АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 2, с. 115-117
УДК 524.7-8
УСКОРЕНИЕ КВАЗАРА ОДНОСТОРОННИМ ДЖЕТОМ И АСИММЕТРИЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
© 2007 г. А. И. Цыган
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, С.-Петербург, Россия Поступила в редакцию 23.06.2006 г.; после доработки 07.07.2006 г.
Показано, что квазар (а также активное галактическое ядро), испускающий односторонний джет (или обладающий асимметрией в излучении частиц и квантов), может ускориться и вылететь из своей галактики.
PACS: 98.54.Aj, 98.62.Nx, 98.54.Cm
Рассмотрим ситуацию, когда квазар или активное галактическое ядро испускает односторонний джет или два противоположных джета с разной интенсивностью. В этом случае на весь компактный обьект, находящийся в центре своей галактики, будет действовать сила, обратная направлению джета, и обьект начнет ускоряться. К ускорению может привести также асимметрия в излучении квазара. Выброс квазаров (и активных ядер галактик), обладающих односторонним джетом, из собственных галактик был рассмотрен Шкловским [1] в 1982 г. Скорость vH, приобретаемая квазаром массы Мн, была оценена из закона сохранения импульса системы "квазар — вещество, унесенное в джете": vн = сМ/Мн (скорость истечения вещества в джете принималась порядка скорости света; М — масса вещества, унесенного в джете). Возможность генерации односторонних джетов обсуждалась также в работах [2—5]. Для учета влияния гравитационного поля галактики рассмотрим ускорение квазара более подробно. Будем придерживаться модели, согласно которой, квазар представляет собой аккрецирующую черную дыру массы Мь. Падение вещества на черную дыру идет с темпом dM/dt из диска, который восполняется звездами, попавшими в область приливного разрушения. Обозначим через М3 массу компактного скопления звезд.
В режиме эдингтоновской светимости
/ Мь
ЬЕ = 4пСМьтс « 1.25 х 1046
ат
\ 10 8Мг:
эрг/с
в энергию излучения. Ускорение квазара а определим из уравнения движения:
(Мь + М3 )а = - = — = F;
а = С
vo vo 4пСтР { Мь \ с
(1)
ат \Мь + МЛ vо'
F = С-р Мь—.
ат vо
Здесь - = С-Е — мощность джета, F — сила, действующая на квазар. Изменение массы квазара при его ускорении джетом не учитываем. При скорости джета v0 ~ с получим:
а = 2 х 10"6С
Мь
Мь + М8
см/ с2, (2)
темп аккреции вещества из диска определяется из соотношения (п/0.1)с2dM/dt = -Е, где С — гравитационная постоянная, тр — масса протона, с — скорость света, ат — томсоновское сечение, М© — масса Солнца, а коэффициент п описывает эффективность трансформации гравитационной энергии
F = 4 х Ю27СМ дин.
М©
Параметр С описывает степень асимметрии излучения квазара, включая асимметрию двух джетов. При реализации режима одностороннего джета параметр С указывает долю энергии, уносимой джетом. Выберем для нормировки значение С = = 0.1. При Мь = М3 = 108 М© для значения ускорения получим а = 10_7(С/0.1) см/с2. Темп аккреции вещества при этом равен: dM/dt = = 2.2(0.1/п) М©/год, а время "работы" квазара т = М3/(СМ/СЬ) = 0.45 х 108(п/0.1) лет. При этих параметрах квазар (черная дыра, диск и компактное скопление звезд) может спокойно покинуть свою галактику и за время т улететь на
расстояние в = ат2/2 = 32(С/0.1)(п/0.1)2 кпк; при этом его скорость достигнет величины V = ат = = 1.4 х 108(С/0.1)(п/0.1) см/с.
115
2*
116
ЦЫГАН
В течение всего времени ускорения черная дыра питается звездами из собственного компактного скопления с радиусом Гц. Эти звезды находятся достаточно близко к черной дыре (для них выполнено условие а < GMb/г2 или rs ^/СМь/а = = 120дД>.1/£ пк) и следуют за ней.
При оценке ускорения квазара мы не учитывали его взаимодействие с собственной галактикой. Это можно делать при выполнении условия
GM (г)
< a,
(3)
где М(г) — масса доли галактики (исключая квазар), содержащаяся в шаре радиуса г. Для г = = 300 пк условие (3) выполняется при М(г) ^
< 6.5 х 108(£/0.1) М® (для г = 3 кпк М(г) <
< 6.5 х 1010(¿/0.1) М®).
Рассмотрим другой предельный случай, когда выполнено условие GM(г)/г2 ^ а, противоположное условию (3), т.е. когда влияние гравитационного поля галактики на движение квазара существенно. Теперь квазар при своем движении от центра галактики будет "обрастать" дополнительной массой М(г). Уравнение движения обьекта с переменной массой
d_
dt
[Mb + Ms + M (г)]
dr dt
= F
(4)
при начальных условиях r(t)|t=o = 0q
dr dt
t=0
имеет решение
f r(t)
[Mb + Ms + M(r)] dr = F-
0
2
(5)
Примем распределение плотности вещества в галактике в виде р = р0 = 106 Mq пк"3, т.е. M(г) =
= f рог3 при г <го = 1 пк), и р = ро (Г?)2, т.е. M(г) = р0г3 + A(r — го) при г > г0, где A = = 4пр0г2. При достаточно больших г^), а именно г^) > 20 пк, величина M(г) & Аг становится больше Mb + Ms и решение (5) приводится к виду
A
P(t) 2
=F
2
или
г(г) = Ц
(6)
т.е. начиная с расстояния 20 пк объект (квазар с увлекаемой массой) движется с постоянной скоростью
= 7 х 106 лД см/с,
несмотря на то, что на него действует постоянная сила. Это связанно с тем, что по мере движения
квазар увлекает все большее количество вещества (звезд своей галактики). За время работы квазара он уйдет от центра своей галактики на расстояние г = vт = 3л/£ кпк, при этом увлеченная им масса галактики равна 4 х 1010\/£ М®. В приведенном примере квазар не вылетел из собственной галактики, а лишь сместился от центра.
Заметим, что если джеты генерируются электродинамическим механизмом [6], то их асимметрия может появиться, когда магнитное поле диска вблизи вращающейся черной дыры нечетно относительно плоскости диска: Вх= —Вх(—z) (нечетная z-симметрия). В одном джете ускоряются электроны, в другом — протоны. В электронном джете (в отличие от протонного) могут возникнуть условия генерации электрон-позитронных пар, которые экранируют ускоряющее электрическое поле, что приводит к асимметрии джетов.
В работе [5] авторы изучали ускорение квазара односторонним джетом при параметре £ = 1. Они показали, что при фиксированном распределении плотности ядра "хозяйской" галактики р = = 106р6 М®/пк3 квазар может лишь сместиться на расстояние Дz = 0.03 пк. На этом расстоянии возвращающая сила со стороны ядра галактики сранивается с силой ускорения квазара джетом. С этим результатом, однако, нельзя согласиться, ибо масса находящаяся в сфере радиуса Дz = 0.03 пк равна (4^/3)(0.03)3106рб М® = 102рб М®. Очевидно 100 М® не могут удержать от ускорения обьект с массой 108 М® (нельзя удержать руками тронувшийся поезд). Квазар потащит за собой центральную область галактики. При смещении на расстояние Дz1 =3 пк (в 102 раз большем, чем Дz) увлекаемая масса сравняется с массой квазара, при этом он не прекратит ускорение, а всего лишь уменьшит его в два раза.
Если нас устроит уменьшение ускорения в 10 раз, то необходимо сместиться на расстояние Дz2 = 3 ^10 6.5 пк (при этом увлекаемая масса будет равна 109 М®). Однако плотность р = = 106р6 М®/пк3 не обязательно остается постоянной до расстояний, больших 6.5 пк. Плотность может начать падать (например, как 1/г2), и тогда квазар покинет свою галактику.
Недавно был открыт яркий квазар вне массивной хозяйской галактики [7]. Сразу же было дано обьяснение, согласно которому он вылетел при слиянии двух галактик, причем одна из них имела двойное ядро [8, 9]. В работе [10] рассмотрен эффект гравитационной отдачи при асимметричном излучении гравитационных волн. Альтернативное обьяснение состоит в том, что квазар может покинуть свою галактику под действием асимметричного излучения частиц и квантов.
2
г
2
2
УСКОРЕНИЕ КВАЗАРА ОДНОСТОРОННИМ ДЖЕТОМ
117
Автор благодарен рецензенту за указание на работу Шкловского [1], а также за совет отметить, что красные смещения ускоренного квазара (а также активного галактического ядра) и хозяйской галактики из-за эффекта Доплера должны отличаться.
Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (код проекта 0402-17590), а также программой "Ведущие научные школы РФ" (грант НШ-9879.2006.2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. I. S. Shklovsky, in: Extragalactic radio sources, IAU Symp. No. 97, eds D. S. Heeschen, C. M. Wade (Ridel Publ. Co., 1982), p. 475.
2. P. J. Wiita and M. J. Siah, Astrohys. J. 243, 710 (1981).
3. V. Icke, Astrophys. J. 265, 648 (1983).
4. G. Bodo, G. D. Chagelishvili, A. Ferrari, et al., in: Plasma Astrohysics, Conf. Proc., June 1990, Telavi, Georgia, USSR (ESA, The Netherlands, 1990), p. 273.
5. J. C. L. Wang, M. E. Sulkanen, and R. V. E. Lovelace, Astrophys. J. 390,46(1992).
6. R. D. Blandford and R. L. Znajek, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 179,433(1977).
7. P. Magain, G. Letawe, F. Courbin, et al., Nature 437, 381 (2005).
8. M. G. Haehnelt, M. B. Davies, and M. J. Rees, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 366, L22 (2005).
9. L. Hoffman and A. Loeb, astro-ph/0511242 (2005). 10. N. I. Libeskind, S. Cole, G. S. Frenk, and J. C. Helly,
astro-ph/0512073 (2005).
Acceleration of a Quasar by a One-Sided Jet and Asymmetrical Radiation
A. I. Tsygan
We show that a quasar (or active galactic nucleus) emitting a one-sided jet (or displaying asymmetry in its emission of particles and photons) can be accelerated, causing it to be ejected from its galaxy.
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.