Введение к работе
Поляриметрическое исследование компактных астрофизических объектов является одним из главных направлений современной астрофизики. К числу компактных объектов относятся активные ядра галактик. В настоящее время общепризнанным считается факт существования сверхмассивных чёрных дыр в центральных областях активных галактик. Вращающиеся сверхмассивные чёрные дыры являются мощными энергетическими машинами, ответственными за физические процессы, возникающие на гигантской шкале D 1022 -е-1025 см в галактиках.
Активность ядер галактик объясняется аккрецией вещества на центральную сверхмассивную чёрную дыру. Последовательная теория аккреционных процессов развивается с 40-50-х годов. Особого расцвета она достигла в 70-х годах в связи с обнаружением рентгеновских источников, представляющих собой аккрецирующие нейтронные звёзды и чёрные дыры. Первые простейшие адиабатические (в том числе и сферически-симметричные) модели аккреции позволили существенно прояснить многие особенности излучения реальных астрофизических объектов. Вместе с тем, такие модели зачастую не позволяли получить даже качественное согласие с наблюдательными данными. В частности, при адиабатической аккреции газа на чёрную дыру его излучение оказывалось слишком мало. Решением этой проблемы явилось то, что сильное энерговыделение может происходить в аккреционных дисках, в которых эффекты неидеальности неизбежно становятся определяющими. На настоящий момент механизм энерговыделения, эффективно передающий энергию от вращающейся чёрной дыры к активным областям и механизмам коллимации, позволяющий образовать струйные выбросы, связывают с наличием регулярного полоидального магнитного поля в структуре активных ядер галактик. Поскольку сама чёрная дыра не в состоянии иметь собственного магнитного поля (т.н. «теорема об отсутствии волос»), генерация крупномасштабного магнитного поля в окрестности чёрной дыры может
происходить как в самом аккреционном диске, так и в области между радиусом последней устойчивой орбиты и радиусом горизонта событий ("plunge region"). Построение магнитогидродинамических моделей аккреционных дисков в последнее время в связи с увеличением мощности современных вычислительных средств, является бурно развивающейся областью. Обзор некоторых существующих на этот счёт моделей приведён в работах [1-9]. Несмотря на это, прямых доказательств того, что в активных ядрах галактик имеются сильные регулярные магнитные поля, влияющие на динамику аккреционных течений, на сегодняшний момент нет. Однако, существование магнитного поля в активных ядрах галактик является, тем не менее, общепринятой парадигмой.
Таким образом, вопрос измерения магнитных полей в аккреционных дисках активных ядер галактик является существенным для определения их строения и механизмов энерговыделения. В настоящей работе мы развиваем метод детектирования магнитных полей, основанный на поляриметрических наблюдениях, впервые предложенный в работах [10-12]. В цитированных работах показано, что сравнительно небольшое магнитное поле может оказывать существенное влияние на величину и спектр поляризации излучения. В настоящее время существует достаточно большое количество наблюдений оптической поляризации излучения активных ядер галактик [13-18]. Применение результатов настоящей работы к имеющимся наблюдательным данным, а также к ожидающимся в будущем данным рентгеновской поляриметрии может предложить независимый метод определения структуры магнитосферы активных ядер галактик.
Актуальность темы
Исследование поляризации излучения квазаров и активных ядер галактик является одним из важнейших направлений современной астрофизики, поскольку позволяет получать детальную информацию об особенностях процесса аккреции на сверхмассивные чёрные дыры. В то же время в работах
зарубежных коллег, связанных с интерпретацией наблюдательного материала не всегда учитывается вклад магнитного поля в параметры Стокса поляризованного излучения. Разработанная в ГАО РАН методика позволяет достаточно надежно определять величину и топологию магнитного поля в аккреционных дисках вокруг сверхмассивных чёрных дыр непосредственно из наблюдаемых спектрополяриметрических данных. Подчеркнем, что классический метод зеемановской спектрополяриметрии в данных объектах не работает.
Цель работы
Целью данного исследования является определение величин и топологии магнитных полей активных ядер галактик, а также определение спинов сверхмассивных чёрных дыр на основе спектрополяриметрических наблюдений. Именно спектрополяриметрические наблюдения являются основным инструментом определения физического механизма излучения таких объектов, определения величины, топологии и характера переменности магнитного поля.
Научная новизна
-
На телескопе БТА-бм с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме впервые выполнены (при непосредственном участии диссертанта) наблюдения ряда активных ядер галактик и квазаров. Полученные зависимости степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения были сопоставлены с результатами теоретических расчетов, выполненных на основе теории многократного рассеяния с учётом поворота плоскости поляризации в процессе рассеяния на электронах.
-
На основе спектрополяриметрических наблюдений поляризованного излучения активных ядер галактик впервые определены величины магнитных полей на последней устойчивой орбите аккреционного диска и на радиусе
горизонта событий чёрной дыры для ряда объектов. Определение величины магнитных полей основано как на собственных спектрополяриметрических наблюдениях, выполненных на телескопе БТА-бм, так и на поляриметрических наблюдениях, выполненных на других телескопах.
-
Впервые на основе спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик из каталога Паломар-Грина (PG) определены величины спинов сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в центральных областях этих объектов.
-
С помощью методики определения магнитных полей, развитой в ГАО РАН показано, что зависимости степени поляризации и позиционного угла от длины волны излучения компактных астрофизических объектов позволяют надёжно определить распределение магнитных полей в аккреционных дисках. В результате впервые было выполнено детальное тестирование разнообразных моделей аккреционных дисков, учитывающих существенную роль магнитного поля в организации процесса аккреции на компактные астрофизические объекты.
Научная и практическая ценность работы
В работе представлены результаты спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик и квазаров. Наблюдения выполнены на телескопе БТА-бм с помощью фокального редуктора светосилы SCORPIO в поляризационной моде в рамках совместной наблюдательной программы ГАО и САО РАН. Для некоторых объектов впервые получены зависимости степени поляризации от длины волны излучения в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры. На основе метода, разработанного в ГАО РАН Ю.Н.Гнединым и Н.А.Силантьевым, определена реальная геометрия магнитного поля внутри аккреционного диска. А также определены величина магнитного поля в аккреционном диске и значение магнитного поля вблизи горизонта событий центральной сверхмассивной чёрной дыры. Кроме того, выполнено сравнение результатов теоретических расчетов и данных
наблюдений, что позволяет сделать принципиальный выбор между разными моделями аккреционных дисков.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
На телескопе БТА-бм САО РАН с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме выполнены наблюдения ряда активных ядер галактик и квазаров. Установлено, что для части объектов, измеренная величина поляризации и её зависимость от длины волны хорошо соответствуют модели стандартного аккреционного диска с учётом эффекта фарадеевской деполяризации на длине свободного пробега фотона.
-
В рамках стандартной модели аккреционного диска на основе теории многократного рассеяния с учётом поворота плоскости поляризации определены величины и радиальное распределение магнитного поля в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры для ряда активных ядер галактик.
-
На основе данных спектрополяриметрических наблюдений определены величины магнитного поля в аккреционном диске вблизи последней устойчивой орбиты и величины спина аккрецирующей центральной массивной чёрной дыры в активных ядрах галактик. Показано, что сверхмассивные чёрные дыры, имеющие стандартные аккреционные диски с равенством магнитного и радиационного давлений, являются, преимущественно, чёрными дырами типа Керра.
-
Определены значения спина чёрных дыр промежуточных масс, находящихся в центральных областях ряда шаровых звёздных скоплений.
-
Показано, что на основе сравнения данных о спектральном распределении степени поляризации излучения активных ядер галактик с теоретическими значениями, возможен принципиальный выбор между разными моделями аккреционного диска.
Апробация результатов
Результаты данной работы докладывались и обсуждались на семинарах Г АО РАН, а также были представлены на конференциях:
-
II Пулковская молодёжная астрономическая конференция, ГАО РАН, Санкт-Петербург, 2-4 июня 2009 // «Массы и магнитные поля некоторых уникальных внегалактических объектов», Булига С.Д., Гнедин Ю.Н.
-
Международная Конференция «Кирхгоф-150», КрАО Украины, 7-13 июня 2009 // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-бм», Гнедин Ю.Н., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д.
-
Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2009, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря 2009 // «Поляризация излучения активных галактических ядер: результаты наблюдений на БТА-бм.», Пиотрович М.Ю., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.
-
Международная конференция «Магнитные звезды», С АО РАН, Нижний Архыз, 27 августа - 1 сентября 2010 // «Magnetic Fields of Stars with Strong Outflows: Testing by Polarimetry», Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D.
-
Всероссийская астрономическая конференция «От эпохи Галилея до наших дней», ВАК-2010, САО РАН, Нижний Архыз, 13-18 сентября 2010 г. // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА», Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д.
-
III Пулковская молодёжная астрономическая конференция, ГАО РАН, Санкт-Петербург, 27-30 сентября 2010 г. // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-бм», Булига С.Д., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю.
-
Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2010, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря 2010 //
«Магнитные поля звезд с сильным истечением вещества: тестирование при помощи поляр им етрии», Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.
-
JENAM-2011, Saint-Petersburg, Russia, 4-8 July 2011// «Magnetics Fields of Active Galactic Nuclei and Quasars with Polarized Broad Line Regions», Gnedin Yu.N., Silant'evN.A., Piotrovich M.Yu., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D.
-
Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», НЕА- 2011, ИКИ РАН, Москва, 13-16 декабря 2011 //
а) «Магнитные поля активных галактических ядер и квазаров с широкими
поляризованными H-alpha линиями», Силантьев Н.А., Булига С.Д., Пиотрович
М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М.;
б) «Определение спина сверхмассивной чёрной дыры в активных
галактических ядрах на основе спектрополяриметрических наблюдений»,
Гнедин Ю.Н., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Нацвлишвили Т.М. Пиотрович
М.Ю., Булига С.Д.
10.Международная конференция «Рентгеновское небо: от звезд и чёрных дыр до космологии», Казанский федеральный университет, Казань, 2-9 сентября 2012 //
а) «Magnetic fields of active galactic nuclei and quasars», Gnedin Yu.N., Silantev
N.A., Buliga S.D., Piotrovich M.Yu., Natsvlishvili T.M.;
б) «Topology of magnetic field and polarization in accretion discs of AGN»,
Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Buliga S.D., Silantev N.A., Natsvlishvili T.M.
11. Всероссийская астрофизическая конференция Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра, НЕА- 2012, ИКИ РАН, Москва, 18-21 декабря 2012 //
а) «Магнитные поля аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр
с прямым и обратным вращением» Булига С.Д., Гнедин Ю.Н., Пиотрович
М.Ю., Нацвлишвили Т.М.;
б) «Магнитные поля активных галактических ядер и квазаров» Гнедин Ю.Н.,
Силантьев Н.А., Булига С.Д., Пиотрович М.Ю., Нацвлишвили Т.М.
12. Всероссийская астрономическая конференция «Многоликая Вселенная», ВАК-2013, Санкт-Петербург, 23-27 сентября 2013 // «Спектральное распределение поляризации излучения стандартного аккреционного диска в активных галактических ядрах: анализ полученных наблюдений» Булига С.Д., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 124 страницы, в том числе 16 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 150 наименований.
