ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2010, том 36, № 1, с. 9-15
УДК 524.7
О СПЕКТРАЛЬНОМ ИНДЕКСЕ ДАЛЕКИХ РАДИОГАЛАКТИК
© 2010 г. О. В. Верходанов*, М. Л. Хабибуллина
Специальная астрофизическая обсерватория РАН, пос. Нижний Архыз Поступила в редакцию 26.02.2009 г.
Рассматриваются проблемы использования спектрального индекса радиогалактик в различных тестах, в частности, при селекции далеких радиоисточников. Приводится история вопроса выбора критерия поиска далеких радиогалактик по спектральному индексу. Для нового каталога 2442 радиогалактик, построенного по данным, собранным в NED, SDSS, CATS, впервые определена аналитическая форма зависимости "спектральный индекс—красное смещение". Также построены диаграммы "спектральный индекс—размер", "спектральный индекс—плотность потока". Обсуждаются особенности распределения источников на этих диаграммах.
Ключевые слова: радиогалактики: наблюдения, радиоконтинуум, спектральный индекс.
ВВЕДЕНИЕ
Радиогалактики — одни из самых мощных наблюдаемых космических объектов. Этот факт дает возможность использовать подобные радиоисточники для исследовании свойств Вселенной в различные космологические эпохи. Поэтому задача построения выборок радиогалактик из различных диапазонов красных смещений является одной из наиболее важных в наблюдательной космологии.
Резкое падение числа наблюдаемых радиоисточников с ростом красного смещения заставляет искать пути быстрого отбора далеких объектов. Один из путей — селекция по спектральному индексу а< —1.0 (Б ~ иа, где Б — плотность потока, V — частота), которая основывается на том факте, что чем дальше находится объект, тем вероятнее у него будет крутой спектр. Этот критерий является одним из первых обнаруженных и самых сильных при поиске далеких галактик на основе радиоастрономических данных. Он был установлен независимо в нескольких работах, посвященных отождествлению радиоисточников и исследованию статистики радиоспектров. Среди первых статей отметим работу Уитфилда (1957), в которой была отмечена связь спектрального индекса радиоисточника с расстоянием до него, и работы Дагкесаманского (1969, 1970), который обнаружил, что для источников каталога 3С нет далеких объектов со спектральными индексами
Электронный адрес: vo@sao.ru
а > —0.7. Позднее Тайленс и др. (1979) определили, что доля источников с очень крутыми спектрами (спектральный индекс а^0 < —1), отождествляемых в оптическом диапазоне, уменьшается с уменьшением а. Блюменталь и Майли (1979), следуя этой работе, показали, что спектральный индекс у радиоисточников различных популяций каталогов 3С и 4С зависит от свойств объектов: видимой звездной величины, красного смещения, радиосветимости и углового размера. Обнаруженная корреляция позволила предположить, что источники с крутыми спектрами были в среднем дальше и имели большую светимость, чем источники с менее крутыми спектрами тех же популяций (радиогалактик и квазаров). Лейнг и Пикок (1980) исследовали соотношение между радиоспектром и радиосветимостью для выборок внегалактических источников на частотах 178 и 2700 МГц. Спектры измерялись для протяженных областей радиоисточников, которые были классифицированы по морфологическим типам. Было обнаружено, что на низких частотах степень кривизны радиоспектра коррелирует со светимостью источников в горячих пятнах. На высоких частотах была подтверждена корреляция между спектральным индексом и светимостью. Лейнг и Пикок также подтвердили существование соотношения "спектральный индекс—красное смещение" на частотах 178 и 2700 МГц для источников типа FR II (Фанарев, Райли, 1974). В настоящее время многие группы и авторы используют такую селекцию кандидатов в далекие радиогалактики (см., например, Чемберс
и др., 1988; Виеринга, Катгерт, 1991; Соболева, Темирова, 1991; Ретгеринг и др., 1997; Де Брюк и др., 2000; Педани, 2003; Верходанов и др., 2003; Гопал-Кришна и др., 2005; Кламер и др., 2006; Борнанчини и др., 2006; Копылов и др., 2006). Несмотря на то, что критерий по спектральному индексу очень успешно работает, его объяснение не до конца ясно до сих пор (Де Янг, 2002). Можно выделить три основные широко используемые идеи, объясняющие эту зависимость (там же):
— если у многих радиогалактик крутизна спектра растет с ростом частоты, то далекие объекты должны иметь более крутые спектры по сравнению с близкими из-за фактора (1 + г);
— происходит рост потерь, обусловленных комптоновским рассеянием релятивистскими электронами фотонов микроволнового фона, так как плотность его излучения растет как (1 + г)4; эти возрастающие потери приводят к старению популяции электронов, что вызывает обрезание или увеличение крутизны высокоэнергичной части спектра, где потери наибольшие;
— просто селекционный эффект: только яркие источники видны на больших красных смещениях, и тогда можно сказать, что именно эти источники показывают наибольшее "истощение" в высокоэнергичной части спектра.
Еще одно возможное объяснение корреляции "а — г" дают Кламер и др. (2006). Они обратили внимание на то, что среди ближайших радиогалактик типа FR I источники с крутыми спектрами довольно редки. Те же, которые имеют такие спектры, находятся в областях с высокой барионной плотностью. Тогда можно предположить, что, если есть эволюция окружения мощных радиогалактик, отражающаяся в богатстве окружающего скопления, то, в среднем, радиогалактики скорее находятся в областях с более высокой окружающей плотностью, чем в менее плотных областях. Отсюда получается наблюдательная зависимость крутизны спектра от красного смещения. Это может сыграть свою роль, когда плотность газа при движении в прошлое растет как (1 + г)3, а инжекция электронов с более крутыми спектрами происходит естественным образом и описывается как функция красного смещения в процессах ускорения Ферми первого порядка, обусловленных уменьшающими скорость разлета горячих пятен в более плотной и горячей межгалактической среде (Атрейя, Капа-хи, 1998).
В работе других авторов (Харб и др., 2008), которые исследовали выборку, содержащую 13 "мощных классических двойных" радиогалактик типа FR II, также исследуется эта корреляция "а — г", и авторы отмечают наличие зависимости
от красного смещения величины спектрального индекса излучения как горячих пятен, так и ядра. Из наличия корреляции спектральных индексов между собой у горячих пятен и ядра, имеющего более плоский спектр, Харб и др. (2007) делают вывод в пользу выбора объяснения эффекта моделью старения электронов.
Хотя общая, единая точка зрения на прояснение природы связи "а — z" еще не сложилась, для исследований важен сам факт наличия этой эмпирической зависимости. Практически все найденные далекие радиогалактики прошли этап подобной селекции. Примером объекта, отобранного таким образом, является радиогалактика — рекордсмен по красному смещению, имеющая z = = 5.19 и спектральный индекс а = —1.63 (ван Брюгель и др., 1999). Другим примером является объект RC 0311+0507, исследованный в программе "Большое Трио" (Копылов и др., 2006). Его красное смещение z = 4.514, светимость в радиодиапазоне является рекордной для радиогалактик с z > 4, а спектральный индекс а = —1.33.
Мы подготовили выборку далеких (z > 0.3) радиогалактик (Хабибуллина, Верходанов, 2009а,б,в) с использованием баз данных NED1, CATS2 (Верходанов и др., 2005), SDSS3 (Шнайдер и др., 2007) для дальнейшего применения в различных статистических и космологических тестах (Верходанов, Парийский, 2003, 2009; Майли, Де Брюк, 2008), в которых для проведения исследования требуется большое количество объектов одной природы. Для построения первичного списка использовалась база данных NED, из которой выбирались объекты с параметрами: красное смещение (z > 0.3) и морфологические свойства — радиогалактики. Исходный список содержал 3364 объекта. Такая выборка галактик загрязнена объектами с неполной информацией, либо объектами с другими свойствами. Поэтому следующий этап заключался в чистке исходной выборки от лишних источников. Для этого была проведена селекция объектов, которые были удалены из первичного списка (Хабибуллина, Верходанов, 2009а): 1) с красными смещениями, определяемыми фотометрическим методом; 2) со свойствами квазаров по имеющимся данным литературы. Окончательный каталог содержит 2442 источника со спектроскопическими красными смещениями, фотометрическими величинами и плотностями потоков в радиодиапазоне, размерами радиоисточников, а также радиоспектральными индексами, которые вычислялись по результатам кросс-идентификации списка отобранных
1http://nedwww.ipac.caltech.edu
2http://cats.sao.ru
3http://www.sdss.org
300 250 h 200 " 150 100 5 0
1000 800 h 600
к
400 200
Рис. 1. Гистограмма распределения спектральных индексов на частоте 1400 ГГц.
радиогалактик с радиокаталогами, хранящимися в CATS, в диапазоне частот от 30 ГГц до 325 МГц. Плотности потоков по умолчанию приводятся в шкале Баарса. Собранные в каталоге данные могут быть использованы для проверки космологических тестов "светимость—красное смещение", "угловой размер—красное смещение", "возраст—красное смещение".
Кроме того, с помощью данных каталога можно исследовать статистические диаграммы для параметров радиогалактик, а также их эволюционные свойства.
Целью данной работы является построение и анализ диаграмм для чистой выборки радиогалактик: "спектральный индекс—красное смещение", "спектральный индекс—размер", "спектральный индекс—плотность потока", которые могут использоваться для оценок красных смещений радиогалактик и вычисления их функции светимости.
ВЫЧИСЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ИНДЕКСА
Для расчета спектральных индексов была проведена кросс-идентификация в базе данных CATS с окном отождествления 200" х 200". Для удаления случайных радиообъектов поля в заданном боксе мы использовали методику анализа данных, подобную описанной в работах Верходанова и др. (2000, 2009). Суть метода состоит в применении совместного анализа данных в координатном и спектральном пространствах для выделения вероятных отождествлений конкретных радиоисточников на различных радиочастотах. Для этих
Рис. 2. Ги
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.