АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 10, с. 896-901
УДК 524.7-77
ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ЯДРЕ РАДИОГАЛАКТИКИ 3С 274
© 2007 г. В. С. Артюх, П. А. Черников
Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева, Москва, Россия Поступила в редакцию 21.12.2006 г.; принята в печать 05.04.2007 г.
Проведены наблюдения компактного источника в ядре 3С 274 на частоте 111 МГц. Наблюдения выполнены на радиотелескопе БСА методом межпланетных мерцаний. Получена верхняя оценка плотности потока компактного радиоисточника, благодаря чему обнаружен низкочастотный завал спектра этого источника. Проведен анализ наблюдательных данных компактного радиоисточника в ядре 3С 274, исходя из предположения, что низкочастотный завал спектра обусловлен синхротронным самопоглощением радиоизлучения. Показано, что в этом случае магнитное поле в ядре данной радиогалактики должно быть сильно неоднородным. В центре, на масштабе < 0.01 пк, магнитное поле меняется в диапазоне 0.4 Гс < Н < 40 Гс, в то время как среднее по всему радиоисточнику значение (Н} ~ 10~3—10~4 Гс. Плотность энергии релятивистских электронов превосходит плотность энергии магнитного поля везде внутри ядра, хотя вблизи центра в принципе возможно и равнораспределение энергий.
PACS: 98.54.Gr, 98.62.En, 98.62.Js
1. ВВЕДЕНИЕ
Галактики, имеющие активные ядра, разделяются на те, которые имеют сильное радиоизлучение, и радиоспокойные галактики. Радиогалактики обычно являются довольно протяженными объектами, размеры которых доходят до нескольких Мпк. По внешнему виду радиогалактики отличаются большим разнообразием форм, и до сих пор не удается ввести какую-либо морфологическую классификацию этих объектов. Однако грубо их можно разделить на два типа: FRI и FRII [1]. У радиогалактик первого типа (FRI) яркость изображения уменьшается от центра к краю, а у радиогалактик второго типа (FRII) — наоборот, увеличивается. Существенно, что сравнительно слабые радиогалактики, светимость которых на частоте 408 МГц меньше 1025 Вт Гц-1, практически все принадлежат к первому типу. Сильные радиогалактики со светимостью > 1027 Вт Гц-1 принадлежат ко второму типу. Среди радиогалактик с промежуточными светимостями встречаются оба типа галактик приблизительно поровну. Необходимо также отметить, что имеется значительное число радиогалактик, которые невозможно отнести ни к одному из этих типов.
Наблюдаемая форма радиогалактик указывает на то, что радиоизлучающее вещество выброшено из ядра родительской галактики. Большинство радиогалактик второго типа является радиогалактиками типа Лебедь А, в которых протяженные
радиооблака связаны с галактическим ядром узкими прямыми джетами. Среди радиогалактик первого типа преобладают так называемые хвостатые радиогалактики, в которых наблюдаются широкие радиовыбросы с изгибами. Ширина радиовыбросов (радиохвостов) увеличивается по мере удаления от ядра. Иногда эти радиовыбросы являются односторонними.
Таким образом, источником активности радиогалактики является активность галактического ядра, и для понимания природы этой активности необходимо знать физические условия в самом ядре.
Родительской галактикой 3С 274 является галактика М 87. Это — гигантская эллиптическая галактика типа Е0 с красным смещением z = = 0.004303 [2]. Она является доминирующей галактикой скопления галактик в созвездии Девы, к которому принадлежит и Местная группа галактик. Наблюдается сильное рентгеновское излучение от этого скопления [3].
3С 274 является одной из ближайших к нам радиогалактик и является одним из самых сильных радиоисточников на небе. Радиоизлучающее вещество, выброшенное из ядра М 87, простирается до 100 кпк и имеет причудливую форму, образованную в результате взаимодействия выброшенного вещества с межзвездной и межгалактической средой [4—7]. 3С 274 относится к первому типу радиогалактик (FRI), но имеет и отличительные
черты. Изображение 3С 274 имеет довольно четкие яркие границы в широком диапазоне частот от 74 МГц до 10.6 ГГц, т.е. нет зависимости размеров радиогалактики от частоты [8].
В данной работе мы исследуем физические условия, которые существуют в ядре радиогалактики 3С 274 (Дева А).
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ
В работе Артюха и Черникова [9] разработана методика оценки физических параметров компактных радиоисточников на основе модели неоднородного источника синхротронного излучения. Как показано в цитированной работе, для выбора модели радиоисточника и получения информации о физических условиях в компактном радиоисточнике необходимо знать его спектр с характерными изломами на высоких (^вч) и низких (^нч) частотах, спектральный индекс в интервале частот между этими изломами спектра (анч), угловые размеры радиоисточника (ви), хотя бы на одной частоте, а также красное смещение родительской галактики (г) для оценки расстояния до нее. Сама модель представляет собой сферически-симметричный источник, в котором магнитное поле и плотность релятивистских электронов распределены в пространстве по степенному закону: Н(г) =
Н(0) лт, ^ N(0)
5, Ян 10
— и N(г) =
1 + Ы К
п. Распре-
1 + Ы
1 0.1 0.01
/
тг
0.1
10
100 V, ГГц
деление электронов по энергиям также является степенным: N(Е) ~ Е-1.
Оценки всех физических параметров (7, К, Н(0), кн, т, N(0), км, п) получаются из наблюдений. Из высокочастотной части спектра, где источник прозрачен и его спектр является степенным ^ ~ V-а), получаем оценку 7 (7 = 2а + + 1). Коэффициент контрастности кн определяется шириной интервала частот vвч — vнч, показатели степени т и п связаны с величинами 7 и анч. Величины К, Н(0) и N(0) определяются из системы трех уравнений: (а) оптическая толща вдоль диаметра (2К) источника на частоте первого излома спектра т(^ч) & 1; (б) требования, чтобы видимый (по уровню половинной мощности) угловой размер модели на частоте наблюдений V равнялся измеренному видимому угловому размеру источни-
л ) 1 , ,
ка ви, т.е. = -; (в) определение плотности
1(0) 2
потока источника S(V) & / 1и(ш)^, т.е. количество энергии, приходящей от модели источника, удаленной на расстояние, которое соответствует
4 3
г, из объема -пК3 должно равняться плотности
3
потока радиоисточника, измеренной на частоте V.
Рис. 1. Спектр компактного источника в ядре радиогалактики 3С 274. Плотности потоков на высоких частотах получены в РСДБ-наблюдениях: 86 ГГц — [11]; 43 ГГц - [12]; 15 ГГц - [13]; 5 ГГц - [14]; 1.6 ГГц - [15]. Верхняя оценка плотности потока на частоте 0.11 ГГц получена в настоящей работе методом межпланетных мерцаний. Подробнее см. текст.
Поскольку плотности потоков источника измерены на нескольких частотах, то при оценке параметров мы используем метод наименьших квадратов.
На практике удобно использовать модель источника, в которой частицы распределены однородно (п = 0). При этом процедура оценок физических параметров сильно упрощается. Как показано в [10], получаемая при этом оценка Н(0) является минимальной, а оценка N(0) - максимальной. Другое крайнее значение параметра п (среди физически допустимых) дает максимальную оценку Н(0), на два порядка большую, и минимальную оценку N(0), которая меньше на порядок по сравнению с максимальной. Таким образом, легко получать интервальные оценки параметров Н(0) и N(0). Следует отметить, что интервал неопределенности оценок этих параметров существенно уменьшается, если угловые размеры радиоисточника будут измерены на двух и более частотах. Детально методика оценки физических параметров источника изложена в [9].
3. НАБЛЮДЕНИЯ
Все имеющиеся РСДБ-наблюдения компактного радиоисточника в ядре М 87 выполнены на высоких частотах: 86 ГГц [11], 43 ГГц [12], 15 ГГц [13], 5 ГГц [14] и 1.67 ГГц [15]. На основании этих данных можно определенно говорить о высокочастотном изломе спектра компактного радиоисточника и существовании приблизительно плоского участка спектра (рис. 1). Однако нет никаких указаний на существование низкочастотного завала спектра.
Как видно из рис. 1, при линейной экстраполяции спектра центрального компактного радиоисточника в область низких частот ожидаемая
1
898
АРТЮХ, ЧЕРНИКОВ
Время
Рис. 2. Запись 3С 274, полученная на БСА 31 октября 2006 г.
плотность потока источника на частоте 111 МГц составляет ^2 Ян. Угловой размер этого источника на частоте 86 ГГц составляет 0.27 мсек. дуги х х 0.06 мсек. дуги [11]. Как показано в ряде работ (см., например, [10, 16]), при переходе от высоких частот к низким видимый угловой размер источника увеличивается. Характер изменения углового размера определяется распределением магнитного поля и плотности релятивистских частиц. В некоторых моделях при переходе от сантиметрового диапазона к метровому видимый угловой размер источника увеличивается на порядок [10]. Однако в данном случае это все равно будет очень малая величина по сравнению с углом межзвездного рассеяния, и поэтому видимый угловой размер центрального источника на частоте 111 МГц будет определяться межзвездным рассеянием. Согласно [17], на галактической широте 3С 274 угол межзвездного рассеяния на частоте 111 МГц равен ^0.05". Северный полярный шпур не должен увеличить угла рассеяния, поскольку 3С 274 находится на краю этого шпура.
Даже несмотря на увеличение угловых размеров за счет межзвездного рассеяния, радиоисточник со столь малыми угловыми размерами должен сильно мерцать на неоднородностях межпланетной плазмы. При этом на солнечных элонгациях е œ 25°, где межпланетные мерцания на частоте 111 МГц достигают максимума [18], индекс мерцаний такого компактного радиоисточника должен быть m = AS/S œ 1 [19] и, следовательно, ожидаемая среднеквадратическая величина мерцаний этого источника будет AS œ 2 Ян. По мере увеличения угла солнечной элонгации мерцания источника ослабевают и в ночное время становятся пренебрежимо малыми. Флуктуации плотности потока источника, обусловленные межпланетными мерцаниями, складываются с шумами радиометра, и поэтому мы должны наблюдать уширение шумовой дорожки на источнике в дневных наблюдениях (е ~ 25°) по сравнению с ночными наблюдениями (е » 25° ).
Для измерения плот
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.