Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

УДК 524.7-735+524.7-77

01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ЕВОЛЮЦІЙНІ МОДЕЛІ ТА ТОНКА СТРУКТУРА ВИХОРІВ ТА СТРУМЕНІВ КОСМІЧНИХ РАДІОДЖЕРЕЛ

Баннікова Олена Юріївна

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті астрономії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, Конторович Віктор Мусійович, Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор Мінаков Анатолій Олексійович, Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), завідувач відділу космічної радіофізики;

- доктор фізико-математичних наук, професор Желєзняк Олег Олександрович, Національний авіаційний університет (м. Київ), завідувач кафедри космічних геоінформаційних систем.

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, НДЛ "Астрономічна обсерваторія" кафедри астрономії та фізики космосу (м. Київ).

Захист відбудеться 08.06. 2006 р. о__14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Адреса: Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий 06.05. 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради А.Ф. Ляховський

Анотацiї

Баннікова О.Ю. Еволюційні моделі та тонка структура вихорів та струменів космічних радіоджерел. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, 2006.

Дисертація присвячена теоретичному дослідженню таких структурних елементів астрофізичних об'єктів, як джети та тори. Проведено дослідження розподілу інтенсивності випромінювання вузлів джетів позагалактичних джерел у радіо- та рентгенівському діапазонах. В межах дифузійної моделі розрахована функція розподілу електронів для джерела інжекції, що рухається, а також теоретичні розподіли інтенсивності випромінювання для вузлів типових радіоджерел. Показано, що неоднорідне магнітне поле може призводити до відмінностей розподілу інтенсивності у вузлах в радіо- і рентгенівському діапазонах. Показано, що дослідження в міліметровому (субміліметровому) діапазоні дозволяють визначити максимальну енергію частинок, прискорених у вузлах джетів та відновити функцію розподілу інжектованих частинок по високочастотному завалу радіоспектра. Доведено, що у випадку тороїдального вихора виродженого нейтронного газу виникає область стійкості, яка залежить від циркуляції. Запропоновано дипольно-тороїдальну модель затіняючих торів активних ядер галактик, яка може з'ясувати кореляцію, що спостерігається між оптичними спалахами і появою компонент джетів.

Ключові слова: радіогалактики, квазари, джети, тороїдальний вихор.

Банникова Е.Ю. Эволюционные модели и тонкая структура вихрей и струй космических радиоисточников. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, г. Харьков, 2006.

В диссертационной работе проведено теоретическое исследование таких структурных элементов астрофизических объектов как джеты и торы. В рамках диффузионной модели исследовалась тонкая структура джетов (узлы и горячие пятна). Основная идея рассматриваемой модели состоит в том, что инжекция электронов, ускоренных до релятивистских энергий на ударных волнах, происходит локально (в месте расположения движущегося узла или горячего пятна). После чего электроны диффузионно распространяются в окружающее пространство джета или радиооблака, теряя энергию за счёт синхро-комптоновских потерь. При этом излучение в радиодиапазоне создаётся синхротронным механизмом. Аналитически найдена функция распределения релятивистских электронов для движущегося источника инжекции и численно построены теоретические распределения интенсивности радиоизлучения для узлов джетов радиогалактик М 87 и NGC 4261, микроквазара 1E 1740-2942.

Показано, что эти же электроны могут участвовать в обратном комптоновском рассеянии, создавая излучение в рентгеновском диапазоне. Это позволяет, исследуя и анализируя наблюдаемые изображения узлов в обоих диапазонах, получать информацию о физических условиях и процессах, происходящих в этих пространственных областях. В случае, когда потери комптоновские и определяются рассеянием электронов на реликтовом излучении, можно учесть пространственную неоднородность магнитного поля, которая приводит к отличиям в распределении интенсивности излучения в радио- и рентгеновском диапазонах.

Показано, что исследование в миллиметровом (субмиллиметровом) диапазоне позволяют определить максимальную энергию частиц, ускоренных на ударных волнах в узлах джетов, и восстановить функцию распределения инжектированных частиц по форме высокочастотного завала в миллиметровом (субмиллиметровом) диапазоне. В той области частот, где прекращается синхротронное и ещё не существенно обратное комптоновское рассеяние, возможно определение параметров тепловой плазмы джета.

Другим структурным элементом космических источников, рассмотренным в диссертации, являются торы, которые при наличии циркуляции скорости превращаются в вихри. Показано, что слабое орбитальное вращение самогравитирующего компактного вихря определяет его внутренний радиус. Показано, что тороидальный вихрь является аттрактором. Исследовано движение пробных частиц в гравитационном поле кольца, в том числе и при наличии центральной массы. В случае тороидального вихря вырожденного нейтронного газа, возникает минимальная масса динамического происхождения и область устойчивости, которая зависит от циркуляции. Это может объяснять наблюдаемый узкий интервал масс нейтронных звёзд. Предложена вихревая модель затеняющих торов активных ядер галактик, согласно которой дипольные тороидальные вихри, подкручиваемые излучением квазара, поставляют вещество в аккреционные диски. Это приводит к возникновению "аккреционно-ветровой" неустойчивости, которая может объяснить наблюдаемую корреляцию между оптическими вспышками излучения квазаров и появлением парсековых компонент джетов.

Ключевые слова: радиогалактики, квазары, джеты, тороидальный вихрь.

Bannikova E. Yu. Evolution models and fine structure of vortexes and jets of cosmic radio sources. - Manuscript.

Thesis for a degree of candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01.03.02 - astrophysics, radioastronomy. - V.N. Karazin Kharkіv National University, Kharkіv, 2006.

The thesis is devoted to theoretical investigation of torus and jets - the structural elements of astrophysical objects. The fine structure of jets - knots and hot spots - is investigated in the framework of the diffusion model. The spatial distribution of radiation intensity of the jet's knots of extragalactic sources is investigated in the radio- and X-ray bands. The electron distribution function (EDF) of the moving source of injected electrons is calculated in the framework of the diffusion model, along with the theoretical distribution of radiation intensity of typical radio sources. It is shown, that the account of coordinate dependence of a magnetic field in jet knots may influence significantly the intensity distribution in radio and X-ray bands. It is shown that investigations in millimeter (sub-millimeter) bands allow to derive the maximal energy of particles accelerated in jet's knots and reconstruct the distribution function of the injected particles by the high-frequency cut-off in radio spectrum. It is found that in case of the toroidal vortex of degenerated neutron gas there is a region of stability, which depends on the velocity circulation. The dipol-toroidal model of obscuring torus in active galaxy nucleus is proposed for explanation of the observed correlation between the optical flares and the appearance of the jet's components.

Key words: radio galaxies, quasars, jets, toroidal vortex.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження активних ядер галактик (АЯГ), а також активних систем зоряних масштабів є в даний час однією з центральних проблем сучасної астрофізики. Бурхливий розвиток засобів спостереження з високим кутовим розділенням у різних діапазонах спектра від радіо- до рентгенівського відкрив нову епоху в дослідженні структур цих об'єктів. На черзі прямі спостереження і вивчення таких найважливіших компонентів АЯГ як акреційні диски, "затіняючі" тори, а також тонка структура вузлів і гарячих плям космічних струменів (джетів), які спостерігаються як в АЯГ так і в активних системах зоряних масштабів (мікроквазари, тісні подвійні системи, молоді зоряні об'єкти).

Так, за допомогою оптичного інтерферометра Південної Європейської Обсерваторії VLT, з використанням інфрачервоної камери (MІDІ) протягом останніх років вдалося розділити центральні області активних ядер галактик аж до одного парсека. Це привело до перших прямих спостережень "затіняючих" торів в АЯГ. Спостереження в радіодіапазоні за допомогою інтерферометрів з наддовгою базою (VLBI), особливо, у сукупності зі спостереженнями в рентгенівській області спектру з використанням космічного рентгенівського телескопа "Чандра", дозволяють детально досліджувати джети і протяжні структури радіогалактик і квазарів. Крім того, введення до ладу у найближчі роки космічних інтерферометрів, а також Великої Міліметрової Решітки ALMA, що будується в пустелі Атакама (Чілі), відкриє нові перспективи в дослідженні процесів, що відбуваються в АЯГ.

Теоретичне вивчення таких важливих структурних елементів астрофізичних об'єктів, як джети та тори і визначає актуальність даного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. З 1999 р. робота виконувалася в межах держбюджетних НДР Астрономічної обсерваторії № держ. реєстрації 0199U004415 "Проблеми релятивістської астрофізики та космології" (1999-2002 рр.), з 2003 року держбюджетних НДР НДІ астрономії 0199U004415 (2003 р.), 0104U000669 "Дослідження надмасивних компактних об'єктів, космологічних моделей та гравітаційних хвиль" (2004 р.) та 0104U000664 "Дослідження гравітаційно лінзованих квазарів" (2005 - 2006 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження тонкої структури джетів активних ядер галактик і джетів галактичних джерел (мікроквазари) та їх зв'язку з самогравітуючими тороїдальними вихорами.

Для досягнення цієї мети розв'язувались наступні задачі:

1. Одержати в межах дифузійної моделі теоретичний розподіл інтенсивності радіовипромінювання для вузлів джетів радіогалактик, квазарів і мікроквазарів і порівняти їх з даними спостережень, а також проаналізувати основні особливості розглянутої моделі з джерелом інжекції, що рухається.

2. Одержати розподіл інтенсивності випромінювання для вузлів джетів у радіо- і рентгенівському діапазонах з урахуванням неоднорідності магнітного поля і руху джерела інжекції.

3. Дослідити розподіл інтенсивності і вигляд спектра випромінювання вузла джета в міліметровому діапазоні для різних варіантів інжекції релятивістських електронів.

4. Дослідити рух пробної частинки в гравітаційному полі кільця з урахуванням впливу центральної маси.

5. Одержати стійкий розв'язок для самогравітуючого тороїдального вихору виродженого нейтронного газу.

6. Розглянути дипольний тороїдальний вихор як можливу динамічну модель затіняючих торів активних ядер галактик.

Об'єкт дослідження: радіо- і рентгенівське випромінювання, еволюція самогравітуючого тороїдального вихору.

Предмет дослідження: вузли і гарячі плями джетів квазарів і радіогалактик, активні ядра галактик, самогравітуючий тороїдальний вихор.

Методи досліджень: Теоретичні дослідження з використанням як точних аналітичних, так і чисельних методів інтегрування рівнянь, що описують розглянуті процеси.

Наукова новизна одержаних результатів:

· Вперше, у межах дифузійної моделі, побудовано теоретичні двовимірні розподіли інтенсивності радіовипромінювання вузлів джета радіогалактик М 87 і NGC 4261, та однієї з компонентів джета мікроквазара 1E 1740-2942. Запропоновано подальший розвиток моделі для побудови розподілу інтенсивності компактних структур джетів у рентгенівському діапазоні.

· Вперше показано, що неоднорідне магнітне поле впливає на розподіл інтенсивності випромінювання вузла чи гарячої плями джета в радіодіапазоні і призводить до істотних відмінностей радіо- і рентгенівських зображень.

· Запропоновано спосіб визначення максимальної енергії частинок, прискорених у вузлах джетів позагалактичних джерел за аналізом зменшення інтенсивності і розміру області, що випромінює, в міліметровому (субміліметровому) діапазоні.

· Отримано стійкий розв'язок для самогравітуючого тороїдального вихору, що складається з виродженого нейтронного газу. Виявлено існування мінімальної маси самогравітуючого тороїдального вихору релятивістського виродженого газу.

· Запропоновано дипольно-вихрову модель затіняючих торів активних ядер галактик.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

· з отриманих результатів випливає, що дифузійна модель адекватно описує процеси, які відбуваються в вузлах джетів, що дозволяє використовувати її для визначення основних спостережних параметрів, таких як швидкості вузлів, напруженість магнітного поля, а також одержувати просторовий розподіл спектрального індексу;

· отримані результати можна використовувати для інтерпретації зображень компактних структур (вузлів і гарячих плям), що спостерігаються у джетах позагалактичних джерел і мікроквазарів;

· одержані результати свідчать про можливість спільного використання вимірів розподілу інтенсивності в радіо- і рентгенівському діапазонах для визначення фізичних параметрів вузлів і гарячих плям джетів, у тому числі, неоднорідності магнітного поля і випромінювання;

· з отриманих результатів випливає, що особливості самогравітуючих тороїдальних вихорів можна використовувати у дослідженні астрофізичних об'єктів, зокрема, для пояснення вузького інтервалу, у якому знаходяться маси нейтронних зірок, що спостерігаються в тісних подвійних системах;

· з отриманих результатів випливає, що самогравітуючі тороїдальні вихори можна використовувати для моделювання затіняючих торів, що спостерігаються в активних ядрах галактик.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертаційної роботи брав активну участь у постановці всіх основних задач, у проведенні аналізу та одержанні результатів досліджень. Автор брав участь у подальшому розвитку дифузійної моделі, яка була застосована ним для розрахунку теоретичного розподілу інтенсивності випромінювання у вузлах джетів в радіо- і рентгенівському діапазонах з урахуванням просторової неоднорідності магнітного поля. Самостійно автором запропоновано спосіб визначення максимальної енергії частинок, прискорених у вузлах джетів позагалактичних джерел. Автор брав участь також у дослідженні самогравітуючих тороїдальних вихорів як для випадку виродженого газу, так і для випадку затіняючих торів в активних ядрах галактик.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному.

У роботах [2, 5, 10], в межах дифузійної моделі, автором були отримані теоретичні розподіли інтенсивності синхротронного радіовипромінювання для вузлів джетів двох радіогалактик і мікроквазара. У роботі [15] автором було отримано розподіл спектрального індексу по вузлу А джета M 87. У роботах [1, 12, 13] автором було показано, що спадаюче неоднорідне магнітне поле впливає на радіозображення вузла джета, яке може істотно відрізнятися від зображення в рентгенівському діапазоні, створюваного за рахунок зворотного комптонівського розсіювання релятивістських електронів на низькочастотному випромінюванні. У [3, 7, 16] була розвинута ідея, запропонована в попередніх роботах здобувача. Автором були отримані теоретичні двовимірні розподіли (карти) інтенсивності випромінювання вузла в радіодіапазоні для різних координатних залежностей магнітного поля. У роботі [6, 17] автором самостійно запропоновано спосіб оцінки максимальної енергії електронів, прискорених у вузлах джетів позагалактичних джерел, а також можливість відновлення функції розподілу інжектованих частинок по високочастотному завалу в міліметровому (субміліметровому) діапазоні. У роботах [4, 8, 9, 11, 14] автором була отримана залежність маси Джинса від густини та мінімальна маса для самогравітуючого тороїдального вихору виродженого нейтронного газу, а також оцінений інтервал стійких мас. У роботах [8, 18-20] автором були отримані тривимірні траєкторії руху пробної частинки в гравітаційному полі кільця, а також проаналізовано вплив центральної маси на умову рівноваги частинки; вивчено вплив орбітального руху на внутрішній радіус компактного тороїдального вихору; запропонована теоретична модель затіняючих торів в активних ядрах галактик.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові результати дисертації доповідались на конференціях:

- XIX-XXII конференціях "Современные проблемы внегалактической астрономии" (Пущино, 2002, 2003, 2004 та 2005 р.р.).

- 2-й конференції "Гравитация, космология и релятивистская астрофизика" (Харків, 2003 р.).

- II-IV конференціях по перспективним космічним дослідженням (Кацивелі, 2002, 2003 р.р. та Понизівка, 2004р.).

- міжнародній конференції JENAM-2003 (Будапешт, 2003 р.).

- міжнародній конференції "Mode conversion, coherent structures and turbulence" (Москва, 2004 р.).

- міжнародній конференції по нелінійним хвилям (Нижній Новгород, 2005 р.)

- Радах по нелінійній динаміці РАН (Москва, 2003, 2004, та 2005 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 20 наукових працях: 6 статтях, з них 5 статей у фахових виданнях за спеціальністю, та 14 працях наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Дисертацію викладено на 144 сторінках друкованого тексту, з них 125 сторінок основного тексту та 2 сторінки додатків. Дисертація містить 57 рисунків і 6 таблиці, з яких 1 таблиця повністю займає площу сторінки. Перелік використаних джерел містить 174 найменувань на 17 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, розглянуто її зв'язок з науковими програмами, визначені мета та задачі досліджень, методи їх розв'язання. Вказано наукову новизну отриманих результатів та практичну цінність проведених досліджень, відмічено особистий внесок автора і апробацію одержаних результатів.

Перший розділ присвячено огляду сучасного стану досліджень джетів та торів астрофізичних об'єктів. Приведено класифікацію активних ядер галактик, особливості їхніх центральних областей, спостережні дані затіняючих торів і компактних структур джетів (вузлів і гарячих плям) та запропоновані до даного часу їхні теоретичні моделі.

У другому розділі розглянуто дифузійну модель та її застосування у дослідженні компактних структур джетів позагалактичних джерел.

У дисертації вузол або гаряча пляма розглядалися як локалізоване рухоме джерело ультрарелятивістських електронів, які потім поширюються в хмару або джет, втрачаючи свою енергію за рахунок синхро-комптонівських втрат. У рамках даної моделі розглядався найбільш універсальний ? дифузійний механізм розповсюдження електронів [1]. Вихідне рівняння являє собою неоднорідне кінетичне рівняння для функції розподілу релятивістських електронів N(E, t, r)

, (1)

де Д - лапласіан, другий доданок з B(E)= -вE² враховує незалежні від координат синхро-комптонівські втрати, . Тут W_H+W_r - густина енергії магнітного поля і випромінювання, D - коефіцієнт дифузії. Права частина рівняння (1) відповідає рухомому, у найпростішому випадку, точковому джерелу релятивістських електронів

,

де N_inj(E) - функція розподілу інжектованих частинок, И(..) - функція Хевісайда, - дельта-функція Дірака, Q₀ - нормувальний множник. Використанням заміни змінних у t-E площині кінетичне рівняння приводиться в нових змінних до дифузійного рівняння, розв'язок якого відомий. Повертаючись до попередніх змінних, знаходимо просторово неоднорідну функцію розподілу електронів за енергією. Показано розподіл електронів по вузлу при фіксованій енергії (з параметрами, що відповідають вузлу А джета М 87). Явно помітна анізотропія, яка пов'язана з рухом джерела інжекції, і просторова неоднорідність розподілу електронів, яка пов'язана з його швидким спаданням на дифузійній довжині.

З визначеної функції розподілу електронів N(E, t, r) по джерелу, можна одержати карти розподілу інтенсивності в радіодіапазоні. Інтенсивність синхротронного випромінювання в області прозорості:

(2)

де ,

- функція Макдональда, вісь z орієнтована вздовж променя зору, H - напруженість магнітного поля, - проекція магнітного поля на картинну площину, c - швидкість світла, e та m - заряд і маса електрона. Спектр інжекції припускаємо степеневим () з в інтервалі енергій і рівним нулю поза ним. Інжекція включається в момент часу t = 0, що відповідає початку процесу ефективного прискорення частинок.

Параметрами задачі є "час життя" електрона з енергією E:

,

"дифузійна довжина"

,

"дифузійна швидкість"

.

Фізичними параметрами вузла є його швидкість, розміри, величина напруженості магнітного поля H. Варіюючи параметри, ми намагалися досягти подібності модельного зображення вузла джета і зображення, що спостерігається, на даній частоті. Для якісного аналізу і попередніх оцінок можна використовувати "геометричні" міркування. Так, знаючи поздовжній L і поперечний l розміри вузла, можна визначити його відносну швидкість руху . У випадку "сильного" магнітного поля (), відповідно до виразу для часу життя електрона, геометричні міркування дозволяють визначити добуток . З іншого боку, енергія і напруженість магнітного поля пов'язані через частоту максимуму синхротронного випромінювання (), звідки визначається (СГС). Показані теоретичні розподіли інтенсивності в радіодіапазоні для двох вузлів джета галактики М 87, однієї з компонентів джета мікроквазара 1E 1740-2942 і джета NGC 4261.

У дисертаційній роботі в межах дифузійної моделі побудовані розподіли інтенсивності радіовипромінювання і знайдені величини фізичних параметрів для вузлів джетів наступних джерел.

Параметри для вузлів A+B джета M 87 на довжині хвилі = 6см: компоненти швидкості , , , при коефіцієнті дифузії та напруженості магнітного поля .

Параметри для південної компоненти джета мікроквазара 1E 1740-2942 на = 20см: модулі компонентів швидкості , , , .

Параметри для джета NGC 4261 на частоті : швидкість , , . У джеті NGC 4261 вузол орієнтований від центра до периферії, що свідчить про те, що ударна хвиля нерухома або її швидкість мала в порівнянні зі швидкістю джета. За цих умов такий підхід дозволяє визначити безпосередньо швидкість джета.

Релятивістські електрони також беруть участь в зворотному комптон-ефекті, що створює випромінювання в жорсткому діапазоні енергій за рахунок розсіювання на електронах низькоенергетичних фотонів з частотою щ_r. Такими фотонами можуть служити кванти мікрохвильового реліктового фону (див. табл.1), кванти найближчого зовнішнього джерела випромінювання, і, нарешті, кванти власного синхротронного випромінювання. Розсіяні кванти одержують значну енергію від електронів і за певних значень параметрів (щ_r і Г=E/mc²) потрапляють у рентгенівську область спектру. Як показано в дисертаційній роботі і в табл.1, зображення за рахунок зворотного комптонівського розсіювання може створюватися тими ж самими електронами, що і в радіодіапазоні за рахунок синхротронного випромінювання. Розділення менш за одну кутову секунду, досягнуте у рентгенівському діапазоні космічним телескопом Чандра, відповідає розділенню, досягнутому в класичному сантиметровому діапазоні радіоастрономії на найбільших наземних радіотелескопах, таких як VLA. Це дозволяє використовувати обидва діапазони для одержання інформації про параметри і фізичні процеси, що мають місце у вузлах і гарячих плямах джетів радіогалактик і квазарів.

Таблиця 1. Характерні частоти випромінювання в радіодіапазоні і рентгенівському діапазоні Чандри, що створюється електронами з однаковими Лоренц-факторами.

Синхротронне випромінювання щsyn=щHГ 2	Лоренц-фактор	Зворотний комптон-ефект щIС=щrГ 2
H, Гс	H, рад/c	syn, рад/c	, м		r, рад/c	IC, рад/c	EX, кэВ
10 - 6	17.8	1.78?108	10.56	3.17?103	1.01?1012	1019	6.7
10 - 5	1.78?102	1.78?108	10.56	103		1018	0.67
10 - 4	1.78?103	1.78?109	1.06	103		1018	0.67
10 - 5	1.78?102	5.34?107	35.2	5.45?102		3.2?1017	0.21
10 - 2	1.78?105	1.78?1011	1.06?10- 2	103		1018	0.67

Інтенсивність випромінювання за рахунок зворотного комптонівського розсіювання:

, (3)

де n_ph - розподіл низькочастотного випромінювання з характерною "радіаційною" частотою н_r, E - енергія розсіяних фотонів, - перетин розсіювання. Таким чином, знаючи аналітичний розв'язок кінетичного рівняння (1) і чисельно розраховуючи інтеграли (2) і (3), одержуємо карти розподілу інтенсивності по вузлу в радіо- і рентгенівському діапазонах.

Як випливає з даних спостережень, зображення вузлів джетів можуть істотно відрізнятись в радіо- і рентгенівському діапазонах [2]. Однією з причин такої відмінності може бути неоднорідність магнітного поля. У дисертації ця ситуація розглядалася для випадку, коли магнітне поле слабке, поширення електронів від місця інжекції дифузійне, а втрати комптонівські і визначаються розсіюванням електронів на просторово однорідному реліктовому випромінюванні. Напруженість магнітного поля входить у вираз для інтенсивності синхротронного випромінювання (2) подвійно. По-перше, у вигляді співмножника під знаком інтеграла вздовж променя зору. По-друге, більш складно - через зв'язок локального значення поля H(r) з енергією електрона E(r), що випромінює на даній частоті :

.

У неоднорідному полі остання залежність через дуже неоднорідний просторовий розподіл електронів з даною енергією може приводити до досить складної картини ізофот. У дисертації було розглянуто деякі варіанти залежності напруженості магнітного поля від координат: спадаюче експоненційно до периферії; зростаюче до периферії за степеневим законом; зростаюче до периферії, осесиметричне (щодо напрямку руху вузла). Показано модельний розподіл інтенсивності в радіо- і рентгенівському діапазонах для зростаючого до периферії магнітного поля. Видно, що таке поле призводить до характерної структури ізофот у радіо- і рентгенівському зображеннях джерела. Максимум радіояскравості зміщений в бік зростання поля. Крім того, видна краплевидна форма радіозображення (ізофот) з менш яскравим "хвостом", спрямованим до центру. Рентгенівське зображення менше за розміром і дзеркальне, "хвіст" звернений назовні. Подібна картина спостерігається в накладених одне на одного радіо- і рентгенівських зображеннях вузлів джета PKS 1136-135 [2]. Навпаки, для квазара 3С 273 суттєва неоднорідність випромінювання центрального джерела, на якому розсіюються релятивистські електрони.

Максимальна енергія прискорених частинок (релятивістських електронів) E_max є одним з важливих параметрів фізики космічних променів і теорії позагалактичних джерел. При синхротронному механізмі випромінювання максимальній енергії електронів відповідає високочастотний завал спектру на граничній частоті _max. Для ряду джерел це відбувається у міліметровому і субміліметровому діапазонах. Наприклад, напруженості магнітного поля вузла та частоті відповідає енергія эВ або електронний лоренц-фактор

.

Дослідження високочастотного обриву спектру в цих діапазонах дозволило б одержати інформацію про порогові енергії космічних променів у місцях їхнього прискорення ? вузлах і гарячих плямах. Це означає, що за типових спектральних індексів у даній області частот зосереджена максимальна густина енергії синхротронного випромінювання, з яким пов'язана комптонівська границя інтенсивності радіоджерел, а також рентгенівська область випромінювання за рахунок зворотного комптон-ефекту. Тому вивчення цієї області спектру становить значний інтерес, незважаючи на труднощі спостережень, пов'язані, у тому числі, з малою величиною потоку випромінювання в цьому діапазоні. Дослідження зменшення яскравості вузлів і гарячих плям при наближенні до порогової частоти може дозволити реконструювати функцію розподілу інжектованих частинок в області максимальних енергій. Аналізу зв'язаних з цим питань присвячена остання частина другого розділу.

Для випадку спектру інжекції з обривом на E_max при наближенні по частоті до області, що відповідає максимальній енергії, зображення вузла (чи гарячої плями) у радіодіапазоні за рахунок синхротронного механізму випромінювання повинне зменшуватися до його повного зникнення (при однорідному магнітному полі, що не залежить від координат). У дисертації розглянуто розв'язок кінетичного рівняння (1) у випадку однорідних втрат для двох випадків функції розподілу інжектованих часток по енергії : з різким обривом на верхній межі степеневої частини розподілу E_max і з експоненційним спаданням після степеневої ділянки. Експоненційний спад може бути обумовлений синхро-комптонівськими втратами в механізмі прискорення інжектованих частинок на ударній хвилі.

Показані модельні карти розподілу інтенсивності по вузлу, які отримані по формулі (2) для функції інжектованих частинок з при двох значеннях н_max, відповідних енергіям E_max. При н_max=10¹¹Гц радіозображення вузла зникає на частоті, що відповідає довжині хвилі 0,6см, а для н_max=10¹²Гц зображення зникає на більш короткій довжині хвилі 0,4см. Аналогічна ситуація спостерігається для спектра інжектованих частинок з експоненційним спаданням. Таким чином, відслідковуючи зникнення вузла при відомому магнітному полі і використовуючи зв'язок н_max із E, можна знайти максимальну енергію прискорених частинок. У дисертації також показано, що по "формі" завалу спектру синхротронного випромінювання можна визначити форму спектру інжектованих частинок N_inj(E) і, отже, оцінити параметри області прискорення. У тій області частот, де зникає синхротронне і ще не суттєве зворотне комптонівське розсіювання, можливе визначення параметрів теплової плазми джета. Для цього необхідні виміри слабких потоків при високому кутовому розділенні. Реалізація таких спостережень буде можлива на нових інструментах, таких як Велика Міліметрова Решітка (ALMA), яка споруджується Південною Європейською Обсерваторією (ESO) у пустелі Атакама (Чилі). Цей інструмент буде мати високу чутливість в цих діапазонах при роздільній здатності, яка приблизно на порядок буде перевищувати роздільну здатність VLA.

Третій розділ присвячено дослідженню самогравітуючих тороїдальних вихорів і їхнього застосування до астрофізичних об'єктів. На початку третього розділу приведено короткий огляд еволюції самогравітуючого тороїдального вихору. Зокрема, передбачається, що на початковій стадії вихор являє собою тонкий тор, радіуси якого задовольняють нерівності . Аналогом такого вихору в гідродинаміці є вихор Максвелла.

З аналізу рівнянь руху пробної частинки на поверхні самогравітуючого тороїдального вихору випливає, що його еволюцію можна розділити за двома масштабами: на швидку ? по малому радіусу r і повільну ? по великому радіусу R [3]. Швидка еволюція (при практично незмінному R) призводить до встановлення рівноваги. Сила гравітаційного тяжіння при цьому скомпенсована відцентровою силою обертання при

,

де масштаб Джинса

,

 ? циркуляція швидкості, М ? маса вихору. Цей вираз визначає рівноважний малий радіус, як функцію великого, а нерівність r > r_eq відповідає критерію гравітаційної нестійкості. З урахуванням тиску рівноважний радіус приймає вигляд [4]

,

де c_s - швидкість звуку, j₁ - геометричний фактор порядку одиниці (для тонкого вихору, який можна замінити циліндром, це перший нуль функції Бесселя). Відхилення від кореневої залежності, пов'язане з впливом тиску газу на умову рівноваги. У дисертації розглянута поведінка тороїдального вихору, що складається з виродженого електронного чи нейтронного газу. Ця поведінка істотно регулюється залежністю швидкості звуку від густини і відрізняється для випадку виродженого електронного газу, коли масова густина визначається нерелятивістськими частинками, і випадку виродженого нейтронного газу, коли нейтронами визначаються і тиск і густина. Відомо, що для однозв'язної топології (наприклад, для сфери) показник політропи, менший 4/3, відповідає нестійкості, при якій через зменшення маси Джинса із зростанням густини, зірка зривається в колапс. Для тороїдального вихору ситуація кардинально відрізняється.

У дисертації показано, що розв'язок рівняння для рівноважної густини компактного вихору, яка відповідає релятивістському нейтронному виродженому газу, описує дві гілки. Одна з гілок, що відповідає меншій густині, стає нестійкою (що має місце у випадку сфери), а інша ? зберігає стійкість завдяки внеску циркуляції. Рівноважна маса тора проходить через мінімум при

=_min() ~ c⁴/(G ²),

рівний . Походження мінімальної маси M_min цілком динамічне і не має відношення до інших відомих обмежень на масу нейтронних зірок з боку малих мас. Умова v ? c, призводить у випадку тороїдального вихору до порогової маси Ландау-Чандрасекара, яка залежить від циркуляції . Істотно, що інтервал між нижньою та верхньою межами для припустимих мас з ростом циркуляції звужується, виходячи на деяке порогове значення. Таким чином, для тороїдального вихору у випадку виродженого ультрарелятивістського газу виникає обмежений інтервал стійких мас, обумовлений циркуляцією швидкості

.

Зауважимо, що існування подібного інтервалу є наслідком ультрарелятивістської межі і не пов'язано саме з нейтронним газом. Зручно характерний просторовий масштаб у оцінці циркуляції вибрати рівним гравітаційному радіусу r_g, а швидкість ? рівній швидкості світла. Тоді безрозмірна циркуляція Г/(r_g c) визначається числом порядку одиниці. Масу при цьому зручно вимірювати в граничних масах Ландау-Чандрасекара при нульовій циркуляції M_Ch(0). Відношення M/M_Ch(0) також буде порядку одиниці і інтервал стійких мас

,

як показано в дисертації, має вигляд:

, (4)

де M_min виражена через циркуляцію згідно M_min~M /(r_gc), коефіцієнти порядку одиниці при Г пропущені. Використовуючи отримані в дисертації вирази для M_Ch() і M_min() і вважаючи M відомим із спостережень, звідси можна знайти необхідне значення циркуляції (M, M), яке приводить до заданого інтервалу M. Зокрема, при M = 1M для цього необхідні маси торів M > 1M. Якісно це відповідає діаграмі А.М. Черепащука [5] для розподілу мас нейтронних зірок, що входять у подвійні системи.

В другій частині третього розділу викладено запропоновану дипольно-тороїдальну модель затіняючих торів активних ядер галактик. Такі тори є основою уніфікованої моделі активних ядер і зараз стали доступними у прямих спостереженнях [6]. Вони обдуваються вітром і потужним потоком випромінювання від центрального джерела (внутрішньої частини акреційного диску). Внаслідок симетрії вітру і випромінювання, тор, як це припущено в дисертації, здобуває дипольну вихрову структуру з обертанням по малому радіусу. У поперечному перетині дипольного вихору лінії струму нагадують пару вихорів, що обертаються в протилежних напрямках. В умовах, коли світність близька до еддингтонівської (сила світлового тиску врівноважує гравітаційне тяжіння центра АЯГ), ці самогравітуючі вихори можуть розглядатися в значній мірі як вільні від тяжіння до центрального джерела, що дозволяє користуватися результатами, отриманими в [3, 4].

У дисертаційній роботі розглядається підживлення таким вихором акреційного диску, що збільшує світність АЯГ, що, у свою чергу, збільшує швидкість обертання вихору. Це призводить до виникнення своєрідної "акреційно-вітрової" нестійкості АЯГ, результатом якої можуть бути спалахи випромінювання квазарів, які супроводжуються появами нових компонент джетів. Отримано чисельні оцінки параметрів моделі, які узгоджуються з даними спостережень [6,7,8].

У висновках сформульовано основні результати дисертаційної роботи.

Висновки

астрофізичний джет випромінювання позагалактичний

Спостереження показують, що структурними елементами ряду найважливіших астрофізичних об'єктів є струмені (джети) і тори. Так, затіняючі тори присутні в активних ядрах галактик, торами моделюють товсті акреційні диски в подвійних зоряних системах, очевидно, вони присутні в молодих зоряних об'єктах і, швидше за все, пов'язані з виникненням джетів. При цьому рух, пов'язаний з циркуляцією по малому радіусу, може перетворювати тори у вихори. Прояви джетів також досить різноманітні: вони мають масштаби до мегапарсека у радіогалактиках та квазарах і, навпаки, парсекові струмені мають місце в зоряних об'єктах різних видів - від мікроквазарів до молодих зоряних об'єктів (парсекові джети спостерігаються і в АЯГ поблизу від центрального об'єкта). Теоретичне дослідження компактних структур джетів радіоджерел дозволяє одержати фізичні параметри в околі вузлів і гарячих плям, використовуючи спостережні дані в радіо- і рентгенівському діапазонах.

Основні результати дисертаційної роботи можна сформулювати таким чином:

1. У межах дифузійної моделі, використовуючи розв'язок кінетичного рівняння з джерелом електронів, що рухається, з урахуванням просторової дифузії і сумарних синхро-комптонівських втрат, теоретично знайдена функція розподілу релятивістських електронів по енергії, що залежить від координат, в околі джерела інжекції. Побудовано теоретичні карти розподілу інтенсивності синхротронного випромінювання для вузлів джетів радіогалактик М 87 і NGC 4261, а також для компоненти джета мікроквазара 1Е 1740-2942 в радіодіапазоні.

2. Показано, що неоднорідне магнітне поле істотно впливає на розподіл інтенсивності синхротронного радіовипромінювання вузла і призводить до суттєвих відмінностей його зображення у радіо- і рентгенівському діапазонах, приймаючи до уваги, що останнє формується завдяки зворотному комптонівському розсіюванню тих самих електронів на однорідному реліктовому фоні. Це призводить до появи структур, подібних тим, що спостерігаються у джеті квазара PKS 1136-135. У випадку квазара 3С 273 розподіл рентгенівського випромінювання по вузлах джета, що відрізняється від розподілу радіовипромінювання, може бути наслідком зворотного комптонівського розсіювання на неоднорідному випромінюванні центрального джерела.

3. Запропоновано спосіб визначення максимальної енергії частинок, прискорених в вузлах джетів позагалактичних джерел, за аналізом зменшення інтенсивності і розміру області, що випромінює, в міліметровому (субміліметровому) діапазоні.

4. Показано, що еволюція самогравітуючого тороїдального вихору істотно відрізняється для випадків електронного і нейтронного вироджених релятивістських газів. В останньому випадку виникає область стійкості між мінімальною масою, обумовленою циркуляцією і межею Ландау-Чандрасекара, яка теж залежить від циркуляції.

5. Запропоновано динамічну модель затіняючих торів активних ядер галактик, згідно якій дипольний тороїдальний вихор навколо центрального компактного об'єкта (чорної діри) підкручується випромінюванням і є джерелом маси, що надходить в акреційний диск. Показано, що при цьому виникає "акреційно-вітрова" нестійкість, яка може пояснити кореляцію, що спостерігається між оптичними спалахами і появою нових компонент джетів в квазарах.

Публікації за темою дисертації

1. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. Определение параметров космических струй по их тонкой структуре в радио- и рентгеновском диапазонах // Космічна наука і технологія. - 2003. - Т. 9, № 5/6. - С.153-157.

2. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. О возможности определения скорости джетов радиогалактик и квазаров по исследованиям тонкой структуры их узлов при высоком угловом разрешении // Космічна наука і технологія. - 2003. - Т. 9, Додаток до № 2. -С. 304-311.

3. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. Изображение внегалактических источников в радио- и рентгеновском диапазонах // Радиофизика и радиоастрономия. -2004. -Т.9, №1. - С.29-36.

4. Банникова Е.Ю., Блиох К.Ю., Конторович В.М. Об эволюции самогравитирующего тороидального вихря // Вісник Астрономічної Школи. -2002. -Т.3, №2. - С.100-112.

5. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Jet knots fine structure of cosmic radio sources in synchrotron and Compton mechanisms of radiation // Baltic Astronomy. - 2005. -Vol.14, №3. - P.354-357.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких працях:

6. Банникова Е.Ю. Определение максимальной энергии ускоренных частиц в узлах джетов внегалактических источников // Вісник Харківського національного університету им. В.Н. Каразіна. Ядра, частинки, поля. - 2005. - №627. - C.57-62.

7. Bannikova, E. Yu., Kontorovich, V. M. Radio and X-ray images of radio galaxy and quasar jets generated by moving source of relativistic electron injection // Proceedings of International Conference "X-Ray and Radio Connections". -New Mexico: Published NRAO. - 2005. - P.1-5.

8. Банникова Е.Ю., Блиох К.Ю., Конторович В.М. Эволюция и коллапс самогравитирующего тороидального вихря // Нелинейные волны' 2004, Нижний Новгород: Изд-во ИПФ РАН, 2004. - С.243-256.

9. Банникова Е.Ю., Блиох К.Ю., Конторович В.М. Динамика самогравитирующего тороидального вихря // Сборник трудов международной конференции "Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность".-Москва: Изд-во УРСС, 2004. - С.249-254.

10. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. О возможности определения скорости джетов радиогалактик и квазаров по исследованиям тонкой структуры их узлов при высоком угловом разрешении // Сборник тезисов 2-ой конференции по перспективным космическим исследованиям. -Кацивели (Украина). -2002. -С.88.

11. Bannikova E. Yu., Bliokh K. Yu., Kontorovich V.M. Jeans mass and Chandrasekhar limit for toroidal vortex // Abstr. of Int. Conf. "JENAM - 2003". -Budapest (Hungary). - 2003. - P.31.

12. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Jet knots fine structure of cosmic radio sources in synchrotron and Compton mechanisms of radiation in the diffusion model // Abstr. of Int. Conf. "JENAM - 2003". -Budapest (Hungary). - 2003. - P.12.

13. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. Определение параметров космических струй по их тонкой структуре в радио- и рентгеновском диапазонах // Сборник тезисов 3-ей конференции по перспективным космическим исследованиям. -2003.-С.156.

14. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Jeans mass for toroidal vortex of degenerated gas // Abstr. of Int. Conf. "GRAV-2003". -Kharkov (Ukraine). - 2003. - P.70.

15. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Distribution of spectral indexes in neighborhood of cosmic jet knots and hot spots // Abstr. of Int. Conf. "GRAV-2003". -Kharkov (Ukraine). - 2003. - P.76.

16. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Radio and X-ray images of radio galaxy and quasar jets generated by moving source of relativistic electron injection // Abstr. of Int. Conf. "In: X-Ray and Radio Connections". -Santa Fe (New Mexico). -2004.-P.61.

17. Банникова Е.Ю. Особенности изображений узлов космических струй внегалактических источников в миллиметровом диапазоне // Сборник трудов 4-ой конференции по перспективным космическим исследованиям. - Понизовка (Украина). - 2004. - С.129.

18. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. Влияние центральной массы на эволюцию самогравитирующего тороидального вихря // Abstr. of Int. Conf. "Astronomy and Space Physics at Kyiv University". - Kiev (Ukraine). - 2005. - P.85-86.

19. Банникова Е.Ю., Конторович В.М. Дипольно-тороидальная структура активных ядер галактик // Сборник трудов конференции по перспективным космическим исследованиям. - Евпатория (Украина). - 2005. - С.36.

20. Bannikova E. Yu., Kontorovich V.M. Central mass influence on evolution of self-gravitating toroidal vortex // Proceedings of Int. Symp. "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics".- Nizhny Novgorod (Russian). - 2005. - P.88-89.

Цитована література

1. Гестрин С.Г., Конторович В.М., Кочанов А.Е. Диффузионная модель протяжённых радиокомпонентов и струй с движущимся источником ускоренных частиц // Кинем. физ. неб. тел. - 1987. - Т.3, №4. -С.57.

2. Sambruna R.M., Maraschi L., Tavecchio F., Urry С.M., Cheung C.C. et al. A survey of extended radio jets in AGN with Chandra and HST: First results // astro-ph/0201412.

3. Блиох К.Ю., Конторович В.М. Об эволюции и гравитационном коллапсе тороидального вихря // ЖЭТФ. - 2003. - Т.123, №6. - C.1123-1130.

4. Блиох К.Ю., Конторович В.М. О гравитационном коллапсе и условиях равновесия тороидального вихря при учете теплового давления // Письма в АЖ. - 2003. - Т.29, №11. - С.816-822.

5. Черепащук А.М. Поиски чёрных дыр // УФН. -2003. - Т.173, № 4. - С.345-384.

6. Jaffe W., Meisenheimer K., Rottgering H.J.A., Leinert Ch., Richichi A. et al. The central dusty torus in the active nucleus of NGC 1068 // Nature.-2004.-Vol.429. -P.47-49.

7. Mathur S., Elvis M., Belinda W. Testing Unified X-Ray/Ultraviolet Absorber Models with NGC 5548 // Astrophys.J. - 1995. - Vol.452. - P.230-237.

8. Schartmann M., Meisenheimer K., Camenzind M., Wolf S., Henning T. Towards a physical model of dust tori in Active Galactic Nuclei // astro-ph/ 0504105.

Размещено на Allbest.ru

...