АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 92, № 2, с. 168-179
УДК 524.7-77
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛАЗАРА АО 0235+164
© 2015 г. А. Е. Вольвач1*, М. Г. Ларионов2, Л. Н. Вольвач1, А. Лахтеенмаки3, М. Торникоски3, М. Ф. Аллер4, Х. Д. Аллер4, M. Сасада5
1Лаборатория радиоастрономии НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория",
Кацивели, Ялта, Республика Крым
2Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
3Радиообсерватория Метсахови Университета Аалто, Хельсинки, Финляндия 4Радиообсерватория Мичиганского университета, Анн Арбор, США 5Киотский университет, Киото, Япония
Поступила в редакцию 10.06.2014 г.; принята в печать 21.05.2014 г.
Проанализированы длительные ряды многочастотного мониторинга активного ядра галактики АО 0235+164 от радио- до гамма-диапазона. АО 0235+164 предположительно является тесной двойной системой из сверхмассивных черных дыр. Гармоническим анализом установлено наличие в блазаре орбитального и прецессионного периодов 2 и 8 лет, соответственно. Полученные значения близки к аналогичным периодам, найденным в других активных ядрах галактик, которые предположительно, также, являются тесными двойными системами из сверхмассивных черных дыр, находящимися на стадии эволюции, близкой к слиянию. С помощью кросскорреляционного анализа найдены смещения по времени между вспышками, происходящими на разных длинах волн. Подтверждено полученное ранее для других активных ядер галактик эмпирическое соотношение, которому подчиняются задержки изменений потоков с частотой и которое имеет вид обратно-логарифмической зависимости, что может указывать на внутренний характер переменности потоков излучения активных ядер галактик на частотах сантиметрового диапазона длин волн и выше. Гипотеза "джетовой" активности активных ядер галактик соответствует представлениям о плазменных образованиях, которые перемещаются от истоков выброса к периферии источника, при этом становясь оптически тонкими на все более длинных волнах. Найдены физические и динамические характеристики активного ядра галактики, свидетельствующие о том, что эта тесная система состоит из сверхмассивных черных дыр близких масс порядка 1010 М®. Это одна из самых сверхмассивных систем из двойных черных дыр. Скорость перемещения компаньона и центрального тела вокруг общего центра тяжести составляет 104 и 5 х 103 км/с, соответственно. Полученные данные указывают на то, что наблюдаемые яркие представители активных ядер галактик являются немногочисленной популяцией среди массивных эллиптических галактик ввиду узкой направленности излучения в таких объектах и короткого времени жизни таких систем.
DOI: 10.7868/80004629914120111
1. ВВЕДЕНИЕ
Блазар АО 0235+164 является одним из ярчайших активных ядер галактик (АЯГ), и он усиленно исследуется в широком диапазоне длин волн от радио- до гамма-диапазона. Он характеризуется значительным диапазоном переменности потока излучения на различных масштабах времени, компактностью структуры, высокой яркостной температурой, наличием компонент со сверхсветовыми движениями и значительной поляризацией радио-и оптического излучения. Переменное излучение
E-mail: volvach@meta.ua
АО 0235+164 может быть интерпретировано в рамках геометрической модели плазменного выброса — джета, который ориентирован близко к лучу зрения и в котором присутствуют субсветовые движения материи. Релятивистскими допплеров-скими эффектами объясняются предельно высокие яркостные температуры, получаемые по данным интерферометрических наблюдений и измерений на одиночных антеннах. Спектроскопическими исследованиями установлено наличие эмиссионных линий на красном смещении г = 0.94 [1,2]. Объект виден в направлении на слабое скопление галактик с г = 0.52. Гигантская эллиптическая галактика скопления находится всего в 0.4" от АО 0235+164,
другая галактика — в 2" [3—5]. Такая конфигурация объектов усложняет проведение спектроскопических и фотометрических исследований.
АО 0235+164 обнаруживает значительный уровень переменности потока излучения на различных временных интервалах от часов до десятков лет в различных диапазонах длин волн [6—9]. Масштабы изменений потоков зависят от длины волны наблюдений. Так, в оптическом диапазоне колебания потока излучения почти на порядок выше, чем на миллиметровых и сантиметровых длинах волн [10]. По данным интерферометрических и космических наблюдений следует, что блазар является очень компактным объектом со структурой на масштабах менее 0.001", что приводит к значениям яркостной температуры в источнике, превышающей Тя = 6 х х 1013 К [11, 12]. Видимые сверхсветовые движения компонент (до 30 с) дают высокие значения доплер-фактора (5) и лоренц-фактора (7): 16 и более. Оценки приводят к величине этого угла порядка 3° [13, 14]. Еще более высокие значения яркостной температуры АО 0235+164 получены из IDV-наблюдений (внутри суточных вариаций потока), которые приводят к значениям Тя > 1017 К. Соответствующая величина доплер-фактора должна превышать значение 45, чтобы реальные температуры в объекте не превысили комптоновский предел [15].
После проведения оптического отождествления АО 0235+164 был начат долговременный мониторинг на одиночных антеннах и в интерферо-метрическом режиме [1, 16, 17]. Многочисленные наблюдения источника в рентгеновском диапазоне проводятся с 1990 г. [18—22], а в гамма-диапазоне регулярные данные поставляет космический телескоп Fermi (LAT) [23]. Анализ оптических и радио-кривых блеска выявил наличие квазипериодических явлений — выбросов в источнике АО 0235+164 с интервалом 5.7 лет [9]. Однако ожидаемый согласно этому периоду всплеск излучения так и не был зарегистрирован [ 15, 24—26]. За время наблюдений (40 лет) это был единственный случай, когда данный период не наблюдался в источнике. Изменения потоков в радиоисточнике интерпретировались в рамках модели двойной системы из сверхмассивных черных дыр (ДСЧД) [27, 28].
Отсутствие стабильного периода может объясняться тем, что мы фактически имеем двойную систему с аккреционным диском (АД), масса которого может достигать 0.1 от массы центрального тела. Если модель ДСЧД верна, то в регистрируемых вариациях потока излучения должны проявляться прецессионный и орбитальный периоды (Тпр и Торб ).
Таблица 1. Калибровочные источники
Принятые значения потоков для источников, Ян
DR21 ЗС 274 NGC 7027 ЗС 286
36.8 18.3 14.3 5.1 1.56
22.2 19.5 21.5 5.4 2.37
В работе рассмотрена модель ДСЧД, в которой на основе долговременного многочастотного мониторинга в радиодиапазоне получены параметры орбитального и прецессионного движений, массы компаньона и центрального тела, а также определены задержки между явлениями вспышек в различных спектральных диапазонах.
2. НАБЛЮДЕНИЯ 2.1. Радиодиапазон
Радиотелескоп РТ-22 НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория" использовался для проведения наблюдений на частотах 22.2 и 36.8 ГГц [29]. Прием информации осуществлялся в режиме диаграммной модуляции для минимизации влияния атмосферы и флуктуаций усиления приемных трактов аппаратуры. Для накопления полезного сигнала от источника применялась методика наблюдений "ON-ON", при которой осуществлялся разностный прием излучения с двух близко расположенных друг к другу приемных рупоров [30]. Экспозиция на источнике изменялась в пределах 5—100 с в зависимости от потока объекта и требуемого отношения сигнал/шум. Атмосферное поглощение потока излучения от источника менялось в широких пределах в зависимости от погодных условий, поэтому необходимо было его контролировать с интервалами времени 2—3 ч. Для этого использовалась процедура фиксирования значений антенной температуры на определенных углах места радиотелескопа, между которыми были известны величины изменений поглощения, выраженные в единицах высоты однородной атмосферы. Калибровка наблюдательных данных по температуре осуществлялась с помощью калиброванных шумовых сигналов (от ГШ — генератора шума), которые подавались на входы приемников. Таким способом также проводился контроль усиления приемных трактов.
Величины антенных температур от радиоисточников пересчитывались ко входной апертуре антенны и исправлялись за поглощение излучения в атмосфере Земли. Калибровочные источники использовались для нахождения плотностей потоков объектов по данным их антенных температур.
Потоки калибровочных источников приведены в табл. 1. В первой колонке таблицы даны частоты, во второй-пятой колонках — принятые плотности потоков для известных источников.
Зависимость эффективной площади Аэф от угла места антенны снималась по калибровочным источникам. Снижение эффективной площади антенны Аэф с уменьшением угла места было незначительным до углов места 30°.
Среднеквадратичная ошибка измерений плотности потока складывалась из ошибок измерений антенной температуры ГШ, температуры источника (о\ = 2—4%) и ошибки зависимости Аэф от угла места антенны. При такой методике оценки ошибок в них входят нестабильности коэффициентов усиления радиометров, шумы аппаратуры, ошибки наведения телескопа, ошибки определения коэффициентов поглощения излучения в атмосфере.
С использованием радиотелескопа РТ-14 Радиоастрономической обсерватории Метсахови Университета Аалто проведены наблюдения на частоте 37 ГГц. В методическом и техническом плане эти наблюдения и обработка принимаемой информации подобны той, которая использовалась на РТ-22 НИИ КрАО. Данные, полученные на РТ-14 Метсахови и РТ-22 КрАО, объединены в один массив, дополняют друг друга и обработаны совместно.
Наблюдения на частотах 4.8, 8, 14.5 ГГц были выполнены на 26-м радиотелескопе РТ-26 Радиоастрономической обсерватории Мичиганского университета. Методика наблюдений и обработка данных аналогичны описанным и представленным в [31].
На рис. 1—3 приведены данные длительного мониторинга АО 0235+164 на всех длинах волн — от радио- до гамма-диапазона.
2.2. Оптический диапазон
Данные в полосе V получены на 1.5-м телескопе "Каната" в Обсерватории Хигаси-Хиросима [32]. Время накопления сигнала составляло около 90 с.
Начиная с 2008 г. в Бостонском университете вед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.