Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный университет

Блинов Дмитрий Анатольевич

Строение джетов блазаров по результатам оптического мониторинга

01.03.02 - астрофизика и звёздная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 о ноя

Санкт-Петербург - 2011

4859461

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Гаген-Торн Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Гнедин Юрий Николаевич, Учреждение Российской академии наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

кандидат физико-математических наук

Бычкова Вера Соломоновна, Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга МГУ

Защита диссертации состоится 29 ноября 2011 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании совета Д. 212.232.15 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 28, ауд. 2143 (Математико-механический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан « % 2011 г.

Введение

Данная работа посвящена изучению активных ядер галактик, которые являются самыми мощными устойчивыми источниками излучения во Вселенной. Для объектов данного класса характерна высокая светимость, производимая в малом объёме, нстепловой характер спектра во всех диапазонах длин волн от радио до гамма и, зачастую, сильная поляризация излучения. Практически все представители активных ядер галактик (далее — АЯГ) показывают переменность, а некоторые из них имеют ультрарелятивистские джеты, которые демонстрируют сверхсветовые движения на радиокартах. Почти сразу после установления внегалактической природы квазаров в качестве источника энергии АЯГ была предложена аккреция на сверхмассивную чёрную дыру.

К активным ядрам галактик относят около десяти типов объектов, наблюдательные свойства которых существенно отличаются. Классификация АЯГ многомерна и включает в себя такие параметры, как отношение плотности потока в радио и оптическом диапазонах, морфологию джетов, наличие или отсутствие в спектре широких эмиссионных линий, амплитуду переменности потока излучения в оптике и другие характеристики.

Всё разнообразие типов и проявлений активности галактических ядер объясняется в рамках общей «унифицированной схемы». В данной модели сверхмассивная чёрная дыра и аккреционный диск погружены в область, где присутствуют отдельные облака газа, быстро движущиеся в гравитационном потенциале черной дыры. Жёсткое излучение от аккреционного диска ионизует газ в этой области, и она даёт широкие эмиссионные линии в спектре. На большем расстоянии от центральной машины плазма движется с меньшей скоростью и её излучение проявляется в виде узких эмиссионных линий. Центральная область окружена непрозрачным молекулярно-пылевым тором, который затеняет аккреционный диск и область широких линий при наблюде-

нии под некоторыми углами. У некоторых объектов часть вещества выбрасывается в виде коллимированных ультрарелятивистских струй, направленных вдоль оси аккреционного диска. В зависимости от того, под каким углом описанная структура расположена по отношению к лучу зрения, будут наблюдаться те или иные свойства. В данной диссертации изучаются блазары — активные ядра, ось джета которых направлена под малым углом к лучу зрения. Движение вещества с околосветовой скоростью в направлении наблюдателя приводит к сильному релятивистскому усилению излучения джета. По этой же причине блазары показывают наиболее ярко выраженную активность среди всех АЯГ.

Из-за большой удалённости отдельные компоненты блазаров не разрешаются. Поэтому изучение их структуры представляет большую сложность и возможно лишь косвенными методами. По современным представлениям, за запуск, ускорение и коллимацию джета ответственно магнитное поле, силовые линии которого закручены в спираль из-за дифференциального вращения аккреционного диска. Поэтому по крайней мере во внутренних частях джетов должно присутствовать спиралеобразное магнитное поле. Часть теоретических моделей и наблюдательных данных указывают на то, что быстрая сердцевина джета в области ускорения должна быть окружена значительно более медленной оболочкой.

На некотором расстоянии от чёрной дыры энергия магнитного поля перестаёт преобладать над кинетической энергией частиц: заканчивается зона ускорения, и магнитное поле становится более хаотичным. В конце зоны ускорения и коллимации вероятно присутствует стоячая ударная волна или зона реколлимации, которая наблюдается как ядро радиоджета на миллиметровых волнах. В некоторые промежутки времени излучение джета может определяться отдельными возмущениями плотности, распространяющимися вдоль джета.

В установлении вышеописанной структуры джета немаловажную роль сыграли мониторинговые фогополяримстричсские наблюдения в оптическом диапазоне. Эти наблюдения, наряду с наблюдениями в других диапазонах спектра, и в дальнейшем будут способствовать совершенствованию нашего понимания природы активных ядер галактик.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В последние годы благодаря росту чувствительности приборов, расширению международной кооперации и проведению регулярных наблюдений во всех доступных диапазонах наблюдается значительный прогресс в установлении деталей феномена АЯГ. Унифицированная модель хорошо объясняет большое разнообразие проявлений активности данного класса объектов аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру и образованием ультрарелятивистских джетов. Тем не менее множество вопросов остаются нерешёнными.

В частности, по-прежнему обсуждаются вопросы, связанные со структурой джета и магнитного поля в нём, а также природой различных компонентов в излучении АЯГ. Окончательно не выяснена причина изменений спектрального распределения энергии в обоих пиках бимодального спектра. Активно обсуждается механизм формирования гамма-излучения, локализация области, где оно производится, и его связь с длинноволновым излучением.

Безусловно, для подтверждения и дальнейшего развития теоретических моделей необходима надёжная наблюдательная основа, немаловажную роль в которой играют многополосные мониторинговые наблюдения в инфракрасном и оптическом диапазонах. Анализ фотометрических и поляриметрических данных позволяет установить некоторые детали, связанные со строением джетов блазаров и их отдельными компонентами.

Цели диссертационной работы

Основной целью данной работы было выделение отдельных источников в излучении блазаров, установление их поляризационных характеристик и спектрального распределения энергии на основе данных многоцветной фотометрии и поляриметрии в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Кроме того, в работе выяснялись причины изменения цветовых характеристик переменных компонентов во вспышках.

Для достижения поставленных целей решались следующие подзадачи: проведение многоцветных мониторинговых наблюдений блазаров; обработка результатов наблюдений; моделирование наблюдательных данных; определение спектрального распределения энергии в излучении постоянного и переменного источников.

Научная новизна

Впервые реализована численная модель, позволяющая по поляриметрическим данным разделять в общем излучении блазаров постоянный и переменные источники, а также получать их параметры поляризации и интенсивность. Проведена интерпретация результатов моделирования на основании различных моделей джетов. Данные, полученные при моделировании, позволили независимым образом вычислить спектральное распределение энергии постоянного и переменного компонентов блазара СМ 287 и объяснить его цветовую переменность в рамках двухкомпонентной модели. Для ВЬ ЬасеЛае обнаружено, что спектральный индекс излучения переменного компонента отличается в различных вспышках. Показано, что такие вспышки могут объясняться в рамках модели ударных волн в джете. На основании многолетних рядов фотометрических наблюдений 12 блазаров установлено, что кратковременное изменение спектрального индекса переменного компонента во

вспышках является характерным для блазаров явлением, причём спектр может становиться как более жёстким, так и более мягким. Проведён анализ данных для одной из таких вспышек у блазара PKS 1510-089, сопровождавшейся мониторингом поляризации в оптике и наблюдениями в гамма- и радио-диапазонах. Показано, что наблюдаемые проявления активности могут быть объяснены прохождением возмущения в джете.

Научная и практическая значимость

Научная ценность состоит в получении новых сведений о параметрах постоянных и переменных источников, формирующих излучение активных ядер галактик. Практическая значимость заключается в том, что в процессе работы над диссертацией были получены новые наблюдательные данные для ряда блазаров. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для решения задач, не затронутых в диссертации. Результаты данной научной работы могут использоваться во всех организациях, где занимаются изучением активных ядер галактик.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Fermi Symposium, Вашингтон, США, 2-5 ноября 2009 г.

2. Конференция пользователей Больших телескопов России и КТБТ, САО РАН, 13 - 16 октября 2010 г.

3. Международная студенческая конференция «Наука и прогресс», Санкт-Петербург, Россия, 15 - 19 ноября 2010 г.

4. 40-я международная студенческая научная конференция «Физика кос-

моса», Екатеринбург, Россия, 31 января - 4 февраля 2011 г.

5. XXVIII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, Россия, 19 - 21 апреля 2011 г.

6. Ill Fermi Symposium, Рим, Италия, 9-12 мая 2011 г.

7. Объединённый астрофизический семинар Лаборатории физики звёзд и Лаборатории внегалактических исследований и гамма-астрономии, КрАО, Украина, 12 сентября 2011 г.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы (107 наименований), и двух приложений. Общий объем диссертации — 144 страницы, из них 28 страниц приложений. Работа содержит 71 рисунок и 11 таблиц.

Во Введении обосновывается актуальность работы, описываются основные цели и задачи диссертации, научная новизна, научная и практическая ценность исследования. Также сформулированы результаты, выносимые на защиту, приводится список конференций и работ, где были представлены результаты данного исследования, указан личный вклад автора.

В Главе 1 в пункте 1.1 даётся описание аппаратуры, с помощью которой проводились наблюдения: трёх телескопов (АЗТ-8, АЗТ-24, LX-200) и приёмников излучения (камеры ST-7 ХМЕ и SWIRCAM). В пункте 1.2 описываются методики оптических и инфракрасных наблюдений с использованием ПЗС-камер, а также методы начальной редукции данных. В пункте 1.3 кратко описаны основные методы, применяемые при фотометрии точечных источников, способы оценки ошибок наблюдений и алгоритм перехода

из инструментальной фотометрической системы в стандартную. Также приводится общее описания пакета программ, используемых при фотометрии и поляриметрии.

В Главе 2 описывается методика анализа переменности спектрального распределения энергии. Пункт 2.1 посвящен общим особенностям и проблемам, имеющим место при анализе цветовой переменности блазаров. В пункте 2.2 показано, что если наблюдаемые в двух полосах потоки ложатся на прямые линии на диаграммах «поток-поток», то отношение потоков в этих полосах для переменного компонента, ответственного за активность на данном временном интервале, остаётся неизменным. В случае многополосных наблюдений этот метод позволяет получать относительное спектральное распределение энергин для переменного источника без дополнительных предположений о его вкладе в общий поток. Достоинства и недостатки методики кратко перечисляются в пункте 2.3. Алгоритм применения метода описан в пункте 2.4.

Глава 3 посвящена численной модели, в которой переменность параметров поляризации и интенсивности излучения блазаров на долговременной шкале объясняется наличием постоянного и переменных источников поляризованного излучения. В пункте 3.1 качественно описаны доводы, на основании которых данная модель может объяснять наблюдаемые у некоторых блазаров зависимости поляризационных параметров. Алгоритм модели описан в пункте 3.2. В пунктах 3.3 - 3.0 приведены результаты моделирования многолетних рядов фотоиоляримстрических наблюдений блазаров BL Lac, OJ 287, ЗС 454.3 и S5 071G+714. Обсуждается возможная интерпретация результатов моделирования в контексте структуры джетов блазаров. Зависимость полученных в модели светимостей постоянных компонентов от углов видимости джетов рассматривается в пункте 3.7. Показано что эта зависимость не противоречит предположению, что в роли постоянного источника может выступать

протяжённый невозмущённый джет в зоне ускорения и коллимации.В пункте 3.8 приведены общие выводы.

Глава 4 посвящена цветовой переменности блазара OJ 287. В пункте 4.1 приведены сведения об идентификации объекта и его активности в оптическом диапазоне спектра. Пункт 4.2 описывает используемый ряд наблюдений, полученный в рамках международной кампании по мониторингу данного блазара в 18 обсерваториях. В пункте 4.3 с помощью метода, описанного в Главе 2, и результатов моделирования из Главы 3 получено спектральное распределение энергии излучения постоянного источника и переменного компонента. В пункте 4.4 делается вывод, что полученные спектральные индексы постоянного и переменного источников позволяют объяснить наблюдаемое цветовое поведение OJ 287 в рамках такой двухкомпонентной модели. Вблизи минимума блеска общий поток определяется, в основном, постоянным источником с мягким спектром. С ростом потока переменного источника его более жёсткое излучение начинает преобладать и суммарный спектр становится более «голубым».

В Главе 5 исследуется цветовая переменность-блазара BL Lac. Общее описание объекта и краткий обзор литературы приведены в пункте 5.1. Особенности используемого наблюдательного ряда описаны в пункте 5.2. Пункт 5.3 посвящен анализу вариаций спектрального распределения энергии переменного источника. Делается вывод, что при малых потоках излучение блазара определяется единственным переменным компонентом с неизменным на временах порядка лет спектром. В случае же больших потоков в отдельных вспышках переменность определяется, в основном, действием другого переменного источника, спектральное распределение которого меняется от вспышки к вспышке. В пункте 5.4 кривые блеска в двух полосах исследуются на предмет возможной задержки между их вариациями. Делается вывод, что запаздывание не превышает трёх минут. В пункте 5.5 резюмируются резуль-

таты исследования цветовой переменности данного блазара, делается вывод, что изменение потока во вспышках может объясняться прохождением ударных волн в джете.

В Главе 6 на основании многолетних рядов фотометрических наблюдений, полученных в НИАИ СПбГУ, исследуется поведение спектрального распределения энергии переменного источника во время отдельных вспышек у 12 блазаров. В пункте 6.1 приводятся характеристики вспышек, в которых наблюдались цветовые изменения. Делается вывод, что подобное поведение в активной фазе характерно для блазаров в целом, однако у некоторых источников не обнаружено цветовых изменений в ярком состоянии. Отмечается, что во вспышках спектр переменного компонента может становиться как более жёстким, так и более мягким. Обсуждаются возможные механизмы возникновения вспышек с изменением спектрального распределения энергии. Пункт 6.2 посвящён одной из вспышек блазара РКЭ 1510-089, сопровождавшейся значительным изменением спектрального индекса излучения переменного источника. В совокупности с предшествующим вращением плоскости поляризации в оптическом диапазоне и сопутствующим выбросом узла на радиокартах, подобное поведение интерпретируется, как прохождение ударной волны в джете. В пункте 6.3 делается вывод, что ни один из возможных механизмов цветовой переменности не подходит для полной интерпретации всех наблюдаемых проявлений вспышечной активности, и, вероятно, данные механизмы действуют совместно.

В Заключении суммированы основные результаты работы.

В Приложении А приведена ключевая часть кода программы, реализующей стохастическую модель оптической переменности из Главы 3.

В Приложении Б приведены диаграммы «поток-поток» и графики спектрального распределение энергии переменных компонентов во вспышках и спокойном состоянии, которые обсуждаются в пункте 6.1 Главы 6.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Построенная численная модель оптической переменности, позволяющая непосредственно из поляризационных данных выделять в излучении блазаров постоянный и переменные компоненты и получать их средние параметры Стокса. Результаты моделирования поляризованного излучения блазаров BL Lac, OJ 287, ЗС 454.3 и S5 0716+714, в случае когда присутствуют постоянный и переменные источники поляризованного излучения, и интерпретация результатов.

2. Вывод о том, что цветовое поведение «голубее, когда ярче», наблюдаемое в оптической области спектра у OJ 287, является результатом совместного действия двух синхротронных источников излучения: красного постоянного источника с а = -2.03 и переменного компонента с более жёстким спектром а = —1.41.

3. Заключение о том, что при малых уровнях потока активность BL Lac определяется переменным компонентом, имеющим степенной спектр, спектральный индекс которого остаётся постоянным на временах порядка нескольких лет. Во время отдельных вспышек переменность BL Lac обусловлена дополнительным источником, распределение энергии которого меняется от вспышки к вспышке. Такое цветовое поведение может быть интерпретировано как прохождение ударных волн в джете.

4. Результаты анализа наблюдательных данных для PKS 1510-089 в активном состоянии начала 2009 года. Интерпретация серии вспышек, сопровождавшейся вращением плоскости поляризации, как распространение возмущения в джете. Объяснение мощной вспышки с изменением спектрального индекса, совпавшей с появлением радиоузла, ударным взаимодействием возмущения в джете с зоной реколлимации.

5. Вывод о том; что кратковременное изменение спектрального распределения энергии во вспышках - характерное для блазаров явление, и, вероятно, не все подобные вспышки могут быть объяснены в рамках модели ударных волн в джете.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 11 статей — в рецензируемых журналах, 1 статья — в сборнике трудов конференций и 2 — в сборниках тезисов докладов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Blinov D. A., Hagen-Thorn V. A. Stochastic model of optical variability of BL Lacertae // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 503, no. 1. Pp. 103-106.

2. D'Ammando F., Pucella G., Raiteri С. M., ..., Blinov D., ... (106 авт.) AGILE detection of a rapid 7-ray flare from the blazar PKS 1510-089 during the GASP-WEBT monitoring // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 508. Pp. 181-189.

3. Marscher A. P., Jorstad S. G., Larionov V. M., ..., Blinov D., ... (32 авт.) Probing the Inner Jet of the Quasar PKS 1510-089 with Multi-Waveband Monitoring During Strong Gamma-Ray Activity // The Astrophysical Journal Letters. 2010. Vol 710. Pp. L126-L131.

4. Abdo A. A., Ackermanh M., Ajello M., ..., Blinov D., ... (265 авт.) A change in the optical polarization associated with a 7-ray flare in the blazar 3C279 // Nature. 2010. Vol. 463. Pp. 919-923.

5. Jorstad S. G.j. Marscher A. P., Larionov V. M., ..., Blinov D., ... (32 авт.)

Flaring Behavior of the Quasar 3C 454.3 Across the Electromagnetic Spectrum // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 715. Pp. 362-384.

6. Abdo A. A., Ackermann M., Agudo I., ..., Blinov D., ... (217 авт.) Fermi Large Area Telescope and multi-wavelength observations of the flaring activity of PKS 1510-089 between 2008 September and 2009 June // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 721. Pp. 1425-1447.

7. Raiteri С. M., Villata M., Bruschini L. ..., Blinov D., ... (55 авт.) Another look at the BL Lacertae flux and spectral variability. Observations by GASP-WEBT, XMM-Newton, and Swift in 2008-2009 // Astronomy and Astrophysics. 2010. Vol. 524. P. A43.

8. Agudo I., Jorstad S. G., Marscher A. P. ..., Blinov D., ... (21 авт.) Location of 7-ray flare emission in the jet of the BL Lacertae object OJ287 more than 14 pc from the central engine // The Astrophysical Journal Letters. 2011. Vol. 726. P. L13.

9. D Ammando F., Raiteri С. M., Villata M...., Blinov D.,... (115 авт.) AGILE detection of extreme 7-ray activity from the blazar PKS 1510-089 during March 2009. Multifrequency analysis // Astronomy and Astrophysics. 2011. Vol. 529. P. A145.

10. Гаген-Торн В. А., Блинов Д. А., Гаген-Торн E. И. Цветовая переменность BL Lacertae в 2002-2008 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1084-1092.

11. Блинов Д. А., Гаген-Торн В. А., Гаген-Торн Е. И., Такало JI. О., Силан-пяя А. Оптическая переменность блазара О J 287 в 2005-2009 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1169-1176.

Личный вклад автора

В статье 1 разработка алгоритма, создание программы и проведение вычислений принадлежат автору, вклад соавторов в постановку задачи и обсуждение одинаков; статьи 2, 4, 6, 7, 9 содержат результаты наблюдений, выполненных автором; в статьях 3, 5> 8 использованы результаты выполненных автором наблюдений, вклад соавторов в обсуждение одинаков; в статье 10 вклад всех соавторов одинаков; в статье 11 автору принадлежит постановка задачи и большая часть вычислений, вклад всех соавторов в обсуждение результатов одинаков.

Подписано к печати 21.10.11. Формат 60x84 1Л . Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,00. _Тираж 100 экз. Заказ 5279.

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043,428-6919

Введение

Глава 1. Аппаратура. Методика наблюдений и обработки

1.1. Телескопы и приёмники излучения

1.2. Методика наблюдений.

1.3. Фотометрия и поляриметрия.

Глава 2. Методика анализа переменности.

2.1. Общее описание методики

2.2. Анализ цветовой переменности.

2.3. Преимущества и ограничения методики.

2.4. Алгоритм применения методики.

Глава 3. Стохастическая модель оптической переменности

3.1. Обоснование выбора модели.

3.2. Описание модели

3.3. Модель оптической переменности блазара BL Lac.

3.4. Модель оптической переменности блазара OJ

3.5. Модель оптической переменности блазара ЗС 454.

3.6. Модель оптической переменности блазара S5 0716+

3.7. Зависимость потока постоянного источника от угла видимости джета.

3.8. Выводы.

Глава 4. Цветовая переменность блазара OJ

4.1. Обзор литературы.

4.2. Наблюдательный материал.

4.3. Распределение энергии в спектрах постоянного и переменного компонентов в оптическом диапазоне.

4.4. Выводы.

Глава 5. Цветовая переменность блазара BL Lac.

5.1. Обзор литературы.

5.2. Наблюдательные данные.

5.3. Распределение энергии в спектре переменного источника в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.

5.4. Задержка между вариациями блеска в различных полосах

5.5. Выводы.

Глава 6. Цветовое поведение блазаров во время вспышек

6.1. Вспышки с изменением спектрального распределения энергии переменного компонента.

6.2. Цветовое поведение PKS 1510-089 во вспышке начала 2009 г.

6.3. Выводы.

Данная работа посвящена изучению активных ядер галактик, которые являются самыми мощными устойчивыми источниками излучения во Вселенной. Для объектов данного класса характерна высокая светимость, производимая в малом объёме, нетепловой характер спектра во всех диапазонах длин волн от радио до гамма и, зачастую, сильная поляризация излучения. Практически все представители активных ядер галактик (далее — АЯГ) показывают переменность, а некоторые из них имеют ультрарелятивистские джеты, которые демонстрируют сверхсветовые движения на радиокартах. Почти сразу после установления внегалактической природы квазаров в качестве источника энергии АЯГ была предложена аккреция на сверхмассивную чёрную дыру.

К активным ядрам галактик относят около десяти типов объектов, наблюдательные свойства которых существенно отличаются. Классификация АЯГ многомерна и включает в себя такие параметры, как отношение плотности потока в радио и оптическом диапазонах, морфологию джетов, наличие или отсутствие в спектре широких эмиссионных линий, амплитуду переменности потока излучения в оптике и другие характеристики.

Всё разнообразие типов и проявлений активности галактических ядер объясняется в рамках общей «унифицированной схемы» [1, 2]. В данной модели сверхмассивная чёрная дыра и аккреционный диск погружены в область, где присутствуют отдельные облака газа, быстро движущиеся в гравитационном потенциале чёрной дыры. Жёсткое излучение от аккреционного диска ионизует газ в этой области, и она даёт широкие эмиссионные линии в спектре. На большем расстоянии от центральной машины плазма движется с меньшей скоростью, и её излучение проявляется в виде узких эмиссионных линий. Центральная область окружена непрозрачным молекулярно-пылевым тором, который затеняет аккреционный диск и область широких линий при наблюдении под некоторыми углами. У некоторых объектов часть вещества выбрасывается в виде коллимированных ультрарелятивистских струй, направленных вдоль оси аккреционного диска. В зависимости от того, под каким углом описанная структура расположена по отношению к лучу зрения, будут наблюдаться те или иные свойства. В данной диссертации изучаются блазары — активные ядра, ось джета которых направлена под малым углом к лучу зрения. Движение вещества с околосветовой скоростью в направлении наблюдателя приводит к сильному релятивистскому усилению излучения джета. По этой же причине блазары показывают наиболее ярко выраженную активность среди всех АЯГ.

Из-за большой удалённости отдельные компоненты блазаров не разрешаются, поэтому изучение их структуры представляет большую сложность и возможно лишь косвенными методами. По современным представлениям за запуск, ускорение и коллимацию джета ответственно магнитное поле, силовые линии которого закручены в спираль из-за дифференциального вращения аккреционного диска [3]. Поэтому, по крайней мере, во внутренних частях джетов должно присутствовать спиралеобразное магнитное поле (см. рис. 1). Часть теоретических моделей и наблюдательных данных указывают на то, что быстрая сердцевина джета в области ускорения должна быть окружена значительно более медленной оболочкой.

На некотором расстоянии от чёрной дыры энергия магнитного поля перестаёт преобладать над кинетической энергией частиц: заканчивается зона ускорения, и магнитное поле становится более хаотичным. В конце зоны ускорения и коллимации, вероятно, присутствует стоячая ударная волна или зона реколлимации, которая наблюдается как ядро радиоджета на миллиметровых волнах. В некоторые промежутки времени излучение джета может определяться отдельными возмущениями плотности, распространяющимися вдоль джета. quasar structure q

0 О On HEUCAL MAGNETIC FIELD Q О О

STANDING MOVING CONICAL SHOCK ^ SHOCK Jgr о n* ^

EMISSION-LINE CLOUDS О О

BROAD NARROW О of of a" of of of a' of

T7TT7T77 quasar emission

Oq o°0 „ 0 0 О UU-WAVP SUPERLUMINAL KNOT

У On "com /RADI0-7-RAY

0 o° ¿^\°o°o o00

Г MM-X-RAY

EMISSION UNES BROAD NARROW Q

O^Oo

Рис. 1. Характерная для блазаров структура джетов (по работе [3]).

В установлении вышеописанной структуры джета немаловажную роль сыграли мониторинговые фотополяриметрические наблюдения в оптическом диапазоне. Эти наблюдения, наряду с наблюдениями в других диапазонах спектра, и в дальнейшем будут способствовать совершенствованию нашего понимания природы активных ядер галактик.

Актуальность работы

В последние годы благодаря росту чувствительности приборов, расширению международной кооперации и проведению регулярных наблюдений во всех доступных диапазонах наблюдается значительный прогресс в установлении деталей феномена АЯГ. Унифицированная модель хорошо объясняет большое разнообразие проявлений активности данного класса объектов аккрецией вещества на сверхмассивную чёрную дыру и образованием ультрарелятивистских джетов. Тем не менее множество вопросов остаются нерешёнными.

В частности, по-прежнему обсуждаются вопросы, связанные со структурой джета и магнитного поля в нём, а также природой различных компонентов в излучении АЯГ. Окончательно не выяснена причина изменений спектрального распределения энергии в обоих пиках бимодального спектра. Активно обсуждается механизм формирования гамма-излучения, локализация области, где оно производится, и его связь с длинноволновым излучением.

Безусловно, для подтверждения и дальнейшего развития теоретических моделей необходима надёжная наблюдательная основа, немаловажную роль в которой играют многополосные мониторинговые наблюдения в инфракрасном и оптическом диапазонах. Анализ фотометрических и поляриметрических данных позволяет установить некоторые детали, связанные со строением джетов блазаров и их отдельными компонентами.

Цели диссертационной работы

Основной целью данной работы было выделение отдельных источников в излучении блазаров, установление их поляризационных характеристик и спектрального распределения энергии на основе данных многоцветной фотометрии и поляриметрии в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Кроме того, в работе выяснялись причины изменения цветовых характеристик переменных компонентов во вспышках.

Для достижения поставленных целей решались следующие подзадачи: проведение многоцветных мониторинговых наблюдений блазаров; обработка результатов наблюдений; моделирование наблюдательных данных; определение спектрального распределения энергии в излучении постоянного и переменного источников.

Научная новизна

Впервые реализована численная модель, позволяющая по поляриметрическим данным разделять в общем излучении блазаров постоянный и переменные источники, а также получать их параметры поляризации и интенсивность. Проведена интерпретация результатов моделирования на основании различных моделей джетов. Данные, полученные при моделировании, позволили независимым образом вычислить спектральное распределение энергии постоянного и переменного компонентов блазара О Л 287 и объяснить его цветовую переменность в рамках двухкомпонентной модели. Для ВЬ ЬасеЛае обнаружено, что спектральный индекс излучения переменного компонента отличается в различных вспышках. Показано, что такие вспышки могут объясняться в рамках модели ударных волн в джете. На основании многолетних рядов фотометрических наблюдений 12 блазаров установлено, что кратковременное изменение спектрального индекса переменного компонента во вспышках является характерным для блазаров явлением, причём спектр может становиться как более жёстким, так и более мягким. Проведён анализ данных для одной из таких вспышек у блазара РКЯ 1510-089, сопровождавшейся мониторингом поляризации в оптике и наблюдениями в гамма- и радио-диапазонах. Показано, что наблюдаемые проявления активности могут быть объяснены прохождением возмущения в джете.

Научная и практическая значимость

Научная ценность состоит в получении новых сведений о параметрах постоянных и переменных источников, формирующих излучение активных ядер галактик. Практическая значимость заключается в том, что в процессе работы над диссертацией были получены новые наблюдательные данные для ряда блазаров. Эти данные могут быть использованы в дальнейшем для решения задач, не затронутых в диссертации. Результаты данной научной работы могут использоваться во всех организациях, где занимаются изучением активных ядер галактик.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Построенная численная модель оптической переменности, позволяющая непосредственно из поляризационных данных выделять в излучении блазаров постоянный и переменные компоненты и получать их средние параметры Стокса. Результаты моделирования поляризованного излучения блазаров BL Lac, OJ 287, ЗС 454.3 и S5 0716+714, в случае когда присутствуют постоянный и переменные источники поляризованного излучения, и интерпретация результатов.

2. Вывод о том, что цветовое поведение «голубее, когда ярче», наблюдаемое в оптической области спектра у OJ 287, является результатом совместного действия двух синхротронных источников излучения: красного постоянного источника с а = —2.03 и переменного компонента с более жёстким спектром а = —1.41.

3. Заключение о том, что при малых уровнях потока активность BL Lac определяется переменным компонентом, имеющим степенной спектр, спектральный индекс которого остаётся постоянным на временах порядка нескольких лет. Во время отдельных вспышек переменность BL Lac обусловлена дополнительным источником, распределение энергии которого меняется от вспышки к вспышке. Такое цветовое поведение может быть интерпретировано как прохождение ударных волн в джете.

4. Результаты анализа наблюдательных данных для PKS 1510-089 в активном состоянии начала 2009 года. Интерпретация серии вспышек, сопровождавшейся вращением плоскости поляризации, как распространение возмущения в джете. Объяснение мощной вспышки с изменением спектрального индекса, совпавшей с появлением радиоузла, ударным взаимодействием возмущения в джете с зоной реколлимации.

5. Вывод о том, что кратковременное изменение спектрального распределения энергии во вспышках - характерное для блазаров явление, и, вероятно, не все подобные вспышки могут быть объяснены в рамках модели ударных волн в джете.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Fermi Symposium, Вашингтон, США, 2-5 ноября 2009 г.

2. Конференция пользователей Больших телескопов России и КТБТ, С АО РАН, 13 - 16 октября 2010 г.

3. Международная студенческая конференция «Наука и прогресс», Санкт-Петербург, Россия, 15-19 ноября 2010 г.

4. 40-я международная студенческая научная конференция «Физика космоса», Екатеринбург, Россия, 31 января - 4 февраля 2011 г.

5. XXVIII конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, Россия, 19-21 апреля 2011 г.

6. Ill Fermi Symposium, Рим, Италия, 9-12 мая 2011 г.

7. Объединённый астрофизический семинар Лаборатории физики звёзд и Лаборатории внегалактических исследований и гамма-астрономии, КрАО, Украина, 12 сентября 2011 г.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 11 статей — в рецензируемых журналах, 1 статья — в сборнике трудов конференций и 2 — в сборниках тезисов докладов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Blinov D. A., Hagen-Thorn V. A. Stochastic model of optical variability of BL Lacertae // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 503, no. 1. Pp. 103-106.

2. DAmmando F., Pucella G., Raiteri С. M., ., Blinov D., . (106 авт.) AGILE detection of a rapid 7-ray flare from the blazar PKS 1510-089 during the GASP-WEBT monitoring // Astronomy and Astrophysics. 2009. Vol. 508. Pp. 181-189.

3. Marscher A. P., Jorstad S. G., Larionov V. M., ., Blinov D., . (32 авт.) Probing the Inner Jet of the Quasar PKS 1510-089 with Multi-Waveband Monitoring During Strong Gamma-Ray Activity // The Astrophysical Journal Letters. 2010. Vol. 710. Pp. L126-L131.

4. Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M., ., Blinov D., . (265 авт.) A change in the optical polarization associated with a 7-ray flare in the blazar 3C279 // Nature. 2010. Vol. 463. Pp. 919-923.

5. Jorstad S. G., Marscher A. P., Larionov V. M., ., Blinov D., . (32 авт.) Flaring Behavior of the Quasar 3C 454.3 Across the Electromagnetic Spectrum // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 715. Pp. 362-384.

6. Abdo A. A., Ackermann M., Agudo I., . Blinov D., . (217 авт.) Fermi Large Area Telescope and multi-wavelength observations of the flaring activity of PKS 1510-089 between 2008 September and 2009 June // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 721. Pp. 1425-1447.

7. Raiteri С. M., Villata M., Bruschini L. ., Blinov D., . (55 авт.) Another look at the BL Lacertae flux and spectral variability. Observations by GASP-WEBT, XMM-Newton, and Swift in 2008-2009 // Astronomy and Astrophysics. 2010. Vol. 524. P. A43.

8. Agudo I., Jorstad S. G., Marscher A. P. ., Blinov D., . (21 авт.) Location of 7-ray flare emission in the jet of the BL Lacertae object О J287 more than 14 pc from the central engine // The Astrophysical Journal Letters. 2011. Vol. 726. P. L13.

9. D'AmmandoF., Raiteri С. M., Villata M. ., Blinov D., . (115 авт.) AGILE detection of extreme 7-ray activity from the blazar PKS 1510-089 during March 2009. Multifrequency analysis // Astronomy and Astrophysics. 2011. Vol. 529. P. A145.

10. Гаген-Торн В. А., Блинов Д. А., Гаген-Торн E. И. Цветовая переменность BL Lacertae в 2002-2008 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1084-1092.

11. Блинов Д. А., Гаген-Торн В. А., Гаген-Торн Е. И., Такало JI. О., Силан-пяя А. Оптическая переменность блазара OJ 287 в 2005-2009 годах // Астрономический журнал. 2011. Т. 88, С. 1169-1176.

Личный вклад автора

В статье 1 разработка алгоритма, создание программы и проведение вычислений принадлежат автору, вклад соавторов в постановку задачи и обсуждение одинаков; статьи 2, 4, 6, 7, 9 содержат результаты наблюдений, выполненных автором; в статьях 3, 5, 8 использованы результаты выполненных автором наблюдений, вклад соавторов в обсуждение одинаков; в статье 10 вклад всех соавторов одинаков; в статье 11 автору принадлежит постановка задачи и большая часть вычислений, вклад всех соавторов в обсуждение результатов одинаков.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы (107 наименований) и двух приложений. Общий объем диссертации — 144 страницы, из них 28 страниц приложений. Работа содержит 71 рисунок и 11 таблиц.

Заключение