АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 2, с. 113-121
УДК 524.7-357
ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫХ ГАЛАКТИЧЕСКИХ ЯДЕР И КВАЗАРОВ
© 2014 г. Н. А. Силантьев1, Ю. Н. Гнедин1-2*, М. Ю. Пиотрович1, С. Д. Булига1, Т. М. Нацвлишвили1
1Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, С.-Петербург, Россия 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, С.-Петербург, Россия Поступила в редакцию 25.04.2013 г.; принята в печать 11.06.2013 г.
Рассматриваются два возможных механизма возникновения поляризации излучения от активных галактических ядер и квазаров — синхротронное излучение джета и выход излучения из замагни-ченного оптически толстого аккреционного диска (задача Милна в замагниченной атмосфере). Эти механизмы используются для объяснения поляризации излучения объектов, приведенных в работе [1], где показано, что поляризация излучения некоторых источников не может быть объяснена в рамках синхротронного механизма излучения. Второй механизм более общий и, в принципе, может быть применен для объяснения поляризации излучения всех источников из работы [1].
001: 10.7868/80004629913120074
1. ВВЕДЕНИЕ
Большинство наблюдений линейной поляризации излучения от активных галактических ядер и квазаров выполнено в одной из полос и, В, V, К и I .В работе Вебба и др. [1] представлены результаты наблюдений степени поляризации рнабл(А) и позиционных углов хнабл(А) во всех этих полосах. Степень поляризации существенно зависит от длины волны А. Напротив, позиционные углы в рамках точности наблюдений не зависят от длины волны. Степень поляризации излучения не превышает значения 4%, причем максимальные значения поляризации, в основном, соответствуют полосе и. Для всех 12 выбранных нами из цитированной работы объектов даны показатели г степенной аппроксимации поляризованной компоненты потока излучения (рнаблГ(и) — иг). Для большинства объектов представлены графики зависимости потока Г (и) от частоты излучения.
Зависимость степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения налагает некоторые ограничения на возможные механизмы образования поляризации. В частности, удается разделить два основных механизма — поляризацию от синхротронного излучения джета и поляризацию излучения, выходящего из оптически толстого за-магниченного аккреционного диска (задача Милна
E-mail: gnedin@gao.spb.ru
для замагниченной атмосферы). Эти два механизма наиболее часто используются для интерпретации наблюдаемой поляризации. Ниже мы детально рассмотрим оба эти механизма.
2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ релятивистских
ЭЛЕКТРОНОВ В ДЖЕТЕ
Многие источники поляризованного излучения характеризуются наличием пучка релятивистских электронов (джет), который возникает в области узконаправленного магнитного поля (например, поля полоидального типа). Движение электрона вокруг магнитной силовой линии приводит к возникновению синхротронного излучения [2]. Обычно принимается, что распределение электронов в джете является локально однородным и изотропным и характеризуется степенным распределением концентрации электронов N по энергиям йЫе (Е) - ЕйЕ.
Синхротронное излучение джета (обычно принимается, что в нем магнитное поле близко к однородному) обладает большой степенью линейной поляризации [2, 3]:
Ртнхр = ^+7/3' ^
Поляризация (1) не зависит от длины волны. При 7 = 1,1.5 и 3 степень поляризации равна соответственно 60%, 65% и 75%. Направление колебаний
электрического вектора Е волны перпендикулярно проекции магнитного поля на наблюдаемую плоскость.
Важно отметить, что рсинхр гораздо больше, чем наблюдаемая степень поляризации от активных галактических ядер и квазаров, если не учитывать ослабление из-за возможной дилюции излучения.
При 7 > 1.5 более 80% излучения обеспечивают электроны с энергиями, различающимися не более чем в 10 раз [4]. При 7 < 1.5 интервал энергий электронов, дающих основное излучение, быстро возрастает и при 7 = 1/3 становится бесконечным. Реально механизм синхротронного излучения при степенном распределении электронов выполняется при 7 > 1—1.5.
Объяснение небольшого значения наблюдаемой степени поляризации синхротронным механизмом в джете требует введения дополнительного источника излучения, неполяризованного или слабо поляризованного. Дополнительное излучение может быть связано с эмиссией из ядра объекта или из аккреционного диска. Обозначим поток неполяризованного излучения как ^доп (V), а поток излучения из джета как ^синхр(^). Как известно [4],
ft
синхр
(V)
~ V 2
(2)
Сильное ослабление поляризации от джета требует условия
А{у)= ^доп(г/)
F
синхр
(V)
1.
(3)
В итоге наблюдаемая степень поляризации определяется выражением
рсинхр рсинхр
Рнабл^) =
1 + Fдоп ^инхр Л^)
(4)
Это выражение, в отличие от формулы (1), зависит от частоты (длины волны) излучения. Значение позиционного угла определяется поляризованной компонентой излучения от джета ^ 2% = = исинхр(V)/^синхр^)) и не зависит от частоты. Напомним, что параметры Стокса исинхр^) и ^синхр (V) имеют ту же зависимость от частоты, что и поток Fсинхр (V).
Значение Fдоп (V) можно получить из графиков F(V), представленных в работе [1], т.е. мы принимаем Fдоп (V) = F(V). Как видно из этих графиков, в области частот полос и, В, V, К и I, величины FДoП (V) ~ V-5, где параметр в > 0 принимает значения от 0 до 1.5. Таким образом, коэффициент Л^) имеет следующую зависимость от частоты:
а(у)= раш
(V)
fí
синхр
(V)
~ V
(5)
Поскольку рсинхр не зависит от частоты, то выражение (4) для наблюдаемой степени поляризации рнабл принимает вид
РнаблМ ^
(6)
С другой стороны, в работе [1] представлен показатель степенной зависимости поляризованной части излучения рнаблF(V) ~ vr. Это приводит к выражению
Рнабл^) ~ V
«+г
(7)
Равенство выражений (6) и (7) может выполняться при условии
1
г = -^(7- !)•
(8)
Это условие означает, что степенная зависимость наблюдаемой поляризованной компоненты излучения рнабл(V)F(V) ~ Vг должна совпадать со степенной зависимостью поляризованной компоненты синхротронного излучения pсИнхрFсИнхр(v) ~ ~ V-(т-1)/2.
Как уже упоминалось выше, модель со степенным спектром электронов (Ые(Е) ~ Е-1) практически имеет смысл при 7 > 1—1.5, когда почти все излучение джета дают электроны с энергиями, различающимися не более чем в 10 раз. Выражение (8) приводит к неравенствам г < 0 для ^ > 1 и г < —0.25 для 7 > 1.5. Согласно работе [1], 6 из 12 объектов характеризуются отрицательными значениями параметра г. Все эти значения меньше величины —0.25. Поляризация только этих объектов, по-видимому, могла бы быть объяснена син-хротронным механизмом. Остальные 6 объектов имеют положительные значения параметра г. Поляризация этих объектов не может быть объяснена механизмом синхротронного излучения электронов в джете. В табл. 1 приведен список объектов с г < 0 одновременно со значениями параметров г, в, Рнабл^среднХ Т, .Рсинхр) Л(Усредн).
У всех этих объектов, за исключением 1222+ +228, позиционный угол почти постоянен, что является дополнительным аргументом в пользу объяснения поляризации синхротронным механизмом излучения электронов в джете.
Из выражений (3) и (4) вытекает соотношение
Fдoп (V) _ Рсинхр (V)
Л^ ) =
-^синхр (V ) Рнабл (V )
(9)
В табл. 1 мы приводим характерные значения коэффициента Л^), соответствующие частотам vсрeДн, где наблюдается среднее значение степени поляризации. Эти значения подтверждают, что поток неполяризованного излучения FД0П(V) значительно больше потока излучения из джета.
Таблица 1. Объекты с возможной поляризацией синхротронной природы
Объект г в 7 Рсинхр? % Рнабл(^ср), % А(гуср)
ЗС110 -0.73 0.7 2.46 72 0.8 90
ЗС246 -1.7 0.32 4.4 80 1 80
1114+445 -0.37 0.47 1.74 67 2 33
1222+228 -0.57 0.37 2.14 70 0.7 96
1254+047 -1.8 0.6 4.6 81 1 81
Мгк 486 -0.57 1 2.14 70 2 35
Отметим, что в рамках ошибок наблюдений вид Рнабл (и) = рнабл (А) может отличаться от простой степенной зависимости, причем значения г < 0 не обязательно означают поляризацию, возрастающую с длиной волны А. Так, в объекте Мгк 486 (г = -0.57) степень поляризации убывает с ростом А, а в источнике 1254+047 (г = -1.8) поляризация возрастает с увеличением длины волны. Объект 3С110 (г = -0.73) имеет почти постоянное значение Рнабл (А).
Объекты работы [1] с положительными значениями параметра г > 0 характеризуются сравнительно плавным уменьшением рнабл (А) с ростом А. Поскольку такие объекты (с г > 0) не могут быть объяснены синхротронным излучением в джете, мы обратимся к другому механизму поляризации — многократному рассеянию электронов в замагниченном оптически толстом аккреционном диске. Излучение, выходящее из такого диска, имеет сравнительно небольшую поляризацию (максимальное значение ~11.7%) и может быть непосредственно применено для объяснения наблюдаемой небольшой поляризации, если учесть влияние деполяризации за счет фарадеевского вращения плоскости поляризации. Отметим, что объекты с г < 0 могут быть объяснены обоими механизмами поляризации.
3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЫХОДЕ ИЗ ОПТИЧЕСКИ ТОЛСТОГО ЗАМАГНИЧЕННОГО АККРЕЦИОННОГО ДИСКА
В оптически толстом замагниченном аккреционном диске существует фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения, характеризующееся углом поворота (см., например, [5])
Ф = ^тсовб = 0.4А2Бтсо8в, (10)
где т — томсоновская оптическая толщина, которую проходит излучение (т = NатI), © — угол между направлением излучения п и направлением
магнитного поля В, параметр деполяризации 5 = = 0.8А2В. Здесь и далее длины волн А даны в микронах, а магнитное поле — в гауссах.
Фарадеевское вращение приводит к деполяризации излучения при многократном рассеянии, так как наблюдаемое излучение соответствует суммированию интенсивностей света с различных оптических толщин и, таким образом, складываются интенсивности поляризованного излучения, испытавших самые разные углы поворота.
Характерной особенностью поляризации излучения, выходящего из замагниченного оптически толстого диска (задача Милна), является зависимость степени поляризации от длины волны.
Как известно [6, 7], темпе
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.