до источника соответственно, гу~ гравитационный радиус линзы. Если принять массу ШС равной 106М©, то для zol ~ 10 ^ -1-0.1 (красные смещения галактик в ассоциациях) £ колеблется от 10~2 пк до 0.4 пк. Размеры областей переменного излучения квазаров очень малы 10~3 пк). Поскольку коэффициент возможного усиления источника равен отношению площади полученного изображения к площади источника, то ШС дают возможность усиления наЗт-!-10т, что выгодно отличает их от звезд, которые часто привлекаются в качестве линз для объяснения ассоциаций квазар—галактика. Звезды, описываемые моделью точечной линзы (микролинзирование), дают лишь слабое усиление источника и не могут таким образом объяснить повышенную светимость квазаров.

3) Значения центральной поверхностной плотности ШС точно соответствуют условию попадания наблюдателя в район фокуса линзы, что дает большие значения коэффициента усиления Зт -г- 5т, а значит позволяет объяснить повышенную светимость квазаров и их смещение влево на диаграмме Хаббла £ = f(m) для галактик и квазаров, приведенной в параграфе 2.5.2 настоящей работы.

4) Преимущественное положение ШС относительно центров галактик составляет менее 50 кпк. Это согласуется с тем фактом, что большинство близких квазаров из ассоциаций с zgjzq > 0.9 также проецируются в гало галактик радиусом до 50 кпк.

5) Критические центральные поверхностные плотности предполагаемых линз, рассчитанные для ассоциаций квазар—галактика, соответствуют центральным поверхностным плотностям шаровых скоплений, что дает возможность предполагать, что связь далеких квазаров и близких галактик обеспечивается шаровыми скоплениями гало.

6) Ожидаемая переменность излучения из-за движения ШС как целого имеет временной масштаб более тысячи лет, поскольку оценка характерного времени дается выражением t

R0L®Ch-E v

103( М

1/2 / D' 1/2, v

ЮМ пк 103км/с Ле var

10 6М где D' = —---приведенное расстояние до линз, v- скорость переме

Ros щения линзы. Однако возможна переменность излучения на масштабах меньше года вследствие микролинзирования на отдельных звездах ШС.

7) Исходя из наблюдаемых ширин линий поглощения 21 см в спектрах некоторых квазаров и предполагая гравитационную связность облаков, ответственных за их появление, Б.В. Комберг [Ком86] оценил оптическую светимость и размеры этих облаков. Получилось, что светимости, размеры и массы являются типичными для шаровых скоплений. Далее в этой работе дается оценка массы нейтрального водорода, которая оказывается равной всего нескольким солнечным массам. Даже в старых ШС можно ожидать такое количество нейтрального водорода. Из этого следует, что в близких ШС возможно обнаружатся линии 21 см. Факт совпадения линий поглощения 21 см и систем с линиями поглощения ионов металлов также может быть связан с тем, что на луч зрения попадают именно шаровые скопления, которые могут оказаться гравитационными линзами (т.о. стать ответственными за повышенную светимость некоторых квазаров).

3.3 НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ТЕСТЫ МОДЕЛИ ЛИНЗИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИК

1) Предсказывается корреляция положений квазаров со скоплениями галактик: в случае скоплений увеличивается число ГЛ в единице объема и соответственно вероятность линзирования.

2) Изображения квазаров могут быть расщепленными. Угол расщепления на шаровых скоплениях с rt ~ 100 составляет максимум O/'Ol. Теория не исключает единственности изображения (наблюдатель в области I, рис.18).

3) Кроме шаровых скоплений и карликовых галактик, эффективными линзами кинговского типа могут быть эллиптические галактики, их скопления и сверскопления, а также скопления коричневых карликов и других объектов скрытой массы. В этом случае скрытая масса должна быть значительно сконцентрирована, чтобы достичь значений центральной поверхностной плотности, характерной для шаровых скоплений.

4) Если ядра активных галактик линзируются кинговскими объектами, в которых присутствует газовая компонента, то в спектрах квазаров может наблюдаться избыток линий поглощения с малыми zabs (при Zem < 1 получаем Zabs <0.1) или с Zabs ~ Zem.

5) Квазары должны быть переменными объектами, поскольку отдельные звезды скоплений, пересекая при своем движении линию наблюдатель-источник, проявляют себя в качестве микролинз. Возможная скорость изменения интенсивности в результате микролинзирования для "типичного" квазара оценивается примерно в одну звездную величину в неделю [KaReSt86].

Эффекты микролинзирования будут сильнее проявляться у квазаров, связанных с близкими галактиками, поскольку коэффициент усиления на точечных объектах зависит от отношения Ros/Rol■

6) При незначительном коэффициенте усиления у близких квазаров может наблюдаться родительская галактика.

7) Вследствие преломления лучей гравитационным полем линзы возможен эффект искривления траекторий сверхсветовых выбросов из активных ядер галактик.

8) Если галактики на луче зрения распределяются фрактально, го это тоже может привести к увеличению числа систем с а > 0.9 и а < 0.1. Таким образом, гравитационное линзирование на объектах с кинговским распределением масс и фрактальное распределение галактик с окружающими их линзами взаимно усиливают проявление этого эффекта, а именно в этом случае галактики в парах с квазарами будут избегать.центрального положения на луче наблюдатель-квазар, что и подтверждается при анализе каталогов ассоциаций.

9) В гало неправильных галактик типов 9,10 предположительно должно наблюдаться повышенное число кластеризованных объектов типа шаровых скоплений, в 6-1-7 раз больше, чем у спиральных и эллиптических галактик каждого типа (таб.9). Эти объекты предположительно располагаются на расстояниях от центра галактик порядка 100 кпк и имеют центральные поверхностные плотности сто ~ 1-^200г/см2. Это следует из анализа типов галактик, вошедших в пары, и расчетов критической поверхностной плотности предполагаемых линз для каждой пары квазар-галактика, а также из имеющихся наблюдательных данных, полученных на телескопе им.Хаббла [HunOl].

10) Согласно наблюдениям, полученным с космического аппарата Chandra, в 6 галактических шаровых скоплениях найдены рентгеновские источники. Таким образом, возможно обнаружение шаровых скоплений в гало галактик по рентгеновским источникам [Рев02].

11) Квазары, вошедшие в ассоциации, у которых а > 0.9, то есть, близкие к галактикам по красному смещению, доступны наблюдениям в радиодиапазоне. Это позволяет обнаружить у данных квазаров возможное расщепление структуры ядра на миллисекундном уровне. Данные квазары можно найти по адресу http://www.astro.spbu.ru/staff/baryshev/gldm.htm

3.4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассмотрены крупномасштабные корреляции квазар—галактика.

1. Составлен новый каталог тесных пар квазар—галактика, в который вошло 8382 пары. Для его составления использовался каталог квазаров и активных ядер галактик, состоящий из 11358 объектов, а также выборка из каталога галактик LEDA, содержащая 77483 галактики.

2. На основе данных двух каталогов ассоциаций квазар—галактика проанализирована наблюдательная зависимость числа пар от а = zq/zq, показавшая избыток пар с а < 0.1 и а > 0.9.

3. На основе компьютерного моделирования показано, что однородное распределение объектов в пространстве не может объяснить избыток пар с а < 0.1 и а > 0.9.

4. Предложен новый метод исследования пространственного распределения объектов- метод выделенных цилиндров. Данный метод применен к галактикам каталога LEDA.

5. На основе наблюдаемых данных удалось установить эмпирическую зависимость распределения галактик вдоль отрезков с произвольно закрепленными концами. Показано, что распределение галактик подчиняется формуле (3), которая указывает на "бимодальный" характер этого распределения.

6. Определена фрактальная размерность распределения галактик в пространстве D ~ 2.

7. Показано, что учет фрактального распределения галактик усиливает эффект корреляции квазаров с близкими и далекими к наблюдателю галактиками.

8. Проанализирована модель линзы с кинговским распределением масс. Учтена коническая каустика модели прозрачной гравитационной линзы с кинговским распределением масс. Это привело к естественному объяснению корреляции квазаров с близкими галактиками (zq/zq < 0.1) и предсказанию подобной корреляции квазаров с галактиками, близкими к источнику (zq/zq > 0.9).

9. Рассчитана вероятность гравитационного линзирования с учетом статистики квазаров и активных ядер галактик. Результат позволяет предположить, что возможно ~ 105 квазаров являются линзированными объектами, в среднем усиленными на Зт.

10. Исследовано возможное влияние гравитационного линзирования на определение функции светимости фоновых источников. Получены новые формулы, которые указывают на возможную связь между наблюдаемыми функциями светимости галактик и квазаров.

11. В процессе исследования параметров шаровых скоплений, являющихся хорошими кандидатами в гравитационные линзы, удалось установить, что распределение шаровых скоплений Млечного Пути по центральной поверхностной плотности подчиняется логарифмически-нормальному закону.

12. Сформулированы наблюдательные тесты для проверки гипотезы мезолинзирования.

13. Предложен для наблюдения список неправильных галактик типов 9,10, в гало которых может находиться повышенное число объектов типа шаровых скоплений.

14. Выделены квазары, вошедшие в пары, доступные наблюдению в радиодиапазоне. Данные квазары могут быть расщепленными на мил-лисекундном уровне.

В рамках модели гравитационного линзирования активных ядер галактик объектами галактических гало с массами 104 — 109М© находят естественное объяснение многие наблюдаемые свойства квазаров. В частности, существование ассоциаций квазар—галактика не требует привлечения нестандартной физики.