Исследование ядер активных галактик методом межпланетных мерцаний на частоте 102,5 МГц тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

^ О»

^ $ ^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ

РЕВОЛЮЦИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕВЕДЕВА Астроко смнчесхий Центр

На правах рукописи УДК 523.72; 524.7

С

Тюльбашев 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 - 1997 г.

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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Артюх В.С.

Оффициалъные оппоненты:

доктор физико-математических наук Истомин Я.Н. (ФИАН) кандидат физико-математических наук Ларионов М.Г. (ГАИШ)

Ведущая организация: Институт Космических Исследований РАН

Защита состоится " " 1997 года в - час.на

заседании диссертационного совета Д 002.39.01 в Физическом институте им. 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

Ю.А.Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С момепта открытия активных ядер галактик (ЛЯГ) прошло более полувека, но все увеличивающийся поток работ говорит о важности исследования этих необычных объектов. Наблюдения АЯГ проводятся по всех диапазонах длин волн. Это радиоволны, инфракрасный (ИК) диапазон, оптика, рентген. Общей теории формирования и жизнедеятельности АЯГ не существует. До сих гтор не ясно, каким 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, либо только избранных? Возникают ли ядра как следствие эволюции галактик, либо это вполне самостоятельные объекты, являющиеся удобными центрами формирования галактик? Как эволюционирует ядро?

В 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, сверхмассивная звезда, магнетоид, 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 разпые физические механизмы. Во-вторых, говоря об АЯГ, неявно подразумевают черную дыру. Однако не так давно были открыты ИК галактики сверхвысокой светимости, центральная часть которых обладает признаками АЯГ в радиодиапазоне, 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 звездообразования.

Исследование АЯГ 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 флуктуационную чувствительность.

К настоящему времени для радиодиапазопа известно только два способа достичь углового разрешения лучше 1". Первый способ — это использование интерферометров. К сожалению, в метровом диапазоне длин волн наблюдения с таким разрешением носят пока единичный характер. Основным недостатком радиоинтерферометрии является необходимость иметь две пли более гигантские антенны, сложность наблюдений и их последующей обработки. Второй способ связан с использованием метода межпланетных мерцаний. Он особенно эффективен в метровом диапазоне и дополняет интерфе-рометрическпе 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 флуктуационная чувствительность наблюдений, обеспечивается Большой синфазной антенной Физического института Академии Наук (БСА ФИАН), благодаря большой эффективной площади 30000м2). В метровом диапазоне длин волн БСА является самой крупной в мире полномощно стной 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.Пущино исследованы методом мерцаний различные классы галактик с целью поиска компактных радиоисточников в их ядрах. Например, это сейфер-товские галактики, квазары, лацертиды п ряд других. Однако до последнего времени не исследовалась природа компактных (мерцающих) источников поля, весьма немногочисленны наблюдения радпо-галактик, не исследовались ПК галактики сверхвысокой светимости, у которых меньше десяти лет назад в радиодиапазоне на высоких частотах обнаружили мощные компактные ядра. Все это говорит об актуальности исследований ядер галактик.

Отсутствие наблюдений с высокой чувствительностью и высо-

кпм угловым разрешением в метровом диапазоне длпн волн для целых классов галактик обеспечивает также гг мировой приоритет.

Целью работы является исследование нескольких классов галактик методом межпланетных мерцаний в метровом диапазоне длин волн. Это ИК галактики сверхвысокой светимости, гигантские радиогалактики, а также слабые мерцающие источники поля. Выбор этпх радиопсточников для исследования методом мерцаний объясняется следующими причинами. Во-первых, они завершают многолетнюю работу по исследованию методом межпланетных мерцаний галактик разных классов проводимую на РАС ФИАН. ИК галактики сверхвысокой светимости, гигантские радиогалактики п слабые мерцающие источники поля по разным причинам ранее на низких частотах исследовались недостаточно или не исследовались вовсе. Тем самым, настоящая работа завершает цикл исследований всех известных классов активных галактик, проведенных па 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 поля 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 природу слабых мерцающих радиоисточников. Представляют они собой равновеликую смесь всех классов активных галактик пли же они в основном принадлежат какому-то одному классу? 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 оценки плотностей потоков предельно слабых компактных радиопсточников локализованных в ядрах гигантских радиогалактик. Отмечена корреляция между морфологическим типом радиогалактик и физическими условиями в ядрах их родительских галактик. Сделан обзор компактных радиоисточников в небольшой площадке с чувствительностью на порядок превосходящей чувствп-

К

телыюсть аналогичного обзора проведенного ранее. Показано, что космологическая эволюция компактных радиоисточников отличается от космологической эволюции протяженных радиоисточников. Исследованы свойства компактных радиоисточнпков, наблюдавшихся в обзоре и показано, что слабые мерцающие радиоисточникп 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 радиогалактик с формой радпогалактик важна для создания теоретических моделей АЯГ.

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

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

25 радиоастрономическон конференции (Пущино, 1993); Международной научной конференции "Астрофизика и космология после Гамова" (Одесса, 1994);

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

28 Конференции Молодых Европейских Радиоастрономов (Гренинген, 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 (Рикони, 1996);

а также на научных семинарах РАС ФИАН, АКЦ, ГАИШ и опубликованы в 13 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 обнаружению мерцающих радиоисточников, применяются разностный и медианный фильтры. Параметры фильтров выбраны так, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум, что весьма важпо при поиске предельно слабых мерцающих источников. С помощью модельных расчетов полутепы вероятности пропуска сигнала в зависимости от отношения сиг нал/шум при заданной вероятности ложного обнаружения р = 0.001. Показано, что при данной методике обработки обзор мерцающих источников будет полным до радиоисточннков, дпсперспя мерцаний которых равна днснерсии шумов = вш) при ожидаемом числе ложных источников 1 из 1000. Получены оценки погрешности измерения координат мерцающих радпоисточников и дисперсии мерцаний в зависимости от отношения спгнал/шум.

2. Проведены наблюдения 29 инфракрасных галактик сверхвысокой светимости на частоте 102 МГц. Наблюдения выполнены па антенне БСА ФИАН. Для выделения компактных радпоисточников использован метод межпланетных мерцаний. Мерцающий радиоисточник зарегистрирован только в IRAS 1056+24.

Обнаружены низкочастотные завалы 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 электронов в ядре Галактики.

. 3. Исследованы 3 гигантские радиогалактики — ЗС 31, NGC 315 и ЗС 219. Построены изофоты этих галактик на частоте 102 МГц с разрешением 49' х 28' и по ним определены интегральные плотности потока. Получены верхние оценки плотностей потоков компактных компонент в их ядрах. В галактиках ЗС 31 и NGC 315 обиаружен низкочастотный завал спектра компактного (9 = 0."002) радиоисточника. В предположении, что этот завал вызван сшгхротронным самопоглощением излучения, получены оценки напряженности магнитного поля (Я < Ю^Гс (ЗС 31), Я < 10"2Гс (NGC 315)), оценки энергии магнитного поля (Ев ~ Ю51эрг (ЗС 31), Es ~ 104Ээрг (NGC

315)), оценки энергии релятивистских частиц (Ее ~ Ю50 эрг (ЗС 31), Ее ~ 1050эрг (NGC 315)). Эти оценки получены без предположения о равенстве энергии магнитного поля и релятивистских частиц.

Сопоставление данных результатов с аналогичными исследованиями радиогалактпк ЗС 236, DA 240 и NGC 1275 указывает на возможную связь морфологического типа радиогалактик с физическими условиями в ядрах их родительских галактик. В ядрах радиогалактик классической морфологии, когда гигантские радиооблака связаны узкими прямыми джетами 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 джеты являются широкими, протяженными и произвольной формы имеется приближенное равнораспределение энергий.

4. На антенне БСА ФИАН проведен обзор компактных (в < 1") радиоисточников на частоте 102 МГц методом межпланетных мерцаний. Исследованы радпоисточнпки в первой площадке ТС обзора площадью 0.047 стерадиан в направлении а = Qb28m и 6 — 45е . Обнаружено 125 мерцающих источников поля с плотностью потока > 0.15Ян.

На основании обзора слабых мерцающих источников поля проведен подсчет мерцающих источников. Обнаружено, что до S = 0.7Ян дифференциальный подсчет мерцающих источников мало отличается от подсчета источников в евклидовой Вселенной, а в области слабых плотностей потока (5 < 0.7Ян) наблюдается очень резкий завал кривой подсчета, значительно круче, чем у подсчета радпопс-точников из 7С обзора, что указывает на разный характер космологической эволюции компактных и протяженных радиоисточников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит пз введения, 4 глав и заключения.

Введение касается истории возникновения внегалактической астрономии. Кратко рассмотрены основные представления о жизнедеятельности ядра. Особо выделены механизмы формирования непрерывного спектра и метод межпланетных мерцаний. Это связано с

S

тем, что благодаря интерпретации радиоспектров получены основные результаты дпссертационпой работы. В свою очередь, метод межпланетных мерцаний — это основной метод, применявшийся в наблюдениях.

Глава I посвящена методике автоматической обработки наблюдений обзора мерцающих радиопсточников на антенне БСЛ ФИ АН. Необходимость такой работы связана с тем, что ранее на БСА исследовались источники с известными координатами. Для обработки наблюдении обзора слабых мерцающих источников поля была необходима разработка методики, в которой были получены параметры, характеризующие качество обзора: вероятность ложного обнаружения, которая определяет ожидаемое число ложных источников в каталоге; вероятность пропуска сигнала, которая характеризует полноту каталога; погрешности измерений координат; погрешности измерений плотностей потоков источников; погрешности измерений дисперсии мерцаний для мерцающих источников.

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

Для выделения мерцаний и устранения импульсных помех применены разностный и медианный фильтры. Показано что отношение спгнал/шум для мерцающих радиоисточников после фильтрации остается максимальным. С помощью модельных расчетов получены вероятность ложного обнаружения и вероятность пропуска сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум. Также с помощью модельных' расчетов получены: ошибки определения прямого восхождения и склонения, оценкп дисперсии мерцаний п плотности потока мерцающего источника в зависимости от отношения сигнал/шум.

В главе II приведены результаты исследований 29 инфракрасных галактик сверхвысокой светимости на 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 компо-

ненты. Для восьми галактик удалось надежно показать, что существует завал спектра компактного радиоисточника локализованного в ядре родительской галактики. Обнаруженные низкочастотные завалы спектра компактной компоненты проанализированы. Наиболее вероятным механизмом завала спектра оказалось поглощение излучения тепловой плазмой. Исходя из этого найдены предельные значения электронной концентрации в ядрах восьми галактик.

В главе III рассмотрены гигантские радиогалактнкп NGC 315, ЗС 219 и ЗС 31. Наблюдения проводились методом межпланетных мерцаний на частоте 102 МГц. Были определены верхние оценки плотностей потоков компактных радиоисточников локализованное в ядрах радиогалактик. В галактиках ЗС 31 и 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 радпогалактик, которые исследовались ранее. Кроме того были построены радиоизофоты по которым определялась интегральная плотность потока от радиоисточников. По искажению изофот было обнаружено, что радиогалактика ЗС 31 да частоте 102 МГц имеет размеры значительно большие, чем по наблюдениям на высоких частотах.

В главе IV проведено исследование природы компактных радиои-сточнпков поля. Приведены результаты обзора компактных (6 < 1") радиопсточнпков на антенне БСА ФИАН. Наблюдения выполнены методом межпланетных мерцаний на частоте 102 МГц. Исследованы радпоисточники в первой площадке 7 С обзора площадью 0.047 стерадиан. Обнаружено 125 компактных радиопсточников, 123 из которых наблюдались впервые.

Проведено отождествление обнаруженных мерцающих источников поля с источниками в наиболее чувствительных известных на сегодняшний день каталогах радиоисточников. Г1о полученным интегральным спектрам проведено исследование свойств компактных радноисточников локализованных в ядрах родительских галактик.

Проведен подсчет компактных радиоисточников и оказалось, что кривая подсчета имеет значительно более крутой завал, чем кривая подсчета по всем источникам внутри выбранной площадки. Ве-

t о

роятнее 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 13 печатных работах:

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

2. Артюх B.C., Огаинисян М.А., Тюльбашев С.А. Наблюдения радиогалактик NGC 315 и ЗС 219 на частоте 102 МГц //Письма в АЖ. 1994 Т10. С. 178-183

3. Артюх B.C., Огаинисян М.А., Тюльбашев С.А. Наблюдения радиогалактики 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 Europeri 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 MHz. //XXVIIIth Young Europen Radio Astronomers Conference (18 to 21 September 1995, Kapteyn Institute, Groningen), abstracts, P. 60

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

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

8. Тюльбашев С.А. Артюх B.C., Засов А.В. Исследование инфракрасных галахтпк сверхвысокой светимости на частоте 102 МГц

I 1

//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 станция 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, Т. 73, С. 669-676

12. Артюх B.C., Тюльбашев С.А. Исследование космологической эволюции компактных радпоисточников по наблюдениям на 102 МГц //Астрон. Ж., 1996, Т. 73, С. 661-668

13. Tyul'bashev 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

Личный вклад автора в совместные работы: Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, в проведении наблюдений, в обработке наблюдений и в интерпретации результатов.

Подписано в печать 24 декабря 1236 года

Заказ й 263.Тираж 50 акз П.л.0,8._

Отпечатано в БИС ШАН

Москва,33-333,Ленинский проспект,53,