научная статья по теме СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ СТАНДАРТНОГО АККРЕЦИОННОГО ДИСКА В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК: АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Астрономия

Текст научной статьи на тему «СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ СТАНДАРТНОГО АККРЕЦИОННОГО ДИСКА В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК: АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 10, с. 824-832

УДК 524.7-357

СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ СТАНДАРТНОГО АККРЕЦИОННОГО ДИСКА В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК: АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

© 2014 г. В. Л. Афанасьев1, Н. В. Борисов1, Ю. Н. Гнедин2*, С. Д. Булига2, Т. М. Нацвлишвили2, М. Ю. Пиотрович2

1Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук, Нижний Архыз Карачаево-Черкесской Республики, Россия

2Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук,

Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 09.12.2013 г.; принята в печать 17.03.2014 г.

На основе данных спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик, выполненных на телескопе БТА-6м САО РАН при помощи фокального редуктора светосилы SCORPЮ-2, определены основные физические параметры этих объектов. Показано, что измеренная величина поляризации и ее зависимость от длины волны соответствуют модели стандартного аккреционного диска с учетом эффекта фарадеевской деполяризации на длине свободного пробега фотона. В результате получены оценки величины магнитного поля в аккреционном диске вблизи последней устойчивой орбиты и величины спина аккрецирующей центральной массивной черной дыры. Сделан вывод, что сверхмассивные черные дыры, имеющие стандартные аккреционные диски с равенством магнитного и радиационного давлений, являются преимущественно черными дырами типа керровских черных дыр.

DOI: 10.7868/80004629914100016

1. ВВЕДЕНИЕ

Аккреция газа на центральную сверхмассивную черную дыру является фундаментальным астрофизическим процессом, ответственным за генерацию излучения в активных ядрах галактик. С другой стороны, именно этот процесс обеспечивает генерацию сильно коллимированных струй вещества (джетов), двигающихся с релятивистскими скоростями, в направлении, перпендикулярном диску. Размеры джетов могут достигать десятков килопарсек.

В настоящее время успешно развивается теория гидродинамической дисковой аккреции. Наиболее популярна стандартная классическая модель Шакуры—Сюняева [1]. Что касается механизма энерговыделения, связанного с генерацией релятивистского джета, то его основой является наличие глобального полоидального магнитного поля в структуре активного галактического ядра. Поскольку сама черная дыра не может иметь собственного магнитного поля (теорема "об отсутствии

E-mail: gnedin@gao.spb.ru

волос"), генерация крупномасштабного магнитного поля в ближайшей окрестности черной дыры может происходить как в самом аккреционном диске, так и в области между последней устойчивой орбитой и радиусом горизонта событий черной дыры "plunge region").

Однако до сих пор нет прямых доказательств существования сильных глобальных магнитных полей в активных ядрах галактик. Тем не менее, существование магнитных полей в этих объектах является общепринятой парадигмой. Именно поэтому вопрос измерения магнитных полей в аккреционных дисках является существенным для определения структуры такого диска и механизма энерговыделения в нем. В работах [2—5] был развит метод детектирования магнитных полей, основанный на поляриметрических наблюдениях.

Целью данной работы является сравнение зависимости степени поляризации от длины волны, определенной по данным спектрополяриметриче-ских наблюдений ряда активных ядер галактик на 6-м телескопе БТА, с соответствующей зависимостью, которая может быть определена в рамках стандартной модели аккреционного диска [1].

Таблица 1. Список наблюдавшихся объектов

Объект ту г Тип Дата Texp,с

N00 7469 12.3 0.016 02.11.2010 4000

РО 1425+267 16 0.366 05.05.2011 2880

РО 1354+213 17.1 0.3 04.05.2011 3600

ОБО В1422+2309 16.5 3.62 ОБО 17.05.2012 2400

РО 1704+608 15.3 0.371 Бу! 01.11.2010 3600

Другой целью данной работы является определение величины спина сверхмассивных черных дыр для данных активных ядер галактик. Определение величин спинов будет выполнено на основе физического механизма генерации релятивистского джета [6], представляющего собой "тандем" механизмов Блендфорда—Знаека [7] и Блендфорда— Пейна [8].

данных проводилась по стандартной методике с использованием специализированных пакетов программ, написанных в среде IDL.

Результаты спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик, выполненных на 6-м телескопе БТА, представлены в работе [12]. На основе полученных данных наблюдений в работе [13] выполнено определение спинов сверхмассивных черных дыр, входящих в состав наблюдавшихся активных ядер галактик.

Важнейшим результатом, полученным на основе спектрополяриметрических наблюдений, выполненных на 6-м телескопе БТА с помощью фокального редуктора светосилы БСОРРЮ-2, является определение детальной зависимости степени поляризации от длины волны для ряда активных ядер галактик (рис. 1—2). Именно на основе этих данных возможно определение детальной топологии магнитного поля внутри аккреционного диска, а также принципиальная возможность определения физического механизма генерации магнитного поля в аккреционном диске.

2. НАБЛЮДЕНИЯ И ИХ ОБРАБОТКА

На 6-м телескопе БТА САО РАН выполнена программа спектрополяриметрических наблюдений активных ядер галактик. В табл. 1 представлен список наблюдавшихся объектов, где указаны: название объекта, звездная величина ядра ту в полосе V, красное смещение г, тип активного ядра, дата наблюдения и время экспозиции Техр. Наблюдения проводились с помощью фокального редуктора светосилы БСОРРЮ-2 в режиме спек-трополяриметрии, установленного в первичном фокусе. В качестве приемника использовалась матрица ПЗС ББУ42-90 формата 2048 х 4096 пикс. с размером 13.5 х 13.5 мкм, а в качестве диспергирующего элемента — объемная голографиче-ская фазовая решетка VPHG1200G из комплекта БСОРРЮ-2, работающая в диапазоне 4000— 8000 А. Обратная линейная дисперсия в плоскости

светоприемника составила 0.88 А/пикс. В качестве анализатора поляризации использовалась призма Волластона, установленная за щелью. Реальное спектральное разрешение наших данных определялось монохроматическим изображением щели и

составило 20 А. Качество изображений во всех сетах наблюдений было не хуже 2".

Методика наблюдений и вычисление поляризации описана в работах [9, 10]. Для калибровки длин волн использовалась лампа линейчатого спектра с наполнением Аг-Ые-Не. Для калибровки спектрополяриметрического тракта спектрографа наблюдались стандарты из обзора [11]. Обработка

3. ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ В СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ АККРЕЦИОННОГО ДИСКА

В стандартной модели аккреционный диск является геометрически тонким, оптически толстым и находящимся в тепловом равновесии [1]. Давление тепловой плазмы обеспечивает вертикальную структуру диска, а турбулентная вязкость определяет перенос углового момента, приводящий к непрерывной аккреции на компактный центральный объект. Существенный вклад в процесс переноса углового момента вносит также магнитное поле, существующее в аккреционном диске [14]. Во внутренней области стандартного аккреционного диска радиационное давление преобладает над давлением аккрецирующей плазмы, и эффективная температура на поверхности диска определяется следующим соотношением:

тЦНх) = ЖМвнй Г /в'41/21

8паК\

1

г> \

£Нп \

(1)

где Мвн — масса сверхмассивной черной дыры, М — скорость аккреции, — радиус последней устойчивой орбиты, С — постоянная гравитации, а — постоянная Стефана—Больцмана, Я\ — характерный радиус аккреционного диска, который определяется соотношением [15]

Ях = 0.97 х 1010 (\rest [мкм])4/3 х (2)

Чж; Ы см'

8 г

0.5

* 0

6-0.5

-1.0 4500

0.5 £ 0 ^-0.5 -1.0 4500

300° 200 100 0

-100 4500

NGC 7469 02.11.2010 JD 55502 Texp = 4000 c PAslit = 225.9°

5000

5000

6000 X, Á

2(6000) = -0.05 ± 0.12%

5500

6000 X, Á

6500

^(6000) = -0.14 ± 0.11%

5500

6000 X, Á

6500

Д6000) = 0.22 ± 0.08%

X, Á

PA(6000) = 119.8° ± 15.9°

7000

7000

5000

5500

6000

X, Á

6500

7000

Рис. 1. Поляризационные измерения NGC 7469. Q, U — поляризационные параметры Стокса, P — степень линейной поляризации, PA — позиционный угол плоскости поляризации, А — длина волны.

где 1Е = /ЬЕай, = еМс2 — болометриче- тимость, е — величина эффективности излучения, ская светимость аккреционного диска, = которая зависит от спина черной дыры [16].

= 1.3 х 1038 (Мвн/Мо) — эддингтоновская све-

Следующий

шаг — это определение величины

ОБО В1422 + 2309 16.05.2012 2400 с Р = 0.40 ± 0.12%, Р ~ X", п = -1.01 ± 0.30

. ДАлМ лл Л/Ч^/у,

X, А

6000

6500

7000

РО 1354 +213 04.05.2011 3600 с Р = 1.19 ± 0.42%, Р ~ X", п = 1.22 ± 0.33

5500 6000

X, А

РО 1425 + 267 05.05.2011 2880 с Р = 1.63 ± 0.47%, Р ~ X", п = 0.86 ± 0.27

5500 6000

X, А

РО 1704 + 608 01.11.2010 3600 с Р = 0.73 ± 0.02%, Р ~ X", п = -1.16 ± 0.32

X, А

Рис. 2. Зависимость степени поляризации от длины волны для объектов QSO B1422+2309, PG 1354+213, PG 1425+ +267 и PG 1704+608.

магнитного поля и ее зависимости от радиуса аккреционного диска. Такое определение может быть сделано на основе предположения о приближенном равенстве магнитного и радиационного давлений:

В2 (ЯХ)

8п

= \х~Т$ (ДА)

(3)

где х < 1.

Согласно (1), максимальное значение температуры соответствует радиусу Rmax = (7/6) В^п. В случае равенства магнитного и радиационного давлений величина магнитного поля на радиусе

Rmax равна

В (Rmax) = 2.1 X 104

1е_\

д3/'2 (а,*) V

1/2

(4)

где М8 = Мвн/108 М0, д(а*) = ЯгПс2/СМвн, а* — величина безразмерного спина черной дыры [16], которая изменяется в пределах —1 < < а* < +1. Знак "+" соответствует случаю, когда направление вращения черной дыры совпадает с направлением кеплеровского вращения в аккреционном диске. Случай а* < 0 соответствует ситуации, когда эти вращения противоположны.

Зависимость величины магнитного поля от радиуса аккреционного диска имеет вид

В(ЯХ) = Дпах (■^)3/2 • (5)

R\

Наиболее важное следствие, вытекающее из соотношения (5), состоит в том, что зависимость величины магнитного поля аккреционного диска от длины волны излучения имеет в соответствии с (2) следующий вид:

B(RX) - А

-2

(6)

На степень поляризации излучения оптически

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Астрономия»