Спектральные исследования квазаров с линиями поглощения на 6-м телескопе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524. 7:520. 843

НАЗАРОВ ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАЗАРОВ С ЛИНИЯМИ ПОГЛОЩЕНИЯ НА 6-м ТЕЛЕСКОПЕ

(01. 03. 02 - астрофизика, радиоастрономия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз - 1992 г.

Нижний Архыз - 1992

Работа выполнена в Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук.

/

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

В. Л.Афанасьев.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

Б. В. Комберг. - кандидат физико-математических наук,

Ю. В. Барышев.

Ведущая организация - ГАИШ.

Защита состоится '» &U-4 - 1992г. в " часов на

заседании специализированного совета (шифр Д 003.35.01) по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук при Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук по адресу:

357147 Ставропольский край, Зеленчукскйй район, пос. Нижний Архыз, CAO РАН. Телефон 93-4-36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Специальной астрофизической обсерватории.

Автореферат разослан >1 • 1992г.

Ученый секретарь Специализированного

ученого совета кандидат физико -

- математических наук Е.К. Майорова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Линии поглощения в спектрах квазаров (030) были обнаружены фотографическим методом [1]. однако действительный прогресс в этой области связан с применением цифровых методов регистрации спектров [2]. В настоящее время все крупные обсерватории, располагающие соответствующей приемной аппаратурой, ведут различные наблюдательные программы по исследовании абсорбционных спектров квазаров, а на космическом телескопе им.Э.Хаббла аналогичная программа отнесена к разряду ключевых. Причина интереса заключается в том, что квазары представляют уникальную возможность исследовать распределение материи на космологических расстояниях и ее химический состав. Большинство объектов при этом не видимы в прямом изображении, однако, если позади него находится мощный источник излучения, объект может проявить себя в поглощении. Идеальными зондами Вселенной являются квазары, большая часть из которых имеют богатые абсорбционные спектры.

Линии поглощения в спектрах квазаров делятся на три основные группы.

а) Линии Ьд-Гогеэ^ Наблюдаются на длинах волн короче эмиссионной линии Н1(121бА). Согласно предположению Линдса [3] большинство' из них принадлежат членам серии Лаймана атомарного водорода и образуются в межгалактических водородных облаках.

б) Л инии, отождествленные в абсорбционные системы с содержанием металлов. Среди них наблюдаются системы, состоящие из линий низких ионизаций, высоких ионизаций и смешанные. Вероятнее всего образуются в протяженных газовых гало галактик. В некоторых случаях такие галактики наблюдаются в прямом изображении [4].

в) Квазары с широкими линиями поглощения (ВАЬ-ОБО). В их спектрах наблюдаются широкие (Д\/Х=0.1) абсорбционные линии в голубых крыльях эмиссий высоких ионизаций [5]. Считается, что они образуются в оболочках самих ОБО и свидетельствуют о наличии потоков газа наружу от центрального источника.

Отсюда круг задач, решаемых путем исследования тех или иных линий поглощения. В силу многочисленности линий первой группы к ним эффективно применяются различного рода статистические тесты. С помощью линий второй группы изучаются физические условия и химический состав газовой составляющей фоновых галактик, входящих в состав скоплений и сверхскоплений. Что касается ВАЬ-ОБО, то до недавнего времени их рассматривали как пекулярные, а в последние годы чаще интерпретируют - с точки зрения генеральных свойств квазаров вообще. Поэтому исследование этих объектов дает богатый материал для понимания природы активных галактических ядер в целом.

ЦЕПЬ РАБОТЫ. Провести спектральные наблюдения умеренного (ДА,Д=ао 3) и высокого (ДЛ,/А,^5«10 разрешения выборки из семи квазаров (четыре обычных ОБО и три ВАЬ-ОБО).

По спектрам умеренного и высокого разрешения провести анализ эмиссионных и абсорбционных спектров ОБО и сформировать выборку линий поглощения трех типов, указанных выше.

Отождествить абсорбционные системы и оценить физические условия в поглощающем газе. Совместно с литературными данными провести статистические исследования неотождествленных линий поглощения.

Провести анализ тонкой структуры широких линий поглощения в спектрах ВАЬ-ОЭО и дать физическую интерпретацию.

На основе облачной модели ВАЬ-области [6] построить

синтетические профили широких абсорбционных линий.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые проведен подробный анализ

эмиссионного и абсорбционного спектра ярчайшего квазара S5 0014+81. Уточнено значение красного смещения. Выделено 174 линии поглощения. Отождествлено 17 абсорбционных систем из них пять надежных.

На основе статистических исследований неогождествленных абсорбционных линий L^-forest сделан вывод о наличии их популяции "внутреннего" происхождения.

Путем анализа тонкой структуры широких линий поглощения SilV и CIV в спектрах двух BAL-QSO (ТВ 0932+501 и ТВ 0752+617) впервые показано, что отношение поглощающих атомов SilV/CIV монотонно меняется по профилю линий.

В рамках облачной модели BAL-области построены синтетические

профили широких линий поглощения квазара ТВ 0752+617. Показано,

что наблюдаемые профили реализуются, если облака BAL-области

движутся наружу от центрального источника с переменным

Е

отрицательным ускорением. Оценены основные физические параметры BAL-области.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Реализована методика наблюдений слабых астрофизических объектов на сканере 6-м телескопа в режиме длительного накопления сигнала при смене линеек объект-фон.

Разработан комплекс программ, позволяющий полностью автоматизировать процесс наблюдений и редукции сканерных спектров. В настоящее время с помощью этих программ обработано более 5000 спектров.

В рамках облачной модели BAL-области предложена перспективная методика расчета профилей широких линий поглощения в условиях произвольно меняющихся скорости и размера облаков.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ методика наблюдений, обработки и анализа абсорбционных спектров квазаров и выборка из 174 линий поглощения в спектре квазара S5 0014+81.

Распределение линий La~fbrest по скоростям и вывод о существовании их популяции "внутреннего" происхождения.

Анализ тонкой структуры широких линий поглощения в спектрах двух BAL-QSO и вывод о том, что отношение поглощающих атомов SilV/CIV является величиной, монотонно меняющейся по профилям линий.

Синтетические профили широких линий поглощения SilV и CIV з спектре BAL-QS0 ТВ 0752+617 и численныне значения параметров BAL-области.

АПРОБАЦИЯ. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Всесоюзной студенческой научной конференции "Физика галактик"(Свердловск,1S85); на . первом и втором Всесоюзных совещаниях по квазарам ( Ленинград,1985 ; Нижний Архыз,1987); на Всесоюзном совещании "Исследование галактик с УФ континуумом" (Нижний Архыз,1987); на Всесоюзных семинарах "Актуальные проблемы астрофизики" (Абрау-Дюрсо,1986 ;

Владикавказ,1990); на Республиканской конференции молодых ученых (Киев,1987); на совещаниях рабочей группы "Активные ядра галактик" (КрАО,1987; Кацивели,1990).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в работах [7-17].

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений.

ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ 154 страници, в том числе 122 страници основного текста, 29 рисунков, 20 таблиц, три приложения в виде таблиц на 19 страницах, а также список литературы из 120 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ изложены актуальность темы, постановка задачи, положения, выносимые на защиту, а также общее описание работы.

В 1-ой ГЛАВЕ сформулированы особенности спектральных наблюдений квазаров с линиями поглощения, описана спектральная и светоприемная аппаратура, а также матобеспечение наблюдений и редукции сканерных спектров.

Сложность наблюдений обусловлена малой величиной светового .ig —19 2

потока от QSO (10 +10 Вт/М >А) и малой шириной линий поглощения (^30км/с). Первое условие предъявляет высокие требования к светоприемной аппаратуре, второе - к спектральной. Сформулированы условия, необходимые для наблюдения и анализа линий поглощения в спектрах квазаров:

а) наличие светоприемной аппаратуры, работающей в режиме счета фотонов;

б) наличие вычислительной техники, обладающей достаточными для наблюдения и обработки сканерных спектров объемом памяти и быстродействием ;

в) наличие специализированного программного обеспечения.

К 1984 году CAO АН СССР такими возможностями располагала.

В качестве светоприемной аппаратуры использовался 1000-канальный телевизионный счетчик фотонов - сканер 6-м

телескопа. Описаны технические характеристики прибора. С точки зрения темы диссертации главными из них являются высокая квантовая эффективность и стабильность.

Для обработки спектров -использовалось специализированное

s

программное обеспечение, написанное с участием автора на языке СИПРЛН. Описаны пакеты и блок-схемы программы, которая позволяет проводить наблюдения и обработку спектров квазаров в автоматическом режиме.

В закличении этой главы сформулирована наблюдательная задача.

ВО 11-ой ГЛАВЕ приводятся результаты спектральных исследований трех новых квазаров Второго Бюраканского обзора SBS 0953+549, SBS 1116+603 и SBS 1138+584. Проведен анализ эмиссионных и абсорбционных спектров этих объектов.

Наиболее богатый эмиссионный спектр имеет SBS 0953+549, в спектре которого зафиксировано 8 линий. Особенностью другого объекта (SBS 1116+603) является двухкомпонентная структура эмиссии на фоне широкой подложки (FMHM-19400 км/с) выделяется узкий эмиссионный пик (FWHM-3000 км/с).

В спектрах трех квазаров выделено 55 абсорбционных линий, уровень обнаружения которых превышает за. Из них 28 отождествлены с линиями различных элементов. Две абсорбционные системы Za=1.4082 в спектре SBS 1138+584 и Za=0.3802 в спектре SBS 0953+549 являются надежно отождествленными.

В соответствии с принятой гипотезой это означает, что в направлении на эти объекты, на данных Z обнаружены две галактики, невидимые в прямом " изображении. Судя по тому, что обе системы являются низкоионизованными, их следует отнести ' к типу "галактические -диски", когда поглощение происходит в дисках

галактик, богатых межзвездной холодной газовой составляющей. Лучевые концентрации ионов для галактики с га=0.3802 оценены Ы(Ее11)<1015 см-2, Л(Мд11)=!1014 см-2 и Л(Мд1)^1013 см"2. Концентрация ионов железа для галактики с га=1.4082 оценена Л(Ее11)=1014 см-2.

В Ш-ей ГЛАВЕ приводятся результаты спектральных исследований квазара Б5 0014+81. Она состоит из трех частей. В первой описан эмиссионный спектр этого объекта, во второй абсорбционный спектр. Третья часть посвящена статистическим исследованиям линий поглощения.

По спектру низкого разрешения в диапазоне 4500-7000АА

измерено шесть эмиссионных линий с красным смещением гет-3.382. в

области 4000А обнаружен лаймановский скачок. Полная оптическая

толща лаймановского скачка -0.5' ' соответствует содержанию

17 -2

нейтрального водорода на луче зрения N(111) »10 см Полученное значение гет позволило определить фотометрическое расстояние до объекта и оценить его светимость По ширине эмиссионных

д

линий и времени переменности потока оценена масса объекта №10 М^ и найден соответствующий эддингтоновский предел Ь^,. Сравнение Ьу(Ч0) и позволило сделать вывод, о том, что параметр

замедления При <1^=0.5 и н0-75 км/с»Мпс светимость

1.2«1047эрг/с.

В абсорбционном спектре квазара Б5 0014+81 з диапазоне 3500-Б500АА выделено 174 линии поглощения; ЗОХ из них отождествлены в 17 абсорбционных систем. Пять систем содержат линии металлов и относятся к типу "галактическое гало", т.е. образуются в гало или дисках далеких галактик. Можно сделать вывод, что в направлении на квазар 85 0014+81 оказалось пять галактик с красными смещениями г -1.1121; 2.3448; 2.6714; 2.9919 и 3.2001. К надежно

отождествленным относится также Za=3.3216, в которую входят пять членов серии Лаймана L^, L^, L^., Lg и Эта система относится к чисто водородным.

Оставшиеся неотождествленные линии поглоцения на длинах волн короче эмиссионной линии Н1(1216А) использовались совместно с литературными данными для других QSO для статистических исследований. В спектрах 26 QSO отобрано 1206 линий в том числе 119 квазара S5 0014+81. Распределение однородной выборки линий поглощения по скоростям относительно QSO хорошо согласуется с теоретическим при значении q^-0. 5. Обнаруженный избыток линий с малыми скоростями (Av<15«10 км/с) интерпретируется как наличие линий "внутреннего" происхождения. Заподозрено присутствие неизвестной линии с длиной волны Хо=1009±4А.

В IV-ой ГЛАВЕ описаны результаты спектральных исследований трех квазаров с широкими линиями поглощения (BAL-QSO)-SBS 1409+566, ТВ 0932+501 и ТВ 0752+617.

Анализ спектров и сопоставление их с другими подобными объектами выявил ряд закономерностей б эмиссионных/абсорбционных профилях линий. BAL-QSO с узкими и интенсивными эмиссионными линиями имеют гладкие профили широких абсорбционных линий. Профили эмиссионных и абсорбционных линий в их спектрах тесно перекрываются. Наоборот, BAL-QS0 с широкими и слабыми эмиссионными линиями имеют широкие линии поглощения, состоящие из отдельных узких компонент. Другая особенность заключается в том, что красная граница линии поглощения CIV оказывается пропорциональна ширине эмиссионных линий. Такие закономерности могут свидетельствовать о возможной физической связи BAL- и BEL-области.

Гаусс-анализ профилей широких абсорбционных линий CIV и SilV

в спектрах ТВ 0932+501 и ТВ 0752+617 показал, что они могут быть представлены набором из семи и тринадцати компонент. Сделан вывод, что в BAL-области квазара ТВ 0932+501 на луче зрения оказалось семь облаков с диапазоном скоростей 7400-16200 км/с; в оболочке квазара ТВ 0752+617 на луче зрения оказалось тринадцать облаков со скоростями от 3700 км/с до 20100 км/с. Подсчет колонковых плотностей показал, что в двух объектах относительное содержание поглощающих атомов SilV и CIV монотонно меняется по профилю линий, а именно: величина SilV/ciV уменьшается с увеличением скорости облака. В рамках фотоионизационной модели такая ситуация возможна при предположении, что облака BAL-области движутся наружу от источника ионизующего излучения с отрицательным ускорением, а скорость и расстояние до него связаны соотношением dV/dR<0.

Наложение двух абсорбционных систем друг на друга в спектре SBS 1409+566 с разностью скоростей ДУ=^5780 км/с позволяет предположить наличие эффекта Line-looking, когда "замыкаются" линии поглощения L^ и NV. Высказано предположение, что при определенных условиях этот эффект может быть многоступенчатым, когда "работают" несколько пар линий одновременно. Если это так, то световое давление в линиях должно играть существенную роль в ускорении поглощающих облаков в BAL-области.

В V-оЯ ГЛАВЕ приводятся результаты расчетов профилей широких линий поглощения CIV и SilV в спектре квазара ТВ 0752+617. Предполагалось, что BAL-область состоит из большого числа оптически тонких облаков, движущихся наружу от центрального источника При этом скорость облака и его размер произвольным образом меняются и являются искомыми функциями расстояния.

Ионизационное состояние газа считалось с помощью программы

LINESPEC, разработанной сотрудниками Сектора теоретической астрофизики С.-Петербургского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе. Описана методика рассчетов, смысл которой заключается в том, что динамика и кинематика облаков в BAL-области через параметр ионизации (U) и температуру (Т) оказываются связанными с распределением атомов по ионизационным состояниям. При таком подходе поиск решения, удовлетворяющего наблюдаемым профилям широких линий поглощения CIV и SilV, сводится к нахождению траектории облака на плоскости LgU-LgT. В конечном итоге динамика и кинематика облаков определяют форму профилей линий, а химический состав газа регулирует их относительные интенсивности.

Синтетические профили широких линий поглощения CIV и Si.IV согласуются с наблюдаемыми, если: а) химический состав газа отличается от нормального таким образом, что si/c=230Q; в) градиент скорости dV/dR является величиной переменной, но при этом остается отрицательным на всем протяжении оболочки. Последнее означает, что облака в BAL-области движутся наружу от центрального источника с переменным отрицательным ускорением. При этом отношение поглощающих атомов SilV/CIV в облаках увеличивается с уменьшением скорости облака, как это и следует из наблюдений.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные выводы и результаты работы.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ 1 и 2 приводится таблица линий поглощения, выявленных в спектре квазара S5 0014+81, и список отождествленных абсорбционных систем. В ПРИЛОЖЕНИИ 3 в табличном виде представлены результаты расчетов ионизационного равновесия газа.

проведанные с помощью программы LINESPEC.

ЛИТЕРАТУРА

1. Е.M.Burbidge,с.R.Linds,G.R.Burbidge. On the measurement and

interpretation of absorption features in the spectrum of the QSO 3C 191. Ap.J.,1986,144,447.

2. A.Bocsenberg, W.L.W.Sargent. Doublet structure in the

absorption redshifts in the spectrum of PKS 0237-23. Ap.J.,1975,198,3.

3. C.R.Linds. The absorption-line spectrum of 4C 05.34. Ap.J.,

1971,164,L73.

4. J.Bergeron. The Mgll absorption system in the QSO PKS 2129-12:

a galaxy disc/halo with a radius 65 kpc. A. and Ap. , 1986,155,L8.

5. D.A.Turnshek. Broad absorption line QSOs. IAU Simposium №119 ■

"Quazars",1986,317 .

6. R.J.Weymann, D.A.Turnchek, W.A.Christiansen. Broad absorption

line quazars (BAL-QSO). Astrophysics of active galaxies and QSOs., Santa Cruz,1985,333.

7. Д. А.Варшалович, С.А.Левшаков, Е.А.Назаров. Спектральные

исследования квазаров Второго Бюраканского обзора северного неба. Квазары SBS 0953+549, SBS 1116+603, и 1138+584. Астрофизика, 1986,25,495.

8. Д. А. Варшалович, С. А. Левшаков, Е.А.Назаров, О.И.Спиридонова,

А.Ф.Фоменко. Спектральные исследования квазара S5 0014+ +81.1. Анализ эмиссионного спектра. Астрон. журн., 1987, 64, 262.

9. Д. А. Варшалович, С. А. Левшаков, Е.А.Назаров, А. ф. Фоменко.

Спектральные исследования квазара S5 0014+81.11. Анализ

абсорбционного спектра. Астрон. журн., 1987,64,929.

10. В.Л.Афанасьев, А.И.Шаповалова, В.Л. Липовецкий, Е. А. Назаров,

В.П.Михайлов. "СКАНЕР", отчет САО №138,1987.

11. В.Л.Афанасьев, Х.Лоренц, Е.А.Назаров. Спектральные

исследования квазаров с широкими линиями поглощения. Письма в Астрон.журн.,1989,15,13,195.

12. Е.А.Назаров. К вопросу о природе неотсждествленных линий

поглощения в спектрах квазаров. Астрофиз. исслед. (Известия САО),1989,27,84.

13. В.Л.Афанасьев, Х.Лоренц, Е.А.Назаров. Широкие линии

поглощения в спектре квазара ТВ 0752+617. Препринт САО №24, 1989.

14. V.L.Afanasjev, H.Lorenz, E.A.Nazarov. Cloud structure of the

envelope of BAL-QSO ТВ 0932+501. Soobshch. SAO, 1989, 61,54.

15. V.L.Afanasjev, L.K.Erastova, V.L.Lipovetski, E.A.Nazarov,

S.A.Stepanian, A.I.Shapovalova. SBS 1409+566: an unuzual quazar with broad absorption lines among the objects of the Second Byuracan Survey. Soobshch. SAO, 1989,61,62.

16. E.A.Nazarov. Broa,d absorption line syntetical profiles of the

quazar ТВ 0752+617. Preprint SAO №73,1991.

t

17. В.Л.Афанасьев, В. Л. Липовецкий, А.И.Шаповалова, Е.А.Назаров,

В. П.Михайлов. Наблюдения на сканере 6-м телескопа в фокусе Нэсмит-1 и автоматизированный комплекс программ редукции спектров. Астрофиз. исслед. (Известия САО),

отпечатано в отделе оперативной печати Ставропольского краевого /правления статистики г. Ставрополь, ул. Пушкина, 4