На правах рукописи
Булига Станислава Дмитриевна
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В АККРЕЦИОННЫХ
ДИСКАХ НА ОСНОВЕ СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ
НАБЛЮДЕНИЙ
01.03.02 – Астрофизика и звёздная астрономия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург - 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Юрий Николаевич
Официальные оппоненты: Романюк Иосиф Иванович, доктор физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории исследований звёздного магнетизма Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук Бикмаев Ильфан Фяритович, доктор физикоматематических наук, доцент, профессор кафедры астрономии и космической геодезии Казанского (Приволжского) Федерального университета
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный университет»
Защита состоится 29 ноября 2013 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.002.120.01 Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук, по адресу: 196140, г. СанктПетербург, Пулковское шоссе, д. 65.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН.
Автореферат разослан октября 2013г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук Е.В. Милецкий
Общая характеристика работы
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 : 1022 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 об отсутствии волос»), генерация (т.н. «теорема 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 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 1. На телескопе БТА-6м 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.
2. 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-6м, так и на поляриметрических наблюдениях, выполненных на других телескопах.
3. 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.
4. 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-6м 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 1. На телескопе БТА-6м САО РАН с помощью универсального редуктора
SCORPIO
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.2. 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.
3. 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.
4. Определены значения спина чёрных дыр промежуточных масс, находящихся в центральных областях ряда шаровых звёздных скоплений.
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 ГАО РАН, а также были представлены на конференциях:
1. 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.
2. Международная Конференция «Кирхгоф-150», КрАО Украины, 7- июня 2009 // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-6м», Гнедин Ю.Н., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д.
3. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», HEA- 2009, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря // «Поляризация наблюдений на БТА-6м.», Пиотрович М.Ю., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.
4. Международная конференция «Магнитные звезды», САО 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.
5. 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.
6. III Пулковская молодёжная астрономическая конференция, ГАО РАН, Санкт-Петербург, 27-30 сентября 2010 г. // «Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-6м», Булига С.Д., Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю.
7. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», HEA- 2010, ИКИ РАН, Москва, 21-24 декабря 2010 // «Магнитные поля звезд с сильным истечением вещества: тестирование при помощи поляриметрии», Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д.
8. 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’ev N.A., Piotrovich M.Yu., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D.
9. Всероссийская астрофизическая конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», HEA- 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.;
«Определение 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- 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, HEA- 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.
Во Введении отражена краткая история проблемы, её актуальность, а также цели работы, новизна, научная и практическая значимость. Приведены пункты, выносимые на защиту, кратко описаны структура и содержание диссертации, отмечены личный вклад автора и апробация результатов.
Приведён список публикаций, содержащий основные результаты диссертации.
В Главе представлены результаты спектрополяриметрических наблюдений ряда активных ядер галактик и квазаров, выполненных на телескопе БТА-6м САО РАН с помощью универсального редуктора светосилы SCORPIO в спектрополяриметрическом режиме. На основе данных наблюдений в рамках традиционной модели аккреционного диска определены величины и радиальные распределения магнитного поля в аккреционном диске вокруг сверхмассивной чёрной дыры.
Физические условия аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр практически не позволяют применять прямой метод измерения магнитных полей – метод зеемановской спектрополяриметрии. Поэтому мы применяем при анализе спектрополяриметрических наблюдений косвенный метод определения магнитных полей, развитый в работах [11,15,19]. 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 аккреционного диска полностью определяются распределением, т.е.
геометрией, магнитного поля внутри аккреционного диска. Величина поляризации оказывается меньше по сравнению с той, которая получена в работах [20,21] Соболевым и Чандрасекаром в результате решения задачи многократного рассеяния света в плоскопараллельной атмосфере. Это отличие связано с эффектом фарадеевской деполяризации излучения при его рассеянии в аккреционном диске.
Роль поляриметрических наблюдений сильно возросла в последнее время в связи с тем, что они позволяют сделать решающий выбор между всё возрастающим количеством различных моделей аккреционных дисков. Такой рост моделей, в свою очередь, происходит в результате увеличения количества численных расчетов (“numerical simulations”) структуры аккреционных дисков.
В Главе 2 на основе спектрополяриметрических наблюдений, полученных на телескопе БТА-6м САО РАН, а также с использованием взятых из литературы данных о кинетической мощности релятивистских джетов, получены оценки значений спинов сверхмассивных чёрных дыр.
Существенным элементом выполненных оценок является определение величины магнитного поля на последней устойчивой кеплеровской орбите в аккреционном диске, а также на горизонте событий сверхмассивной чёрной дыры. Проведена оценка эффективности, с которой аккрецирующие системы генерируют энергию в джетах. Показано, что для аккреционного диска с равенством между магнитным и радиационным давлениями чёрные дыры прямого вращения генерируют энергию более эффективно, чем чёрные дыры с обратным вращением. Определены значения спина чёрных дыр промежуточных масс, находящихся в центральных областях шаровых звёздных скоплений.
Начиная с первых работ Пенроуза [22] и Блендфорда и Знаека [23], было показано, что спин играет большую роль в процессе выделения энергии сверхмассивной чёрной дырой. Так, спин чёрной дыры играет центральную роль в генерации релятивистского джета в результате извлечения с помощью магнитного поля вращательной энергии чёрной дыры. Именно поэтому непосредственное определение значения спина сверхмассивной чёрной дыры, являющейся центральным объектом активных ядер галактик и квазаров, находится в центре внимания современной астрофизики. В настоящее время наиболее популярным методом определения величины спина является анализ профилей K -линий Fe. Однако, существует довольно сильный разброс полученных результатов, связанный с применением различных методов обработки формы K -линии Fe. Именно поэтому полезно получить ограничение на величину спина другим, независимым методом.
В Главе 3 для ряда конкретных активных ядер галактик показано, что зависимость степени поляризации и позиционного угла от длины волны позволяет получить распределение магнитного поля в аккреционном диске. Для оценки поляризации излучения от аккреционного диска мы использовали асимптотические аналитические формулы, учитывающие фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения, которое характеризуется углом поворота. Поляризованное излучение выходит в основном с радиуса R внутри диска, где интенсивность теплового излучения имеет максимум в области наблюдаемых длин волн поляризации можно определить величину магнитного числа Прандтля в плазме аккреционного диска, и тем самым проследить эволюцию крупномасштабного полоидального магнитного поля.
В Главе 4 демонстрируется, что результаты наблюдений спектрального распределения степени поляризации позволяют одновременно определять распределения магнитного поля и температуры в аккреционном диске. Таким образом, на основе данных о спектральном распределении степени поляризации излучения активных ядер галактик возможен принципиальный выбор между разными моделями аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Представлены ожидаемые степенные зависимости степени поляризации от длины волны (частоты) для разных, известных из литературы, моделей аккреционного диска.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
1. Силантьев Н.А., Пиотрович М.Ю., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Булига С.Д. Поляриметрические следствия крупномасштабной структуры распределения галактик и квазаров // Астрофизика. – 2010. – Т. 53. – № 4. – С.
501-511.
2. Piotrovich M.Yu., Gnedin Yu.N., Natsvlishvili T.M., Buliga S.D. Magnetic fields of stars with strong outflows: testing by polarimetry // Proceedings of the International Conference «Magnetic Stars», – Nizhny Arkhyz, – 2011. – P. 264-279.
3. Афанасьев В.Л., Борисов Н.В., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Булига С.Д. Спектрополяриметрические наблюдения активных ядер галактик на БТА-6м // Письма в Астрономический журнал. – 2011. – Т.
37. – № 5. – С. 333-342. (arXiv: 1104.3690).
4. Булига С.Д., Глобина В.И., Гнедин Ю.Н., Нацвлишвили Т.М., Пиотрович М.Ю., Шахт Н.А. Чёрные дыры промежуточных масс в шаровых скоплениях: ограничение на спин чёрной дыры // Астрофизика. – 2011. – Т. 54. – № 4. – С. 611-616. (arXiv1108.0056).
«