Исследование магнитных полей в аккреционных дисках на основе спектрополяриметрических наблюдений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Булига Станислава Дмитриевна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ НА ОСНОВЕ СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

01.03.02 - Астрофизика и звёздная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2013

005538260

005538260

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Юрий Николаевич

Романюк Иосиф Иванович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории исследований звёздного магнетизма Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук

Бикмаев Ильфан Фярнтович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры астрономии и космической геодезии Казанского (Приволжского) Федерального университета

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится 29 ноября 2013 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.002.120.01 Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук, по адресу: 196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.

Автореферат разослан 29 октября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Е.В. Милецкий

Общая характеристика работы

Поляриметрическое исследование компактных астрофизических объектов является одним из главных направлений современной астрофизики. К числу компактных объектов относятся активные ядра галактик. В настоящее время общепризнанным считается факт существования сверхмассивных чёрных дыр в центральных областях активных галактик. Вращающиеся сверхмассивные чёрные дыры являются мощными энергетическими машинами, ответственными за физические процессы, возникающие на гигантской шкале ~1022-Н025 см в галактиках.

Активность ядер галактик объясняется аккрецией вещества на центральную сверхмассивную чёрную дыру. Последовательная теория аккреционных процессов развивается с 40-50-х годов. Особого расцвета она достигла в 70-х годах в связи с обнаружением рентгеновских источников, представляющих собой аккрецирующие нейтронные звёзды и чёрные дыры. Первые простейшие адиабатические (в том числе и сферически-симметричные) модели аккреции позволили существенно прояснить многие особенности излучения реальных астрофизических объектов. Вместе с тем, такие модели зачастую не позволяли получить даже качественное согласие с наблюдательными данными. В частности, при адиабатической аккреции газа на чёрную дыру его излучение оказывалось слишком мало. Решением этой проблемы явилось то, что сильное энерговыделение может происходить в аккреционных дисках, в которых эффекты неидеальности неизбежно становятся определяющими. На настоящий момент механизм энерговыделения, эффективно передающий энергию от вращающейся чёрной дыры к активным областям и механизмам коллимации, позволяющий образовать струйные выбросы, связывают с наличием регулярного полоидального магнитного поля в структуре активных ядер галактик. Поскольку сама чёрная дыра не в состоянии иметь собственного магнитного поля (т.н. «теорема об отсутствии волос»), генерация крупномасштабного магнитного поля в окрестности чёрной дыры может

происходить как в самом аккреционном диске, так и в области между радиусом последней устойчивой орбиты и радиусом горизонта событий ("plunge region"). Построение магнитогидродинамических моделей аккреционных дисков в последнее время в связи с увеличением мощности современных вычислительных средств, является бурно развивающейся областью. Обзор некоторых существующих на этот счёт моделей приведён в работах [1-9]. Несмотря на это, прямых доказательств того, что в активных ядрах галактик имеются сильные регулярные магнитные поля, влияющие на динамику аккреционных течений, на сегодняшний момент нет. Однако, существование магнитного поля в активных ядрах галактик является, тем не менее, общепринятой парадигмой.

Таким образом, вопрос измерения магнитных полей в аккреционных дисках активных ядер галактик является существенным для определения их строения и механизмов энерговыделения. В настоящей работе мы развиваем метод детектирования магнитных полей, основанный на поляриметрических наблюдениях, впервые предложенный в работах [10-12]. В цитированных работах показано, что сравнительно небольшое магнитное поле может оказывать существенное влияние на величину и спектр поляризации излучения. В настоящее время существует достаточно большое количество наблюдений оптической поляризации излучения активных ядер галактик [13-18]. Применение результатов настоящей работы к имеющимся наблюдательным данным., а также к ожидающимся в будущем данным рентгеновской поляриметрии может предложить независимый метод определения структуры магнитосферы активных ядер галактик.

Актуальность темы

Исследование поляризации излучения квазаров и активных ядер галактик является одним из важнейших направлений современной астрофизики, поскольку позволяет получать детальную информацию об особенностях процесса аккреции на сверхмассивные чёрные дыры. В то же время в работах

зарубежных коллег, связанных с интерпретацией наблюдательного материала не всегда учитывается вклад магнитного поля в параметры Стокса поляризованного излучения. Разработанная в ГАО РАН методика позволяет достаточно надежно определять величину и топологию магнитного поля в аккреционных дисках вокруг сверхмассивных чёрных дыр непосредственно из наблюдаемых спектрополяриметрических данных. Подчеркнем, что классический метод зеемановской спектрополяриметрии в данных объектах не работает.

Цель работы

Целью данного исследования является определение величин и топологии магнитных полей активных ядер галактик, а также определение спинов сверхмассивных чёрных дыр на основе спектрополяриметрических наблюдений. Именно спектрополяриметрические наблюдения являются основным инструментом определения физического механизма излучения таких объектов, определения величины, топологии и характера переменности магнитного поля.

Научная новизна

1. На телескопе БТА-бм с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме впервые выполнены (при непосредственном участии диссертанта) наблюдения ряда активных ядер галактик и квазаров. Полученные зависимости степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения были сопоставлены с результатами теоретических расчетов, выполненных на основе теории многократного рассеяния с учётом поворота плоскости поляризации в процессе рассеяния на электронах.

2. На основе спектрополяриметрических наблюдений поляризованного излучения активных ядер галактик впервые определены величины магнитных полей на последней устойчивой орбите аккреционного диска и на радиусе

горизонта событий чёрной дыры для ряда объектов. Определение величины магнитных полей основано как на собственных спектрополяриметрических наблюдениях, выполненных на телескопе БТА-бм, так и на поляриметрических наблюдениях, выполненных на других телескопах.

3. Впервые на основе спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик из каталога Паломар-Грина (PG) определены величины спинов сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в центральных областях этих объектов.

4. С помощью методики определения магнитных полей, развитой в ГАО РАН показано, что зависимости степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения компактных астрофизических объектов позволяют надёжно определить распределение магнитных полей в аккреционных дисках. В результате впервые было выполнено детальное тестирование разнообразных моделей аккреционных дисков, учитывающих существенную роль магнитного поля в организации процесса аккреции на компактные астрофизические объекты.

Научная и практическая ценность работы

В работе представлены результаты спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик и квазаров. Наблюдения выполнены на телескопе БТА-бм с помощью фокального редуктора светосилы SCORPIO в поляризационной моде в рамках совместной наблюдательной программы ГАО и CAO РАН. Для некоторых объектов впервые получены зависимости степени поляризации от длины волны излучения в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры. На основе метода, разработанного в ГАО РАН Ю.Н.Гнединым и Н.А.Силантьевым, определена реальная геометрия магнитного поля внутри аккреционного диска. А также определены величина магнитного поля в аккреционном диске и значение магнитного поля вблизи горизонта событий центральной сверхмассивной чёрной дыры. Кроме того, выполнено сравнение результатов теоретических расчетов и данных

наблюдений, что позволяет сделать принципиальный выбор между разными моделями аккреционных дисков.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. На телескопе БТА-бм САО РАН с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме выполнены наблюдения ряда активных ядер галактик и квазаров. Установлено, что для части объектов, измеренная величина поляризации и её зависимость от длины волны хорошо соответствуют модели стандартного аккреционного диска с учётом эффекта фарадеевской деполяризации на длине свободного пробега фотона.

2. В рамках стандартной модели аккреционного диска на основе теории многократного рассеяния с учётом поворота плоскости поляризации определены величины и радиальное распределение магнитного поля в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры для ряда активных ядер галактик.

3. На основе данных спектрополяриметрических наблюдений определены величины магнитного поля в аккреционном диске вблизи последней устойчивой орбиты и величины спина аккрецирующей центральной массивной чёрной дыры в активных ядрах галактик. Показано, что сверхмассивные чёрные дыры, имеющие стандартные аккреционные диски с равенством магнитного и радиационного давлений, являются, преимущественно, чёрными дырами типа Керра.

4. Определены значения спина чёрных дыр промежуточных масс, находящихся в центральных областях ряда шаровых звёздных скоплений.

5. Показано, что на основе сравнения данных о спектральном распределении степени поляризации излучения активных ядер галактик с теоретическими значениями, возможен принципиальный выбор между разными моделями аккреционного диска.

Апробация результатов

Результаты данной работы докладывались и обсуждались на семинарах ГАО РАН, а также были представлены на конференциях:

1. II Пулковская молодёжная астрономическая конференция, ГАО РАН, Санкт-Петербург, 2-4 июня 2009 // «Массы и магнитные поля некоторых уникальных внегалактических объектов», Булига С.Д., Гнедин Ю.Н.

2. Международная Конференция «Кирхгоф-150», КрАО Украины, 7-13 июня 2009 // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-бм», Гнедин Ю.Н., Афанасьев B.JL, Борисов Н.В., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д.

3. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2009, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря 2009 // «Поляризация излучения активных галактических ядер: результаты наблюдений на БТА-6м.», Пиотрович М.Ю., Афанасьев B.JL, Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.

4. Международная конференция «Магнитные звезды», CAO РАН, Нижний Архыз, 27 августа — 1 сентября 2010 // «Magnetic Fields of Stars with Strong Outflows: Testing by Polarimetry», Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D.

5. Всероссийская астрономическая конференция «От эпохи Галилея до наших дней», ВАК-2010, CAO РАН, Нижний Архыз, 13-18 сентября 2010 г. // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА», Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю.., Булига С.Д.

6. III Пулковская молодёжная астрономическая конференция, ГАО РАН, Санкт-Петербург, 27-30 сентября 2010 г. // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-бм», Булига С.Д., Афанасьев В Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю.

7. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2010, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря 2010 //

«Магнитные поля звезд с сильным истечением вещества: тестирование при помощи поляриметрии», Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.

8. JENAM-2011, Saint-Petersburg, Russia, 4-8 July 2011 // «Magnetics Fields of Active Galactic Nuclei and Quasars with Polarized Broad Line Regions», Gnedin Yu.N., Silant'ev N.A., Piotrovich M.Yu., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D.

9. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2011, ИКИ РАН, Москва, 13-16 декабря 2011 //

а) «Магнитные поля активных галактических ядер и квазаров с широкими поляризованными H-alpha линиями», Силантьев Н.А., Булига С.Д., Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М.;

б) «Определение спина сверхмассивной чёрной дыры в активных галактических ядрах на основе спектрополяриметрических наблюдений», Гнедин Ю.Н., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Нацвлишвили Т.М. Пиотрович М.Ю., Булига С.Д.

10.Международная конференция «Рентгеновское небо: от звезд и чёрных дыр до космологии», Казанский федеральный университет, Казань, 2-9 сентября 2012//

а) «Magnetic fields of active galactic nuclei and quasars», Gnedin Yu.N., Silantev N.A., Buliga S.D., Piotrovich M.Yu., Natsvlishvili T.M.;

б) «Topology of magnetic field and polarization in accretion discs of AGN», Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Buliga S.D., Silantev N.A., Natsvlishvili T.M.

11.Всероссийская астрофизическая конференция Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра, НЕА- 2012, ИКИ РАН, Москва, 18-21 декабря 2012 //

а) «Магнитные поля аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр с прямым и обратным вращением» Булига С.Д., Гнедин Ю.Н., Пиотрович М.Ю., Нацвлишвили Т.М.;

б) «Магнитные поля активных галактических ядер и квазаров» Гнедин Ю.Н., Силантьев Н.А., Булига С.Д., Пиотрович М.Ю., Нацвлишвили Т.М.

12.Всероссийская астрономическая конференция «Многоликая Вселенная», ВАК-2013, Санкт-Петербург, 23-27 сентября 2013 // «Специальное распределение поляризации излучения стандартного аккреционного диска в активных галактических ядрах: анализ полученных наблюдений» Булига С.Д., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю

Структура и объём диссертапии

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, в том числе 16 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 150 наименований.

Содержание диссертации

Во Введении отражена краткая история проблемы, её актуальность, а также цели работы, новизна, научная и практическая значимость. Приведены пункты, выносимые на защиту, кратко описаны структура и содержание диссертации, отмечены личный вклад автора и апробация результатов. Приведён список публикаций, содержащий основные результаты диссертации.

В Главе 1 представлены результаты спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик и квазаров, выполненных на телескопе БТА-бм CAO РАН с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме. На основе данных наблюдений в рамках традиционной модели аккреционного диска определены величины и радиальные распределения магнитного поля в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры.

Физические условия аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр практически не позволяют применять прямой метод измерения магнитных полей - метод зеемановской спектрополяриметрии. Поэтому мы применяем при анализе спектрополяриметрических наблюдений косвенный метод определения

магнитных полей, развитый в работах [11,15,19]. Идея данного метода состоит в том, что, если учесть эффект фарадеевского поворота на длине свободного пробега фотонов в процессе рассеяния на электронах, то величины степени поляризации и позиционного угла, а также их зависимость от длины волны излучения аккреционного диска полностью определяются распределением, т.е. геометрией, магнитного поля внутри аккреционного диска. Величина поляризации оказывается меньше по сравнению с той, которая получена в работах [20,21] Соболевым и Чандрасекаром в результате решения задачи многократного рассеяния света в плоскопараллельной атмосфере. Это отличие связано с эффектом фарадеевской деполяризации излучения при его рассеянии в аккреционном диске.

Роль поляриметрических наблюдений сильно возросла в последнее время в связи с тем, что они позволяют сделать решающий выбор между всё возрастающим количеством различных моделей аккреционных дисков. Такой рост моделей, в свою очередь, происходит в результате увеличения количества численных расчетов ("numerical simulations") структуры аккреционных дисков.

В Главе 2 на основе спектрополяриметрических наблюдений, полученных на телескопе БТА-бм САО РАН, а также с использованием взятых из литературы данных о кинетической мощности релятивистских джетов, получены оценки значений спинов сверхмассивных чёрных дыр. Существенным элементом выполненных оценок является определение величины магнитного поля на последней устойчивой кеплеровской орбите в аккреционном диске, а также на горизонте событий сверхмассивной чёрной дыры. Проведена оценка эффективности, с которой аккрецирующие системы генерируют энергию в джетах. Показано, что для аккреционного диска с равенством между магнитным и радиационным давлениями чёрные дыры прямого вращения генерируют энергию более эффективно, чем чёрные дыры с обратным вращением. Определены значения спина чёрных дыр промежуточных масс, находящихся в центральных областях шаровых звёздных скоплений.

Начиная с первых работ Пенроуза [22] и Блендфорда и Знаека [23], было показано, что спин играет большую роль в процессе выделения энергии сверхмассивной чёрной дырой. Так, спин чёрной дыры играет центральную роль в генерации релятивистского джета в результате извлечения с помощью магнитного поля вращательной энергии чёрной дыры. Именно поэтому непосредственное определение значения спина сверхмассивной чёрной дыры, являющейся центральным объектом активных ядер галактик и квазаров, находится в центре внимания современной астрофизики. В настоящее время наиболее популярным методом определения величины спина является анализ профилей Ка-линий Бе. Однако, существует довольно сильный разброс полученных результатов, связанный с применением различных методов обработки формы Ка -линии Ре. Именно поэтому полезно получить ограничение на величину спина другим, независимым методом.

В Главе 3 для ряда конкретных активных ядер галактик показано, что зависимость степени поляризации и позиционного угла от длины волны позволяет получить распределение магнитного поля в аккреционном диске. Для оценки поляризации излучения от аккреционного диска мы использовали асимптотические аналитические формулы, учитывающие фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения, которое характеризуется углом поворота. Поляризованное излучение выходит в основном с радиуса Ял внутри диска, где интенсивность теплового излучения имеет максимум в области наблюдаемых длин волн А. Используя зависимость от длины волны поляризации можно определить величину магнитного числа Прандтля в плазме аккреционного диска, и тем самым проследить эволюцию крупномасштабного полоидального магнитного поля.

В Главе 4 демонстрируется, что результаты наблюдений спектрального распределения степени поляризации позволяют одновременно определять распределения магнитного поля и температуры в аккреционном диске. Таким образом, на основе данных о спектральном распределении степени поляризации излучения активных ядер галактик возможен принципиальный

выбор между разными моделями аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Представлены ожидаемые степенные зависимости степени поляризации от длины волны (частоты) для разных, известных из литературы, моделей аккреционного диска.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Публикации автора по теме диссертации

1. Силантьев H.A., Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д. Поляриметрические следствия крупномасштабной структуры распределения галактик и квазаров // Астрофизика. — 2010. — Т. 53. — № 4. — С. 501-511.

2. Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D. Magnetic fields of stars with strong outflows: testing by polarimetry // Proceedings of the International Conference «Magnetic Stars», -Nizhny Arkhyz, - 2011. - P. 264-279.

3. Афанасьев B.JI., Борисов H.B., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д. Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-бм // Письма в Астрономический журнал. — 2011. — Т. 37. - № 5. - С. 333-342. (arXiv: 1104.3690).

4. Булига С.Д., Глобина В.И., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Шахт H.A. Чёрные дыры промежуточных масс в шаровых скоплениях: ограничение на спин чёрной дыры // Астрофизика. —2011. - Т. 54. -№ 4. — С. 611-616. (arXiv1108.0056).

5. Гнедин Ю.Н., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Пиотрович М.Ю., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д. Определение спинов сверхмассивных чёрных дыр в активных галактических ядрах на основе спектрополяриметрических наблюдений // Астрономический Журнал. - 2012. - Т. 89. - № 8. - С. 635-639.

6. Gnedin Yu N., Buliga S.D., Silant'ev N.A., Natsvlishvili T.M., Piotrovich M.Yu. Topology of magnetic field and polarization in accretion discs of AGN // Astrophysics and Space Science.-2012.- V. 342. -№ 1. -P. 137-145.

7. Силантьев H.A., Гнедин Ю.Н., Булига С.Д., Пиотрович М.Ю., Нацвли-швили Т.М. Магнитные поля активных галактических ядер и квазаров с областью широких поляризованных Н альфа линий // Астрофизический Бюллетень. - 2013. - Т. 68. -№ 1.-С. 14-26. (arXiv:1203.2763vl).

8. Gnedin Yu.N., Piotrovich M.Yu., Buliga S.D., and Natsvlishvili T.M. Magnetic fields of accretion disks and outflows in prograde and retrograde black holes // Astronomische Nachrichten. - 2013. -V. 334. -№ 3. - P. 264-267.

Личный вклад автора

В работах [1,2] автор принимала участие в выполнении оценок физических эффектов и интерпретации наблюдательных данных.

В работах [3,5] основная часть спектрополяриметрических наблюдений на БТА-бм выполнена при личном участии автора, совместно с В.Л.Афанасьевым, Н.В.Борисовым, Т.М.Нацвлишвили и М.Ю.Пиотровичем. Автор принимала активное участие в анализе результатов наблюдений и их интерпретации.

В работах [4,8] автор участвовала в постановке задачи, анализе данных наблюдений и численных расчетах.

В работах [6,7] автору диссертации принадлежит программная реализация методики численного расчета. Обсуждение результатов проводилось совместно с соавторами.

Цитированная литература

[1] Blaes О. Accretion Disks in AGNs // The Central Engine of Active Galactic Nuclei, ASP Conference Series. -2007. -V.373. -P.75-84.

[2] Blaes O. General Overview of Black Hole Accretion Theory // Space Science Reviews Online First. — 2013.

[3] Garofalo D., Evans D.A., and Sambruna R.M. The evolution of radio-loud active galactic nuclei as a function of black hole spin // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. -2010. - V.406. - P.975-986.

[4] Hawley J.F., Richers S.A., Guan X., and Krolik J.H. Testing convergence for global accretion disks // The Astrophysical Journal. - 2013. - V.772. - P.102-116.

[5] Livio M., Ogilvie G.I., and Pringle J.E. Extracting energy from black holes: the relative importance of the Blandford-Znajek mechanism // The Astrophysical Journal. - 1999. -V.512. - P. 100-104.

[6] Lovelace R.V.E., Romanova M.M., and Lii P. Magnetically Driven and Colli-mated Jets from the Disc-Magnetosphere Boundary of Rotating Stars H eprint arXiv:1306.1160. —2013.

[7] Miller J.M., Raymond J., Fabian A. et al. The magnetic nature of disk accretion onto black holes // Nature. - 2006. - V.441. - P.953-955.

[8] Spruit H.C. Theory of Magnetically Powered Jets - The Jet Paradigm, Lecture Notes in Physics. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2010. - V.794. -P.233-263.

[9] Spruit H.C. Accretion disks // arXiv: 1005.5279. - 2010.

[10] Gnedin Yu.N., Silant' ev N.A. The appearance of polarization in radiation from hot stars due to the Faraday rotation effect as a possible method of determining stellar magnetic fields // Astrophysics and Space Science. - 1984. - V.102. -P.375-395.

[11] Gnedin Yu.N., Silant'ev N.A. Basic mechanisms of light polarization in cosmic media// Astrophysics and Space Physics. - 1997. - V.10. - P.l-49.

[12] Долгинов A.3., Гнедин Ю.Н., Силантьев H.A. Распространение и поляризация излучения в космической среде. — М: Наука, 1979. — 423 с.

[13] Berriman G., Schmidt G.D., West S.C. Stockman H.S. An optical polarization survey of the Palomar-Green bright quasar sample // Astrophysical Journal Supplement Series. - 1990. - V.74. - P.869-883.

[14] Impey C.D., Lawrence C.R. Tapia S. Optical polarization of a complete sample of radio sources // Astrophysical Journal. - 1991. - V.375. - P.46-68.

[15] Martin P.G., Thompson I.B., Maza J., and Angel J.R.P. The polarization of Sey-fert galaxies // Astrophysical Journal. - 1983. - V.266. -P.470-478.

[16] Smith J.E., Young S„ Robinson A. et al. A spectropolarimetric atlas of Seyfert 1 galaxies // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 2002. -V.335. — P.773-798.

[17] Takalo L.O. Photopolarimetry of Seyfert galaxy MK 509 // Astrophysics and Space Science. - 1993. -V.202.-P.161-171.

[18] Webb W„ Malkan M„ Schmidt G„ and Impey C. The wavelength dependence of polarization of active galaxies and quasars // The Astrophysical Journal. -

1993. — V.419. — P.494-514.

[19] Гнедин Ю.Н., Силантьев H.A., Штернин П.С. Поляризация излучения от сильно замагниченного аккреционного диска: асиптотическое спектральное распределение // Письма в Астрономический журнал. - 2006. - Т.32. -№1. — С.42-47.

[20] Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. - М:

ГИТТЛ.-1956.-392 с.

[21] Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии. - М: Издательство иностранной литературы. -1953.-432 с.

[22] Penrose R. Gravitational Collapse: the Role of General Relativity // Rivista del

Nuovo Cimento, Numero Speziale I. - 1969. -P.252.

[23] Blandford R.D. and Znajek R.L. Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 1977. — V.179. — P.433-456.

Подписано в печать 23.10.2013. Формат 145x205 мм Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 0245 Отпечатано в типографии ООО «РПК«АМИГО-ПРИНТ» Санкт-Петербург, ул. Розеншгейна, д. 21, офис 789 тел. (812) 313-95-76

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук

Л, , _ Л . . 0 На правах рукописи

04201450668 />/11^

Булига Станислава Дмитриевна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ НА ОСНОВЕ СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

Специальность 01.03.02 - астрофизика и звёздная астрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Ю.Н. Гнедин

Санкт-Петербург -2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................5

1 Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик: определение основных физических параметров сверхмассивных чёрных дыр.......................................................................................................20

1.1 Определение величины и распределения магнитного поля и ряда

физических параметров аккрецирующей плазмы в области генерации

оптического излучения активных ядер галактик.................................20

1.1.1 Введение..........................................................................................20

1.1.2 Результаты наблюдений на БТА-бм в спектрополяриметрической моде SCORPIO-1............................21

1.1.3 Корреляция между поляризационными параметрами и характеристиками центральной чёрной дыры............................24

1.1.4 Основная методика определения величины и распределения магнитного поля в аккреционном диске......................................27

1.1.5 Определение физических параметров аккреционного диска вокруг сверхмассивных чёрных дыр............................................31

1.2 Спектральное распределение поляризации излучения стандартного

аккреционного диска в активных ядрах галактик...............................36

1.2.1 Зависимость степени поляризации излучения от длины волны в стандартной модели аккреционного диска..................................36

1.2.2 Магнитное поле аккреционного диска и величина спина сверхмассивной чёрной дыры в NGC 7469.................................39

1.2.3 Магнитное поле аккреционного диска и величина спина сверхмассивной чёрной дыры в Рв (В2) 1425+267....................42

1.2.4 Магнитные поля аккреционных дисков и величины спинов сверхмассивных чёрных дыр для Рв 1354+213, 080 В1422+2309, Рв 1704+608.............................................................45

Заключение к главе 1.........................................................................................50

2 Определение спинов массивных чёрных дыр активных ядер галактик из каталога РС и чёрных дыр промежуточных масс в шаровых скоплениях........................................................................................................51

2.1 Определение спинов сверхмассивных чёрных дыр в активных ядрах галактик на основе спектрополяриметрических наблюдений...........51

2.1.1 Введение..........................................................................................51

2.1.2 Основные формулы........................................................................53

2.1.3 Определение величины спина сверхмассивной чёрной дыры для квазара Рв 0007+106 (III г\У2).....................................................56

2.1.4 Ограничение на значение спина сверхмассивной чёрной дыры для активных ядер галактик..........................................................57

2.2 Магнитные поля аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр с прямым и обратным вращением...................................59

2.2.1 Введение..........................................................................................59

2.2.2 Магнитное поле в радиационно-доминируемых дисках............61

2.2.3 Различие между чёрными дырами прямого и обратного вращения.........................................................................................64

2.2.4 Тестирование радиационно-доминированных дисков при помощи поляриметрии...................................................................65

2.3 Чёрные дыры промежуточных масс в шаровых скоплениях:

ограничение на спин чёрной дыры.......................................................66

2.3.1 Введение..........................................................................................66

2.3.2Определение спина центральной чёрной дыры в шаровых

скоплениях 47 Тис и со Сеп...........................................................68

2.3.3 Спин центральной чёрной дыры в шаровом скоплении

галактики МЗ1................................................................................69

Заключение к главе 2.........................................................................................70

3 Топология магнитных полей и поляризация излучения в аккреционных дисках активных ядер галактик......................................72

3.1 Введение..................................................................................................72

3.2 Зависимость параметров фарадеевской деполяризации от длины волны........................................................................................................75

3.3 Поляризация излучения замагниченного аккреционного диска: зависимость от параметров И и /л......................................................77

3.4 Зависимость степени поляризации от длины волны...........................82

3.5 Топология магнитных полей в избранных активных ядрах галактик87 Заключение к главе 3.........................................................................................90

4 Зависимость поляризации излучения аккреционного диска от длины волны: тестирование моделей аккреционного диска..............................91

4.1 Введение..................................................................................................91

4.2 Основные уравнения...............................................................................93

4.3 Зависимость степени поляризации от длины волны для стандартного аккреционного диска..............................................................................95

4.4 Зависимость степени поляризации от длины волны для аккреционного диска с адвекцией.......................................................101

4.5 Аккреция вещества с магнитным полем: особенности аккреционного диска.......................................................................................................102

Заключение к главе 4.......................................................................................104

Заключение........................................................................................................107

Литература.........................................................................................................109

Введение

Поляриметрическое исследование компактных астрофизических объектов является одним из главных направлений современной астрофизики. К числу компактных объектов относятся ядра активных галактик. В настоящее время общепризнанным считается факт существования сверхмассивных чёрных дыр в центральных областях активных галактик. Вращающиеся сверхмассивные чёрные дыры являются мощными энергетическими машинами, ответственными за физические процессы, возникающие на гигантской шкале ~ 1022 -И О25 см в галактиках. Характерными явлениями, связанными с существованием сверхмассивных чёрных дыр, являются: излучение области узких эмиссионных линий ( ~102°-И022 см), радиоизлучение компактной центральной области ( ~10,8-И021 см), излучение области широких эмиссионных линий (~1018-т-1019см), область нетеплового излучения (~1015 -И О17 см) и область быстрой переменности рентгеновского излучения ( ~1013 см). Именно сверхмассивная чёрная дыра генерирует излучение во всех этих пространственных областях. Активные галактические ядра, являющиеся такими сверхмассивными чёрными дырами, составляют довольно однородный класс космических объектов. Самые яркие из них имеют болометрическую светимость Ььы > 1047 эрг/с, причём значения масс этих

объектов могут достигать ~1010 М0 . У большого числа активных ядер галактик наблюдаются сильно коллимированные выбросы вещества (джеты),

двигающегося с релятивистскими скоростями в направлении, перпендикулярном диску. Размеры джетов достигают десятков килопарсек, что превышает размеры некоторых галактик.

Существование чёрных дыр предсказывается общей теорией относительности Эйнштейна. По определению чёрной дырой называется область, границы которой не может покинуть никакой сигнал. Другими словами, вторая космическая скорость для чёрной дыры равна скорости света в вакууме. Граница такой области называется горизонтом событий Ян . Характерный размер чёрной дыры определяется гравитационным радиусом

' где М " масса чёрной дыры, с - скорость света, а О -

С

гравитационная постоянная. Для невращающейся, или шварцшильдовской, чёрной дыры, радиус горизонта событий Ян = . Для вращающейся чёрной

дыры Яи = 1+^1 -а1 , где я» - безразмерный угловой момент вращения,

обычно называемый спином: <1 . Отрицательные значения спина

соответствуют случаю, когда направления собственного вращения чёрной дыры и кеплеровского вращения газа в аккреционном диске противоположны друг другу, что соответствует, так называемому, ретроградному вращению центральной чёрной дыры. Для предельно вращающейся чёрной дыры типа Керра с максимальным удельным угловым моментом Ян - . Радиус

последней устойчивой орбиты, внутри которой материя захватывается чёрной дырой, зависит от углового момента чёрной дыры, уменьшаясь для вращающихся чёрных дыр. Для чёрной дыры типа Шварцшильда (а* =0.0)

радиус последней устойчивой орбиты = , для максимально

вращающейся, устойчивой чёрной дыры типа Керра со спином а* = 0.998

радиус последней устойчивой орбиты = 1.22^.

С астрономической точки зрения, чтобы обнаружить чёрную дыру, необходимо измерить массу объекта, показать, что его размер не превышает

гравитационного, а также получить наблюдательные свидетельства того, что у объекта имеется горизонт событий. Если массы чёрных дыр измеряются надёжно по движению звёзд и газа вокруг них, то радиусы чёрных дыр измеряются не так легко. Следует, однако, отметить, что все необходимые критерии, сформулированные на основе общей теории относительности, выполняются для известных кандидатов в чёрные дыры. Размер активных ядер галактик, ввиду их большой массы, может быть измерен напрямую уже следующим поколением космических интерферометров. Таким образом, как уже отмечалось выше, на данный момент считается, что в центре активных ядер галактик находится сверхмассивная чёрная дыра.

Активность галактических ядер объясняется аккрецией вещества на центральную сверхмассивную чёрную дыру. Последовательная теория аккреционных течений развивается с 40-50-х годов. Особого расцвета она достигла в 70-х годах в связи с обнаружением рентгеновских источников, представляющих собой аккрецирующие нейтронные звёзды и чёрные дыры. Первые простейшие адиабатические (в том числе и сферически-симметричные) модели аккреции позволили существенно прояснить многие особенности излучения реальных астрофизических объектов. Вместе с тем, такие модели зачастую не позволяли получить даже качественное согласие с наблюдательными данными. В частности, при адиабатической аккреции газа на чёрную дыру его излучение оказывалось слишком мало. Решением этой проблемы явилось то, что сильное энерговыделение может происходить в аккреционных дисках, в которых эффекты неидеальности неизбежно становятся определяющими.

Теория гидродинамической дисковой аккреции развивается с конца 60-х годов, однако до сих пор многие детали остаются невыясненными. Поэтому обычно используются упрощённые решения, такие как стандартная классическая модель диска Шакуры-Сюняева [1], или модель аккреционного диска с преобладающей ролью процесса адвекции АО АР [2,3]. В частности, в

рамках чисто гидродинамического подхода пока не удалось построить достаточно убедительную модель центральной машины в активных ядрах галактик, которая приводила бы к эффективному истечению вещества, и, следовательно, давала бы начало струйным выбросам, уносящим значительную часть освобождаемой энергии.

На настоящий момент механизм энерговыделения, эффективно передающий энергию от вращающейся чёрной дыры к активным областям и механизмам коллимации, позволяющий образовать струйные выбросы, связывают с наличием регулярного полоидального магнитного поля в структуре активных ядер галактик. Поскольку сама чёрная дыра не в состоянии иметь собственного магнитного поля (т.н. «теорема об отсутствии волос»), генерация крупномасштабного магнитного поля в окрестности чёрной дыры может происходить как в самом аккреционном диске, так и в области между радиусом последней устойчивой орбиты и радиусом горизонта ("plunge region"). Построение магнитогидродинамических моделей аккреционных дисков в последнее время, в связи с увеличением мощности современных вычислительных средств, является бурно развивающейся областью. Обзор некоторых существующих на этот счёт моделей приведён в работах [4-12]. Несмотря на это, прямых доказательств того, что в активных ядрах галактик имеются сильные регулярные магнитные поля, влияющие на динамику аккреционных течений, на сегодняшний момент нет. Однако, существование магнитного поля в активных ядрах галактик является, тем не менее, общепринятой парадигмой.

Таким образом, вопрос измерения магнитных полей в аккреционных дисках активных ядер галактик является существенным для определения их строения и механизмов энерговыделения. В настоящей работе мы развиваем метод детектирования магнитных полей, основанный на поляриметрических наблюдениях, впервые предложенный в работах [13-15]. В цитированных работах показано, что сравнительно небольшое магнитное поле может

оказывать существенное влияние на величину и спектр поляризации излучения. В настоящее время существует достаточно большое количество наблюдений оптической поляризации излучения активных ядер галактик [1622]. Применение результатов настоящей работы к имеющимся наблюдательным данным, а также к ожидающимся в будущем данным рентгеновской поляриметрии, может предложить независимый метод определения структуры магнитосферы активных ядер галактик.

Для астрофизических исследований важную роль играет классификация активных галактических ядер. В такой классификации определяющую роль играет поляризация излучения этих объектов. Например, так называемые «радио спокойные» (radio-quiet) квазары имеют сравнительно небольшую поляризацию излучения Pt >1%. С другой стороны, для блазаров характерна

довольно высокая поляризация излучения Р1 > 10%. Высокая поляризация не

может возникнуть в результате рассеяния на электронах в плоскопараллельной атмосфере и, скорее всего, обусловлена синхротронным излучением релятивистских электронов. Такие электроны генерируются в мощных джетах (струях) релятивистской плазмы, создаваемых быстро вращающейся сверхмассивной чёрной дырой [23-25]. Таким образом, можно обозначить основные механизмы возникновения поляризованного излучения в активных ядрах галактик:

(а) поляризация излучения релятивистской плазмы в непосредственной близости (эргосфере) вращающейся сверхмассивной чёрной дыры;

(б) поляризация излучения оптически толстого аккреционного диска вокруг чёрной дыры вследствие рассеяния на электронах;

(в) поляризация синхротронного излучения релятивистской плазмы в струе (джете), генерируемой вращающейся чёрной дырой и самим аккреционным диском;

(г) рассеяние излучения аккреционного диска в горячей короне вокруг чёрной дыры;

(д) рассеяние излучения аккреционного диска и релятивистской струи в пылевой и газовой компоненте, окружающей центральную чёрную дыру, на больших от неё расстояниях.

Следует подчеркнуть, что существует принципиальная возможность разделить данные механизмы. Существенную роль в процессе генерации магнитных полей вблизи центральных сверхмассивных чёрных дыр играет аккреционный диск вокруг чёрной дыры. К настоящему времени накопилось довольно много моделей аккреционного диска вокруг аккрецирующей чёрной дыры [4-12]. Наиболее популярной современной моделью является модель, развитая в работе Шакуры и Сюняева [1]. Один из вариантов данной модели представляет собой описание геометрически тонкого диска, который является оптически толстым по отношению к рассеянию на электронах (SSD). Диск характеризуется преобладанием газового давления. Переход от кеплеровского вращения к направленному движению к аккрецирующему центру происходит за счёт вязкости, которая характеризуется безразмерным параметром а [1]. Такие диски являются устойчивыми по отношению к тепловым и вязким возмущениям. В другом варианте данной модели такой диск характеризуется преобладанием радиационного давления. В отличие от первой модели аккреционный диск с преобладанием радиационного давления является нестабильным по отношению к тепловым и вязким возмущениям.

Шапиро, Лайтман и Эрдли [26] (SLE) развили модель аккреционного диска, который является и геометрически и оптически тонким. Такой диск поддерживается только газовым давлением и является стабильным по отношению к вязким возмущениям и нестабилен по отношению к тепловым возмущениям.

В работе [27] представлена модель (SLIM) геометрически тонкого и оптически толстого диска, в котором преобладает давление излучения, но преобладающим механизмом аккреции является процесс адвекции вещества на центральную чёрную дыру. Такой диск является стабильным как по

и

отношению к вязким, так и по отношению к тепловым возмущениям. Радиационная эффективность таких дисков (т.е. коэффициент трансформации гравитационной энергии аккрецирующего вещества в энергию излучения) довольно мала.

В работах [2,3] представлена модель аккреционного диска с преобладающей ролью процесса адвекции (АБАР). В рамках такой модели диск является геометрически то�