УДК 524.7-77
ПЕРЕМЕННОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ БЛАЗАРА 3C 454.3 ЗА ПЕРИОД 40 ЛЕТ
© 2007 г. А. Е. Вольвач1, Л. Н. Вольвач1, М. Г. Ларионов2, Х. Д. Аллер3, М. Ф. Аллер3
1 Лаборатория радиоастрономии НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория",
Кацивели, Ялта, Украина
2Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук,
Москва, Россия
3Радиообсерватория Мичиганского университета, Анн Арбор, США Поступила в редакцию 17.10.2006 г.; после доработки 27.12.2006 г.
Проанализированы вариации потока радиоисточника 3С 454.3 на различных временных шкалах (от десятков лет до года) по данным длительного мониторинга на 5 частотах радиодиапазона от 4.8 до 36.8 ГГц, полученным в обсерватории Мичиганского университета и Крымской астрофизической обсерватории. Спектральный анализ кривых изменения потоков на разных частотах выявил наличие 5 периодических компонент. Долгопериодическая и короткопериодическая составляющие переменности потока были поставлены в соответствие прецессионному и орбитальному периодам движения в системе. Определены параметры двойной системы из черных дыр: размеры орбиты и массы центральной черной дыры и компаньона. Рассмотрена динамика мощной вспышки, произошедшей в 2005—2006 гг. Определены задержки развития явления от оптического к радиодиапазону и между различными частотами радиодиапазона. Подтверждено, что различные частотные спектры вспышек можно объяснить излучением расширяющегося облака, когда последовательно наблюдаются стадии сначала оптически толстого, а затем оптически тонкого слоя в движущемся расширяющемся облаке.
РАС Б: 98.70.Dk, 98.62.Js, 95.85.Bh, 95.75.Wx
1. ВВЕДЕНИЕ
Нестационарные внегалактические источники в коротковолновом участке сантиметрового и в миллиметровом диапазонах длин волн составляют заметную долю от всех радиоизлучающих объектов. Данное соотношение не соответствует относительному составу квазаров и радиогалактик, обнаруженных в низкочастотных обзорах.
Из обзора сильных радиоисточников WMAP (ярче 1 Ян на частотах 20 ГГц и выше) известно, что половина обнаруженных в нем объектов имеют положительные спектральные индексы, т.е. инвертированные спектры [1, 2]. По мере уменьшения плотности потоков на указанных частотах относительное число объектов с инвертированными спектрами уменьшается, но остается достаточно большим даже на уровне потока 0.1 Ян. По данным пилот-обзора участка южного неба на частоте 20 ГГц, выполненного до уровня потока 100 мЯн, не менее 30% объектов в обзоре — это компактные источники, спектральная плотность излучения которых либо растет, либо остается неизменной при движении в сторону коротких волн [3]. Перечисленные характеристики являются следствием относительного роста доли квазаров (активных ядер
галактик) в списке источников обзора, выполненного на коротких волнах.
Нестационарные источники излучения, как правило, представляют собой компактные образования в центральных областях галактик, состоящие из массивных двойных черных дыр, вращающихся вокруг общего центра тяжести по эллиптическим орбитам [4]. Более массивный компонент имеет аккреционный диск. Вращение диска, его прецессия и аккреция на него во многом определяют динамику и процессы излучения в системе [5].
Массивная вращающаяся черная дыра участвует в преобразовании и передаче общего с внутренними областями аккреционного диска момента вращения в выбрасываемую с релятивистскими скоростями плазму, коллимируемую в узкие противоположно направленные выбросы — "джеты" [6]. Вспышечная составляющая переменности потока излучения может формироваться через механизм ударных волн в выбросах, создающих уплотнения в релятивистской плазме [7, 8]. Отражением прецессионных движений осей центральной черной дыры и центральных областей аккреционного диска могут являться винтовые движения в истекающих струях [4, 9, 10].
Несмотря на созданную общую картину механизма излучения и переменности нестационарных источников излучения, остается ряд нерешенных вопросов, касающихся напрямую физики явлений, происходящих в центральных областях активных ядер галактик. Известно, например, что индексы переменности в таких объектах не сильно изменяются с частотой даже на сантиметровых и миллиметровых длинах волн [3]. Объяснение этому явлению приходится искать в наличии основной составляющей переменности потоков, связанной с кинематическими эффектами в двойных системах из черных дыр. К ним относятся, в частности, феномены орбитальных движений по эллиптическим орбитам и прецессия центрального тела.
При сближении черных дыр в тесных двойных системах аккреционный диск центрального более массивного компаньона сильно возмущается за счет приливных взаимодействий и движения компаньона через периферийные области диска, который может даже частично разрушаться. Основная составляющая переменности связана также с вращением массивной черной дыры и вовлечением во вращательные движения плазмы с магнитным полем в центральных окрестностях аккреционного диска. Черная дыра, являющаяся компаньоном центральной черной дыры, создает прецессионные возмущения центральной черной дыры и аккреционного диска.
Как и в случае галактических релятивистских объектов типа SS 433, компаньон при сближении с центральным массивным телом может "провоцировать" процессы выбросов облаков намагниченной плазмы на фоне непрерывного истечения вещества из полярных областей центральной черной дыры и диска. Наличие прецессионных и вращательных движений в центральном теле (черная дыра плюс центральные области аккреционного диска) может приводить к возникновению периодических составляющих в переменности потока излучения [4, 11 — 13].
Конкретная физическая картина явлений, связанных с взаимодействием трех тел — двух черных дыр и аккреционного диска (или в общем случае двух дисков) — остается пока до конца не выясненной. Предстоит уточнить следующее:
(1) отчего в итоге происходит накапливание плазмы в областях полюсов черной дыры и аккреционного диска,
(2) какой физический процесс выполняет роль "спускового механизма",
(3) как срабатывает этот "спусковой механизм" и образуется релятивистский выброс плазмы,
(4) где локализованы области выбросов в гамма-, рентгеновском и оптическом диапазонах длин волн,
(5) как детально по времени распределены события вспышек излучения в указанных диапазонах длин волн, включая и микроволновый диапазон.
По данным наблюдений, полученным на разных длинах волн [5], известно, что существует временная задержка развития вспышечных явлений в ядрах активных галактик. Для построения полной картины переменности в ядерных областях нестационарных источников существующего комплекса данных недостаточно. Отсюда следует, что наблюдательный материал, полученный по переменности излучения на многих частотах, чрезвычайно важен для построения физической картины явлений, происходящих в центральных областях нестационарных источников.
В данной работе рассмотрены экспериментальные данные, полученные в результате долговременного мониторинга источника 3С 454.3 на 5 частотах радиодиапазона с привлечением данных в оптическом диапазоне. Подробно рассмотрено развитие мощной вспышки излучения, произошедшей в источнике в 2005—2006 гг.
2. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА
Наблюдения на частотах 22.2 и 36.8 ГГц проводились с помощью 22-м радиотелескопа (РТ-22) Крымской астрофизической обсерватории. К результатам измерений, опубликованным Ефановым и др. [14], Салоненом и др. [15], Терасрантом и др. [16], Нестеровым и др. [17], Вольвач и Рябовым [ 18], добавлены данные наблюдений источника 3С 454.3 по 2006 г. включительно.
Наблюдения проводились при помощи модуляционных радиометров [19, 20]. Антенная температура от источников измерялась известным методом "On-On", описанным в работе Ефанова и др. [21]. Перед измерением интенсивности излучения положение источника уточнялось сканированием по прямому восхождению и склонению. Затем радиотелескоп устанавливался на источник поочередно одним и другим лепестками диаграмм направленности, формирующимися при диаграммной модуляции и имеющими взаимно-ортогональные поляризации. Антенная температура от источника определялась как разность между усредненными в течение 30 с откликами радиометра в двух различных положениях антенны. В зависимости от интенсивности излучения источника, проводились серии из 6—20 измерений, после чего рассчитывалось среднее значение сигнала и оценивалась среднеквадратичная ошибка среднего. Ортогональная поляризация лепестков позволяла измерять полную интенсивность излучения от источника независимо от поляризации этого излучения. Поглощение излучения в атмосфере Земли учитывалось
Таблица 1. Принятые величины для калибровочных источников
Частота, ГГц Плотности потока, Ян Яркостная температура, К
DR21 ЗС 274 Юпитер Сатурн
36.8 18.3 14.3 158 148
22.235 19.5 21.5 138 128
методом "разрезов атмосферы", производившихся через 3—4 ч.
Измеренные антенные температуры, исправленные за поглощение излучения в атмосфере Земли, пересчитывались в плотности потоков по данным наблюдений калибровочных источников [19], представленных в табл. 1. В первой колонке таблицы указана частота, во второй и третьей — принятые плотности потоков, в четвертой и пятой — яркостные температуры.
При пересчете антенных температур в плотности потоков учитывалась также зависимость эффективной площади антенны Аэф от угла места h. Значения Аэф радиотелескопа, определенные по данным наблюдений калибровочных источников, аппроксимировались зависимостью вида
Аэф = a sin h + b cos h + c, (1)
где коэффициенты a, b и c определялись методом наименьших квадратов.
При расчете среднеквадратичной ошибки плотности потока учитывались ошибка измерений антенной температуры с\ и ошибка аппроксимации Аэф — с2. Типичные значения = (2—4)%, с2 =
= (3—6)%, При такой методике обработки данных автоматически учитываются ошибки измерений, возникающие вследствие влияния следующих факторов:
— шумов аппаратуры,
— ошибок наведения телескопа,
— ошибок определения коэффициента поглощения,
— нестабильности коэффициента усиления радиометра.
На 26-м радиотел
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.