Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум --> Первая десятка "Русского переплета" Темы дня:

Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад?

| Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?

[ ENGLISH ] [AUTO] [KOI-8R] [WINDOWS] [DOS] [ISO-8859]

Предыдущая часть: г) инфракрасная и радиопеременность

Природа ``центральной машины'' в АЯГ

Мы рассмотрели основные наблюдательные проявления АЯГ, полученные почти за 40 лет исследований. Хотя и говорят ``активные ядра галактик'', на самом деле имеются ввиду только центральные источники, размеры которых составляют десятки световых дней, если включать BLR и область ИК излучения, и всего лишь десятки световых часов для области рентгеновского излучения. Каковы же основные свойства центральных источников АЯГ, которые можно установить из наблюдений, без привлечения теоретических моделей?

Во-первых, доминирующим является, по-видимому, источник УФ и оптического непрерывного излучения (контиуума). УФ и оптический континуум возникают примерно в одной области, так как не обнаружено заметного запаздывания оптического (3600-7000 Å) излучения относительно УФ (1500-2500 Å). Кроме того, переменность УФ и оптического излучения очень хорошо коррелирует. Рентгеновская переменность коррелирует с оптической довольно слабо. Во-вторых, излучение центральных источников АЯГ нестационарно и может довольно быстро менять свою интенсивность в несколько раз. На первый взгляд кажется, что изменения интенсивности излучения в несколько раз -- это не так уж и много. Однако светимость (мощность излучения) АЯГ необычайно высока, поэтому скорость изменения светимости также оказывается очень высокой. Так, если характерное время переменности составляет 10 дней, то при светимости $4\cdot 10^{45} эрг/с = 10^{12}L_{\odot}$ скорость ее изменения будет примерно миллион Солнц в секунду! А максимальная зарегистрированная скорость изменения светимости для квазаров 3C 273 и 3C 279 составляет $4\cdot 10^{40} эрг/с$ за секунду, т.е. 10 миллионов Солнц в секунду. Таким образом, третья характеристика АЯГ -- высокая светимость. Но с высокой светимостью связана и большая масса (см. выше). Есть несколько способов оценить массы АЯГ и все они дают величины, отличающиеся не более, чем на порядок. Например, масса центрального источника в ядре сейфертовской галактики NGC 4151 оценивается в (1-5) $\cdot 10^8 M_{\odot}$, а квазара 3C 273 -- $10^9$- $10^{10} M_{\odot}$. Массы АЯГ с меньшей светимостью составляют (2-3) $\cdot 10^6 M_{\odot}$.

Наличие быстрой переменности приводит к удивительно малым размерам для таких масс и светимостей. Как уже говорилось, размеры области излучения УФ/оптического континуума составляют 1-30 св. дней, а рентгеновской -- от нескольких до 10-20 св. часов. Сопоставляя размеры и массы, приходим к выводу, что центральными объектами в АЯГ могут быть только сколлапсировавшие объекты -- сверхмассивные черные дыры, или объекты, радиус которых близок к гравитационному.

В астрофизике известны три типа сколлапсировавших объектов, так называемых коллапсаров. Это звезды, у которых полностью прекратилось выделение энергии. Такая звезда под действием гравитации начинает сжиматься, так как гравитации уже не противодействует лучистое давление, и сжимается, пока не превратится в один из трех типов коллапсаров. Это белые карлики для звезд с массой, примерно равной массе Солнца или чуть больше, нейтронные звезды (масса 1.5-3 $M_{\odot}$) и черные дыры, если масса превышает $3 M_{\odot}$. Белые карлики известны в астрофизике уже давно, нейтронные звезды -- тоже. Последними оказались обнаруженные в конце 60-х годов радиопульсары и открытые несколько позже рентгеновские пульсары. Если масса звезды больше $3 M_{\odot}$, сжатие не прекращается до тех пор, пока звезда не достигнет так называемого гравитационного радиуса $r_g=2GM/c^2$ ($M$ -- масса, $c$ -- скорость света, а $G$ -- гравитационная постоянная), т.е. сколлапсирует в черную дыру⁴. Существование черных дыр -- объектов с радиусом, равным гравитационному, предполагается теорией относительности. В настоящее время известно около десятка объектов (невидимые массивные компоненты некоторых тесных двойных систем), которые считаются кандидатами в черные дыры.

Гравитационный радиус для Солнца около 3 км ( $2.95\cdot 10^5$) см. Поскольку $r_g$ пропорционален массе, отсюда легко вычислить гравитационный радиус для любой массы. Так, для массы $3\cdot 10^8 M\odot$ (NGC 4151) $r_g\approx 10^{14}$ см, а размеры источника по скорости рентгеновской переменности $1.3\cdot 10^{15}$ см, т.е. всего в 13 раз превышают гравитационный радиус. Примерно такое же соотношенияе и для других АЯГ, так как оказалось, что характерное время переменности пропорционально светимости, а значит, и массе. Таким образом светимость (масса) АЯГ и их переменность накладывают существенные ограничения на возможные модели центрального источника -- ``центральной машины''.

Первое время рассматривалось несколько моделей АЯГ: компактное звездное скопление типа шарового, но с более высокой плотностью звезд, сверхзвезда -- замагниченный наклонный ротатор (магнитоид) и дисковая аккреция на сверхмассивную черную дыру. В модели звездного скопления энергия выделяется при случайных вспышках отдельных звезд, типа вспышек сверхновых. Такими вспышками пытались прежде всего объяснить вид кривых блеска: действительно, наложением случайных вспышек можно более или менее объяснить вид кривых блеска, однако, во-первых, для этого приходится вводить четыре свободных параметра, во-вторых, в такой модели не получаются продолжительные минимумы. Магнитоид представляет собой некий аналог пульсара, максимум излучения которого находится в ИК области, -- попытка объяснить так назваемые ИК избытки.

Однако после того, как определили массы и размеры центральных истоников в АЯГ, стало ясно, что ни звездное скопление, ни магнитоид не могут претендовать на роль ``центральной машины'', если ее размеры порядка 10-20 $r_g$. Остается сверхмассивная черная дыра с энерговыделением за счет дисковой аккреции на нее окружающего вещества. Такая модель объясняет прежде всего соответсвие большой массы и светимости центральных источников и малых размеров, а также большое энерговыделение в малом объеме: достаточно аккреции примерно одной солнечной массы в год, чтобы поддерживать светимость АЯГ.

Вернемся к NGC 4151. Выше мы говорили, что светимость переменного источника в ядре этой сейфертовской галактики увеличилась во втором цикле активности в десятки раз за 6 лет (максимум наблюдался в 1995-1996 гг.), и примерно за такое же время упала в 15-20 раз (к 2000 г.). А перед этим был продолжительный минимум, во время которого средняя светимость переменного источника составляла несколько процентов от светимости в максимуме, падая иногда до уровня менее 1%.

Цветовые характеристики переменного источника, как мы же говорили, в обоих циклах активности одинаковы, т.е. светимость увеличилась за счет увеличения размеров. Получается следующий сценарий: в первом цикле активности дествовал переменный источник с определенными характеристиками, максимум цикла наблюдался в 1973-1974 гг. В 1984-1989 гг. переменный источник практически отсутствовал, а после 1990 г. появился новый переменный источник с примерно такими же температурными характеристиками, светимость которого увеличилась в десятки раз за 5-6 лет. Только аккреционный диск способен так драматически менять свою светимость и размеры. Поскольку массы центральных источников в АЯГ порядка $10^8 M_{\odot}$, а размеры только в 10-20 раз превышают $r_g$, приходим к выводу, что наиболее вероятная природа ``центральной машины'' в АЯГ -- сверхмассивная черная дыра (или, может быть, несколлапсировавший, но близкий к гравитационному радиусу объект) с аккреционным диском, а циклы активности связаны с формированием нового аккреционного диска. Модель дисковой аккреции на сверхмассивную черную дыру наиболее полно объясняет почти все наблюдательные характеристики АЯГ. Но в этой модели максимум энерговыделения должен приходится на УФ диапазон спектра.

В радиоастрономии принято потоки измерять в янских (1 Ян $=10^{-26} Вт/м^2 \cdot Гц$). Точнее, это плотность потока $F_{\nu}$, расчитанная на 1 Гц. А зависимость $F_{\nu}$ от частоты (обычно в логарифмической шкале) всегда считалась распределением энергии в спектре какого-либо объекта. В таких единицах $F_{\nu}$, как правило, падает с частотой -- так называемый степенной закон: $F_{\nu}\propto \nu^{\alpha}$, где $\alpha$ -- спектральный индекс. Однако на самом деле зависимость log $F_{\nu}$ -- log $\nu$ не имеет физического смысла, так как не учитывает энергии самого кванта. И если в небольшом диапазоне низких частот (радио) это не играет заметной роли, то в высокочастотном энергия кванта начинает доминировать. Частота рентгеновских квантов $10^{18}$-$10^{21}$ Гц, что на 9-10 порядков больше частоты радиоквантов, во столько же раз больше и энергия рентгеновского кванта. Поэтому физический смысл (энергетика) имеет произведение $\nu F_{\nu}$ и тогда зависимость log $\nu F_{\nu}$ -- log $\nu$ действительно представляет распределение энергии в спектре объекта.

Оказалось, что максимум энерговыделения приходится не на УФ, а на рентгеновский дапазон. Это, пожалуй, основное серьезное противоречие с наблюдениями модели дисковой аккреции на сверхмассивную черную дыру. Возможно, оно будет снято в ходе дальнейшей разработки модели. По результатам наблюдений можно теперь построить наиболее вероятную модель-схему АЯГ (см. рисунок 5): сверхмассивная черная дыра (или несколлапсировавший объект с радиусом, близким к гравитационному) с массой порядка $10^8 M_{\odot}$; аккреционный диск, внутренний радиус которого находится на расстоянии 10-20 $r_g$, ((3-6)$\cdot 10^{14}$ см), а внешний может доходить до светового месяца ( $8\cdot 10^{16}$ см); в области внешних частей аккреционного диска находится зона формирования широких линий (BLR), но не виде некой сплошной среды, а в виде довольно большого количества отдельных плотных облаков (есть соответствующие наблюдательные данные) размером $10^{14}$-$10^{15}$ см и плотностью $10^{10}$-$10^{11}$ $см^{-3}$; дальше, возможно, до сотен св. дней, находится пылевая область, которая излучает в ИК диапазоне (2-5 микрон и больше); еще дальше (от светового года до сотни парсек) находится область формирования запрещенных линий (NLR); в области полярных конусов аккреционного диска, возможно, в коллимированных струях (джетах) формируются переменные запрещенные лиинии [FeX] и др.

Конечно, есть еще очень много нерешенных вопросов, но в целом ситуация с пониманием природы ``центральной машины'' в АЯГ намного лучше, чем 30 лет назад. По крайней мере осталась одна наиболее вероятная модель с дисковой аккрецией на сверхмассивную черную дыру или объект с радиусом, близким к гравитационному. Мы не случайно это подчеркиваем, так как пока наблюдениями не доказано существование черных дыр -- есть только кандидаты в черные дыры, в том числе и АЯГ. В настоящее время теоретическое моделирование АЯГ сильно отстало от данных наблюдений, хотя 30 лет назад было наоборот -- теория опережала эксперимент, нехватало наблюдательных данных, чтобы выбрать ту или иную модель. Видимо, нужна некая совершенно новая идея. Может быть перспективной окажется идея гамма-пушки Н.С.Кардашева, предложенная примерно десять лет назад.

Подписи к рисункам

1. [Рис. 1.] Спектры планетарной туманности, сейфертовских галактик 1-го и 2-го типа (Sy 1 и Sy 2) и квазара. Хорошо видны разрешенные линии водорода и запрещенные линии кислорода [OIII] $\lambda 4959,5007$ -- небулярные линии N$_1$,N$_2$. Линии в спектре планетарной туманности очень узкие, в спектре ядра галактики типа Sy 1 -- широкие с узкими центральными пиками, в спектре Sy 2 -- узкие, но шире, чем в планетарных туманностях. Спектр квазара похож на спектр Sy 1, но линии сильно смещены в красную область, водородная линия H$\alpha$ ушла в ИК диапазон, а в видимом появилась ультрафиолетовая линия Mg II $\lambda 2800$.


2. [Рис. 2.] Кривая блеска ядра сейфертовской галактики NGC 4151 за последние 40 лет. Видны два цикла активности, разделенные продолжительным минимумом 1984-1989 гг. В первом цикле (до 1984 г.) амплитуды быстрой и медленной компонент примерно одинаковы, но во втором амплитуда медленной компоненты намного больше. Во время минимума почти полностью исчезли широкие крылья водородных линий, и объект стали классифицировать как Sy 2. В максимуме второго цикла активности активности (1990-2000 гг.) интесивность линии H$\alpha$ увеличилась в 6 раз, а линии гелия HeII $\lambda 4686$Å-- в 10 раз. Объект снова стали классифицировать как Sy 1.


3. [Рис. 3.] Корреляция и запаздывание переменности интенсивности водородной линии H$\alpha$ и линии углерода CIV $\lambda 1550$Å в спектре NGC 4151 относительно континуума: переменность континуума повторяется в линиях с некоторым запаздываем и сглаживанием. Это объясняется тем, что область формирования эмисссионных линий находится на некотором расстоянии от источника континуума и имеет большие размеры.


4. [Рис. 4.] Переменность радио и оптического излучения радиоисточника 3C 84 (Sy 2/BL). Хорошо видно, во-первых, что с уменьшением частоты кривые блеска сглаживаются -- уменьшаются и даже исчезают быстрые флуктуации, во-вторых, что переменность на более низких частотах запаздывает относительно переменности на более высоких, в том числе относительно оптической.


5. [Рис. 5.] Масштабная схема активного ядра: в центре находится объект, радиус которого близок (или равен?) к гравитационному (сверхмассивная черная дыра?), дальше находится аккреционный диск с областями рентгеновского, оптического и близкого (1-1.5 микрон) инфракрасного излучения, с последним примерно совпадает область формирования широких линий, несколько дальше область переизлучения пылью (2-5 микрон), значительно дальше -- область формирования узких пиков водородных и запрещенных линий, в полярных конусах аккреционного диска формируются запрещенные линии железа высокой степени ионизации.

Copyright (c) "Русский переплет"