Исследование ядер активных галактик методом межпланетных мерцаний на частоте 102.5 МГЦ тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ

РЕВОЛЮЦИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА Астрокосмическпй Центр

На правах рукописи УДК 523.72; 524.7

Тгольбашев Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯДЕР АКТИВНЫХ ГАЛАКТИК МЕТОДОМ МЕЖПЛАНЕТНЫХ МЕРЦАНИЙ НА ЧАСТОТЕ 102.5 МГЦ

(01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996 г.

Работа выполнена в Астрокосмическом Центре Физического института пм.П.Н. Лебедева Российской Академии Наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Ар тюх В. С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Ксшберг Б.В. (АКП ФИ АН) кандидат физико-математических наук Ларионов М.Г. (ГАИШ)

Ведущая организация: Институт Космических Исследований

Защита состоится " ^^^Н^ЭЭб года б 11. час на заседании Диссертационного совета Д.002.39.01 при Физическом институте пм. П.Н.Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва, Ленинский проспект 53,

ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослан " № " 1996 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д.002.39.01 кандидат физико-математических наук

Ю.А.Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С момента открытия активных ядер галактик (ЛЯГ) прошло более полувека, но все увеличивающийся поток работ говорит о важности исследования этих необычных объектов. Наблюдения ЛЯГ проводятся во всех диапазонах длин волп. Это радиополны, инфракрасный (ПК) диапазон, оптика, рентген. Общей теории формирования и жизнедеятельности ЛЯГ ке существует. До сих пор пе ясно, какпм образом формируются джеты, выходящие из ядер. Связаны ли они с физическими условиями в ядре? Если да, то каким образом? Являются ли активные ядра фазой жизни любых галактик, лпбо только избранных? Возникают ли ядра как следствие эволюции галактик, либо это вполне самостоятельные объекты, являющиеся удобными центрами формирования галактик? Как эволюционирует ядро?

Б качестве центральной .машины, с высокой эффективностью перерабатывающей гравитационную энергию в поток релятивистских частиц и дающей большой выход энергии благодаря излучению этих частиц в магнитном поле предлагались: звездные скопления, сверх-масспвная звезда, магнетопц, черная дыра. В настоящее время в качестве центральной машины рассматривают, как правило, черную дыру-

Вообще следует отметить, что к словосочетанию ''активное галактическое ядро" нужно относиться с большой осторожностью и каждый раз оговаривать, что под ним подразумевается в конкретном случае. Во-первых, размеры ядер полученные из наблюдений меняются от световых часов до килопарсеков. Очевидно, что на столь разных масштабах могут действовать разные физические механизмы. Во-вторых, говоря об ЛЯГ, неявно подразумевают черную дыру. Однако пе так давно были открыты ИК галактики сверхвысокой светимости, нейтральная часть которых обладает признаками ЛЯГ в радиодианазоне, то есть радиоизлучением, сконцентрированном в области размером < 0.3". В то же время присутствие черной дыры необязательно, так как наблюдаемая плотность потока радиоизлучения вполне объясняется излучением остатков сверхновых в компактных областях вспышек звездообразовапия.

Исследование ЛЯГ в метровом диапазоне длин волн вызывает

особенный интерес, так как существует явный дефицит наблюдений на метрах. Это связано с тем, что для наблюдений АЯГ необходимо иметь высокое угловое разрешение и высокую флуктуацпонпую чувствительность.

К настоящему времени для радподпапазона известно только два способа достичь углового разрешения лучше 1". Первый способ — это использование интерферометров. К сожалению, в метровом диапазоне длпн волн наблюдения с таким разрешением носят пока едн-ппчный характер. Основным недостатком радиоинтерферометрии является необходимость иметь две пли более гигантские антенны, сложность наблюдении и их последующей обработки. Второй способ связан-с использованием метода межпланетных мернаний. Он особенно аффективен в метровом диапазоне п дополняет пнтерфе-рометрпческие наблюдения проводимые на высоких частотах. Этот метод удобен в использовании. Обработка наблюдений достаточно проста. Основной недостаток метода — это большая погрешность в измерении получаемой координаты мерцающего источника.

В наших исследованиях высокая флуктуацнонная чувствительность наблюдений, обеспечивается Большой синфазной антенной Физического института Академии Наук (БСА ФИАН), благодаря большой эффективной площади ЗООООм^). В метровом диапазоне длин волн БСА является самой крупной в мтгре.полномощностноп антенной. Высокое угловое разрешение и высокая чувствительность в метровом диапазоне длин волн делает БСА уникальным инструментом для исследования ядер галактик.

На Радиоастрономической станции (РАС) в г.Пущпно исследованы методом мерцаний различные классы галактик с целью поиска компактных радпопсточников в их ядрах. Например, это ссйфер-товские галактики, квазары, ланертнды п ряд других. Однако до последнего времени не. исследовалась природа компактных (мерцающих) источников поля, весьма немногочисленны наблюдения радиогалактик, не исследовалпсь ПК галактики сверхвысокой светимости, у которых меньше десяти лет назад в радподпапазоне на высоких частотах обнаружили мощные компактные ядра. Все это говорит об актуальности исследований ядер галактик.

Отсутствие наблюдений с высокой чувствительностью п высо-

к.цм угловым разрешением в петровом диапазоне длин волн для целых классов галактик обеспечивает также и мировой приоритет.

Целью работы является исследование нескольких классов галактик методом межплапетных мерцаний в метровом диапазоне длин волн. Это ИК галактики сверхвысокой светимости, гигантские ра-дпогалактпки, а также слабые мерпающпе источники поля. Выбор этих радиоисточников для исследования методом мерцаний объясняется следующими причинами. Во-первых, они завершают многолетнюю работу по исследованию методом межпланетных мерцании галактик рапных классов проводимую на РАС ФИАН. ИК галактики сверхвысокой светимости, гигантские радиогалактикп и слабые мерцающие источнпкп поля по разным причинам ранее на низкнх частотах исследовались недостаточно или не исследовались вовсе. Тем самым, настоящая работа завершает цикл исследовании всех известных классов активных галактик, проведенных на РАС методом мерцаний. Благодаря низкочастотным завалам спектров можно получить информацию о физических условиях в ядрах активных галактик, что весьма важно для понимания физики ядер. Во-вторых, при обзоре слабых мерцающих источников ноля по северной полусфере ожидается регистрация ~ 104 источников. Столь большое число объектов позволит провести статистические исследования компактных радиопсточников в разных аспектах. Но для получения корректных статистических выводов необходимо знать прпроду слабых мерцающих радиопсточников. Представляют они собой равновеликую смесь всех классов активных галактик пли лее они в основном принадлежат какому-то одному класс}'? Очевидно, что в последнем случае все статистические выводы будут относиться только к данному классу активных галактик.

Научная новизна работы состоит в том, что: впервые получены оценки физических условий в ядрах ИК галактик сверхвысокой светимости. Сделаны опенки плотностей потоков предельно слабых компактных радиопсточников локализованных в ядрах гигантских ра-дхюгалактик. Отмечена корреляция между морфологическим типом радпогалактпк п физическими условиями в ядрах их родительских галактик. Сделан обзор компактных радиопсточников в небольшой площадке с чувствительностью на порядок превосходящей чувства-

тельность аналогичного обзора проведенного ранее. Показано, что космологическая эволюция компактных радиоисточников отличается от космологической эволюции протяженных радионсточнпков. Исследованы свойства компактных радиоисточников, наблюдавшихся в обзоре и показано, что слабые мерцающие радиоисточники являются квазарами с крутыми спектрами.

Научная и практическая ценность работы. Полученная информация о физических условиях в ядрах радиогалактик и отмеченная корреляция физических условий в ядрах радпогалактик с формой радиогалактик важна для создания теоретических моделей АЯГ.

Разработанная методика обработки обзора мерцающих источников мажет быть использована наблюдателями, проводящими аналогичные работы на других длинах волн и других инструментах.

Апробация работы Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на:

25 радиоастрономической конференции (Пущино, 1993); Международной научной конференции "Астрофизика и космология после Гамова" (Одесса, 1.994);

Совещании по активным ядрам галактик (Крым, 1994); Рабочем совещании по активным ядрам галактик (Пущино, 1994):

28 Конференции Молодых Европейских Радиоастрономов (Грешшген, 1995);

26 радиоастрономической конференции (Санкт-Петербург, 1995); 12 рабочем совещании РАС ФИАН - АН СПбУ "Некоторые проблемы внегалактической астрономии" (Пущино, 1996);

29 Конференции Молодых Европейских Радиоастрономов (Рпкони, 1996);

а также на научных семинарах РАС ФИАН, АКЦ, ГАЙ1Н п опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 140 страниц, включая список литературы из 180 библиографических ссылок и 21 рисунка.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Разработана методика автоматической обработки обзора мерцающих радиоисточников на антенне БСА ФИАН. Для устра-

нения факторов, мешающих обпаружепшо мерцающих радиоисточников, применяются разностный п медианный фильтры. Параметры фильтров выбраны так, чтобы обеспечпть максимальное отношение сигнал/шум, что весьма важно прп поиске предельно слабых мерцающих источников. С помощью модельных расчетов получены вероятности пропуска сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум прп заданной вероятности ложного обнаружения р — 0.001. Покапано, что при данной методике обработки обзор мерцающих источников будет полным до радпоисточпиков, дисперсия мерцаний которых равна дисперсии шумов (sM = s¡¡¡) прп ожидаемом числе ложных источников 1 из 1000. Получены оценкп погрешности измерения координат мерпаюшях радиоисточников и дисперсии мсрпанпй в зависимости от отношения; сигнал/шум.

2. Проведены наблюдения 29 инфракрасных галактик сверхвысокой светимости на частоте 102 МГц. Наблюдения выполнены на антенне БСЛ ФИЛИ. Для выделения компактных радиоисточников использован метод межпланетных мерцаний. Мерцающий радиоис-точппк зарегистрирован только в IRAS 1056+24.

Обнаружены низкочастотные запалы спектров компактных радиоисточников в ядрах некоторых галактик. Исходя из того, что эти завалы спектров вызваны поглощением радиоизлучения тепловой плазмой, получены оценки плотности плазмы в ядрах восьми галактик. Оказалось, что плотность тепловых электронов в ядрах восьми инфракрасных галактик сверхвысокой светимости сравнима (несколько выше) с плотностью тепловых электронои в ядре Галактики.

3. Исследованы 3 гигантские радиогалактики — ЗС 31, NGC.315 и ЗС 219. Построены пзофоты этих галактик на частоте 102 МГц с разрешением 49' х 28' и по ним определены интегральные плотности потока. Получены верхние оценкп плотностей потоков компактных компонент в их ядрах. В галактиках ЗС 31 и NGC 315 обнаружен низкочастотный завал спектра компактного (6 = 0."002) радиопс-точника. В предположении, что этот завал вызван спнхротронным самопоглощением излучения, получены оценки напряженности магнитного поля (Я < КГ'Гс (ЗС 31), H < 10~2Гс (NGC 315)), оценки энергии магнитного поля (Ен - 1051эрг (ЗС 31), Ея ~ Ю,!)орг (NGC

315)), оценки энергии релятивистских частиц (Ее ~ Ю50 эрг (ЗС 31), Ее ~ Ю50эрг (NGC 315)). Эти оценки получены без предположения о равенстве энергии магнитного поля и релятивистских частиц.

4. Сопоставление данных результатов с аналогичными исследованиями. радпогалактик ЗС 236, DA 240 и NGC 1275 указывает на возможную связь морфологического типа радпогалактик с физическими условиями в ядрах их родительских галактик. В ядрах радпогалактик классической морфологии, когда гигантские радпооблака связаны узкими прямыми джетамп с ядром родительской галактики, энергия магнитного поля заметно превосходит энергию релятивистских электронов. В ядрах радпогалактик без джетов наблюдается обратное соотношение энергий магнитного поля и релятивистской плазмы. А в ядрах хвостатых радиогалактик, у которых джсты являются широкими, протяженными и произвольной формы имеется приближенное равнораспределение энергий.

5. На антенне БСА ФИАН проведен обзор компактных (в < 1") радпоисточннков на частоте 102 МГц методом межпланетных мерцаний. Исследованы радиоисточники в первой площадке 7С обзора площадью 0.047 стерадиан в направлении а = 6л28т и 6 = 45° . Обнаружено 125 мерцающих источников поля с плотностью потока > 0.15Ля.

6. Проведен анализ радпоисточннков из обзора мерцающих источников на 102 МГц. Сделано отождествление компактных (< 1") радпоисточннков с радиоисточниками в наиболее чувствительных каталогах пвестных на сегодняшний день. Анализ интегральных спектров показал, что компактные источники должны иметь крутой (а > 0.5) спектр. Чем слабее компактные источники, тем в среднем выше их компактность. Чем выше компактность источника, локализованного в ядре родительской галактики, тем в среднем меньше спектральный индекс, интегральной компоненты. Анализ результатов аналогичных исследований всех классов активных галактик позволил сделать вывод, что наиболее вероятными кандидатами на отождествление компактных радиоисточншсов пз обзора мерцающих источников являются квазары.

7. На основании обзора слабых мерцающих источников поля проведен подсчет мерцающих источников. Обнаружено, что до

5 = 0.7Ял дифференциальный подсчет мерцающих источников мало отличается от подсчета псточппков в евклидовой Вселенной, а в области слабых плотностей потока (5 < 0.7Ял) наблюдается очень резкий завал кривой подсчета, значительно круче, чем у подсчета радиоисточников пз 7С обзора, что указывает на разный характер космологической эволюции компактных и протяженных радиоисточников.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.

Введение касается истории возникновения внегалактической астрономии. Кратко рассмотрены основные представления о жизнедеятельности ядра. Особо выделены механизмы формирования непрерывного спектра п метод межпланетных мерцании. Это связано с тем, что благодаря интерпретации радиоспектров получены основные результаты диссертационной работы. В свою очередь, метод .межпланетных мерцаний — это основной метод, применявшийся в наблюдениях.

Едава I посвящена методике автоматической обработки наблюдений обзора мерцающих радиоисточников на антенне БСА ФИАН. Необходимость такой работы связана с тем, что ранее на БСА исследовались источники с известными координатами. Для обработки наблюдений обзора слабых мерцающпх источников поля была необходима разработка методики, в которой были получены параметры, характеризуюище качество обзора: вероятность ложного обнаружения, которая определяет ожидаемое чпсло ложных источников з каталоге; вероятность пропуска сигнала, которая характеризует полноту каталога; погреишости измерений координат; погрешности измерений плотностей потоков источников; погрешности измерений дисперсии мерцаний для мериаюпшх источников.

Следует отметить также, что постоянно ухудшается помеховая обстановка на частоте 102 МГц и поэтому разрабатываемая методика должна учитывать этот фактор и обеспечпть помехозащищенность наблюдений.

Для выделения мерцаний и устранения импульсных помех применены разностный и медианный фильтры. Показано что огноше-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ние сигнал/шум для мерцающих радпоисточников после фильтрации остается максимальным. С помощью модельных расчетов получены вероятность ложного обнаружения н вероятность пропуска сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум. Также с помощью модельных расчетов получены: ошибки определения прямого восхождения и склонения, оценки дисперсии мерцаний и илотпостп потока мерцающего источника в зависимости от отношения сигнал/шум.

В главе II приведены результаты исследований 29 инфракрасных галактик сверхвысокой светимости па частоте 102 МГц. Исследование таких галактик представляет особый интерес, так как неясна природа компактных образований в центральных частях этих галактик.' Наблюдения выполнены на антенне БСА ФИАН. Мерцающий источник обнаружен в галактике IRAS 1056+24. Для 28 галактик приведены верхние оценки плотности потока компактной компоненты. Для восьми галактик удалось надежно показать, что существует завал спектра компактного радпоисточнпка локализованного в ядре родительской галактики. Обнаруженные низкочастотные завалы спектра компактной компоненты проанализированы. Наиболее вероятным механизмом завала спектра оказалось поглощение излучения тепловой плазмой. Исходя нз этого найдены предельные значения электронной концентрации в ядрах восьми галактик.

В главе III рассмотрены гигантские радпогалактпкп NGC 315, ЗС 219 и ЗС 31. Наблюдения проводились методом межплапетных мерцаний на частоте 102 МГц. Были определены верхние оцеики плотностей потоков компактных радиопсточников локализованы* в ядрах радиогалактик. В галактиках ЗС 31 п NGC 315 обнаружен низкочастотный завал спектра компактной компоненты. Проведен анализ возможных механизмов завала спектра компактной компоненты, получены оценки величины магнитного поля и энергии релятивистских частиц. Проведено сравнение с рядом радиогалактик, которые исследовались ранее. Кроме того были построены радиоизофоты по которым определялась интегральная плотность потока от радиопс-точииков. По искажению пзофот было обнаружено, что радиогалактика ЗС 31 на частоте 102 МГц имеет размеры значительно большие, чем по наблюдениям на высоких частотах.

В главе IV проведено исследовапие природы компактных радпоп-

сточникоп поля. Приведепы результаты обзора компактных (в < 1") радиоистсчнпков на антенне БСА ФИАН. Наблюдения выполнены методом межпланетных мерцаний на частоте 102 МГц. Исследованы радиопсточники в первой площадке 7С обзора площадью 0.047 стерадиан. Обнаружено 125 компактных радиоисточнш:ов, 123 из которых наблюдались впервые.

Проведено отождествление обнаруженных мерцающих источников поля с источниками в наиболее чувствительных известных на сегодняшний день каталогах радионсточштков. По полученным интегральным спектрам проведено исследование свойств компактных радиоисточников локализованных в ядрах родительских галактик.

Проведен подсчет компактных радиоисточников н оказалось, что кривая подсчета имеет значительно более крутой завал, чем кривая подсчета по всем источникам внутри выбранной площадки. Вероятнее всего это связано с различным характером космологической эволюции компактных и протяженных компонент радиоисточников.

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах:

1. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Физические условия в ядрах ра-диогалактпк //Тезисы докладов XXV Радиоастрономической конференции (Пущпно, 20-24 сентября 1993 г.), Пущпно, 1993, С. 29

2. Артюх B.C., Огапннсяп М.А., Тюльбашев С.А. Наблюдения радиогалахтпк NGC 315 и ЗС 219 на частоте 102 МГц //Письма в АЖ. 1994 Т. 3. С. 178-183

3. Артюх B.C., Оганнисян М.А.. Тюльбашев С.А. Наблюдения радпогалактпкп ЗС 31 на частоте 102 МГц //Письма в АЖ., 1994, Т. 20, С. 258-262

4. Tyul'bashev S.A., Artyukh V.S., Zasov A.V. Investigation of ultralu-minous infrared galaxies at 102 MHz. //XXVIIIth Young Europen. Radio Astronomers Conference (18 to 21 September 1995, Kapteyn Institute, Groningen), abstracts, P. 58

5. Tyul'bashev S.A., Artyukh V.S., Hovhannissian M.A. Investigation of radio galaxies 3C 31 and NGC 315 at 102 MIIz. //XXVIHth Young

Europen Radio Astronomers Conference (18 to 21 September 1995, Kap-teyn Institute, Groningen), abstracts, P. 60

6. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Обработка наблюдеппй обзора мерцающих раднопсточнпков //Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции (Ленинград, 18-22 сентября 1995 г.), Ленинград, 1995, С. 46

7. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Методика обработки наблюдении обзора мерцающих радиоисточников //препринт ФИАН, 1996 год (Сборник: Доклады, представленные на годичную сессию Ученого Совета Астрокосмпческого Центра Физического пн-та пм. II.Н. Лебедева РАН (г.Пущшю, февраль 1995 г.)), С. 74-79

8. Тюльбашев С.А. Артюх B.C., Засов А.В. Исследование инфракрасных галактик сверхвысокой светимости на частоте 102 МГц /'/Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции (Ленинград, 18-22 сентября 1995 г.), Ленинград, 1995, С. 47

9. Исаев Е.А., Лапаев К.А., Тюльбашев С.А. Автоматизированная станцпя обзора мерцающих источников //Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции (Ленинград, 18-22 сентября 1995 г.), Ленинград, 1995, С. 386-387

10. Артюх B.C., Засов А.В., Тюльбашев С.А. Наблюдения инфракрасных галактик сверхвысокой светимости на частоте 102 МГц //Письма в АЖ., 1995, Т. 21, С. 723-729

11. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Обработка наблюдений обзора мерцающих источников //Астрон. Ж., 1996, (в печати)

12. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Исследование космологической эволюции компактных раднопсточнпков по наблюдениям на 102 МГц //Астрон. Ж., 1996, (в печати)

13. Тюльбашев С.А. Анализ компактных радцонсточников но наблюдениям на 102 МГц //Астрон. Ж., 1996, послана в печать

14. Tyul'basliev S.A. The investigation of cosmology evolution of compact radio sources at 102 MHz //XXIXth Young Europen Radio Astronomers Conference (23 to 26 September 1996, Istituto di Radioastronomia del CNR di Bologna, Riccione), abstracts, P. 31

Поцласано в печать 2Z ноября IS95 года

Заказ Я 232.Ттаза 100 РКоЛ.я.О.У.________

Отпечатано в Е-ШС SHAH

Мсскво IЬ-333, Ленински:! проспект, 53.