Наблюдательные характеристики широкодиапазонного излучения блазаров тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи УДК524.7-77

Муфахаров Тимур Василович

НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОДИАПАЗОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БЛАЗАРОВ

01.03.02 — астрофизика и звездная астрономия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

~ 2015

Нижний Архыз — 2015

005561925

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Мингалиев Марат Габдуллович

кандидат физико-математических наук, Горшков Александр Георгиевич »

Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Москва, зав. лабораторией РАТАН-600.

доктор физико-математических наук, Ларионов Валерий Михайлович

Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, вед. науч. сотрудник, зав. лабораторией наблюдательной астрофизики.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 16 октября 2015 г. в 13:30 на заседании диссертационного совета Д 002.203.01 при Специальной астрофизической обсерватории РАН по адресу: 369167, Карачаево-Черкесская республика, Зеленчукский р-н, пос. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке CAO РАН. Автореферат разослан " 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.203.01, к.ф.-м.н.

Шолухова О. Н.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Общая характеристика работы

Актуальность задачи

На сегодняшний день изучение активных галактических ядер (АЯГ) является одной из интереснейших и многообещающих областей в астрофизике. С момента своего открытия этот класс объектов привлекает к себе внимание. Плазма, движущаяся с околосветовыми скоростями в джете, ультракомпактность центральной области, демонстрирующей экстремальную яркость, и многие другие необыкновенные свойства обеспечивают неугасающий интерес к АЯГ. За последние годы было запущено много выдающихся телескопов, одной из главных задач которых является изучения феномена АЯГ: космический телескоп Fermi-LAT, изучающий АЯГ в гамма-диапазоне, AGILE (итальянская орбитальная обсерватория для наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне), NuSTAR (жесткий рентгеновский диапазон), WISE (космический телескоп, проводящий наблюдения в ИК-диапазоне), РадиоАстрон (космический радиотелескоп наземно-космического интерферометра) и др. Все эти миссии призваны помочь ученым приблизиться к пониманию уникальных процессов, происходящих в АЯГ. Наиболее обсуждаемыми и важными вопросами в этой области являются: структура магнитного поля вблизи центральной машины и в джете, механизм формирования гамма-излучения, его связь с длинноволновым излучением, происхождение джета, причина его необычайно сильной коллимации и др. Существуют много типов АЯГ, разделяемых по наблюдательным проявлениям активности. Наиболее мощные источники излучения во всех диапазонах, к тому же сильно и быстро переменные, из них — это блазары. Экстремальные проявления активности блазаров объясняются джетом, ориентированным под небольшим углом к наблюдателю, излучение которого носит нетепловой характер и объясняется синхротронным механизмом излучения релятивистских частиц. Блазары — одни из самых ярких источников на небе в гамма- и радиодиапазоне.

Наземными радиотелескопами решаются важные задачи по исследованию структуры центральных областей АЯГ (РСДБ метод), переменности излучения на различных длинах волн (от мм до дм), эволюции радиоспектров и др. Исследования проводятся как одиночными антеннами, так и в интерферометрических сетях (ALMA, EVN, VLBA и др.), а также в рамках международных многоволновых программ (WEBT, GASP). Наблюдательные данные радиотелескопа РАТАН-600, широко использованные в данной работе, являются надежной наблюдательной основой для проверки и дальнейшего развития существующих теоретических моделей. Основным преимуществом использования наблюдательного материала РАТАН-600 является многочастотность

и практически одновременность получаемых радиоданных. Особенностью этого телескопа также является возможность проводить постоянный мониторинг большого числа блазаров. Анализ мгновенных радиоспектров совместно с привлечением наблюдательных данных из других диапазонов позволяет узнать характер процессов, происходящих в блазарах и уточнить параметры, связанные с их строением.

Цели и задачи исследования

Целью данной работы является комплексное исследование наблюдательных характеристик блазаров и связи их излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра. Для достижения поставленной цели был сформулирован ряд задач:

• Проведение многочастотных долговременных наблюдений большого списка блазаров (несколько сотен) на радиотелескопе РАТАН-600; наблюдения проводились на частотах 2.3, 4.8, 7.7, 11.2 и 21.7 ГГц в период 2010-2014 гг. Обработка наблюдательного материала и получение мгновенных радиоспектров исследуемых объектов для ряда наблюдательных эпох.

• Изучение взаимосвязи излучения в джете и аккреционном диске блазаров; корреляции излучения в радио/гамма диапазонах с привлечением литературных данных и измерений РАТАН-600.

• Исследование параметров синхротронной компоненты спектрального распределения энергии для блазаров из списка РАТАН-600 по литературным данным; использование собственных почти одновременных наблюдательных данных в радио- и оптическом диапазоне ряда блазаров для решения этой задачи.

Научная новизна и достоверность результатов

Многочастотные измерения большого списка блазаров (несколько сотен) на радиотелескопе РАТАН-600, проведенные в период 2010-2014 гг., являются новыми для исследуемой выборки и представлены в каталоге ВЬса1. Многополосная фотометрия в оптическом диапазоне и измерения звездных величин проведены автором, полученные результаты являются новыми для исследованных блазаров.

Интерактивный каталог измерений объектов типа ВЬ ЬасеПае на РАТАН-600 является новым и первым в своем роде каталогом одновременных радиоизмерений на четырех-шести частотах (содержит более 300 объектов).

Результаты анализа корреляции потоков в радио- и гамма-диапазонах, выполненного с использованием квазиодновременных измерений телескопов РАТАН-600 и Рспти-ЬАТ, получены впервые для пяти радиочастот.

Параметры синхротронной компоненты в спектральном распределении энергии впервые оценены для почти 900 блазаров из списка мониторинга на РАТАН-600.

Измерения и обработка в радиодиапазоне производились на одном инструменте (РАТАН-600) с использованием штатных программных средств и общепринятых методов (апробированных многими исследователями), что исключает возможные систематические ошибки, возникающие при сравнении данных с разных телескопов, тем более полученных в разные эпохи. Наблюдения и обработка в оптическом диапазоне (Цейсс-1000) также проводились апробированными ранее методами, с использованием стандартных общепринятых программных средств.

Научная и практическая значимость

Научная ценность состоит в получении новых радиоспектров объектов. Результаты анализа спектральных свойств источников могут быть использованы в дальнейших экспериментальных и теоретических исследованиях природы объектов и механизмов их излучения.

Результаты анализа связи излучения блазаров в разных диапазонах электромагнитного спектра могут использоваться в любых других исследованиях по этому направлению.

Интерактивный каталог измерений объектов типа ВЬ ЬасеПае является полезным инструментом в изучении эволюции синхротронных радиоспектров, кривых блеска и переменности этого типа блазаров.

Частота максимума синхротронной компоненты спектрального распределения энергии, оцененная для большого числа (почти 900) блазаров, является важным параметром характеризующим излучение блазаров и полученные результаты могут быть полезными для астрофизиков, изучающих этот редкий подкласс АЯГ.

Результаты, приведенные в данной диссертации и опубликованные в научных статьях, могут быть использованы другими исследователями АЯГ и блазаров.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Результаты многочастотных наблюдений на РАТАН-600 - измерения плотности потока на частотах 2.3, 4.8, 7.7, 11.2 и 21.7 ГГц; анализ радиоспектров нескольких сотен блазаров.

2. Результаты анализа взаимосвязи излучений в джете и аккреционном диске блазаров, проведенного с использованием данных РАТАН-600 и доступных литературных данных. Показано, что состояние лацертид в радиодиапазоне (активное или спокойное) влияет на величину коэффициента корреляции потока в радиодиапазоне и потока от области образования широких линий.

3. Анализ корреляции излучения в радио- и гамма-диапазонах, при использовании квазиодновременных наблюдательных данных телескопов РАТАН-600 и Fermi-LAT, выявил значимую корреляцию для обоих подклассов бла-заров — лацертид и квазаров с плоским спектром, для всех пяти рассмотренных радиочастот (2.3-21.7 ГГц) и двух гамма полос (0.1-1 ГэВ). Полученный результат говорит в пользу тесной взаимосвязи гамма- и радиоизлучения и образования их из одной популяции фотонов.

4. Результаты оценки значения частоты максимума синхротронной компоненты 0'ртк) спектрального распределения энергии (SED) для. выборки 875 блазаров из наблюдательного списка РАТАН-600 по неодновременным литературным данным. На основе этого проведена классификация блазаров выборки по типу SED и найдено различие в распределении этого параметра для двух подклассов блазаров — лацертид и квазаров с плоским спектром.

5. Результаты квазиодновременных наблюдений в оптическом и радиодиапазоне для шести объектов — блазаров с очень низкочастотным максимумом синхротронного излучения (VLSP). Определено значение и-реак для них и подтверждена классификация как VLSP трех из них.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях и семинарах:

1. XLI1 Young European Radio Astronomers Conference, ПРАО, Пущино, Россия, 18-21 сентября 2012 г.

2. The XII Finnish-Russian Radio Astronomy Symposium, Биологическая станция в Ламми, Финляндия, 15-18 октября 2012 г.

3. XXX конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», ПРАО, Пущино, Россия, 8-11 апреля 2013 г.

4. Всероссийская астрономическая конференция «Многоликая Вселенная» (ВАК-2013), Санкт-Петербург, Россия, 23-27 сентября 2013 г.

5. XLIV Young European Radio Astronomers Conference, Университет им. H. Коперника, Торунь, Польша, 8-12 сентября 2014 г.

6. Конференция-семинар «Физика - космосу», МКШ им. В.Н. Челомея, Байконур, Россия, 25-30 октября 2014 г.

7. Конкурс-конференция работ сотрудников САО РАН, Нижний Архыз, Россия, 6 февраля 2015 г.

8. Астрофизический семинар на РАТАН-600, САО РАН, Россия, 30 апреля 2015 г.

9. The XIII Finnish-Russian Radio Astronomy Symposium, ГАО РАН, Санкт-Петербург, Россия, 25-29 мая 2015 г.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах, из них шесть — в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК и индексируемых WoS), шесть — в сборниках тезисов докладов. Основные результаты изложены в следующих статьях:

1. М. Mingaliev, Yu. Sotnikova, Т. Mufakharov, A. Erkenov, R. Udovitskiy. "Gigahertz-Peaked spectrum sources. Galaxy and Quasars" Astrophysical Bulletin, Volume 68, Issue 3, pp.257-267, 2013

2. T. Mufakharov, Yu. Sotnikova, A. Erkenov, M. Mingaliev. "Study of the Relation between the Jet and Accretion-Disk Emission in Blazars Using RATAN-600 Multifrequency Data" Astrophysical Bulletin, Volume 69, Issue 3, pp.247-259, 2014

3. M. Mingaliev, Yu. Sotnikova, R. Udovitskiy, T. Mufakharov, E. Nieppola, A. Erkenov. "RATAN-600 multi-frequency data for the BL Lac objects" Astronomy and Astrophysics, Volume 572, p. 59, 2014

4. T. Mufakharov, M. Mingaliev, Yu. Sotnikova, Ya. Naiden, A. Erkenov. "The observed radio/gamma-ray emission correlation for blazars with the Fermi-LAT and the RATAN-600 data" Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 450, Issue 3, p.2658-2669, 2015

5. T. Mufakharov, Yu. Sotnikova, M. Mingaliev, A. Erkenov. "Multifrequency quasi-simultaneous observations of six low frequency peaked blazars" Astrophysical Bulletin, Volume 70, Issue 3, pp.273-279, 2015

6. M. Mingaliev, Yu. Sotnikova, T. Mufakharov, A. Erkenov, R. Udovitskiy. "A Study of the Synchrotron Component in the Blazar Spectral Energy Distributions" Astrophysical Bulletin, Volume 70, Issue 3, pp.264-272, 2015

Личный вклад автора

Все работы, перечисленные в списке публикации по теме диссертации, выполнены в соавторстве. Вклад диссертанта в работы с первым авторством (2, 4, 5 из списка публикаций) является определяющим. Кроме этого, личный вклад в каждую из публикации заключается в следующем.

В статье 1: равный вклад в получение зависимостей, расчет параметров, построение графиков, написание соответствующих разделов статьи, обсуждение результатов; равный вклад при подготовке и публикации каталога в базе данных VizieR.

В статье 2: автору принадлежит постановка задачи, проведение расчетов, вклад

7

в обсуждение результатов и публикацию статьи.

В статье 3: работа с данными из литературы, представленными в каталоге, подготовка необходимого описательного материала для статьи, активное участие в написание текста, равный вклад в обсуждение результатов и публикацию статьи.

В статье 4: автору принадлежит постановка задачи, большая часть вычислений, основной вклад в обсуждение результатов и публикацию статьи. В статье 5: автору принадлежит постановка задачи, получение наблюдательных данных, все расчеты, основной вклад в обсуждение результатов и публикацию статьи.

В статье 6: автором частично получены исследуемые параметры для большой выборки объектов по литературным данным, вклад соавторов в получение зависимостей, обсуждение результатов и публикацию статьи одинаков.

Содержание и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы (162 наименования) и двух приложений. Объем работы — 127 страниц печатного текста, включая 27 рисунков.

Во Введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследования, приводятся цели и задачи, научная новизна и научная и практическая ценность; приводятся результаты, выносимые на защиту, дается список конференций и работ, где были представлены результаты диссертации, описывается степень личного вклада автора.

В Главе 1 "Активные галактические ядра" дается определение активных галактических ядер (АЯГ) и приводится история их открытия (п. 1.1), далее формулируется современное представление об АЯГ в рамках унифицированной модели (п. 1.2), объясняющей разнообразие наблюдательных проявлений АЯГ ориентацией их компонент по отношению к наблюдателю [1] и рассматриваются основные компоненты АЯГ: массивный центральный объект, аккреционный диск, джет, области образования спектральных линий (BLR, NLR) и виды их излучений. В пункте 1.3 уделяется особое внимание основному подклассу АЯГ, изучаемому в данной работе — блазарам; приводятся их характеристики, описываются наиболее значимые обзоры и объясняется классификация блазаров по положению максимума синхротронной компоненты (г/Д,оА.) их спектрального распределения энергии (SED) — разделение на подклассы по такому критерию широко использовано в данной диссертации. Источники с v*eaf. < 10U a Гц называют блазарами с низкочастотным максимумом синхротронного излучения

8

(low synchrotron-peaked, LSP), при 1014 5 < »*как < 10le 5 Гц и vspeak > 1016 5 Гц, соответственно, называют блазарами с промежуточным значением максимума синхротронного излучения (intermediate synchrotron-peaked, ISP) и с высокочастотным максимумом синхротронного излучения (high synchrotron-peaked, HSP) [1,2]. Исторически принято относить к блазарам квазары с плоским спектром (flat-spectrum radio quasars, FSRQ) и лацертиды (BL Lacertae type objects, BL Lac).

Глава 2 "Многолетнее и многочастотное исследование блазаров на РАТАН-600" посвящена описанию многолетнего мониторинга большой выборки блазаров на РАТАН-600. Результаты этих многочастотных наблюдений широко использованы в данной диссертации.

В пункте 2.1 дано описание радиотелекопа РАТАН-600 и его особенностей [3-5]. РАТАН-600 — крупнейший радиотелескоп рефлекторного типа, состоящий из 895 элементов, расположенных в виде кольца. Внутри этой конструкции расположено еще одно плоское зеркало (перископ), состоящее из 124 элементов. Методика наблюдений изложена в пункте 2.1.1: при исследовании большого числа объектов (например, мониторинг большого списка А-ЯГ) используется режим прохождения источника через неподвижную диаграмму направленнсти сектора РАТАН-600 [6]. Все наблюдения, использованные в данной работе, проводились в режиме прохождения источника с использованием Северного, Южного и Южного с перископом секторов РАТАН-600.

Описание приемного комплекса и системы сбора данных и управления [7] приведено в пункте 2.1.2, основной комплект радиометров континуума установлен в приемной кабине №1 (21.7, 11.2. 4.8, 2.3 и 1.1 ГГц). Начиная с 2012 года проводятся систематические наблюдения объектов ЛЯГ с использованием неохлажда-емого приемного комплекса радиометров «ЭРИДАН» сантиметрового диапазона в приемной кабине №2 (21.7, 11.2 и 4.8 ГГц). Методика обработки и калибровки измерений кратко описана в пункте 2.1.3, калибровочные источники с принятыми значениями плотностей потоков на частотах РАТАН-600 приведены в Таблице 2.2.

В пункте 2.1.4 представлена информационно-аналитическая система оценки параметров радиоисточников в континууме на РАТАН-600 [8,9] и примеры обработки источников с этой системой.

В пункте 2.2 повествуется об актуальности подобных мониторингов и исследовании блазаров на РАТАН-600. Наиболее полным каталогом известных блазаров на данный момент является Roma-BZCAT1 [10]. Последняя версия этого каталога (Версия 5.0.0) содержит 1425 блазаров типа BL Lac (лацертид), а всего блазаров более 3500. Тем не менее, лишь для небольшого числа блазаров представ-

lhttp://www.asdc.asi.it/bzcat/

ляется возможным найти многоволновые наблюдательные данные из различных диапазонов. А наблюдения, проведенные одновременно (или квазиодновремен-но), доступны для еще меньшего числа объектов. Важность наличия таких данных сложно переоценить, так как классификация подклассов блазаров, определение важнейших физических параметров, исследование физических процессов, происходящих в этих уникальных объектах, относящихся к АЯГ, — все это основано на наблюдательных данных и их достоверности. Также важным является долговременный мониторинг блазаров, в силу их переменной природы. Описание выборки и наблюдений дано в пункте 2.3 (полный список источников приведен в Приложении А). Выборка блазаров типа BL Lac содержит 300 объектов, выбранных из каталога Массаро Roma-BZCAT. Первые наблюдения объектов из этой выборки начались в 2006 году (тогда выборка составляла 108 блазаров). Систематический мониторинг этой первичной выборки проводился в 2006-2008 годах. В 2009-2011 годах наблюдательные данные неоднородны, так как лишь небольшая часть источников из выборки наблюдалась в этот период времени. С 2012 года в выборку вошли все блазары из каталога Roma-BZCAT, доступные для наблюдений на РАТАН-600, с плотностью потока больше 400 müh, а с 2014 года добавились источники с плотностью потока больше 100 мЯи (на частоте 1.4 ГГц).

В пункте 2.4 дано определение индекса переменности и спектрального индекса — основных характеристик исследуемых объектов в радиодиапазоне, представленных в каталоге BLcat2 [11]. Описание интерактивного онлайн каталога BLcat, представляющего в удобной форме радиоизмерения большой выборки блазаров на РАТАН-600, приведено в пункте 2.5. BLcat состоит из списка объектов с их основными параметрами и наблюдательными данными РАТАН-600. Все данные, представленные в каталоге, доступны для экспортирования в различных форматах. Одним из параметров, представленных в BLcat, является максимум синхро-тронной компоненты SED — VpCak.

В пункте 2.5.2 описаны проведенные измерения этого параметра по литературным данным, с помощью веб-сервиса ASDC SED Builder Tool3, и последующая классификация блазаров каталога по этому параметру на высоко/промежуточно/низко частотные (HSP/1SP/LSP типы). В текущей версии каталога BLcat доминируют представители блазаров с низкочастотным максимумом синхротронного излучения (140 объектов с u¡¡rnk < 10145 Гц). BLcat может быть использован для статистического изучения радиосвойств блазаров, для исследования поведения различных подклассов этих объектов в радиодиапазоне. Отличительной особенностью представленных наблюдательных данных является

2опубликован на странице обсерватории CAO РАН http://www.sao.ru/blcat/

'http://tools.asdc.asi.it/SED

использование одного инструмента для получения квазиодновременных многочастотных измерений. Список блазаров периодически дополняется и обновляется как архивными, так и новыми наблюдательными данными. Результаты этой Главы изложены в работе [11], выполненной в соавторстве с диссертантом.

В Главе 3 "Изучение связи излучения в джете и аккреционном диске блазаров с использованием многочастотных данных РАТАН-600" рассмотрена связь излучения в джете и аккреционном диске блазаров. В вводной части 3.1 приводится актуальность темы и обзор предыдущих работ. В современных теоретических моделях предполагается, что джет образуется вблизи центральной черной дыры, усиливаясь за счет её вращения, или происходит из аккреционного диска [12,13]. В обоих случаях подразумевается существование связи между светимостью в джете и темпом аккреции вещества на черную дыру (ЧД). Эффективным методом исследования этой связи является изучение соотношения светимостей в различных диапазонах частот и светимости в области образования широких линий (BLR), которая находится вблизи центрального объекта и ионизируется его излучением (см., например, работы [13-17]). Теоретические выкладки о связи излучений джета и BLR приведены в пункте 3.2. В пункте 3.3 приведено описание выборки и использованных наблюдательных данных: выборка состоит из 37 блазаров (25 — FSRQ, 10 — BL Lac типа и 2 блазара неопределенного типа), для которых известны потоки в широком диапазоне частот и доступны квазиодновременные радионаблюдения на РАТАН-600. Список исследуемых объектов основан на каталоге блазаров, представленном в работе [18]. Из этой работы взяты потоки в рентгеновском (1 кэВ) и в оптическом (5500 А) диапазонах. Наблюдения объектов проводились на радиотелескопе РАТАН-600 в период 2005-2014 и: в рамках наблюдательных программ по многочастотному мониторингу ярких представителей АЯГ. Все представленные в данном исследовании измерения плотности потока блазаров, проведенные на РАТАН-600, опубликованы в ряде работ [19-23]. Значения плотностей потоков некоторых объектов типа BL Lacertae также доступны в онлайн-каталоге BLcat [11].

Далее в пункте 3.4 представлены результаты корреляционного анализа потоков из различных диапазонов. Для оценки влияния переменности излучения в радиодиапазоне мы использовали максимальные и минимальные значения плотностей потоков для блазаров выборки, полученных на РАТАН-600 (описано в п. 3.5). В пункте 3.6 ведется обсуждение полученных результатов с учетом неоднородности данных и влияния переменности: показано, что сильная переменность всего нескольких источников оказывает значительное влияние на величину коэффициента корреляции в выборке, в частности, состояние лацертиды в радиодиапазоне (активное или спокойное) влияет на величину коэффициента корре-

ляции потока в радиодиапазоне и потока от BLR. В активном состоянии корреляция не обнаруживается. Но в спокойном состоянии коэффициент корреляции у лацертид заметно возрастает (в среднем коэффициент корреляции Пирсона увеличился на 0.25, с ~ 0.4 до ~ 0.7), в то время как у FSRQ-блазаров коэффициент корреляции меняется мало 0.4-0.5). По имеющимся литературным данным также обнаружена корреляция в излучении блазаров в диапазоне от радио до рентгена.

В заключительном пункте 3.7 делается вывод о том, что для достоверного исследования взаимосвязи излучения в джете и аккреционном диске таких переменных объектов как блазары требуются одновременные измерения потоков в разных диапазонах, а также сравнительный анализ корреляции излучения, выполненный.при в разных состояниях объектов. Результаты этой Главы опубликованы в работе [24].

В Главе 4 "Корреляция излучения в гамма и радиодиапазоне для блазаров по данным телескопов Fermi-LAT и РАТАН-600" приводятся результаты анализа корреляции излучения блазаров в гамма- и радиодиапазоне по квазиодновременным данным телескопов Fermi-LAT и РАТАН-600. В вводной части 4.1 этой Главы приводится актуальность темы и краткий обзор подобных исследований [25-28]. В SED блазаров имеются два характерных компонента: низкочастотный, с максимумом в оптической/УФ или рентгеновской области спектра и высокочастотный, с максимумом в гамма-диапазоне. Объясняются они син-хротронным и обратным комптоновским механизмами излучения [29]. Фотоны, необходимые для формирования второго компонента SED, образуются в результате обратного комптоновского излучения «первичной популяции фотонов», которая может быть образована синхротронным излучением или которая может быть взята из внешнего источника. В первом случае процесс излучения носит название синхрокомптоновского (synchrotron self-Compton, SSC) [30,31], а во втором случае — внешнего обратного комптоновского (external inverse Compton, ЕС) [32,33]. Если фотоны гамма-диапазона происходят благодаря SSC, можно предположить коррелированность потоков в радио- и гамма-диапазонах из-за единого источника фотонов. Отсутствии какой-либо взаимосвязи излучений в этих диапазонах, напротив, послужит доводом в пользу ЕС сценария. В пункте 4.2 этой Главы представлено описание выборки и использованных данных: первый каталог космического телескопа Ферми — Fermi-LAT first source catalog (1FGL) [34] и наблюдательные данные РАТАН-600 в радиодиапазоне (за тот же период, когда проводился обзор для первого каталога Ферми). В выборке из 123 блазаров представлены различные подклассы: 53 — BL Lac, 6 — BL Lac кандидаты, 8 — блазары неопределенного типа, 56 — FSRQ. Результаты корреляционного анализа для потоков и светимостей приведены в

пункте 4.3. Для оценки зависимости F7 - Fr считались коэффициенты корреляции Пирсона (г). Коэффициент корреляции оказался чувствительным к рассматриваемой частоте и полосе гамма-излучения: он становится меньше при рассмотрении потоков в полосе высоких энергий, причем это справедливо для обоих типов блазаров. Обнаружена положительная корреляция плотности потока в радиодиапазоне с потоком в гамма-диапазоне для источников из исследуемой выборки, но существует значительный разброс в значениях коэффициента корреляции г (в диапазоне от -0.03 до 0.74). Для объектов BL Lac типа корреляция выше, чем для FSRQ типа блазаров, в полосах с низкими энергиями (2.3^1.8 ГГц и 0.1-1 ГэВ). Также, для BL Lac-блазаров корреляция радиоизлучения примерно одного порядка и на частоте 2.3, и на 21.7 ГГц с потоком в диапазоне 0.1-1 ГэВ. а у FSRQ-блазаров корреляция излучения на частоте 2.3 ГГц заметно ниже (чем на частоте 21.7 ГГц) с потоком в полосах 0.1-1 ГэВ. Для BL Lac-блазаров обнаруживается положительная корреляция с высоким уровнем значимости (> 99%) на всех рассмотренных частотах и полосах энергии меньше 3 ГэВ. В диапазоне высоких энергий (10-100 ГэВ) для BL Lac объектов корреляция потоков радио-и гамма-диапазонов практически не наблюдается. В работе [27] анализ поведения корреляции для BL Lac объектов выявил такой же результат: с увеличением энергии фотонов гамма-излучения, корреляция с радиоизлучением уменьшается и даже исчезает. Величина коэффициента корреляции, очевидно, зависит от рассматриваемой полосы гамма-излучения — корреляция радиоизлучения на любой из рассмотренных частот сильнее с потоком в полосах 0.1-1 ГэВ. В целом для блазаров типа BL Lac корреляция излучений сильно зависит от гамма-диапазона, а для блазаров типа FSRQ коэффициент корреляции значительно меняется и с рассматриваемой радиочастотой, и с гамма-диапазоном. Для оценки степени достоверности полученных коэффициентов корреляции мы использовали метод генерации суррогатных выборок [35] (описан в п. 4.3.3). В результате его применения мы обнаружили, что корреляция излучений во всех рассмотренных радио- и гамма-диапазонах (меньше 3 ГэВ) статистически значима для BL Lac-блазаров (вероятность случайного возникновения корреляции составила всего лишь ~ 10":i — 10"')- Наиболее достоверны коэффициенты корреляции для полосы 0.1-0.3 ГэВ, а для полосы 10-100 ГэВ — наоборот: коэффициенты корреляции незначимы для обоих подклассов блазаров на всех рассмотренных частотах. Выводы о наличии взаимосвязи излучений радио- и гамма-диапазоне с учетом проведенного теста на значимость полученных коэффициентов корреляции сформулированы в пункте 4.4. В исследовании использовались почти одновременные наблюдательные данные в гамма- и радиодиапазоне, усредненные за один и тот же период времени. Наличие квазиодновременных наблюдательных данных в широком интервале радиочастот позволило оценить корреляцию для

пяти частот (от 2.3 до 21.7 ГГц), что было сделано впервые. Степень синхронности наблюдений в этих диапазонах играет важную роль и сильно влияет на результат анализа корреляции, это показано, например, в работах [27,36]. Наряду с результатами предыдущих исследователей взаимосвязи излучения в гамма-и радиодиапазоне в АЯГ (например, [25-27]), результаты настоящей работы могут быть рассмотрены как допускающие наличие связи между излучениями в этих разных диапазонах электромагнитного спектра и как вывод в пользу теории о единой популяции фотонов гамма- и радиоизлучения блазаров (в рамках SSC модели излучения). Два вероятных механизма, ответственных за гамма-излучение в блазарах, SSC и ЕС, возможно оба присутствуют, но в различных случаях дают разный вклад. Поэтому так нетривиально сделать однозначный вывод о прямой и очевидной взаимосвязи излучения блазаров в этих диапазонах электромагнитного спектра. Результаты работы не противоречат выводам, сделанным предыдущими исследователями, а дополняют их результаты более подробным представлением радиодиапазона. Результаты этой Главы изложены в работе [37].

В Главе 5 "Исследование синхротронной компоненты в спектральном распределении энергии блазаров" описывается исследование синхротронной компоненты в спектральном распределении энергии различных типов и подклассов блазаров. Акутальность исследования приведена во вводной части Главы. В первой части Главы 5 (п. 5.2) оценивается основной параметр спектрального распределения энергии — частота максимума синхро-тронного излучения для 877 объектов выборки. Для этого используют-

ся неодновременные архивные данные каталога блазаров Roma-BZCAT и инструмент ASDC SED Builder Tool. Проведена классификация объектов выборки на основе этого параметра спектрального распределения энергии на бла-зары с низкой/промежуточной/высокой частотой синхротронной компоненты (low/intennediate/high synchrotron peaked - LSP/ISP/HSP): 611 - LSP, 222 - ISP, 42 — HSP. Блазаров с «очень высоким» значением Vpeak > 1019 Гц не обнаружено. Блазары с «очень низким» значением v*atk < 1013 Гц чаще встречаются среди FSRQ (41%), чем среди BL Lac (всего 9%). Распределения величины уреак для двух подгрупп блазаров (FSRQ и BL Lac) носят различный характер. Для BL Lac и кандидатов оно шире и смещено в более высокочастотную область — среднее значение Ю14 6±1-4 Гц. Для FSRQ-блазаров среднее значение равно iOLi4_1 0 Гц. Статистические тесты на принадлежность выборок блазаров FSRQ и BL Lac одному закону распределения показали, что величины ¡/'Р(Д. и спектральная плотность потока Fi grru образуют разные распределения. Для двух типов объектов BL Lac — обнаруженных в радио и рентгеновских обзорах (radio-selected BL Lac, RBL и X-ray-selected BL Lac, XBL) — распределения

величин v*eak и Fi.8ГГц также образуют разные распределения (по уровню значимости 0.05). Среднее значение и*еок для RBL составляет Ю13 э+0 9 Гц, для XBL

_ 101о.Э±1.3 рц

Во второй части Главы 5 (п. 5.3) приводятся результаты собственных квазиодновременных наблюдений шести блазаров на телескопах Цейсс-1000 и РАТАН-600, проведенных в 2014 году. Исследовались кандидаты в объекты с очень низким значением максимума синхротронной компоненты (very low synchrotron peaked — VLSP, с v*eak < 1013 Гц). Выборка описана в пункте 5.3.1. В части 5.3.2 этого пункта приводится описание наблюдений и обработки данных в двух диапазонах. В результате, для трех источников (PKS 0446+11, [НВ89] 1308+326 и ЗС 345) подтвердилась их классификация как VLSP, для остальных трех блазаров расчеты показали v*eak. > 10l:i Гц (п. 5.4). Результаты этой Главы изложены в совместных работах диссертанта [38,39]. В Заключении суммированы основные результаты работы. В Списке литературы дан перечень публикаций, цитируемых и используемых в работе.

В Приложении А приведена таблица со списком блазаров и их параметрами, которая обсуждается в Главе 2.

В Приложении Б приведена таблица с измерениями плотностей потока на РАТАН-600 и рисунки (зависимости излучения в радио- и гамма-диапазонах), которые обсуждаются в Главе 4.

Список сокращений

АЯГ — Активные ядра галактик или активные галактические ядра;

Джет - Узконаправленный пучок частиц с высокой энергией (от англ. jet -струя);

BLR - (Broad line region) Область широких спектральных линий;

BL Lac - (BL Lacertae type object) Объект типа BL Ящерицы;

FSRQ - (Flat spectrum radio quasars) Квазар с плоским радиоспектром;

HSP - (High synchrotron-peaked) Блазары с высокочастотным максимумом син-

хротронного излучения;

ISP - (Intermediate synchrotron-peaked) Блазары с максимумом синхротронного излучения на промежуточных частотах;

LSP - (Low synchrotron-peaked) Блазары с низкочастотным максимумом синхротронного излучения;

OBL - (Optically-selected BL Lac) BL Lac, отождествленный в оптическом обзоре;

RBL - (Radio-selected BL Lac) BL Lac, обнаруженный в радиообзоре; SSC — (Synchrotron self Compton) Синхрокомптоновский механизм излучения; SED - (Spectral energy distribution) Спектральное распределение энергии; VLSP - (Very low synchrotron-peaked) Блазары с очень низкочастотным максимумом синхротронного излучения;

XBL - (X-ray-selected BL Lac) BL Lac, обнаруженный в рентгеновском обзоре.

Список литературы

1. С. М. Urry and P. Padovani, Publ. Astron. Soc. Pacific 107, 803 (1995).

2. P. Padovani and P. Giommi, Astrophys. J. 444, 567 (1995).

3. S. E. Khaikin, N. L. Kaidanovskii, I. N. Pariiskii, and N. A. Esepkina, Izvestiya Glavnoj Astronomicheskoj Observatorii v Pulkove 188, 3 (1972).

4. I. N. Pariiskii and O. N. Shivris, Izvestiya Glavnoj Astronomicheskoj Observatorii v Pulkove 188, 13 (1972).

5. I. N. Pariiskii, O. N. Shivris, D. V. Korolkov, et al„ Radiofizika 19, 1581 (1976).

6. Y. N. Parijskij, IEEE Antennas and Propagation Magazine 35 (1993).

7. P. G. Tsybulev, Astrophysical Bulletin 66, 109 (2011).

8. О. V. Verkhodanov, Astronomical Data Analysis Software and Systems VI, A.S.P. Conference Series 125, 46 (1997).

9. R. Y. Udovitskiy, Proceedings of the Institute of Applied Astronomy of RAS 177, 24(2012).

10. E. Massaro, P. Giommi, C. Leto, et al., Astron. and Astrophys. 495, 691 (2009).

11. M. G. Mingaliev, Y. V. Sotnikova, R. Y. Udovitskiy, et al., Astron. and Astrophys. 572, A59 (2014).

12. R. D. Blandford and R. L. Znajek, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 179, 433 (1977).

13. L. Maraschi and F. Tavecchio, Astrophys. J. 593, 667 (2003).

14. A. Celotti, P. Padovani, and G. Ghisellini, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 286,415 (1997).

15. X. Cao and D. R. Jiang, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 307, 802 (1999).

16. C. Xu, M. Livio, and S. Baum, Astron. J. 118, 1169 (1999).

17. G. Z. Xie, H. Dai, and S. B. Zhou, Astron. J. 134, 1464 (2007).

18. D. Donato, G. Ghisellini, G. Tagliaferri, and G. Fossati, Astron. and Astrophys. 375, 739 (2001).

19. Planck Collaboration, J. Aatrokoski, P. A. R. Ade, et al., Astron. and Astrophys. 536, A15 (2011).

20. P. Giommi, G. Polenta, A. Làhteenmâki, et al., Astron. and Astrophys. 541, A160 (2012).

21. M. G. Mingaliev, Y. V. Sotnikova, N. N. Bursov, et al., Astron. Zh. 51, 343 (2007).

22. M. G. Mingaliev, Y. V. Sotnikova, N. S. Kardashev, and M. G. Larionov, , Astronomy Reports 53, 487 (2009).

23. M. G. Mingaliev, Y. V. Sotnikova, I. Torniainen, et al., Astron. and Astrophys. 544, 1 (2012).

24. T. V. Mufakharov, Y. V. Sotnikova, A. K. Erkenov, and M. G. Mingaliev, Astrophysical Bulletin 69, 266 (2014).

25. G. Ghirlanda, G. Ghisellini, F. Tavecchio, and L. Foschini, Monthly Notices Royal Astron. Soc. 407, 791 (2010).

26. Y. Y. Kovalev, H. D. Aller, M. F. Aller, et al, Astrophys. J. 696, L17 (2009).

17

27. M. Ackermann, M. Ajello, A. Allafort, et al., Astrophys. J. 741, 30 (2011).

28. E. Nieppola, M. Tornikoski, E. Valtaoja, et al., Astron. and Astrophys. 535, A69 (2011).

29. R. M. Sambruna, L. Maraschi, and C. M. Urry, Astrophys. J. 463, 444 (1996).

30. A. Konigl, Astrophys. J. 243, 700 (1981).

31. A. P. Marscher and W. K. Gear, Astrophys. J. 298, 114 (1985).

32. M. Sikora, M. C. Begelman, and M. J. Rees, Astrophys. J. 421, 153 (1994).

33. R. D. Blandford and A. Levinson, Astrophys. J. 441, 79 (1995).

34. A. A. Abdo, M. Ackermann, M. Ajello, et al., Astrophys. J. 715, 429 (2010).

35. V. Pavlidou, J. L. Richards, W. Max-Moerbeck, et al., Astrophys. J. 751, 149 (2012).

36. J. Leon-Tavares, E. Valtaoja, P. Giommi, et al., Astrophys. J. 754, 23 (2012).

37. T. Mufakharov, M. Mingaliev, Y. Sotnikova, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 450, 2658 (2015).

38. T. V. Mufakharov, Y. V. Sotnikova, M. G. Mingaliev, and A. K. Erkenov, Astrophysical Bulletin 70, 273 (2015).

39. M. G. Mingaliev,, Y. V. Sotnikova, et al., Astrophysical Bulletin 70, 264 (2015).

Бесплатно

Муфахаров Тимур Василович Наблюдательные характеристики широкодиапазонного излучения блазаров

Заказ №197с Уч. изд. л. - 1.0 Тираж 100

САО РАН