Круговая поляризация радиоизлучения активных ядер галактик на парсековых масштабах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ
|
Витрищак, Василий Михайлович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2008
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.03.02
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени ПК Штернберга
КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИК НА ПАРСЕКОВЫХ МАСШТАБАХ
(Специальность 01 03 02 - астрофизика и радиоастрономия)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
имени М В Ломоносова
на правах рукописи
Витрищак Василий Михайлович
"иочча115
Москва, 2008 г
003449115
Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского государственного университета имени M В Ломоносова
Научные руководители:
кандидат физико-математических наук
Габузда Дениз Кармен (Университетский Колледж Корка, Корк, Ирландия)
доктор физико-математических наук
Засов Анатолий Владимирович (профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ)
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук
Дагкесаманский Рустам Давудович (директор ПРАО АКЦ ФИАН) кандидат физико-математических наук
Рудницкий Георгий Михайлович (отдел радиоастрономии ГАИШ МГУ) Ведущая организация:
Специальная астрофизическая обсерватория (CAO РАН)
Защита состоится 23 октября 2008г в 1400 на заседании диссертационного Совета Московского государственного университета имени М В Ломоносова, шифр Д501 001 86
Адрес 119991, Москва, Университетский проспект, дом 13, ГАИШ МГУ
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономического института имени П К Штернберга Московского Государственного университета имени М В Ломоносова (Москва, Университетский пр, д 13)
Автореферат разослан «22» сентября 2008г
Ученый секретарь
диссертационного совета Д501 001 86, кандидатфиз-мат наук / СО Алексеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Несмотря на то, что активные ядра галактик (далее АГЯ) были открыты еще в середине XX века, целый ряд физических характеристик этих объектов до сих пор остается неизвестным Если основная картина происходящего в АГЯ является более-менее общепринятой, то детали, касающиеся как параметров центральной машины, так и выбросов являются крайне малоизученными Так, до сих пор в научном сообществе идут споры о составе вещества выбросов, о его энергетических характеристиках, однородности вещества, приводятся различные модели магнитного поля - разнообразных геометрий, напряженности и упорядоченности, остается открытым вопрос о механизмах ускорения частиц, коллимации выбросов и тд Для определения столь важных астрофизических свойств АГЯ необходимо не только количественное увеличение наблюдательного материала, но и его качественное разнообразие - наблюдения на различных частотах, с различным пространственным разрешением, изучение не только полной интенсивности, но и поляризационных свойств излучения Поскольку параметры выбросов АГЯ сильно меняются как при удалении от центральной машины, так и от оси выброса к его краю, особую важность для определения этих параметров представляют наблюдения со сверхвысоким разрешением в миллисекунды дуги (что для АГЯ составляет порядка парсеков), достижимым методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ)
Настоящая диссертация как раз посвящена изучению круговой компоненты поляризации (ККП) радиоизлучения АГЯ на парсековых масштабах методами РСДБ
Если наблюдаемая степень линейной поляризации радиоизлучения АГЯ может составлять десятки процентов, то степень круговой поляризации АГЯ, как правило, составляет десятые доли процента -проценты, а задача ее определения далеко не тривиальна и требует специальных методик обработки Несмотря на столь малые степени,
информация о круговой компоненте поляризации является крайне важной для определения ряда параметров выбросов, таких как характеристики магнитного поля, состав, плотность и энергетические характеристики релятивистской плазмы в выбросе, поскольку все эти параметры в той или иной степени определяют наблюдаемую поляризационную картину
Пионерами в изучении круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах являются авторы Хоман и Вордл (Нотап&\УагсНе) В серии работ они предлагают несколько методик обработки РСДБ данных с учетом круговой компоненты поляризации, которые они успешно применяют для определения степени круговой поляризации и построения поляризационных карт Полученные Хоманом и Вордлом результаты указывают на то, что ККП излучения АГЯ, как правило, связана с их РСДБ-ядрами Наблюдаемая устойчивость знака круговой поляризации от эпохи к эпохе на временных масштабах в несколько лет предполагает наличие стабильного направленного магнитного поля в изучаемых областях
До работ автора диссертации, полученные Хоманом и Вордлом результаты были единственными вследствие новизны методик обработки ККП, сложностей, связанных с их внедрением и требований к наблюдательным данным, а также сложившегося в научном сообществе мнения, что круговая поляризация в силу своей малости не может быть исследована методами РСДБ Основной проблемой при обработке радиоинтерферометрических данных круговой поляризации является крайне слабое отношение сигнал/шум (типичная максимальная степень круговой поляризации составляет всего доли процента - проценты от полной интенсивности), поэтому процедура получения карт круговой поляризации требует высокоточной калибровки наблюдательных данных, в частности комплексных коэффициентов усиления антенн, что на таких высоких радиочастотах как 43ГГц является весьма сложной, но, как показывается в настоящей диссертации, выполнимой задачей
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось изучение круговой компоненты поляризации радиоизлучения активных ядер галактик методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами на нескольких радиочастотах, что включало в себя как обработку данных, так и анализ полученных при этом карт круговой поляризации в рамках простейших моделей выброса
Целью диссертации была также проверка, оптимизация и усовершенствование методик обработки данных круговой поляризации, предложенных впервые (Нотап&и'агсИе 1999) и еще не получивших широкого применения
Хотя работа и носит экспериментальный характер, в теоретической части диссертации автор постарался привести довольно подробное описание и анализ механизмов синхротронного излучения и фарадеевской конверсии, ответственных за генерацию круговой поляризации в выбросах АГЯ, делая упор на наблюдательные особенности, которые должны быть характерны для этих механизмов при различных параметрах выбросов
Научная новизна
В результате работы были построены одни из первых карт круговой поляризации радиоизлучения АГЯ на парсековых масштабах одновременно на нескольких частотах и впервые - одновременно на трех частотах (15, 22 и 43ГГц) До настоящей работы не было данных о круговой поляризации радиоизлучения на таких высоких частотах как 22 и 43ГГц на парсековых масштабах В 9 АГЯ круговая поляризация была обнаружена впервые Также, впервые обнаружены поперечные структуры круговой поляризации с противоположными знаками на разных краях выброса
В работе для уменьшения отношения сигнал/шум на картах круговой поляризации применяется метод раздельной калибровки, предложенный Д К Габуздой и реализованный автором диссертации в рамках пакета А1Р8, а также серия программ для визуализации редактирования данных,
расчета ошибок и построения карт круговой поляризации, разработанных автором диссертации, позволяющих существенно ускорить процедуру обработки РСДБ данных, в том числе круговой поляризации
Впервые обнаружена корреляция наблюдаемой круговой поляризации с линейной поляризацией и градиентами мер вращения в АГЯ на парсековых масштабах, которая может быть объяснена в рамках простейшей модели спирального магнитного поля в выбросах
Научная и практическая ценность работы
В работе приводятся результаты исследования круговой поляризации 70 АГЯ на парсековых масштабах, 41 из которых - одновременно на частотах 15, 22 и 43 ГГц и 29 - на частоте 15ГГц Для источников, показавших наличие сигнала ККП на уровне 2а и выше, приводятся карты распределения радиояркости круговой поляризации Поскольку на сегодняшний день круговая поляризация АГЯ на парсековых масштабах изучалась лишь двумя командами исследователей, в числе одной из которых состоит автор диссертации, любые новые результаты вносят существенный вклад в формирование базы знаний о круговой поляризации радиоизлучения АГЯ Новые данные позволяют как анализировать конкретные источники, рассматривая, например, переменность круговой поляризации или связь ее с компонентами выброса при наличии карт на нескольких эпохах наблюдений, так и анализировать выборки большого числа источников, определяя связь круговой поляризации с другими наблюдаемыми свойствами источников выборки Даже располагая столь небольшим на сегодняшний день количеством информации о круговой поляризации в АГЯ, удается сделать важные астрофизические выводы о параметрах источников Так, например, на основании карт круговой поляризации для выборки источников в настоящей диссертации показывается возможная связь наблюдаемого знака круговой поляризации со спиральной структурой магнитного поля в выбросах
Полученные карты круговой поляризации могут быть использованы для сравнения с результатами численных расчетов в будущих работах, что может внести неоценимый вклад в определение параметров выбросов
Анализ наблюдаемой круговой компоненты поляризации дает возможность ввести дополнительные связи и ограничения для этих параметров в конкретных моделях выбросов Важную роль при этом играют многочастотные наблюдения, позволяющие разделить вклад от разных параметров в наблюдаемую поляризационную картину
Апробация результатов
Результаты, изложенные в работе, активно обсуждались с коллегами из АКЦ ФИАН и из лаборатории активных ядер галактик в Университетском Колледже Корка в Ирландии, докладывались автором на семинарах и конференциях
1 Семинар в институте Радиоастрономии имени Макса Планка (Max-Planck-Institut fuer Radioastronomía) в Бонне, Германия, 2005г
2 Семинар-конкурс аспирантских и студенческих докладов, СПбГУ, 2006г (доклад занял 1 место)
3 Семинары в Университетском Колледже Корка (University College Cork), Корк, Ирландия, 2006 и 2007гг
4 XXIII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 2006 г
5 XXIV конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 2007 г
6 XXXVI конференция молодых радиоастрономов «Young European Radio Astronomers Conference», Бордо, Франция, 2007г
Результаты работы также докладывались научным руководителем
Д К Габуздой на конференциях
7 Конференция «Reaching Micro-Arcsecond Resolution with VSOP-2 Astrophysics and
Technology», вблизи Токио, Япония, 2007 г
8 Конференция-школа «High Energy Phenomena in Relativistic Outflows», Дублин, Ирландия, 2007 г
9 Конференция «Extragalacticjets», Аляска, США, 2007 г
Основные результаты, выносимые на защиту
1 Проведено исследование круговой поляризации 70 активных ядер галактик на парсековых масштабах методами РСДБ В работе использовались данные, полученные не интерферометре УЬВА Для 41 АГЯ были использованы данные на трех частотах - 15, 22 и 43ГГц, для 29- только на 15ГГц Это первые результаты на таких высоких частотах как 22 и 43 ГГц В 18 источниках был обнаружен сигнал круговой поляризации на уровне выше 2о Для источников, наблюдавшихся в течение нескольких эпох, обнаружена постоянная на временных масштабах в несколько лет составляющая ККП, что свидетельствует о наличии в выбросах постоянной упорядоченной компоненты магнитного поля Для 9 источников круговая поляризация на парсековых масштабах была обнаружена впервые, для 9 источников были подтверждены более ранние результаты (Ношап, Айг^е&ШагсНе 2001, Нотап&Ьг^Гег 2006)
Полученные для исследованных объектов степени круговой поляризации составляют от десятых долей процента до нескольких процентов, что вносит ограничение на минимальные величины напряженности магнитного поля в соответствующих областях выбросов в случае, если синхротронный механизм генерации круговой поляризации является доминирующим На полученных картах во всех случаях пиковые значения интенсивности круговой поляризации соответствуют РСДБ-ядрам выбросов или лежат за ними ближе к центральной машине АГЯ Поскольку сильное внутреннее фарадеевское вращение приводит к практически полной деполяризации как линейной, так и круговой компонент поляризации в оптически толстых областях источника, вышеописанный наблюдательный факт свидетельствует в пользу того, что это вращение слабо или отсутствует, что в свою очередь делает более вероятной гипотезу об электрон-позитронной природе выброса
Была обнаружена круговая поляризация в оптически тонких выбросах 1334-127, 2223-052, а также подтверждено обнаружение
в ЗС279, тем самым, механизм генерации круговой поляризации может эффективно работать и в оптически тонких областях
2 Впервые получены карты круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах одновременно на трех радиочастотах для 5 источников Для 6 источников получены карты ККП одновременно на двух частотах Хотя в большинстве исследованных случаев сигнал круговой поляризации на частоте 43ГГц был выше, чем на двух более низких частотах, какой-то общей тенденции в частотной зависимости круговой поляризации не прослеживается
3 Впервые обнаружены поперечные структуры круговой поляризации с противоположными знаками на разных краях выброса в источниках 1055+018 и 2251+158, которые могут быть объяснены наличием тороидальной упорядоченной компоненты магнитного поля в соответствующих областях выброса
4 В рамках пакета AIPS (astronomical image processing system) реализован метод «раздельной калибровки», применяемый для обработки данных круговой поляризации и позволяющий существенно уменьшить шум на картах круговой поляризации
Структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения, содержит 80 рисунков и библиографию из 70 наименований Общий объем диссертации составляет 150 страниц, включая рисунки
Содержание диссертации
Во Введении ставится задача получения информации о круговой поляризации радиоизлучения активных ядер галактик с помощью методов РСДБ Подчеркивается актуальность и научная ценность данной задачи, ее новизна, кратко указываются принципиальные сложности, возникающие при ее решении Приводится краткая характеристика источников,
изучению которых посвящена диссертация - активных ядер галактик Делается обзор ключевых работ, посвященных изучению круговой компоненты радиоизлучения АГЯ - интегральным радионаблюдениям круговой поляризации, наблюдениям с помощью радиоинтерферометра АТСА и РСДБ-наблюдениям и их обработке, также приводятся основные теоретические работы по теме диссертации Формулируется цель диссертации и приводятся выносимые на защиту результаты, при этом указывается личный вклад автора в представленные результаты В хронологическом порядке изложена апробация результатов и список публикаций по теме диссертации
В Главе 1 рассматриваются основные механизмы генерации круговой компоненты поляризации в АГЯ - непосредственное излучение по синхротронному механизму и фарадеевская конверсия из линейной поляризации при прохождении поляризованного излучения через намагниченную плазму среды После введения определения поляризации и необходимых для дальнейшего рассмотрения терминов, приводится качественное описание синхротронного механизма и механизма конверсии, которое может быть полезно для осознания физической природы данных эффектов, а также некоторых их простейших свойств
Показывается, что синхротронное излучение отдельной релятивистской частицы в общем случае является эллиптически поляризованным, причем направление вращения плоскости поляризации зависит от разности питч-угла частицы (угла между мгновенной скоростью частицы и вектором магнитного поля) и угла между направлением на наблюдателя и вектором магнитного поля Для ансамбля частиц, имеющих равномерное распределение по импульсам (питч-углам) вклады положительного и отрицательного вращения плоскости поляризации практически полностью взаимно компенсируются, тем не менее, наблюдаемое излучение будет иметь хоть и малую, но отличную от нуля круговую компоненту поляризации При отклонении распределения электронов по импульсам от изотропного, степень круговой поляризации синхротронного излучения может меняться как в большую, так и в меньшую сторону Знаки круговой поляризации излучения частиц с одинаковыми питч-углами, но разных зарядов будут противоположными Следовательно, в плазме, состоящей исключительно из электрон-позитронных пар, результирующая степень
круговой поляризации, непосредственно генерируемой в процессе синхротронного излучения, будет равна нулю Наибольшая степень круговой поляризации в случае непосредственной генерации в синхротронном механизме наблюдается при малых углах между направлением вектора магнитного поля и лучом зрения (продольное поле) Фарадеевские магнитооптические эффекты конверсии и вращения могут также быть ответственны за генерацию круговой поляризации Эффект конверсии приводит к взаимному преобразованию линейной и круговой компонент поляризации, а эффект вращения - к повороту плоскости линейной поляризации Показывается, что для действия механизма конверсии необходимо, чтобы плоскость входящего в область линейно поляризованного излучения составляла угол, отличный от прямого с направлением локального магнитного поля Отсюда следует, что для генерации круговой поляризации по механизму конверсии требуется либо внутреннее фарадеевское вращение, либо наличие изменения поперечной компоненты магнитного поля вдоль луча зрения в источнике В нейтральной плазме, состоящей исключительно из электрон-позитронных пар, эффект фарадеевского вращения отсутствует, поскольку электроны и позитроны приводят к вращению плоскости поляризации в противоположных направлениях Эффект конверсии имеет одинаковый знак для частиц разных зарядов, поэтому конверсия возможна как в обычной плазме, так и в плазме из электрон-позитронных пар
В заключении главы рассматривается влияние релятивистских эффектов на наблюдаемые поляризационные свойства излучения АГЯ
Глава 2 посвящена более детальному рассмотрению общей задачи переноса излучения в АГЯ - приводятся уравнения переноса и коэффициенты излучения и поглощения интенсивности, линейной и круговой поляризаций для релятивистской плазмы источника синхротронного излучения, а также коэффициенты конверсии и вращения для холодной и релятивистской плазмы (7опе5&0'Ое11, 1977, Вескег1&Ра1ске, 2002) Последовательно подробно рассматриваются все коэффициенты в уравнениях переноса Приводятся решения уравнений переноса для случая однородного источника начиная от простейшего случая неполяризованного синхротронного излучения и заканчивая учетом линейной и круговой компонент поляризации и фарадеевских эффектов
Проводится анализ влияния различных параметров плазмы выбросов на наблюдаемую поляризационную картину для неоднородного источника Особое внимание уделяется геометрии магнитного поля выбросов
Значения коэффициентов переноса связаны с физическими параметрами плазмы выброса Так, коэффициенты излучения и поглощения круговой компоненты поляризации связаны с геометрией и напряженностью магнитного поля в выбросе, а также с наклоном степенного распределения релятивистских частиц плазмы по энергиям Показывается, что для генерации наблюдаемой степени круговой поляризации порядка процента по синхротронному механизму нужны упорядоченные поля с напряженностью продольной компоненты порядка О 1Гс В случае неоднородного поля, его напряженность, соответственно, должна быть еще выше Наклон спектров круговой компоненты поляризации для доминирующего синхротронного механизма может меняться в широких пределах в зависимости от оптической толщи источника от -б/2 (где б - показатель степени в распределения релятивистских частиц по энергиям) в оптически тонком случае до сильно положительных значений при промежуточных оптических толщах >1 В оптически толстом случае наклон спектра будет положительным и равен 2 На основе аналитических решений уравнений переноса, автором показывается, что максимум потока круговой поляризации на картах для синхротронного механизма генерации должен быть пропорционален квадрату частоты, те К-па-.- Поскольку интенсивность круговой
поляризации, генерируемой по синхротронному механизму, при возрастании поля увеличивается обратно пропорционально функции источника, в моделях источника где напряженность поля возрастает при приближении к центральной машине (например модель В1апс!Рэгс1 & Коп^1 1979) может наблюдаться два пика круговой поляризации разных знаков, один из которых будет расположен на расстоянии, соответствующем оптической толще т 1 , а другой будет находиться ближе к центральной машине (естественно, речь идет об РСДБ-наблюдениях, обладающих достаточным разрешением) Знак круговой поляризации при генерации по синхротронному механизму определяется проекцией вектора магнитного поля на луч зрения - в поле, имеющем продольную компоненту, направленную на наблюдателя в системе отсчета, связанной с веществом
выброса, будет генерироваться отрицательная круговая поляризация и наоборот Зависимостью знака поляризации от направления вектора локального магнитного поля можно воспользоваться для определения геометрии магнитного поля в выбросе В главе приводятся примеры различных геометрий поля и их возможные наблюдательные проявления (опять же, при достаточном разрешении и чувствительности радиоинтерферометра)
К генерации круговой поляризации могут приводить и магнитооптические фарадеевские эффекты конверсии и вращения Коэффициенты конверсии и вращения в уравнениях переноса, характеризующие мощность соответствующих фарадеевских эффектов, сильно зависят от нижней границы степенного распределения релятивистских частиц плазмы по энергиям (от наличия более медленных релятивистских частиц), а также от геометрии и напряженности магнитного поля Показывается, что в зависимости от параметров выброса они могут меняться в очень широких пределах Приводятся численные решения уравнения переноса для однородного источника с учетом действия фарадеевских эффектов для различных параметров выброса, которые показывают, что при определенных значениях коэффициентов переноса, в однородном источнике могут генерироваться крайне высокие (> 30%] степени круговой поляризации Рассуждения обобщаются на случай неоднородного источника, при этом рассматривается два случая -сильного и слабого внутреннего фарадеевского вращения В первом случае в оптически-толстых областях выброса излучение должно испытывать сильную деполяризацию как линейной, так и круговой компонент, что противоречит наблюдениям - максимум интенсивности круговой поляризации практически во всех случаях (и в настоящей работе, и в работах других авторов) наблюдается в РСДБ-ядрах выброса В случае слабого вращения для работы механизма конверсии, необходимо чтобы направление поперечной компоненты магнитного поля менялось вдоль луча зрения внутри источника
Рассматривается простая модель конверсии, в которой генерируемое по синхротронному механизму в одной однородной области линейно поляризованное излучение, проходя через вторую однородную область с другим направлением поперечной компоненты магнитного поля,
испытывает фарадеевскую конверсию с образованием круговой компоненты поляризации При определенных ограничениях на оптическую толщу и величины коэффициентов вращения и конверсии, знак круговой поляризации на выходе из такого идеализированного источника будет зависеть только от угла между поперечными компонентами магнитного поля в этих двух областях Этот упрощенный подход можно применить к моделям реальных источников, например, к модели источника со спиральным магнитным полем, если угол закрутки спирали не сильно меняется от оси выброса к его краям При мысленном движении вдоль луча зрения от «заднего края» выброса к его оси, направление вектора магнитного поля будет практически постоянным, при переходе через центр выброса оно испытает резкий скачек на угол ср, сохраняя это новое направление до «переднего края» выброса Тем самым, излучение с «задней» половины выброса будет испытывать конверсию на «передней» его половине, генерируя круговую поляризацию, знак которой будет определяться только величиной угла ср Этот угол, а следовательно и распределение знака круговой поляризации, будет варьироваться поперек выброса, и при наблюдениях с ограниченным разрешением будет наблюдаться усредненная по диаграмме направленности круговая поляризация Приведенные автором диссертации расчеты для простейшей модели спирального поля - поверхностного спирального поля - показали, что знак круговой поляризации, который должен наблюдаться для этой модели определяется питч-углом (углом закрутки) спирали и спиральностью (направлением закрутки) Он также зависит от угла между лучом зрения и осью выброса в системе отсчета, связанной с веществом выброса, но в результате релятивистского уярчения и эффекта наблюдательной селекции большинство выбросов должно наблюдаться под углами, близкими к 90°, в собственной системе отсчета или к ~1/Г в системе отсчета, связанной с наблюдателем (Ьуийкоу, Рапеу, СаЬигс1а 2005) Выводы для модели поверхностного поля можно обобщить и на более широкий класс спиральных полей, для которых питч-угол практически не меняется в зависимости от расстояния до оси выброса Таким образом, если доминирующим механизмом генерации круговой поляризации является конверсия, то при выполнении всех условий вышеописанной модели, наблюдаемый знак круговой поляризации будет
связан с величиной питч-угла поля и его спиральностью Величина питч-угла может быть оценена из данных линейной компоненты поляризации, анализ градиентов мер вращения позволяет оценить спиральность поля при его заданной полярности Следовательно, если реальные источники близки к описанной модели, наблюдаемый знак круговой поляризации может быть использован для определения спиральности поля выброса, а последняя, при наличии данных градиентов мер вращения - для определения его полярности
Для 8 АГЯ из различных источников были одновременно доступны данные о круговой и линейной поляризации, а также градиентах мер вращения Для всех 8 случаев рассчитанный в рамках приведенной модели знак круговой поляризации совпал с наблюдаемым при условии, что во всех случаях магнитное поле выбросов имело одинаковую полярность, а именно, силовые линии были направлены в сторону центральной машины. Этот интересный наблюдательный факт может свидетельствовать как в пользу актуальности приведенной модели, так и в пользу довольно нетривиального вывода о том, что большинство выбросов АГЯ имеют одинаковую полярность Последнее может объясняться, например, в рамках квадрупольной природы полей, генерируемых центральной машиной (Blandford, 2008) Конечно, выборки из 8 источников недостаточно для каких-либо статистических выводов и необходим дальнейший анализ большего числа источников
В Главе 3 рассматриваются основные проблемы, возникающие при обработке данных круговой поляризации АГЯ - инструментальная поляризация, эффект «косоглазия» (beam squint) телескопов, проблема определения комплексных коэффициентов антенн и ошибки, связанные с отдельными базами Указываются методы, используемые для решения этих проблем, приводится оценка ошибок калибровки
На практике невозможно добиться того, чтобы приемники антенны принимали строго заданные моды поляризации, и это необходимо учитывать при обработке интерферометрических данных В случае, когда предполагается, что приемники антенн принимают две ортогональные круговые моды поляризации, в реальности принимаемые моды оказываются слабо-эллиптическими Это вносит ошибки в результаты обработки поляризационных данных, называемые инструментальной
поляризацией, поэтому требуется специальная калибровка, позволяющая его уменьшить Для этого совместно с источниками выборки необходимо наблюдать калибровочный источник, который либо не поляризован, либо сильно поляризован, но является как можно более компактным Для данного источника находятся поправки, связанные с инструментальной поляризацией, которые затем применяются ко всем источникам выборки
В результате того, что приемники правой и левой круговых мод немного смещены относительно оси телескопа и друг друга, диаграммы направленности для них также будут смещены Любая ошибка наведения телескопа приведет к тому, что будет наблюдаться искусственная разница в амплитудах сигналов, принимаемых двумя этими приемниками Этот эффект называется эффектом «косоглазия» телескопа Разница в амплитудах, возникающая в результате эффекта, может быть велика по сравнению с типичными наблюдаемыми степенями круговой поляризации К счастью, поскольку данный эффект не коррелирован между антеннами, его вклад в ошибку определения круговой поляризации будет меньше в
V*V раз, где N- число антенн, участвующих в РСДБ-наблюдениях Поскольку амплитудная ошибка вследствие данного эффекта также меняется с азимутальным вращением в течение времени наблюдений, усреднение по времени позволяет практически полностью ее исключить
Основной проблемой при калибровке данных для анализа круговой компоненты поляризации является необходимость определения отношения комплексных коэффициентов усиления (gains) приемников двух ортогональных круговых мод поляризации для каждой из антенн с большой точностью, так как ошибки в определении этих отношений вносят наибольший вклад в результаты обработки данных круговой поляризации Наблюдая вместе с изучаемыми источниками один или несколько источников с нулевой или очень малой степенью круговой поляризации, можно «перенести» медленно меняющуюся составляющую отношения коэффициентов усиления приемников двух ортогональных мод, найденного для данного источника, на остальные источники выборки Как правило, расписания наблюдений составляются так, что близкие на небесной сфере источники являются смежными по времени наблюдения в расписании, что гарантирует возможность такого «переноса» Описанный
метод носит название метода переноса поправок (gain-transfer) и был предложен в работе (Homan&Wardle 1999)
После применения метода переноса поправок остается неисправленной быстропеременная составляющая отношения коэффициентов усиления приемников двух ортогональных мод Для уменьшения эффекта от этой составляющей можно воспользоваться методом, предложенным Д К Габуздой и реализованным автором настоящей диссертации Метод состоит в раздельной самокалибровке корреляции приемников правой моды поляризации и корреляции приемников левой моды поляризации для каждой из пар антенн с использованием моделей интенсивности и круговой поляризации, полученных путем картографирования данных после применения метода переноса поправок
Помимо ошибок, связанных с индивидуальными антеннами, существуют ошибки, связанные с отдельными базами и эти ошибки никак не учитываются при калибровке круговой поляризации К счастью, для сети VLBA, данные с которой и использовались в настоящей диссертации, ошибки, связанные с отдельными базами, крайне малы
В Главе 4 приводятся результаты обработки данных круговой поляризации 70 АГЯ с использованием методик, описанных в главе 3 Для 41 АГЯ были использованы данные на трех частотах - 15, 22 и 43ГГц, для 29- только на 15ГГц Для 9 источников круговая поляризация на парсековых масштабах была обнаружена впервые, для 9 источников были подтверждены более ранние результаты (Ношап, Attridge&Wardle 2001, Homan&Lister 2006) Характерные обнаруживаемые степени круговой поляризации составляют десятые доли процента - проценты, максимальные - до нескольких процентов
Для источников, наблюдавшихся в течение нескольких эпох, обнаружена постоянная на временных масштабах в несколько лет составляющая ККП, что свидетельствует о наличии в выбросах постоянной упорядоченной компоненты магнитного поля Для всех 8 источников, в которых на 15ГГц была обнаружена круговая поляризация как в настоящей диссертации, так и в наблюдениях MOJAVE первой эпохи (Homan&Lister 2006), знак круговой поляризации находится в согласии
В настоящей работе получены одни из первых данных круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах одновременно на нескольких
частотах Хотя в большинстве случаев сигнал круговой поляризации на частоте 43ГГц выше, чем на двух более низких частотах, какой-то общей тенденции в частотной зависимости круговой поляризации не прослеживается Для 11 источников, для которых круговая поляризация была обнаружена одновременно на двух или трех частотах, наблюдается как рост, так и падение сигнала круговой поляризации с частотой Из 9 АГЯ, для которых круговая поляризация была обнаружена одновременно на частотах 15 и 22ГГц, 8 показали один и тот же знак поляризации Из 7 источников, для которых она была обнаружена одновременно на частотах 22 и 43ГГц, в 5 случаях знак круговой поляризации на этих двух частотах был различным
В 5 источниках (ЗС84, 3C273, 2128-123, 2134+004 и 2251+158) первой эпохи MOJA VE круговая поляризация была обнаружена в оптически тонком выбросе (Homan&Lister 2006) В настоящей диссертации круговая поляризация была обнаружена в оптически тонком выбросе 1334-127, 2223-052 и подтверждена в ЗС279, тем самым, очевидно, механизм генерации круговой поляризации может эффективно работать и в оптически тонких областях Пиковые значения интенсивности круговой поляризации во всех случаях наблюдались в РСДБ-ядрах выбросов
Для источников 2145+067, OJ287, 0109+224 и 2223-052 максимум потока круговой поляризации на полученных картах смещен относительно интенсивности в сторону центральной машины При этом для источников 2145+067 и OJ287, для которых круговая поляризация была обнаружена одновременно на нескольких частотах, это смещение наблюдалось на всех частотах
Интересным результатом, полученным в настоящей диссертации является обнаружение поперечных структур круговой поляризации в выбросах В двух случаях - 1055+018 и 2251 + 158 была обнаружена поперечная структура в виде пиков разного знака по разные стороны от выброса В источниках 1334-127, 0133+476, 0823+033 и 1510-089 пик был смещен в поперечном к выбросу направлении В источниках 1055+018, 0133+476, 1510-089 и 1334-127 такие структуры были обнаружены на частоте 43 ГГц, что говорит в пользу необходимости дальнейшего анализа круговой поляризации на таких высоких частотах, позволяющего разрешать поперечную структуру поляризации В 1510-089 поперечное
смещение пика поляризации в том же направлении, что и на 43ГГц наблюдалось и на 22ГГц В источниках 2251+158 и 0823+033 поперечная структура была обнаружена на 15ГГц Присутствие подобных поперечных структур вероятнее всего свидетельствует о наличии тороидальной компоненты магнитного поля в выбросах, характерной для тороидальных и спиральных полей
Для источника ЗС279 из эксперимента 15 03 2005г на 43ГГц была обнаружена продольная структура круговой поляризации с двумя максимумами разного знака по разные стороны от максимума интенсивности Хотя авторы (Homan&Lister 2006), также наблюдавшие подобные продольные структуры, считают, что последние могут появляться искусственно в результате ошибок фазовой калибровки, нельзя отрицать возможность того, что эти структуры являются реальными Например, в главе 2 диссертации показывается, что они могут быть характерны для синхротронного механизма генерации круговой поляризации
В Заключении перечислены и прокомментированы основные выводы и результаты диссертации, выносимые на защиту
Список публикаций по теме диссертации
Основные результаты диссертации содержатся в следующих рецензируемых публикациях
1 Витрищак, В М и Габузда, Д К Новые измерения круговой компоненты поляризации радиоизлучения активных ядер галактик на парсековых РСДБ-масштабах // АЖ, 2007, том 84, стр 771
2 Vitnshchak, V М , Gabuzda, D С , Algaba, J С , Rastorgueva, Е А, & O'Dowd, A The 15-43-GHz Radio Circular Polarization of 41 Active Galactic Nuclei // MNRAS, в печати (2008), arXiv 0809 2556 [astro-ph]
3 Gabuzda, D С , Vitnshchak, V M , Mahmud, M , O'Sullivan, S P Radio circular polarization produced in helical magnetic fields in eight active galactic nuclei I/ MNRAS, 2008, том 384, стр 1003-1014
4 Gabuzda, D С , Vitnshchak, V M , Mahmud, M , O'Sullivan, S P Circular Polarization and Helical В Fields in AGN // «Extragalactic Jets Theory and Observation from Radio to Gamma-ray» ASP Conference Proceedings, ред T A Rector и D DeYoung, ASPC, 2008, том 386, стр 444
5 Gabuzda, D С , Vitnshchak, V M Parsec-Scale Circular Polarization Measurements of BL Lac Objects II «Future Directions in High Resolution Astronomy The 10th Anniversary of the VLBA» ASP Conference Proceedings, ред J Romney и M Reid, ASPC, 2005, том 340, стр 180
6 Vitnshchak, V M , Gabuzda, D С The parsec-scale Polarisation of Active Galactic Nuclei at 22 and 15GHz И труд конференции High Energy Phenomena in Relativistic Outflows, IJMPD, в печати (2008)
Личный вклад автора в совместные работы
Все работы, приведенные в списке публикаций по теме диссертации, были выполнены в соавторстве Автором диссертации в этих работах была проведена вся калибровка данных круговой поляризации после первичной калибровки и построены все карты круговой поляризации Подавляющее большинство карт полной интенсивности, использовавшихся для калибровки, были получены соавторами или заимствованы из других работ при согласии их авторов Все теоретические выкладки и расчеты, приведенные в работах, за исключением выкладок, заимствованных из других работ принадлежат автору Идея метода раздельной калибровки из работы (Витрищак и Габузда 2007) принадлежит Д К Габузде, реализация метода и его применение были выполнены автором диссертации Данные мер вращения, спектральных индексов и линейной поляризации были получены соавторами или заимствованы из цитируемых работ
Список литературы
1 Homan, D С and Wardle, J F С Detection and measurement of parsec-scale circular polarization in four AGNs // AJ 1999, Vol 118, p 1942
2 Homan, D С , Attridge, J M and Wardle, J F С Parsec-scale circular polarization observations of 40 blazars II Api 2001, Vol 556, p 113
3 Homan, D С and Wardle, J F С High levels of circularly polarized emission from the radio jet in NGC 1275 (3C84) // ApJ 2004, Vol 602, p L13
4 Homan, D С and Lister, M L MOJA VE Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments II II Ai 2006, Vol 131, p 1262
5 Jones, T W , & O'Dell, S L Transfer of polarized radiation in self-absorbed synchrotron sources I Results for a homogenous source II ApJ 1977, Vol 214, p 552
6 Beckett, В , &Fa!cke, H Circular polarization of radio emissionfrom relatmsticjets II A&A 2002, Vol 388, p 1106-1119
7 Blandford, R D , &Konigl, A Relativisticjets as compact radio sources II ApJ, 1979, Vol 232, p 34-48
8 Lyutikov, M , Pariev, V , Gabuzda, D С Polarization and structure of relativistic parsec-scale AGNjets И MNRAS, 2005, том 360, стр 869
9 Blandford R D Extragalactic Jets Some Unanswered Questions and the Prospects for GLAST II «Extragalactic Jets Theory and Observation from Radio to Gamma-ray» ASP Conference Proceedings, ред T A Rector и D DeYoung, ASPC, 2008, том 386, стр ЗВ
Подписано в печать 16 09 2008 Формат 60x88 1/16 Объем 1 5 п л Тираж 100 экз Заказ № 737 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г Москва, Ленинские горы, д 1 Главное здание МГУ, к А-102
Содержание работы.iii
Список иллюстраций.х
Список таблиц.xiv
Активные ядра галактик.1
Интегральные наблюдения круговой поляризации радиоизлучения АГЯ.4
Круговая поляризация АГЯ на парсековых масштабах.5
1. Круговая компонента поляризации радиоизлучения АГЯ.7
1.1. Поляризованное излучение, параметры Стокса, сфера Пуанкаре.7
1.2. Синхротропное излучение.11
1.3. Фарадеевские эффекты.13
1.4. Влияние релятивистских эффектов .16
2. Задача переноса излучения в выбросах АГЯ.18
2.1. Задача переноса излучения.18
2.2. Коэффициенты г}[ и К/.22
2.3. Коэффициенты riqii kq.22
2.4. Коэффициенты r)vii kv.24
2.4.1. Неоднородный источник.28
2.4.2. Модели магнитного поля в выбросах.31
2.5. Коэффициенты kf и кс - фарадеевские эффекты.37
2.5.1. Фарадеевские толщи.41
2.5.2. Однородный источник.43
2.5.3. Неоднородный источник.52
2.5.4. Случай слабого внутреннего вращения.54
3. Обработка РСДБ-данных круговой поляризации АГЯ.61
3.1. Инструментальная поляризация.61
3.1.1. Калибровка инструментальной поляризации.63
3.1.2. Ошибки калибровки инструментальной поляризации.64
3.2. Эффект «косоглазия» телескопов (beam squint).65
3.3. Фазовая информация.66
3.4. 11роблема точного определения комплексных коэффициентов усиления антенн (gains).66
3.4.1. Метод переноса поправок (gain transfer).68
3.4.2. Ошибки метода переноса поправок.74
3.4.3. Фазовая калибровка круговой поляризации.77
3.4.4. Раздельная самокалибровка (RiRJ) и (¿¿LJ).77
3.5. Ошибки, связанные с отдельными базами.79
3.6. Выводы.79
4. Многочастотные РСДБ-наблюдения круговой поляризации АГЯ.81
4.1. Данные и пакеты обработки.81
4.1.1. Калибровка данных в AIPS.82
4.2. Обработка данных экспериментов 1997-2005гг.83
4.2.1. Обозначения.83
4.2.2. Эксперимент 01.11.2004 г. на частотах 15, 22 и 43 ГГц.84
4.2.3. Эксперимент 15.03.2005 г. на частотах 15, 22 и 43 ГГц.90
4.2.4. Эксперимент 26.09.2005 г. на частотах 15, 22 и 43 ГГц.99
4.2.5. Эксперимент 05.03.2003 г. на частотах 15, 22 и 43 ГГц.109
4.2.6. Эксперимент 07.08.2002 г. на частоте 15 ГГц.118
4.2.7. Эксперимент 27.12.1999 г. на частоте 15 ГГц.121
4.2.8. Эксперимент 09.02.1997 г. на частоте 15 ГГц.128
4.2.9. Эксперимент 17.06.1999 г. на частоте 15 ГГц.133
4.3. Обсуждение результатов.134
4.3.1. Результаты наблюдений на нескольких эпохах.134
4.3.2. Связь с оптическим классом.138
4.3.3. Продольная структура круговой поляризации.140
4.3.4. Поперечная структура круговой поляризации.141
4.3.5. Степень круговой поляризации.142
4.3.6. Зависимость от частоты.142
5. Заключение.145
Литература.148
Актуальность темы.
Несмотря на то, что активные ядра галактик (далее АГЯ) были открыты еще в середине XX века, целый ряд физических характеристик этих объектов до сих пор остается неизвестным. Если основная картина происходящего в АГЯ является более-менее общепринятой, то детали, касающиеся как параметров центральной машины, так и выбросов являются крайне малоизученными. Так, до сих пор в научном сообществе идут споры о составе вещества выбросов, о его энергетических характеристиках, однородности вещества, приводятся различные модели магнитного поля - разнообразных геометрий, напряженности и упорядоченности, остается открытым вопрос о механизмах ускорения частиц, коллимации выбросов и т.д. Для определения столь важных астрофизических свойств АГЯ необходимо не только количественное увеличение наблюдательного материала, но и его качественное разнообразие - наблюдения на различных частотах, с различным пространственным разрешением, изучение не только полной интенсивности, но и поляризационных свойств излучения. Поскольку параметры выбросов АГЯ сильно меняются как при удалении от центральной машины, так и от оси выброса к его краю, особую важность для определения этих параметров представляют наблюдения со сверхвысоким разрешением в миллисекунды дуги (что для АГЯ составляет порядка парсеков), достижимым методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).
Настоящая диссертация как раз посвящена изучению круговой компоненты поляризации (ККП) радиоизлучения АГЯ на парсековых масштабах методами РСДБ.
Если наблюдаемая степень линейной поляризации радиоизлучения АГЯ может составлять десятки процентов, то степень круговой поляризации АГЯ, как правило, составляет десятые доли процента - проценты, а задача ее определения далеко не тривиальна и требует специальных методик обработки. Несмотря на столь малые степени, информация о круговой компоненте поляризации является крайне важной для определения ряда параметров выбросов, таких как характеристики магнитного поля, состав, плотность и энергетические характеристики релятивистской плазмы в выбросе, поскольку все эти параметры в той или иной степени определяют наблюдаемую поляризационную картину.
Пионерами в изучении круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах являются авторы Хоман и Вордл (Нотап&\Уап31е). В серии работ они предлагают несколько методик обработки РСДБ данных с учетом круговой компоненты поляризации, которые они успешно применяют для определения степени круговой поляризации и построения поляризационных карт. Полученные Хоманом и Вордлом результаты указывают на то, что ККП излучения АГЯ, как правило, связана с их РСДБ-ядрами. Наблюдаемая устойчивость знака круговой поляризации от эпохи к эпохе на временных масштабах в несколько лет предполагает наличие стабильного направленного магнитного поля в изучаемых областях.
До работ автора диссертации, полученные Хоманом и Вордлом результаты были единственными вследствие новизны методик обработки ККП, сложностей, связанных с их внедрением и требований к наблюдательным данным, а также сложившегося в научном сообществе мнения, что круговая поляризация в силу своей малости не может быть исследована методами РСДБ. Основной проблемой при обработке радиоинтерферометрических данных круговой поляризации является крайне слабое отношение сигпал/шум (типичная максимальная степень круговой поляризации составляет всего доли процента - проценты от полной интенсивности), поэтому процедура получения карт круговой поляризации требует высокоточной калибровки наблюдательных данных, в частности комплексных коэффициентов усиления антенн, что на таких высоких радиочастотах как 43ГГц является весьма сложной, но, как показывается в настоящей диссертации, выполнимой задачей.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось изучение круговой компоненты поляризации радиоизлучения активных ядер галактик методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами на нескольких радиочастотах, что включало в себя как обработку данных, так и анализ полученных при этом карт круговой поляризации в рамках простейших моделей выброса.
Целью диссертации была также проверка, оптимизация и усовершенствование методик обработки данных круговой поляризации, предложенных впервые (Ношап & \Vardle 1999) и еще не получивших широкого применения.
Хотя работа и носит экспериментальный характер, в теоретической части диссертации автор постарался привести довольно подробное описание и анализ механизмов сипхротронного излучения и фарадеевской конверсии, ответственных за генерацию круговой поляризации в выбросах АГЯ, делая упор на наблюдательные особенности, которые должны быть характерны для этих механизмов при различных параметрах выбросов.
Научная новизна
В результате работы были построены одни из первых карт круговой поляризации радиоизлучения АГЯ на парсековых масштабах одновременно на нескольких частотах и впервые - одновременно на трех частотах (15, 22 и 43ГГц). До настоящей работы не было данных о круговой поляризации радиоизлучения на парсековых масштабах на таких высоких частотах как 22 и 43ГГц. В 9 АГЯ круговая поляризация была обнаружена впервые. Также, впервые обнаружены поперечные структуры круговой поляризации с противоположными знаками на разных краях выброса.
В работе для уменьшения отношения сигнал/шум на картах круговой поляризации применяется метод раздельной калибровки, предложенный Д.К.Габуздой и реализованный автором диссертации в рамках пакета А1Р5, а также серия программ для визуализации редактирования данных, расчета ошибок и построения карт круговой поляризации, разработанных автором диссертации, позволяющих существенно ускорить процедуру обработки РСДБ данных, в том числе круговой поляризации.
Впервые обнаружена корреляция наблюдаемой круговой поляризации с линейной поляризацией и градиентами мер вращения в АГЯ на ларсековых масштабах, которая может быть объяснена в рамках простейшей модели спирального магнитного поля в выбросах.
Научная и практическая ценность работы
В работе приводятся результаты исследования круговой поляризации 70 АГЯ на парсековых масштабах, 41 из которых - одновременно на частотах 15, 22 и 43 ГГц и 29 -на частоте 15ГГц. Для источников, показавших наличие сигнала ККП на уровне 2а и выше, приводятся карты распределения радиояркости и степени круговой поляризации. Поскольку на сегодняшний день круговая поляризация АГЯ на парсековых масштабах изучалась лишь двумя командами исследователей, в числе одной из которых состоит автор диссертации, любые новые результаты вносят существенный вклад в формирование базы знаний о круговой поляризации радиоизлучения АГЯ. Новые данные позволяют как анализировать конкретные источники, рассматривая, например, переменность круговой поляризации или связь ее с компонентами выброса при наличии карт на нескольких эпохах наблюдений, так и анализировать выборки большого числа источников, определяя связь круговой поляризации с другими наблюдаемыми свойствами источников выборки. Даже располагая столь небольшим на сегодняшний день количеством информации о круговой поляризации в АГЯ, удается сделать важные астрофизические выводы о параметрах источников. Так, например, на основании карт круговой поляризации для выборки источников в настоящей диссертации показывается возможная связь наблюдаемого знака круговой поляризации со спиральной структурой магнитного поля в выбросах.
Полученные карты круговой поляризации могут быть использованы для сравнения с результатами численных расчетов в будущих работах, что может внести неоценимый вклад в определение параметров выбросов. Анализ наблюдаемой круговой компоненты поляризации дает возможность ввести дополнительные связи и ограничения для этих параметров в конкретных моделях выбросов. Важную роль при этом играют многочастотные наблюдения, позволяющие разделить вклад от разных параметров в наблюдаемую поляризационную картину.
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Проведено исследование круговой поляризации 70 активных ядер галактик на парсековых масштабах методами РСДБ. В работе использовались данные, полученные не интерферометре VLB А. Для 41 АГЯ были использованы данные на трех частотах - 15, 22 и 43ГГц, для 29- только на 15ГГц. Это первые результаты на таких высоких частотах как 22 и 43ГГц. В 18 источниках был обнаружен сигнал круговой поляризации на уровне выше 2а. Для источников, наблюдавшихся в течение нескольких эпох, обнаружена постоянная на временных масштабах в несколько лет составляющая ККП, что свидетельствует о наличии в выбросах постоянной упорядоченной компоненты магнитного поля. Для 9 источников круговая поляризация на парсековых масштабах была обнаружена впервые, для 9 источников были подтверждены более ранние результаты (Homan, Atlridge&Wardle 2001, Homan&Lister 2006).
Полученные для исследованных объектов степени круговой поляризации составляют от десятых долей процента до нескольких процентов, что вносит ограничение на минимальные величины напряжённости магнитного поля в соответствующих областях выбросов в случае, если синхротронный механизм генерации круговой поляризации является доминирующим.
На полученных картах во всех случаях пиковые значения интенсивности круговой поляризации соответствуют РСДБ-ядрам выбросов или лежат за ними ближе к центральной машине АГЯ. Поскольку сильное внутреннее фарадеевское вращение приводит к практически полной деполяризации как линейной, так и круговой компонент поляризации в оптически толстых областях источника, вышеописанный наблюдательный факт свидетельствует в пользу того, что это вращение слабо или отсутствует, что в свою очередь делает более вероятной гипотезу о электрон-позитронной природе выброса.
Была обнаружена круговая поляризация в оптически тонких выбросах 1334-127, 2223-052, а также подтверждено обнаружение в ЗС279, тем самым, механизм генерации круговой поляризации может эффективно работать и в оптически тонких областях.
2. Впервые получены карты круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах одновременно на трех радиочастотах для 5 источников. Для 6 источников получены карты ККП одновременно на двух частотах. Хотя в большинстве исследованных случаев сигнал круговой поляризации на частоте 43ГГц был выше, чем на двух более низких частотах, какой-то общей тенденции в частотной зависимости круговой поляризации не прослеживается.
3. Впервые обнаружены поперечные структуры круговой поляризации с противоположными знаками на разных краях выброса в источниках 1055+018 и 2251 + 158, которые могут быть объяснены наличием тороидальной упорядоченной компоненты магнитного поля в соответствующих областях выброса.
4. В рамках пакета AIPS (astronomical image processing system) реализован метод «раздельной калибровки», применяемый для обработки данных круговой поляризации и позволяющий существенно уменьшить шум на картах круговой поляризации.
Структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения, содержит 80 рисунков и библиографию из 70 наименований. Общий объем диссертации составляет 150 страниц, включая рисунки.
Основные результаты, полученные в настоящей диссертации, приведены ниже:
1. В 18 источниках (10 квазарах, 7 лацертидах и 1 радиогалактике) был обнаружен сигнал круговой поляризации на уровне выше 2а. Характерные степени поляризации, обнаруженной в РСДБ-ядрах АГЯ в настоящей диссертации, составляют десятые доли процента о г полной интенсивности, иногда достигая процентов. Из приведенных в диссертации карт степени ККП и значений тс в пике интенсивности круговой поляризации видно, что степень поляризации может достигать ещё больших значений (в несколько процентов) вне максимума полной интенсивности. Dio вносит ограничение на минимальные величины напряжённое ги магнитного поля в соответствующих областях выбросов в случае, если доминирующим механизмом образования круговой поляризации является непосредственная генерация при синхрогронном излучении.
2. Многие из источников в настоящей диссертации наблюдались одновременно в нескольких экспериментах. 41 АГЯ из диссертации наблюдались также и в экспериментах MOJA VE первой эпохи на частоте 15ГГц (Homan & Lister 2006). Для всех источников знак обнаруженной круговой поляризации не менялся на протяжении всех экспериментов (включая данные MOJA VE). Сравнение с результатами MOJA VE показало, что для 9 источников с одновременным обнаружением и в настоящей диссертации, и в экспериментах MOJA VE, наблюдалось хорошее согласие как знака круговой поляризации, так и ее степени. Это свидетельствует в пользу долговременной (на масштабах нескольких лет) стабильности всех параметров выброса, отвечающих за наблюдаемый поток круговой поляризации, таких, например, как геометрия и напряженность упорядоченной компоненты магнитного поля.
3. На ряду с постоянной компонентой, для многих источников было также обнаружено изменение интенсивности круговой поляризации со временем. Во многих случаях оно было связано с сильным изменением полного потока интенсивности.
4. На 15ГГц по результатам диссертации процент обнаружений в квазарах оказался выше (42%), чем в лацертидах (15%), что может быть объяснено в среднем меньшими потоками в радиодиапазоне для лацертид, чем для квазаров. По суммарным данным настоящей диссертации и работы (Ношап & Lister 2006) было впервые обнаружено, что среди лацертид, в отличие от квазаров, отсутствуют объекты с высокой (>0.4%) степенью поляризации. Возможно, отсутствие таких обнаружений связано с различием свойств центральных машин этих двух классов и как следствием - различными параметрами магнитных полей их выбросов.
5. В большинстве случаев максимальная интенсивность круговой поляризация была обнаружена в РСДБ-ядрах выбросов, что свидетельствует в пользу слабой внутренней деполяризации в областях с т~1, соответствующих РСДБ-ядрам. В ряде источников максимум круговой поляризации на картах был смещен в сторону центральной машины, то есть в ещё более оптически толстые области. Это свидетельствует в пользу (а) высокой степени упорядоченности поля и (б) малости внутреннего фарадеевского вращения, которые в противном случае приводили бы к практически полной деполяризации даже на небольших оптических толщах. Для электрон-протонной плазмы коэффициент вращения резко зависит от параметров выброса и пространство параметров, отвечающих его малым значениям весьма ограничено, поэтому вероятнее всего плазма выброса имеет электрон-позитронную природу.
6. Была обнаружена круговая поляризация в оптически тонких выбросах 1334-127, 2223-052 и ЗС279. Во всех случаях максимальная интенсивность ККП наблюдалась в РСДБ-ядре выброса (или даже ближе к центральной машине в 2223-052). Этот наблюдательный факт указывает на то, что механизмы генерации круговой поляризации эффективно работают в широком диапазоне оптических толщин, а также в пользу важного вывода о том, что параметры выброса, ответственные за генерацию круговой поляризации, меняются относительно плавно вдоль оси выброса, что может также подтверждать предположение о электрон-позитронной природе выброса.
7. Впервые обнаружены поперечные структуры круговой поляризации с противоположными знаками на разных краях выброса в объектах 1055+018 и 2251 + 158, которые могут быть объяснены наличием тороидальной упорядоченной компоненты магнитного поля в соответствующих областях выброса.
8. В настоящей работе получепы одни из первых данных о круговой поляризации АГЯ на парсековых масштабах одновременно на нескольких частотах и впервые -на таких высоких частотах как 22 и 43ГГц. В 41 объектах, наблюдавшихся одповрел1енно на частотах 15, 22 и 43ГГц, сигнал круговой поляризации на уровне выше 2а был обнаружен в 11 источниках. Хотя в большинстве исследованных случаев интенсивности и степень ККП на частоте 43ГГц были выше, чем на двух более низких частотах, какой-то общей тенденции в частотной зависимости круговой поляризации не прослеживается. Так, предполагаемая для доминирующего синхротронного механизма генерации зависимость максимальной интенсивности круговой поляризации от частоты Vmax ос v2 не наблюдается для большинства источников, что делает более вероятным механизмом генерации ККП фарадеевскую конверсию из линейной компоненты при прохождении излучения через намагниченную релятивистскую плазму выброса, в рамках которой можно объяснить полученные частотные зависимости ККП.
9. В виде процедуры пакета AIPS (astronomical image processing system) был реализован метод «раздельной калибровки», предложенный Д.К.Габуздой в работе (Витрищак и Габузда 2007), позволяющий существенно уменьшить шум на картах круговой поляризации. Также автором диссертации были написаны вспомогательные программы по редактированию данных (SIBLED), построению контурных карт (PlotMap) и расчёту ошибок метода переноса поправок (GTE).
Заключение
В настоящей диссертации было проведено исследование круговой поляризации 70 активных ядер галактик (45 объектов типа BL Lacertae, 24 квазаров и 1 радиогалактики) на парсековых масштабах методами РСДБ. В работе использовались данные, полученные не интерферометре VLB А в период с 1997 по 2005 гг. (данные были заказанны научным руководителем автора Д.К.Габуздой). Для 41 объектов были использованы данные на трех частотах - 15, 22 и 43ГГц, для 29 - только на 15ГГц. Для высокоточной калибровки данных, необходимой для обнаружения крайне слабого сигнала ККП (характерные степени круговой поляризации радиоизлучения АГЯ составляют всего десятые доли процента) были использованы специальные методики, впервые предложенные в работе (Homan & Wardle 1999), а также метод раздельной калибровки, предложенный Д.К. Габуздой в работе (Вигрищак, Габузда 2007).
1. Begelman, M.C., Blandford, R.D., Rees, M.J. Theoiy of extragalactic radio sources. II Rev. Modern Phys., 1984, том 56, стр. 255-351
2. Blandford, R.D., Znajek, R.L. Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes. II MNRAS, 1977, том 179, стр. 433-456
3. Böttcher, M. Physics input from multiwavelength observations ofAGN. II Bull. Astron. Soc. of India, 2002, том 30, стр. 115-124
4. Burn, B.J. On the depolarization of discrete radio sources by Faraday dispersion. II MNRAS, 1966, том 133, стр. 67-83
5. Cawthorne, Т. V., Wardle, J. F. C., Roberts, D. H., Gabuzda, D. C., Brown, L. F.
6. Chen, T. VLB I and VSOP study of two Quasar Jets. II кандидатская диссертация, Brandeis University, 2005
7. Conway, R.G., Gilbert, J.A., Raimond, E., Weiler, K.W. Circular polarization of quasars at hi cm.il MNRAS, 1971, том 152, стр. lp-4p
8. Cotton, W.D. Calibration and imaging of polarization sensitive Very Long Baseline Interferometer observations. II AJ, 1993, том 106, стр. 1241-1248
9. Fanaroff, В. L., Riley, J. M. The morphology of extragalactic radio sources of high and low luminosity. //MNRAS, 1974, том 167, стр. 31P-36P
10. Fomalont, E. В., Bridle, A. H., Willis, A. G., Perley, R. A. Structure of the magnetic field inthe radio jets hi 3C 31 and NGC 315. II ApJ, 1980, том 237, стр. 418-423
11. Fossati, G., Maraschi, L., Celotti, A., Comastri, A., Ghisellini, G. A unifying view of thespectral energy distributions ofblazars. II MNRAS, 1998, том 299, стр. 433-448
12. Frater, R.H., Brooks J.W., Whiteoak, J.B. The Australia Telescope Overview. И Electrical
13. Electron. Eng. AusL, 1992, том 12, стр. 103-112
14. Gabuzda, D. C-, Cawthorne, Т. V., Roberts, D. H., Wardle, J. F. C. A survey of the milliarcsecond polarization properties of BL Lacertae objects at 5 GHz. H ApJ, 1992, том 388, стр. 40-54
15. Gabuzda, D.C., Gomez, J.-L. VSOP polarization observations of the BL Lacertae object OJ 287. II MNRAS 2001, том 320, стр. L49
16. Gabuzda, D.C., Rastorgueva, Е.Л., Smith, P.S., O'Sullivan, S.P. Evidence for cospatial optical and radio polarized emission in active galactic nuclei. И MNRAS, 2006, том 369, стр. 1596-1602
17. Gabuzda, D.C., Vitrishchak V.M., Mahmud, M., O'Sullivan, S.P. Radio Circular Polarization Produced in Helical Magnetic Fields in Eight Active Galactic Nuclei. И MNRAS, 2008, том 384, стр. 1003-1014
18. Gilbert J. A., Conway, R.G. Circular Polarization of Quasars at Lambda 49 ст. II Nat, 1970, том 227, стр. 585
19. Homan, D.C. Polarization Studies of the Parsec Scale Jets of AGN. II кандидатская диссертация, Brandéis University, 1999
20. Homan, D.C., Attridge, J.M., Wardle, J.F.C. Parsec-scale circular polarization observations of 40 biazars. II ApJ, 2001, том 556, сгр. 113-120
21. Homan, D.C., Lister, M.L. MO J AVE: Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments. И. II AJ, 2006, том 131, стр. 1262-1279
22. Homan, D.C., Wardle, J.F.C. Detection and measurement of parsec-scale circular polarization in four AGNs. И AJ, 1999, том 118, стр. 1942-1962.
23. Homan, D.C., Wardle, J.F.C. High levels of circularly polarized emission from the radio jet in NGC 1275 (3CS4). II ApJ, 2004, том 602, стр. L13-L16
24. Jaffe, W.J., Perola, G.C. Dynamical Models of Tailed Radio Sources in Clusters of Galaxies. И A&A, 1973, том 26, стр. 423-435
25. Osterbrock, D.E., Mathews, W.G. Emission-line regions of active galaxies and QSOs. II Ann. Rev. Astron. & Astrophys., 1986, том 24, стр. 171-203
26. Owen, F.N., Ledlow, M.J., Keel, W.C. Optical Spectroscopy of Radio Galaxies inAbell Clusters II. BL Lacs and FR I Unification. II AJ, 1996, том 111, стр. 53-63
27. Rayner, D.P., Norris, R.P., Sault R.J. Radio circular polarization of active galaxies. II MNRAS, 2000, том 319, стр. 484-496
28. Roberts, J.A., Cooke, D.J., Murray, J.D., Cooper, B.F.C., Roger, R.S., Ribes, J.-C., Biraud,
29. F. Measurements of the circular polarization of radio sources at frequencies of 0.63, 1.4, 5.0 and 8.9 GHz. II Aust. J. Phys., 1975, том 28, стр. 325-351
30. Sazonov, V.N. Generation and Transfer of Polarized Synchrotron Radiation. //SvA, 1969, том 13, стр. 396-402
31. Schmidt, M. 3C 273 : A Star-Like Object with iMrge Red-Shift. II Nat, 1963, том 197, стр. 1040 Segre, S.E. A review of plasma polarimetry theory and methods. II Plasma Phys. Control. Fusion, 1999, iom 41, стр. R57-R100
32. Seielstad, G.A., Berge G.L. Time dependence of the integrated Stokes parameters of compact radio sources at 5 GHz. II AJ, 1975, том 80, стр. 271-281
33. Weiler, K.W., De Pater, I. A catalog of high accuracy circular polarization measurements. И ApJS, 1983, том 52, crp. 293-327
34. Weiler, K.W., Wilson, A.S. High accuracy measurements of linear and circular polarization at 49 cm. // A&A, 1977, том 58, стр. 17-26
35. Willis, A.G., Strom, R.G., Wilson, A.S. 3C236, DA240; the largest radio sources known. II Nat, 1974, том 250, стр. 625-630
36. Zavala R.T., Taylor, G.B. A view through Faraday's fog. II. Parsec-scale rotation measures in 40 active galactic nuclei. II ApJ, 2004, том 612, стр. 749-779 Бескин, B.C. Осесилшепгричные стационарные течения в астрофизике. И М.:ФИЗМАТЛИТ, 2006
37. Витрнщак, В.М., Габузда, Д.К. Новые измерения круговой компоненты поляризации радиоизлучении активных ядер галактик на парсековых РСДБ-масштабах. IIАЖ, 2007, том 84, стр. 771-785
38. Ландау, Л.Д., Лнфшиц, Е.М. Теоретическая физика. Том II. Теория поля. // М.: ФИЗМATJIИТ, 2003
39. Томпсон, А.Р., Моран, Дж.М., Свенсон, Дж.У. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии. // М.ФИЗМАТЛИТ, 2003
