Блазар

Не путать с Блейзером или Блейзором .

Эллиптическая галактика M87, испускающая релятивистскую струю, снимок космического телескопа Хаббл . Активная галактика классифицируется как блазар, когда ее струя направлена ​​близко к лучу зрения. В случае с M87, поскольку угол между струей и лучом зрения не мал, ее ядро ​​классифицируется не как блазар, а скорее как радиогалактика.

Блазар ионизированного — это активное ядро ​​галактики (АЯГ) с релятивистской струей (струей, состоящей из вещества, движущейся почти со скоростью света ), направленной очень близко к наблюдателю. Релятивистское излучение электромагнитного излучения струи делает блазары намного ярче, чем они были бы, если бы струя была направлена ​​в сторону от Земли. Блазары являются мощными источниками излучения во всем электромагнитном спектре и, как наблюдают, являются источниками высокоэнергетических гамма- фотонов . Блазары — это сильно переменчивые источники, яркость которых часто претерпевает быстрые и резкие колебания в короткие промежутки времени (от часов до дней). Некоторые блазарные струи, по-видимому, демонстрируют сверхсветовое движение , что является еще одним следствием того, что вещество в струе движется к наблюдателю почти со скоростью света.

В категорию блазаров входят объекты BL Lac и квазары с оптически бурно переменными (OVV) . Общепринятая теория состоит в том, что объекты BL Lac по своей природе являются радиогалактиками малой мощности , тогда как квазары OVV являются по своей природе мощными радио-громкими квазарами . Название «блазар» было придумано в 1978 году астрономом Эдвардом Шпигелем для обозначения комбинации этих двух классов.

На изображениях в видимом диапазоне волн большинство блазаров кажутся компактными и точечными, но изображения с высоким разрешением показывают, что они расположены в центрах эллиптических галактик .

Блазары — важная тема исследований в астрономии и астрофизике высоких энергий . Исследования Блазара включают изучение свойств аккреционных дисков и джетов , центральных сверхмассивных черных дыр и окружающих родительских галактик , а также испускания высокоэнергетических фотонов , космических лучей и нейтрино .

В июле 2018 года команда нейтринной обсерватории IceCube отследила нейтрино , попавшее в ее детектор в Антарктиде в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазаре на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от нас. Это был первый случай использования детектора нейтрино для обнаружения объекта в космосе.

Структура

, полученное Слоановским цифровым обзором неба Изображение блазара Маркаряна 421 , иллюстрирующее яркое ядро ​​и эллиптическую родительскую галактику.

Считается, что блазары, как и все активные ядра галактик (АЯГ), питаются материалом, падающим в сверхмассивную черную дыру в ядре родительской галактики. Газ, пыль и случайные звезды захватываются и по спирали попадают в эту центральную черную дыру, создавая горячий аккреционный диск , который генерирует огромное количество энергии в виде фотонов , электронов , позитронов и других элементарных частиц . Этот регион относительно небольшой, около 10 ⁻³ размером в парсек.

Существует также более крупный непрозрачный тороид, простирающийся на несколько парсеков от черной дыры и содержащий горячий газ со встроенными областями более высокой плотности. Эти «облака» могут поглощать и переизлучать энергию из регионов, расположенных ближе к черной дыре. На Земле облака обнаруживаются как эмиссионные линии блазара в спектре .

Перпендикулярно аккреционному диску пара релятивистских струй уносит высокоэнергетическую плазму от АЯГ. Джет коллимируется сочетанием интенсивных магнитных полей и мощных ветров аккреционного диска и тороида. Внутри струи фотоны и частицы высокой энергии взаимодействуют друг с другом и с сильным магнитным полем. Эти релятивистские струи могут простираться на многие десятки килопарсек от центральной черной дыры.

Все эти области могут производить различную наблюдаемую энергию, в основном в форме нетеплового спектра, от очень низкочастотного радио до чрезвычайно энергичных гамма-лучей, с высокой поляризацией (обычно несколько процентов) на некоторых частотах. Нетепловой спектр состоит из синхротронного излучения в радио- и рентгеновском диапазоне и обратного комптоновского излучения в диапазоне рентгеновского и гамма-излучения. Тепловой спектр с максимумом в ультрафиолетовой области и слабые оптические эмиссионные линии также присутствуют у квазаров OVV, но слабы или отсутствуют у объектов BL Lac.

Релятивистское излучение

Наблюдаемое излучение блазара значительно усиливается релятивистскими эффектами в джете — процессом, называемым релятивистским излучением . Объемная скорость плазмы, составляющей струю, может находиться в диапазоне 95–99% скорости света, хотя отдельные частицы движутся с более высокими скоростями в различных направлениях.

Соотношение между светимостью, излучаемой в системе покоя джета, и светимостью, наблюдаемой с Земли, зависит от характеристик джета. К ним относятся, возникает ли светимость из-за фронта ударной волны или серии более ярких пятен в струе, а также детали магнитных полей внутри струи и их взаимодействия с движущимися частицами.

Простая модель излучения эффекты, связывающие светимость в системе покоя джета Se _Земле и светимость, наблюдаемую на So _{иллюстрирует основные релятивистские} : So _, пропорциональна S _e × D. ² , где D – доплеровский фактор .

При более детальном рассмотрении возникают три релятивистских эффекта:

• Релятивистская аберрация вносит вклад в D ² . Аберрация является следствием специальной теории относительности, где направления, которые кажутся изотропными в системе покоя (в данном случае струи), кажутся сдвинутыми к направлению движения в системе наблюдателя (в данном случае Земли).
• Замедление времени способствует фактору D ⁺¹ . Этот эффект ускоряет видимое высвобождение энергии. Если бы реактивный самолет излучал всплеск энергии каждую минуту в своей системе покоя, этот выброс наблюдался бы на Земле гораздо чаще, возможно, каждые десять секунд.
• Окно может способствовать фактору D ⁻¹ а затем работает над уменьшением повышения. Это происходит для устойчивого потока, потому что тогда в наблюдаемом окне содержится D меньше элементов жидкости, поскольку каждый элемент увеличивается в D раз . Однако для свободно распространяющегося сгустка материала излучение усиливается за счет полного D ⁺³ .

Пример

Рассмотрим струю с углом к ​​лучу зрения θ = 5° и скоростью 99,9% скорости света. Светимость, наблюдаемая с Земли, в 70 раз превышает излучаемую светимость. Однако если θ имеет минимальное значение 0°, то с Земли струя будет казаться в 600 раз ярче.

Сияющий прочь

Релятивистское излучение имеет и еще одно важное последствие. Джет, не приближающийся к Земле, будет казаться более тусклым из-за тех же релятивистских эффектов. Таким образом, две внутренне идентичные струи будут выглядеть существенно асимметричными. В приведенном выше примере любая струя, где θ > 35 °, будет наблюдаться на Земле как менее яркая, чем она была бы в остальной части струи.

Еще одним последствием является то, что популяция внутренне идентичных АЯГ, разбросанных в космосе со случайными ориентациями струй, будет выглядеть как очень неоднородная популяция на Земле. Те немногие объекты, у которых θ мало, будут иметь одну очень яркую струю, тогда как остальные, по-видимому, будут иметь значительно более слабые струи. Те, где угол θ варьируется от 90°, будут иметь асимметричные струи.

В этом суть связи блазаров и радиогалактик. АЯГ, струи которого ориентированы близко к лучу видимости с Землей, могут сильно отличаться от других АЯГ, даже если они по своей сути идентичны.

Открытие

Многие из более ярких блазаров были впервые идентифицированы не как мощные далекие галактики, а как неправильные переменные звезды в нашей собственной галактике. Эти блазары, как и настоящие неправильные переменные звезды, меняли яркость в течение нескольких дней или лет, но без какой-либо закономерности.

Раннее развитие радиоастрономии показало, что на небе имеется множество ярких радиоисточников. К концу 1950-х годов разрешение радиотелескопов оказалось достаточным для идентификации конкретных радиоисточников с оптическими аналогами, что привело к открытию квазаров . Блазары были широко представлены среди этих ранних квазаров, а первое красное смещение было обнаружено у 3C 273 , сильно переменного квазара, который также является блазаром.

В 1968 г. аналогичная связь была установлена ​​между «переменной звездой» BL Lacertae и мощным радиоисточником ВРО 42.22.01. BL Lacertae демонстрирует многие характеристики квазаров, но оптический спектр лишен спектральных линий, используемых для определения красного смещения. Слабые признаки существования галактики — доказательство того, что BL Lacertae не была звездой — были обнаружены в 1974 году.

Внегалактическая природа BL Lacertae не стала неожиданностью. В 1972 году несколько переменных оптических и радиоисточников были сгруппированы вместе и предложены как новый класс галактик: объекты типа BL Lacertae . Вскоре эта терминология была сокращена до «объект BL Lacertae», «объект BL Lac» или просто «BL Lac». (Последний термин также может означать исходный отдельный блазар, а не весь класс.)

По состоянию на 2003 год было известно несколько сотен объектов BL Lac. Один из ближайших блазаров находится на расстоянии 2,5 миллиардов световых лет.

Текущий вид

Блазары считаются активными ядрами галактик с релятивистскими джетами, ориентированными близко к лучу зрения наблюдателя.

Особая ориентация джетов объясняет общие своеобразные характеристики: высокую наблюдаемую светимость, очень быстрое изменение, высокую поляризацию (по сравнению с неблазарными квазарами) и кажущиеся сверхсветовые движения, обнаруженные вдоль первых нескольких парсеков джетов в большинстве блазаров.

Общепринятой стала Единая схема или Единая модель, согласно которой сильнопеременные квазары связаны с внутренне мощными радиогалактиками, а объекты BL Lac связаны с внутренне слабыми радиогалактиками. Различие между этими двумя связанными популяциями объясняет разницу в свойствах эмиссионных линий блазаров.

Другие объяснения подхода релятивистской струи / единой схемы, которые были предложены, включают гравитационное микролинзирование и когерентное излучение релятивистской струи. Ни один из них не объясняет общие свойства блазаров. Например, микролинзирование является ахроматическим. То есть все части спектра будут расти и падать одновременно. У блазаров этого не наблюдается. Однако возможно, что эти процессы, а также более сложная физика плазмы могут объяснить конкретные наблюдения или некоторые детали.

Примеры блазаров включают 3C 454.3 , 3C 273 , BL Lacertae , PKS 2155-304 , Markarian 421 , Markarian 501 , 4C +71.07 , PKS 0537-286 (QSO 0537-286) и S5 0014+81 . Маркарян 501 и S5 0014+81 также называют «ТэВ-блазарами» из-за их высокоэнергетического (тераэлектрон-вольтового диапазона) гамма-излучения.

В июле 2018 года появился блазар под названием TXS 0506+056. был идентифицирован как источник нейтрино высоких энергий проектом IceCube .

См. также

• Формирование и эволюция галактик
• Сейфертовская галактика

Внешние ссылки

• AAVSO High Energy Network
• Список мониторинга Blazar, Университет Пердью. Архивировано 27 октября 2020 г. в Wayback Machine.
• Расширение галереи изображений Hires Blazar
• НАСА: Видео с концепцией художника Blazars
• Космический туман НАСА
• Перепись гамма-лучей НАСА
• Видео от 13 мая 2013 г.: Ферми НАСА показывает, как активные галактики могут быть блазарами
• Выступление Джедиды Айслер на TED о блазарах
• Астрономы только что нашли радиогалактику, превратившуюся в блазар