Радиоизлучение активных и нормальных галактик в метровом диапазоне волн тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

! ЛГСб^Г

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА АСТРОКОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

На правах рукописи

Дагкесаманский Рустам Давуд оглы

УДК 524.... г

РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ АКТИВНЫХ И НОРМАЛЬНЫХ ГАЛАКТИК В МЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН .03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

""РИСУ,.,.

Ж 4 ««

■ - Г., Л/о Дисеертацияв формолауч: — > ,срискание учейШ ететгенр Ц / У тематических наук '/ 7 .___ ,, /1

^Л^да на фйзико-

Москва - 1998

доктор физико-математических наук, академик Ю.Н. Парийский

доктор физико-математических наук, профессор К.С. Станкевич

доктор физико-математических наук, Б.В. Комберг

Государственный Астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ

Защита состоится "18" мая 1998 г. в 15*час. На заседании диссертационного совета Д.002.39.01 при Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва В-333, Ленинский пр., 53, ФИАН

С диссертацией в в? _ ■■■■■ ¿"-г-у -доклада можно ознакомиться в бк' V;

Диссертация ;-«л: V-' слана

"17 " апрел;

Ученый секрет Диссертациог . кандидат фи-

Подписано в печать 13 . Заказ $86.Тираж 100 эк-ь. Отпечатано в ШИС ФИАН Москва,В-333,Ленинский проспект,53.

Официальные оппоненты:

Р^ОСИЙС^ДЙ ГО С Уц м с 7 ВЕРНАЯ БИБЛИОТЕКА

п 119 50 - УУ

Ведущая организация:

■-''..А.. Ковалев

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1. Общая характеристика работы ... 5

1.1. Вв С,' ¡.СНИС ,.,

1.2. Актуальность темы ... 8

1.3. Цель работы ... 9

1.4. Основные положения, выносимые на защиту ... 10

1.5. Научная новизна ... 11

1.6. Научная значимость работы ... 11

1.7. Апробация работы ... 12

1.8. Публикации по теме диссертации ... 12

1.9. Личный вклад автора ... 12

2. Нетепловые радиоисточники и межзвездный газ

в области центра нашей Галактики ... 14

2.1. Радиоисточник А ... 14

2.2. Другие нетепловые радиоисточники в

окрестности центра Галактики ... 17

2.3. Межзвездный газ в окрестности центра

Галактики ... 22

3. Радиогало туманности Андромеды ... 23

3.1. История вопроса ... 23

3.2. Первые наблюдениям 31 наБСА ФИАН ... 24

3.3. Последующая дискуссия вокруг радаогало МЗ1 ... 29

36

36

37 40

42

43 48

4. Богатые скопления галактик

4.1. Некоторые общие сведения

4.2. Исследование скопления А426

4.3. Функция радиосветимости скоплений

4.4. Зависимость "радиосветимость-богатство"

4.5. Радиоизлучение рентгеновских скоплений

1.6. Проблема радиогало скоплений

5. Структура радиогалактик и квазаров

в метровом диапазоне

5.1. Радиоинтерферометр ФИАЛ с переменной

базой: методика наблюдений и обработки данных

5.2. V¡ jiOiiaЯ Структура

5.3. Спектр линейных масштабов

5.4. "Степень компактности" радиоисточникаи

линейный масштаб его протяженной структуры

5.5. Межгалактический газ в окрестности

радиогалактик

5.6. Эволюция протяженных компонент

радиогалактик и квазаров

6. Спектры внегалактических радиоисточников

в диапазоне дециметровых и метровых воля

6.1. Измерения плотностей потоков радиоисточников

на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН

6.2. Соотношение "спектральный индекс - плотность

потока" для внегалактических радиоисточников

6.3. Диаграмма "спектральный индекс - красное

смещение" для квазаров выборки ЗС-каталога

6.4. Пространственное распределение квазаров с

крутыми и пологими спектрами

7. Заключение

Список работ по теме диссертации Цитируемая литература

50 ««

—I .J

57

60

65 68

71

71

72

76

77 80 82 86

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. .

1.1. Введение.

Первые отождествления космических источников радиоизлучения с галактиками (Bolton et al.. 1949) и последующие исследования этих объектов не только во многом определили развитие астрофизики и космологии во второй половине XX века, но и в корне изменили наши представления об окружающем Мире. Если до обнаружения сверхмощных источников космического радиоизлучения астрономы изучали главным образом объекты, находящиеся в стационарном или квазистационарном состоянии, то в настоящее время наиболее актуальные проблемы астрофизики связаны с различными взрывными процессами, формированием и эволюцией сравнительно молодых и короткоживущнх объектов, с решением задач релаксации звездных и галактических систем.

Уже первые достаточно глубокие подсчеты высокоширотных радиоисточников поставили вопрос о существенной эволюции основных параметров внегалактических радиоисточников с космологической эпохой (см., например, Ryle, 1955). Высокая радиосветимость квазаров и радиогалактик позволила наблюдать эти объекты на предельно больших красных смещениях, практически приближающихся к эпохе формирования галактик. Последние десятилетия характеризуются настойчивым стремлением большинства специалистов к изучению компонент предельно малых угловых размеров, расположенных непосредственно в области активного ядра галактики, где происходит мощное энерговыделение. Для достижения высокого углового разрешения создаются гигантские радиотелескопы апертурного синтеза и глобальные системы интерферометров (см., например, Christiansen & Hogbom, 1984), большая часть таких наблюдений проводится в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн. Практически нет сомнений, что именно таким способом в конце концов и будет разгадана тайна "центральной машины" которая по сути является сверхмощным источником энергии, ответственным за образование струеподобных выбросов из ядер активных галактик и их протяженных компонент.

В то же время для ответов на многие другие вопросы, касающиеся условий формирования и эволюции активных галактик, их места среди прочих внегалактических объектов, необходимы наблюдения на более низких частотах, в диапазоне метровых и дециметровых волн. Объектами исследования здесь, как правило, являются так называемые

килопарсековые струи и еще более протяженные компоненты внегалактических радиоисточников, размеры которых зачастую превосходят ткиячкыс размеры Гш1актик, если под последними подразумевать области, охватывающие их основное звездное население.

-Согласно современлым--нредетавлениям (с-м., »апример,--Пахольчик

радиоизлучения" (1987), а также [31]) протяженные компоненты радиогалактик и квазаров есть не что иное, как продукт активности ядра соответствующей галактики, к непосредственно не содержат каких-либо источников энергии, помимо кинетической энергии регулярных и турбулентных движений, которая способна при определенных условиях трансформироваться в энергию магнитного поля и релятивистских частиц, поддерживая таким образом радиоизлучение этих объектов в течение довольно длительного времени. В большинстве случаев протяженные компоненты являются по сути громадными резервуарами энергии (Еполн > 10б° эрг), накопленной за миллионы и даже десятки миллионов лет активности соответствующих галактических ядер. Как правило, текущая поставка энергии способна лишь поддерживать их в квазистационарном состоянии, компенсируя потери на излучение, выход частиц или диссипацию магнитного поля. Решающим фактором, определяющим эволюцию таких образований, является их взаимодействие с окружающим межгалактическим газом.

Медленный характер эволюции и сравнительно большое время жизни протяженных компонент радиогалактик и квазаров означают, что их нынешнее состояние определяется, главным образом, активностью ядра и внешними условиями, существовавшими в предшествовавшие десятки миллионов лет. Поэтому изучение той или иной активной галактики в метровом диапазоне открывает принципиальную возможность заглянуть в прошлую историю этого объекта, заняться его космогонией.

Основная доля радиоизлучения нормальных галактик в метровом диапазоне волн тоже приходится на протяженные образования типа дисковой составляющей и радиогало галактики. В отличие от протяженных компонент радиогалактик и квазаров, эти образования являются значительно более долгоживущими, квазистационарными. Их морфология и радиосветимость поддерживаются практически постоянно действующими источниками энергии, такими как энергия турбулентных движений межзвездного газа, вспышки сверхновых звезд и др.

Одной из характерных черт протяженных внегалактических радиоисточников является изотропность их излучательной способности.

В отличие от излучения активных галактических ядер, светимость этих компонент практически одинакова во всех направлениях. Это обстоятельство существенно упрощает анализ наблюдательных данных, в частности, построение функций светимости и некоторые другие статистические исследования протяженных радиоисточников. И наоборот, при исследовании распределения компактных радиоисточников по различным наблюдательным характеристикам или при анализе направленности их радиоизлучения неоценимую помощь могут оказать данные о распределении соответствующих им протяженных компонент.

В настоящей работе изложены основные результаты проведенных автором исследований различных классов внегалактических радиоисточников в метровом диапазоне волн. Наряду с исследованиями радиоизлучения нормальных галактик (глава 3), скоплений галактик (глава 4), радиогалактик и квазаров (главы 5 и 6), здесь обсуждается ситуация в самой центральной части нашей Галактики (глава 2). Все наблюдательные данные были получены на радиотелескопах ДКР-1000 и БСА, а также на радиоинтерферометре метрового диапазона Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН (в прошлом Радиоастрономическая станция ФИАН, РАС ФИАН). Созданные в 60 -70-х г.г. по инициативе и под научным руководством Виктора Витольдовича Виткевича радиотелескопы ДКР-1000 и БСА ФИАН (Виткевич, Калачев, 1965; Виткевич и др., 1979) и по сей день являются одними из лучших инструментов, работающих в метровом диапазоне волн. Если радиотелескоп БСА - это самый чувствительный в мире радиотелескоп в диапазоне около Зм, то отличительной особенностью крестообразного радиотелескопа ДКР-1000 является его диапазонность, т.е. возможность проведения на нем наблюдений одновременно на нескольких волнах, в сочетании с достаточно высокой чувствительностью.

При анализе структуры радиогалактик и квазаров наблюдения проводились на радиоинтерферометре метрового диапазона с переменной базой, созданном также по инициативе В.В.Виткевича в самом начале 70-х г.г. (Добыш и др., 1973). Основным элементом этого интерферометра служила антенна Восток-Запад ДКР-1000, а выносная антенна, располагавшаяся на различных расстояниях от основной, вплоть до 18 км, представляла собой антенную решетку, составленную из элементов типа Уда-Яги. Передача сигнала с выносного пункта на основной осуществлялась по радиорелейной линии.

В создании всех перечисленных инструментов принимал участие большой коллектив научных сотрудников, инженеров, техников и рабочих РАС ФИ АН. Наиболее значительный вклад на разных этапах создания этой уникальной инструментальной базы внесли Ю.П.Илясов, И:Д:Калачев; А.ДгКузьмин, С.М.Кутузов, М.М:Тяитин-. Описания радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН были даны в указанных выше и многих других статьях, их основные параметры хорошо известны, и ниже мы не будем останавливаться на этом подробно, ограничиваясь по ходу изложения лишь сведениями, необходимыми для понимания полученных из наблюдений результатов.

1.2. Актуальность темы.

Несмотря на то, что со времени обнаружения радиоизлучения исследуемых в настоящей работе объектов прошло уже почти 50 лет, многие вопросы, касающиеся физических процессов, протекающих в этих источниках, их физической эволюции и, тем более, космологической эволюции, остаются нерешенными по сей день. Достаточно сказать, что до сих пор существуют разные мнения например о том, каково характерное время жизни квазаров и радиогалакгак, происходит ли выброс из ядра активной галактики одновременно в обе стороны или этот процесс лучше оцисывается моделью т.н. "перекидного рубильника" ("flip-flop" model, см., например, Комберг (1994)), в какой степени ближайшее окружение галактики и, в частности, окружающий межгалактический газ стимулируют активность ее ядра, являются ли протяженные структуры типа радиогало типичными для скоплений галактик и для нормальных спиралей, подобных нашей Галактике.

Ответы на эти вопросы не могут быть получены без тщательных исследований низкочастотного радиоизлучения внегалактических радиоисточников, в том числе наблюдений этих объектов в метровом диапазоне волн. В этом диапазоне, благодаря крутому спектру, резко возрастает относительный вклад наиболее протяженных компонент радиоизлучения радиогалактик и квазаров, здесь, и только здесь, пока наблюдаются образования очень низкой поверхностной яркости типа радиогало нормальных спиральных галактик и скоплений галактик.

Особый интерес представляют статистические исследования низкочастотных выборок внегалактических радиоисточников. Дело в том, что изотропность радиоизлучения протяженных компонент, которые доминируют в излучении радиогалактик и квазаров в метровом диапазоне волн, исключает многие неопределенности, возникающие при статистическом анализе высокочастотных выборок из-за направленности

радиоизлучения их ядер и струйных выбросов. Кроме того, известно, что доля далеких радиоисточников, находящихся на больших красных смещениях, в низкочастотных выборках заметно выше, чем в каталогах радиоиеточкиков, составленных по наблюдениям на сантиметровых волнах. Это обстоятельство делает статистические исследования радиоисточников в метровом диапазоне очень ценными для космологии.

К сожалению, из-за сложной помеховой ситуации в мире почти не сохранились радиотелескопы, постоянно работающие в метровом диапазоне. Но попытки использовать в отдельных случаях лучшую в мире систему апертурного синтеза VLA (США) для наблюдений внегалактических радиоисточников на метровых волнах, создание нового радиотелескопа метрового диапазона GMRT (Индия) и, наконец, настойчивое стремление радиоастрономического сообщества к созданию гигантского радиотелескопа SKA с эффективной площадью в 1 км2 для работы главным образом на метровых волнах являются лучшим свидетельством актуальности исследований в этом диапазоне.

1.3. Цель работы.

Основной целью работы является получение новых сведений о физических процессах, определяющих эволюцию протяженных внегалактических радиойсточников различных типов и лежащих в основе явления галактической активности, на основе данных об их низкочастотном радиоизлучении.

Новые сведения о радиоизлучении "нормальных" галактик получены на основе а) наблюдений области центра нашей Галактики на радиотелескопе ДКР-1000 (раздел 2) и б) наблюдений на радиотелескопе БСА ближайшей к нам гигантской спиральной галактики - туманности Андромеды (раздел 3). Радиоизлучение богатых скоплений галактик исследовалось тоже главным образом на радиотелескопе БСА ФИАН на частоте 102,5 МГц (раздел 4). Исследование структуры радиогалактик и квазаров на частоте 86 МГц проводилось на специально для этих целей созданном радиоинтерферометре с переменной базой, основным элементом которого служила антенна Восток-Запад ДКР-1000 (раздел 5). И, наконец, наблюдения, которые легли в основу исследования спектров внегалактических радиоисточников в метровом диапазоне (раздел 6), были выполнены на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН. Помимо тех результатов, которые уже были обобщены автором в работе [7], в этом последнем разделе приводится анализ новых опубликованных данных других авторов, главным образом с целью получения новых сведений о характере космологической эволюции спектров квазаров. росС^Й^КАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА •

1.4. Основные положения, выносимые на защиту.

1. По наблюдениям на радиоинтерферометре метрового диапазона с переменной базой получены данные о структуре более 130 внегалактических радиоисточников из каталогов ЗС и 3CR.. Показано, что у всех квазаров данной выборки имеются протяженные компоненты радиоизлучения, ризх^сры которых олйзки . к размерам протяженных компонент радиогалактик. Установлена тесная корреляция радиосветимостей протяженных и относительно компактных структур мощных внегалактических радиоисточников. Сделан вывод об относительно малой продолжительности этапа формирования протяженных компонент в жизни мощных внегалактических радиоисючников.

2. По наблюдениям представительной выборки богатых скоплений галактик, включающей подвыборку рентгеновских скоплений, построена функция радиосветимости этих объектов на частоте 102,5 МГц. Исследована зависимость радиосветимости скоплений от их богатства, свидетельствующая о том, что вероятность для галактики стать активной в радиодиапазоне зависит от ее окружения. Показано, что наличие горячего межгалактического газа в рентгеновских скоплениях существенно сказывается на характере эволюции радиогалактик и приводит к более, высокой в среднем светимости этих скоплений в метровом диапазоне и к более крутым спектрам их радиоизлучения.

3. Обнаружена зависимость среднего спектрального и