научная статья по теме ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ ВОКРУГ СВЕРХМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК Астрономия

Текст научной статьи на тему «ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ ВОКРУГ СВЕРХМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК»

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 8, с. 511-516

УДК 524.7

ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ ВОКРУГ СВЕРХМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР В АКТИВНЫХ ЯДРАХ ГАЛАКТИК

(© 2014 г. М. Ю. Пиотрович, Ю. Н. Гнедин*, С. Д. Булига, Т. М. Нацвлишвили

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 14.03.2014 г.

Показано, что анализ зависимости степени поляризации излучения активных ядер галактик (АЯГ) позволяет определить основные физические механизмы генерации магнитных полей в аккреционных дисках вокруг сверхмассивных черных дыр в этих объектах. Основными такими процессами являются генерация магнитных полей в результате равенства магнитного давления и давления излучения, либо в результате равенства магнитного и газового давлений. Показано, что в ряде случаев закон зависимости степени поляризации от длины волны объясняется при условии существования зависимости коэффициента вязкости Шакуры—Сюняева от радиуса аккреционного диска.

Ключевые слова: поляризация, активные ядра галактик, аккреция, магнитное поле.

DOI: 10.7868/80320010814080087

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время общепризнанным является факт существования сверхмассивных черных дыр в центральных областях активных галактик. Вращающиеся сверхмассивные черные дыры являются мощными энергетическими машинами, ответственными за физические процессы, возникающие на гигантской шкале ~1022—1024 см в галактиках.

Активные ядра галактик (АЯГ), являющиеся такими сверхмассивными черными дырами, составляют довольно однородный класс космических объектов. Самые яркие из них имеют болометрическую светимость Ьъы > 1047 эрг/с, причем значения их масс могут достигать Мвн ~ 1010 М©. У большого числа АЯГ наблюдаются сильно колли-мированные выбросы вещества (джеты), двигающиеся с релятивистскими скоростями в направлении, перпендикулярном аккреционному диску. Размеры джетов достигают десятков килопарсек, что превышает размеры некоторых галактик.

Характерный размер черной дыры определяется радиусом горизонта событий Ен = Кд [1 + + л/1 — а2], где Кд = СМвн/с2 ~ гравитационный радиус, с — скорость света, С — гравитационная

Электронный адрес: gnedin@gao.spb.ru

постоянная. Безразмерный угловой момент вращения принято называть спином черной дыры, причем — 1 < а < 1. Отрицательные значения спина соответствуют случаю, когда направления собственного вращения черной дыры и кеплеровского вращения газа в аккреционном диске противоположны друг другу.

Основными структурными элементами АЯГ и квазаров являются аккреционный диск, область образования широких эмиссионных линий, горячая корона вокруг аккреционного диска и мощный релятивистский джет, создаваемый вблизи сверхмассивной черной дыры. Стандартный аккреционный диск (Шакура, Сюняев, 1973) является плоским, геометрически тонким диском с отношением толщины к радиусу И/К ^ 1. Именно в этой области генерируется оптическое излучение в непрерывном спектре. Область широких эмиссионных линий представляет собой геометрически толстый диск: И/К < 1 (Коллатчни, Зетзл, 2013; Тремайн, Дэвис, 2013). Обе эти области могут иметь разные углы наклона.

До сих пор не удалось построить убедительную модель центральной машины в АЯГ, которая приводила бы к генерации эффективного истечения аккрецирующей плазмы, т.е. к образованию релятивистского джета. В настоящее время такое истечение связывают с наличием регулярного магнитного поля в структуре АЯГ, механизм генерации

которого остается также невыясненным. Поскольку сама черная дыра не в состоянии иметь собственное магнитное поле (так называемая "теорема об отсутствии волос"), генерация крупномасштабного магнитного поля может происходить в самом аккреционном диске, включая область последней устойчивой орбиты. Поэтому определение физического механизма генерации такого магнитного поля представляет собой фундаментальную задачу.

Спектрополяриметрия является эффективным методом исследования основных структурных компонентов квазаров и АЯГ: аккреционного диска, области образования широких эмиссионных линий, горячей короны вокруг аккреционного диска. Излучение этих областей для многих объектов является поляризованным. Поляризация возникает в результате рассеяния на электронах плазмы, которые анизотропно распределены вокруг центральной сверхмассивной черной дыры. Именно аккреционный диск является типичным примером области излучения с не сферически-симметричным распределением электронной плотности. Область образования широких эмиссионных линий также является геометрически плоской областью излучения.

Анализ данных спектрополяриметрических наблюдений позволяет определять величины магнитных полей, используя косвенный метод определения магнитных полей, развитый в следующих работах: Гнедин, Силантьев (1984, 1997); Долгинов и др. (1995). Идея данного метода состоит в том, что если учесть эффект фарадеевского поворота на длине свободного пробега фотонов в процессе рассеяния на электронах, то величины степени поляризации и позиционного угла, а также их зависимость от длины волны излучения полностью определяются геометрией магнитного поля в области излучения.

С целью определения магнитных полей в окрестности сверхмассивных черных дыр была создана совместная (ГАО и САО РАН) программа наблюдений АЯГ. Спектрополяриметрические наблюдения выборки АЯГ выполнялись на 6-метровом телескопе БТА САО РАН в 2008— 2009 гг. (Афанасьев и др., 2011). Для наблюдений были отобраны объекты с имеющимися в литературе оценками масс центральных черных дыр Mbh . Наблюдения проводились с помощью фокального редуктора светосилы SCORPIO в режиме спектрополяриметрии, установленном в первичном фокусе. Методика наблюдений и вычисления поляризации описаны в работе Афанасьева, Моисеева (2005).

Главным результатом выполненных спектрополяриметрических наблюдений являются полученные впервые в мире детальные зависимости степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения. В данной работе мы покажем,

как измерение зависимости степени поляризации от длины волны излучения позволяет сделать, по крайней мере, качественный выбор между различными механизмами генерации крупномасштабного магнитного поля в аккреционном диске и, в частности, определять соотношения между давлениями магнитного поля, излучения и аккрецирующей плазмы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ АЯГ

В результате наблюдений, выполненных на БТА-6м в спектрополяриметрической моде SCORPIO (Афанасьев и др., 2011), установлена степенная зависимость степени поляризации от длины волны: pi(X) ~ Xn для выборки АЯГ. Значение показателя степенной зависимости n распределяется следующим образом: для большой группы объектов n = 0, т.е. нет зависимости степени поляризации от длины волны. В данную группу входит ряд квазаров из каталога Паломара— Грина (PG), а также Mrk 841. Для другой группы объектов (3C390.3, NGC 3783 и ряд PG квазаров) показатель n = -0.7 & 2/3. Для некоторых объектов это значение составляет n -2.35, а для NGC 4593 показатель степенной зависимости от длины волны n = -3.44 ± 0.45.

В работе Вебб и др. (1993) результаты наблюдений степени поляризации и позиционного угла в излучении ряда АЯГ выполнены в полосах UBVRI. Согласно работе Силантьева и др. (2014) значения показателя степенной зависимости степени поляризации в данном случае заключены в пределах — -2.14 < n < 1.2.

В таблице представлены значения степенного показателя зависимости степени поляризации от длины волны для ряда наблюдавшихся АЯГ, полученные в работе Афанасьева и др. (2011). При вычислении значения n методом наименьших квадратов отбрасывались значения поляризации и позиционного угла в области эмиссионных линий. Ошибка определения позиционного угла не превышала трех градусов. В результате получилось, что позиционный угол для данных объектов (см. табл.) на уровне 2а не зависит от длины волны, что позволяет использовать для определения зависимости степени поляризации от длины волны именно формулу (4).

ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

513

Значения степенного показателя зависимости степени поляризации от длины волны для ряда наблюдавшихся АЯГ

п Наблюдавшиеся объекты с данным значением n

0 PG 0007+106; PG 0804+761; PG 0953+414; PG 1114+445; PG 1222+228; PG 2130+099; PG 2233+134; Mrk 841; NGC 3783; 3C110

-0.7 PG 0026+129; PG 0157+001; PG 2209+184; PG 2214+139; 3C390.3; NGC 5548

-1.0 PG 0844+349; PG 1116+215; NGC 7469

-1.5 PG 1426+015; PG 1534+580

-2.0 PG 0050+124

-2.5 PG 1022+519; Mrk 573; NGC 3227

-3.0 NGC 4593

2/3 Mrk 509

Pl (P,B) =

ад

[1 + 2(a2 + b2) + (a2 - b2)2]1/4'

tan2x(p,B) = 2 a

{адТад^рТТ+б^2"

Поскольку магнитное поле -В = ^ + В± является суммой вертикальной к поверхности диска

компоненты Bz и компоненты B±(B^,Br), перпендикулярной направлению нормали к диску NN, то входящие в формулу (2) коэффициенты фарадеев-ской деполяризации принимают следующий вид:

а = 0.8X2^Bz (R); (3)

b = 0.8А2 д/1 — /j.2B±(R),

где ц = cos i, i — угол наклона аккреционного диска по отношению к лучу зрения, X — длина волны излучения в собственной системе координат, связанной с наблюдаемым объектом.

Очень важны два следующих случая. Если магнитное поле целиком сконцентрировано внутри

аккреционного диска, т.е. В = В± = Bv + Br, то отличен от нуля параметр b(a = 0). В этом случае

ад

Pl (p,B ) =

\/ГТь2'

x = о.

(4)

Если глобальное магнитное поле имеет только вертикальную составляющую, т.е. В = Bz, то параметр а = 0(6 = 0) и

Р (Р

Pl (P,B) =

ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ В АККРЕЦИОННОМ ДИСКЕ: ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

Именно зависимость степени поляризации излучения аккреционного диска от длины волны является важным свидетельством магнитного поля в диске (Гнедин, Силантьев, 1997; Силантьев и др., 2009). Физической причиной такой зависимости является эффект фарадеевского вращения плоскости поляризации на длине свободного пробега в процессе многократного рассеяния излучения в оптически толстой по от

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