Релятивистские струи в активных ядрах галактик

Оглавление
Введение 11
1 Релятивистские струи и их эволюция на с.уб-иарсековых масштабах 22
1.1 Введение............................................................... 22
1.2 VLBA измерения струй в активных галактиках на 15 ГГц: данные........... 23
1.2.1 Описание статистически полной MOJAVE выборки.................... 23
1.2.2 Наблюдения и обработка данных................................... 25
1.2.3 Морфология...................................................... 31
1.3 Тонкая структура струй в активных галактиках по результатам VLBA измерении на 15 ГГц ......................................................... 34
1.3.1 Описание выборки, анализ которой проводится в § 1.3............. 34
1.3.2 Данные функции видности......................................... 40
1.3.3 Моделирование и оценка параметров тонкой структуры.............. 54
1.3.4 Результаты и их обсуждение..................................... GO
1.4 Кинематика струй на парсековых масштабах по данным VLB А мониторинга на 15 ГГц............................................................ 77
1.4.1 Наблюдения и обработка данных................................... 77
1.4.2 Кинематика струй на парсековых масштабах........................ 83
1.4.3 Общие характеристики кинематики струй в выборке MOJAVE ... 94
1.5 Струя в радиогалактике Дева А с суб-парсековым разрешением.............102
1.5.1 Наблюдения и построение изображения ............................102
1.5.2 Структура джста.................................................102
1.5.3 Кинематика джста................................................105
1.5.4 Обсуждение .....................................................107
1.6 Открытие часовой переменности большой амплитуды в квазаре 1156-4-295
на VLB А..............................................................109
1.6.1 Современное состояние исследований быстрой переменности .... 109
1.6.2 Наблюдения и анализ.............................................110
1.6.3 Обсуждение .....................................................114
1.7 Заключение.............................................................116
2 Поисковый обзор компактных внегалактических радиоисточников 119
2.1 Введение...............................................................119
2.2 Отбор источников - кандидатов в поисковый РОД Б обзор..................121
2.2.1 Метод на основе анализа мгновенных широкодиапазонных полных
радиоспектров...................................................121
2.2.2 Популяция внегалактических радиоисточников......................121
2
Оглавление 3
2.2.3 Отбор на основе неодновременных данных измерений интегрального радиоизлучения........................................................122
2.3 VLBA наблюдения и их обработка........................................124
2.3.1 Наблюдения ......................................................124
2.3.2 Обработка данных.................................................125
2.4 Проверка метода отбора .................................................128
2.5 S/Х РСДВ каталог .......................................................129
2.6 Свойства источников полученного S/Х РСДБ каталога ......................131
2.6.1 Плотность фазовых калибаторов на небе с S > —40°.................131
2.6.2 Статистика основных параметров каталога с д > —30°...............131
2.7 Заключение..............................................................134
3 Компактные релятивистские струи в радио и 7 диапазонах: тесная связь 137
3.1 Введение................................................................137
3.1.1 Идентификация 7-источнкиов.......................................137
3.1.2 Результаты телескопа EGRET.......................................138
3.1.3 Одновременные измерения в радио и 7..............................139
3.2 Идентификация внегалактических объектов из обзора неба в 7-лучах телескопом Fermi LAT 139
3.2.1 Используемый РСДБ каталог........................................139
3.2.2 Fermi LAT - РСДВ кросс-идентификация.............................139
3.2.3 РСДБ свойства отождествленных 7-источников.......................143
3.3 РСДБ кинематика релятивистских струй в 7-ярких активных галактиках 146
3.3.1 Сравнение выборок ЛЯГ из MOJAVE и детектированных в LAT . . 146
3.3.2 Обсуждение ......................................................149
3.4 Связь между радио- и 7-излучением акивных галактик.....................150
3.4.1 Радио данные и выборка источников................................150
3.4.2 Результаты.......................................................151
3.5 Углы раскрыва струй и яркость АЯГ в 7-лучах.............................157
3.5.1 Углы раскрыва, полученные в плоскости изображения................157
3.5.2 Углы раскрыва, полученные в (-u,t>) плоскости....................159
3.0 Задержка между приходом радио и 7-излучения от компактных струй активных галактик 160
3.6.1 Радио/7 задержки в РСДВ ядрах....................................160
3.6.2 Положение областей, излучающих в 7-лучах.........................L62
3.6.3 Обсуждение ......................................................164
3.7 Индивидуальные ядра 7-ярких активных галактик на парсоковых масштабах LG8
3.7.1 Попорот позиционного угла линейной поляризации ядер в квазаре
1502 t-106 и Сейфертовской галактике PMN J0918 4-0022 ........... 168
3.7.2 Локализация источника 7-вспышки в радиогалактике 3CS4.........168
3.8 Заключение..............................................................174
4 Синхротрошгое самопоглотение в основании компактных струй L76
4.1 Введение................................................................176
4.2 Измерения сдвига ядер...................................................179
4.3 Физические и астрометрические приложения ...............................185
Оглавление 4
4.3.1 Оценка физических свойств непрозрачного основания струи и поглощающей среды 185
4.3.2 Вспышки и сдвиг ядра.............................................180
4.3.3 Эффект сдвига ядра и многочастотные РСДБ исследования .... 187
4.3.4 Ради о- оптическое совмещение астрометрических положений .... 189
4.4 Оценка физических параметров для двух индивидуальных источников . . 193
4.4.1 Квазар 3C309.1 (1458+718)....................................... 193
4.4.2 Квазар 0850+581 ................................................ 195
4.5 Заключение..............................................................198
5 Широкодиапазонные спектры активных ядер галактик 200
5.1 Введение................................................................200
5.2 Наблюдения мгновенных спек тров 550 компактных внегалактических объектов в диапазоне 1-22 ГГц на радиотелескопе РЛТАН-600 .................... 201
5.2.1 Выборка источников...............................................201
5.2.2 Наблюдения ......................................................202
5.2.3 Обработка сканов и калибровка....................................204
5.2.4 Результаты наблюдений............................................208
5.3 Переменность шнрокодиапазопнмх спектров 550 активных ядер галактик 215
5.3.1 Наблюдения ......................................................216
5.3.2 Обсуждение ......................................................216
5.4 Анализ выборки внегалактических радиоисточников
WMAP на частотах 2.3-22 ГГц ............................................221
5.5 “Транзиентные” источники с пиком на Гигагерцах..........................224
5.6 Компактная струя в далеком квазаре PKS 0858—279 со спектром типа GPS 226
5.6.1 Свойства GPS квазара 0858—279 226
5.6.2 Обнаружение струи на парсековых масштабах ....................227
5.7 Спектральное распределение энергии от радио до 7-диапазона..............232
5.8 Заключение..............................................................236
Заключение — основные результаты, выносимые на защиту 239
у-
ь
Список иллюстраций
1.1 Естественно-взвешенные контурные VLBA карты полной интенсивности
на 15 ГГц дня наблюдений ЛЯГ из выборки MOJAVE......................... 29
1.2 Контурные VLBA карты полной интенсивности на 15 ГГц, суммированные
но всем эпохам, для АЯГ из выборки MOJAVE.............................. 30
1.3 Атлас зависимости коррелированного РСДБ потока от проекции базы на картинную плоскость для объектов выборки.................................. 41
1.4 Приме]) переменности коррелированной плотности потока для десяти представительных источников............................................ 52
1.5 Пример сравнения данных в области изображения и в области пространственных частот для квазара 0909+015............................... 53
1.6 Зависимость предельного разрешения от отношения сигнал-шум.............. 60
1.7 Распределения плотности потока для всей выборки и подвыборки MOJAVE 62
1.8 Распределение медианных значений индекса компактности и доминантности 63
1.9 Невзвешенное усреднение видности в зависимости от проекции базы на картинную плоскость для выборки MOJAVE.................................... 64
1.10 Распределение модельных параметров РСДБ ядер........................... 66
1.11 Сравнение позиционных углов РСДБ ядра, струи и диаграммы направленности VLBA......................................................... 67
1.12 Распределение максимальной яркостной температуры РСДБ ядра в системе отсчета источника для всех объектов выборки..................... 68
1.13 Зависимость РСДБ кинематика — яркоетная температуры ядер........... 69
1.14 Индекс переменности................................................ 71
1.15 Характеристики быстропеременных радиоисточников на масштабах суб-парсеков........................................................... 73
1.16 Мевзвешенное усреднение видности в зависимости от проекции базы на картинную плоскость для выборки EGRET-объектов..................... 76
1.17 Ошибки измерения относительного положения РСДБ деталей............. 82
1.18 Изменение во времени углового расстоянии между деталями струи и ядром. 85
1.19 Модели кинематики и положение на небе отдельных надежных струйных деталей для АЯГ выборки MOJAVE..................................... 86
1.20 Продолжение........................................................ 87
1.21 Рисунки траекторий компонентов с ускорением в 0333+321 и 1222+216. . . 89
1.22 Рисунки траекторий компонент с ускорением в 3C273, 1928+738, и 2223—052 90
1.23 Гистограмма проекции линейного расстояния для деталей с положительным и отрицательным продольным ускорением видимого движения........ 91
1.24 Распределение проекции расстояния от ядра для деталей струй с низкой скоростью видимого движения в выборке MOJAVE....................... 93
5
СПИСОК РИСУНКОВ с
1.25 Распределение угловой видимой скорости................................... 94
1.2G Распределение видимых скоростей 502 надежных деталей струй АЯГ с
измеренными красными смещениями в выборке MOJAVE................... 98
1.27 Зависимости сверхсветовых скоростей от красного смещения для самых быстрых компонентов для 119 струй выборки MOJAVE......................... 99
1.28 Зависимость максимальной скорости струп от радиосиетимостп на VLBA
на 2 см для 119 струй из выборки MOJAVE................................100
1.29 VLBA изображение джета в М87 на 2 см...................................103
1.30 Струя в М87 на 15 ГГц и се сечение поперек.............................104
1.31 Положения семи отдельных деталей струи М87, которые видны на нескольких эпохах, как функция времени..........................................105
1.32 РСДВ изображение 1156ч 295 на 15 ГГц, наблюденное 5 февраля 2007 г., полученное с натуральным взвешиванием....................................110
1.33 Коррелированная плотность потока 11564-295 во времени после применения разных калибровочных решений.........................................111
1.34 Калиброванная коррелированная плотность потока для параметра Стокса 1 1156-Ь295 (Ян) как функция (u,v) радиуса (МЛ) для каждого скана в РСДВ эксперименте 5 с|>свраля 2007 года...........................112-
1.35 Интегральная плотность потока 1156-1 295, полученная усреднением коррелированной плотности потока на проекциях баз короче 100 МЛ.............114
1.36 Параметры возможных рассеивающих экранов...............................116
2.1 Иллюстрация процесса отбора кандидатов в полную выборку................123
2.2 Пример 1>сзультатов поискового РСДБ обзора.............................127
2.3 Вероятность найти калибратор в пределах заданного расстояния от источника со склонением S > —30°..............................................132
2.4 Гистограммы распределения интегральной плотности потока с миллисекундных масштабов и диапазоне S (2 ГГц) и X (8 ГГц)......................132
2.5 Гистограммы распределения плотности потока излучения компактных деталей РСДБ структуры в диапазоне S и X...................................133
2.6 Гистограмма распределения двухточечного спектрального индекса а (S сх
vQ) полного потока излучения с РСДБ масштабов в диапазоне 2.3- 8.6 ГГц. 133
2.7 Гистограммы распределения компактности РСДБ структуры объектов выборки в диапазоне S и X..................................................134
3.1 Зависимости между радио и 7-координатами внегалактических объектов, кросс-идентифицированных между РСДБ и Permi LAT каталогами...............140
3.2 Распределение разности АР между РСДБ и 7-координатами..................141
3.3 Средний Fermi LAT фотонный поток в интервале энергий 100 МэВ - 1 ГэВ в зависимости от плотности радиопотока с парсековых масштабов, измеренной не одновременно на VLBA на 8 ГГц.....................................143
3.4 Распределение РСДБ потока на 8 ГГц для статистически полной выборки
со следующими характеристиками: Svlbi > 0-2 Ян и <5 > —30°.............145
3.5 Распределения по красному смещению АЯГ из выборки MOJAVE...............148
3.6 Распределения максимальных скоростей струй.............................149
3.7 Распределения видимых скоростей струй..................................150
СПИСОК РИСУНКОВ 7
3.8 Средний фотонный поток Ftnni LAT в интервале 100 МэВ - 1 ГэВ в зависимости от плотности квази-одно временного потока на 15 ГГц..............152
3.9 Распределения плотности радио потока на 15 ГГц для полной выборки MOJAVE...................................................................153
3.10 Распределение светимости на 15 ГГц. рассчитанное для величины 5,г)8 для квазаров из выборки MOJAVE...............................................154
3.11 Распределение индекса радио активности для полной выборки MOJAVE Л 55
3.12 Распределение медианных величин яркостной температуры 'Д для РСДБ ядер в полной выборке MOJAVE.............................................156
ЗЛЗ Пример определения ширины струи: рассмотрение метода в применении к РСДБ данным квазара 1641+399 на 15 ГГц, наблюденного 25 февраля 2009 г........................................................................158
3.14 Распределения видимых углов раскрыва струй, полученных по методу сечения ...................................................................159
3.15 Корреляционная кривая для радио и 7-излучения АЯГ........................166
3.16 Фотонный Fermi LAT поток в диапазоне 0.1 — 100 ГэВ в зависимости от плотности VLBA потока от ядра па 15 ГГц для пар данных, у которых VLBA измерения были проведены на 2.5 ± 0.2 месяца позже измерения потока на LAT.................................................................167
3.17 Переменность линейной поляризации на масштабах парсеков в квазаре 1502+106................................................................ 170
3.18 Широкодиапазонные радио спектры квазара 1502+106 во время 7-вспышки.
171
3.19 Переменность линейной поляризации на масштабах парсеков в Сейфер-товской галактике PMN J0948+0022........................................ 172
3.20 Центральная область радиогалактики ЗС84 на нарсковых масштабах. . . 173
4.1 Схема, иллюстрирующая зависимость от частоты сдвига положения РСДБ ядра.....................................................................177
4.2 Вспышечная переменность широкодиапазонных РАТАН-600 спектров струй активных галактик, обусловленная синхротронним самопоглащенисм. . . 178
4.3 Пример результатов глобального РСДБ эксперимента для квазара J1642+6856.181
4.4 Гистограмма величии сдвигов ядер для 29 внегалактических струй............182
4.5 Зависимости между различными полученными параметрами струй для проверки наличия возможной систематики в результатах.....................183
4.6 Распределение сдвигов ядер, связанных с блепдироваиием....................184
4.7 Зависимость отношения сдвигов ядра от отношения плотностей спектрального потока ядра на 8.6 ГГц..............................................186
4.8 Влияние сдвига ядра на позиционное совмещение многочастотных РСДБ изображений на примере спектрального индекса а для струи в источнике
ЗС 120...................................................................188
4.9 Профили спектрального индекса вдоль центральной линии джета, полученные для трех вариантов совмещений карт галактики ЗС 120...............189
4.10 VLBA CLEAN-карты полной интенсивности от 15.4 до 1.4 ГГц для квазара
ЗС 309.1................................................................ 194
4.11 Результаты анализа .многочастотных РСДБ данных для квазара ЗС 309.1. 195
СПИСОК РИСУНКОВ 8
4.12 CLEAN-кнрты квазара 08504-581 но данным, измерения которых прошли одновременно на системе VLBA 17 февраля 2008 г....................197
4.13 Зависимость величины сдвига видимого ядра квазара 0850 -581, измеренной относительно его положении на 43 ГГц, от частоты....................198
5.1 Пример полной записи (скана) для объекта 4С 39.25 ..................... 204
5.2 Пример подгонки моделируемой диаграммы направленности Северного сек-
тора РАТАН-600 к отклику на источник для наблюдения 4С 39.25 .......... 205
5.3 Калибровочный коэффициент Fcni в зависимости от высоты h на всех дойнах волн................................................................20G
5.4 Сравнение наших и чужих опубликованных наблюдательных данных для
некоторых слабоперсменных ярких радиоисточников.........................209
5.5 Измеренные мгновенные спектры 546 компактных объектов...................214
5.G Примеры промоделированных спектров суммой двух основных компонент. 217
5.7 Примеры сильной долговременной переменности широкополосных мгно-
венных спектров, наблюденных в 1997-2001 гг. для 5 АЯГ. 218
5.8 Примеры сильной долговременной переменности широкополосных мгновенных спектров, наблюденных в 1997-2001 гг. для 12 АЯГ 219
5.9 Пример непеременных спектров из мониторинга на РАТАН-600............... 220
5.10 Гистограммы распределения источников по плотности потока, наблюденной РАТАН-600 на 22 ГГц в течение первого года миссии WMAP..............222
5.11 Гистограммы распределения источников по многочастотным спектральным индексам и многочастотным индексам переменности.....................223
5.12 Радиоспектры, полученные на РАТАН-600 в 1997-2003 гг. для отобранных “транзиентных GPS/HFP” источников.......................................225
5.13 Примеры спектров, наблюденных на РАТАН 600 в 1997-2003 гг., для источников, подтвержденных как GPS/HFP, а также для радиоисточников
— новых кандидатов в GPS/HFP источники..................................226
5.14 Переменность широкополосного спектра GPS квазара 0858—279.............. 228
5.15 Многочастотные кривые блеска, полученные по данным РАТАН-600 доя квазара 0858 -279...................................................... 229
5.16 Квазар 0858—279 на парсековых масштабах.................................230
5.17 Карта спектрального индекса квазара 0858—279 между 15 и 22 ГГц, комбинированная с контурной картой CLEAN на 15 GHz.........................231
5.18 Пример SED спектров для шести активных ядер.............................233
5.19 Спектр радиогалактики 3081, измеренный на РАТАИ-600 в сентябре 2008 года в сравнении с предыдущими 15 годами наблюдений.....................235
5.20 Распределение энергии и ее модельный анализ для радиогалактики ЗС84. 236
9
Список таблиц
1.1 Большие РСДБ обзоры активных ядер галактик с картографированием. . 23
1.2 Статистически полная но величине коррелированной плотности потока выборка активных ядер галактик MOJAVE........................................ 25
1.3 Параметры карт на 15 ГГц.............................................. 26
1.4 Общие характеристики выборки объектов, анализ тонкой структуры которых обсуждаечся в § 1.3 35
1.4 Общие характеристики выборки объектов, анализ тонкой структуры которых обсуждается в § 1.3 ............................................ . 36
1.4 Общие характеристики выборки объектов, анализ тонкой структуры которых обсуждается в § 1.3 37
1.4 Общие характеристики выборки объектов, анализ тонкой структуры которых обсуждается в § 1.3 38
1.4 Общие характеристики выборки объектов, анализ тонкой структуры которых обсуждается в § 1.3 39
1.5 Параметры источников той эпохи наблюдения, для которой величина неразрешенного коррелированного потока максимальна.............................. 56
1.5 Параметры источников той эпохи наблюдения, для которой величина неразрешенного коррелированного потока максимальна.............................. 57
1.5 Параметры источников той эпохи наблюдения, для которой величина неразрешенного коррелированного потока максимальна.............................. 58
1.5 Параметры источников той эпохи наблюдения, для ко торой величина неразрешенного коррелированного потока максимальна.............................. 59
1.5 Параметры источников той эпохи наблюдения, для которой величина неразрешенного коррелированного потока максимальна.............................. 61
1.6 Результаты моделирования средней (по выборкам) в ид ноет и двухкомпонентной моделью............................................................ 65
1.7 Параметры быстропеременных объектов выборки .......................... 72
1.8 Моделируемые компоненты струй......................................... 78
1.9 Кинематика струй......................................................101
1.10 Скорости деталей струи в М87..........................................106
2.1 Параметры частотных каналов (IF)......................................125
2.2 VOS каталог...........................................................130
3.1 Список успешно отождествленных Fermi LAT ярких 7-источников с РСДБ-
компактиыми внегалактическими объектами ..............................142
3.2 Выборки активных ядер галактик, используемых в анализе § 3.3 147
9
СПИСОК ТАБЛИЦ 10
3.3 Выборка ЛЯГ из списка MOJAVE, продетектиро ванных LAT н течение
первого года работы......................................................101
3.4 Статистики корреляции потоков в радио и 7 для VLB А ядер в системе
отсчета источников.......................................................163
4.1 Результаты измерений сдвигов ядер 29 ярких внегалактических радиои-
сточинков................................................................180
4.2 Теоретически предсказываемые величины сдвигов ядер......................191
5.1 Выборка 550 компактных внегалактических объектов........................211
5.2 Параметры широкополосных приемников РАТАН ООО в 1997 году, использованных нами в наблюдениях .............................................212
5.3 Измеренные и оцененные ширины и отношения г для диаграммы направ-
ленности Северного сектора РАТАН ООО со вторичным зеркалом №1 для разных длин волн Л и высот h .......................................212
5.4 Параметры калибровочных источников, используемых для привязки к шкаг
ле плотности потока......................................................213
5.5 Результаты мгновенных б-частотных наблюдений 550 объектов на радиотелескопе РАТАН 600......................................................215
5.6 Зависимость среднего индекса переменности от частоты для разных под-
выборок источников.......................................................221
11
Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Изучение галактик позволило выявить следующие основные процессы их активности: активность в ядре, обусловленная наличием сверх массивной черной дыры, вспышка звездообразовании в галактике, взаимодействие галактик. Работа связана с изучением первого процесса.
Современные представления об активных ядрах галактик предполагают наличие сверх-массивной черной дыры массой в миллиарды солнечных масс, которая подпитывается веществом и энергией из аккреционного диска (Rees 1984). Часть материи из диска преобразуется в коллимированные релятивистские выбросы, излучающие синхротронным механизмом в длинноволновой области электромагнитного спектра, высокоэнергичные фотоны генерируются механизмом обратного Комптон-эффекта.
Радиоастрономические исследования структуры ядер активных галактик и их переменности начались около 45-ти лет назад, но только в последние годы стало возможным получение полноценных, подробных и высококачественных радиоспектров и радноизоб-ражепий с высоким угловым разрешением для сотен внегалактических источников. Это произошло, в основном, по двум причинам: из-за улучшения чувствительности и углового разрешения нозых радиотелескопов и создания многоантенных систем апертурного синтеза, включая VLBA NRAO (Very Long Baseline Array, США) u EVN (European VLI3I Network, Европейская РСДБ сеть). Роль радиоастрономии в исследовании компактных объектов невозможно переоценить, так как именно методика радиоинтерферометрии со сверхдлшшыми базами (РСДБ, Матвеенко, Кардашсв, & Шоломицкий 1965) позволяет достигать предельное угловое разрешение на Земле до долей миллисекунды дуги, а разработка и запуск космических радиотелескопов (VSOP/Haloa. Радиоастрон/Спектр-Р) делает следующий качественный скачок в угловом разрешении.
Характеристики нетеплового спектра компактных ядер активных галактик, их переменность и наблюдаемые сверхсветовые движения в релятивистских струях успешно объясняются синхротронным механизмом излучения релятивистских частиц, ускоряемых в магнитном поле в окрестностях свсрхмосснвной черной дыры. Под релятивистской струей понимается узкий поток релятивистской плазмы, физические параметры которой, в общем случае, меняются во времени и пространстве. Представляет интерес выбор между конкретными физическими моделями возникновения и излучения релятивистских струй, исследование феномена быстрой переменности в радиодиапазоне, массово зарегистрированного в последние годы (см., например, Lovell efc al. 2003). Комплексные мно-гочастотныо исследования структуры и спектров, использующие наблюдения на РСДБ сетях и на одиночных антеннах, позволяют сделать количественные и качественные вывощи о физике процессов в этих компактных объектах. Сейчас становится возможным
11
ВВЕДЕНИЕ
12
проводить полноценный, значимый статистический анализ характеристик большого количества внегалактических объектов, наблюдаемых на одиночных антеннах и интерферометрах: спектров, компактной и протяженной ради ост рук туры, их переменности и поляризации. Таким образом, астрономы получают возможность пользоваться мощным методом при комплексном изучении внегалактических объектов разных типов — статистически исследовать ранее недоступные большие выборки объектов на многих частотах и с высоким угловым разрешением.
Качественный скачок в исследовании природы релятивистских струй в активных ядрах галактик обязан осуществлению многодшшазонного подхода — изучению электромагнитного спектра синхро-комптоновского излучения струй в диапазоне от радио до 7. Это происходит благодаря появлению телескопов нового поколения, обладающих необходимой чувствительностью в малоизученных диапазонах — ультрафиолетовом, рентгеновском, гамма, ТэВ. Многие из этих новых инструментов — космические.
В настоящее время открываются новые увлекательные возможности для изучения феномена активных ядер галактик. С одной стороны, опубликованы массовые результаты космического телескопа 7-диапазоиа Fermi 110 наблюдениям активных ядер галактик. В диссертации представлены результаты анализа этих уникальных данных. С другой стороны, 18 июля 2011 г. произведен успешный запуск космического радиотелескопа Спектр-Р проекта назем но-космического радио интерферометра Радиоастрон (Kaxdashcv 1997). Этот проект даст возможность исследовать тонкую структуру ядер активных галактик с небывалым угловым разрешением до десяти микросекунд дуги. Большой наблюдательный материал и анализ наземных РСДБ исследований, представленные в настоящей диссертации, бздут использоваться для эффективного планирования миссии. Заметим также, что результаты диссертации будут полезны и для будущих новых миссий наземно-космических радиоингерферомегров.
Целью работы является комплексное мі юговолновое исследование релятивистских струй в ядрах активных галактик. Основу исследований образуют новые данные наблюдений, полученные с участием автора на радиотелескопе PATAII-G00, РСДБ системе апертурного синтеза VLBA, глобальной РСДБ сети, а также результаты наблюдений других авто[юв в различных диапазонах электромагнит!юго спектра. Наблюдаемые свойства исследуются с помощью статистического анализа и сравнения с численными и аналитическими предсказаниями известных моделей релятивистских струй.
Научная новизна. Новизна работы определяется тем. что все основные результаты, вынесенные на защиту, получены либо впервые вообще, либо впервые по столь большому количеству объектов в изученных выборках. В частности, получен долговременный ряд измерений су б-миллисекундной структуры более 200 внегалактических объектов на 15 ГГц с помощью системы VLBA. Более 1300 внегалактических объектов были впервые успешно продетектированы методами РСДБ. Была измерена их миллисекундная структура и коррелированный поток излучения. На одиночном радиотелескопе РАТАН-600 проведены измерения мгновенных широкополосных спектров в диапазоне 1-22 ГГц на шести частотах для более 500 компактных внегалактических радиоисточников. Каждый спектр на всех частотах измерен практически одновременно — в течение нескольких минут. На данный момент это наиболее короткий временной интервал шестл-частотиых измерений, использованный для наиболее полного массового обзора широкополосных спектров компактных внегалактических объектов. Систематически для полной выборки струй измерены на 15 ГГц яркосгная температура, кинематика и ускорение видимого движения. Метод оценки величины потока излучения РСДБ компактных обла-
ВВЕДЕНИЕ
13
стеіі но результатам анализа интегрального потока на одиночных ан теннах предложен и апробирован в настоящей работе. Используя этот метод и измерения мгновенных спектров на РАТАИ-600, в результате проведенного РСДБ обзора па 2 и 8 ГГц плотность покрытия неба фазовыми калибраторами достигла величины, позволяющей проводить массовые эксперименты с применением относительной РСДБ астрометрии. Предложен метод идентификации 7-ярких объектов с использованием РСДБ каталогов. Найдена прямая статистически значимая корреляция фотонного 7-потока активных ядер галактик с плотностью радиопотока излучения их компактных струй. Статистически значимо локализована області» генерации вспышек в 7-диапазоне. Продетектирована рекордная (40%) амплитуда быстрой переменности потока излучения компактного внегалактического объекта на 15 ГГц. Найдена прямая связь между свойствами быстрой переменности и РСДБ компактностью. Измерен эффект видимого сдвига РСДБ ядра с частотой для выборки 29 внегалактических объектов и показана важность его приложения для астрофизических и астрометрических РСДБ исследований. Уверенно иродетектирован “контр-джег” в галактике Дева А (М87) и достигнут рекордный динамический диапазон РСДБ изображения на 15 ГГц — 15000:1. Получены массовые квазиодновременные спектры излучения активных ядер галактик от радио- до 7-диапазонов.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты наблюдений и анализа ядер активных галактик могут быть использованы в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях в области внегалактической астрофизики. Полученный список источников, для которых обнаружена незначительная разница между интегральным потоком излучения с площадки диаметром в миллисекунды дуги но данным VLBA и потоком, регистрируемым одиночными антеннами по данным РАТАН-600, рекомендуется к использованию для амплитудной калибровки и/или её проверки в рамках обработки РСДБ наблюдений. Обнаруженные РСДБ-компактныс внегалактические объекты уже использованы для построения новой более точной инерциальной системы отсчет (1CRF2, см. IERS Technical Note 35'), а также как опорные источники при геодезических РСДБ сеансах и фазовые калибраторы РСДБ наблюдений. Те из них, которые оказываются достаточно яркими в оптическом диапазоне, будут использоваться для привязки и независимой оценки ошибок радио (РСДБ - ICRF2) и будущей высокоточной оптической (но результатам астрометрического спутника GAIA) систем отсчета. Этот же список активно используется для идентификации Fermi объектов. Увеличение видимой плотности на небе открытых РСДБ-компактиых объектов привело к увеличению точности РСДБ экспериментов относительной астрометрии. Измеренная величина видимого сдвига РСДБ ядра с частотой, а также метод по её учету, будут полезны для мпогочастотиого РСДБ анализа релятивистских струй и для увеличения точности сравнения инерцнальимх систем отсчета, построенных на разных частотах в радподиапазоне, а также при сличении радио (РСДБ) и оптических (космический проект GAIA) систем отсчета. Таблица с параметрами компактных источников на многих частотах на парсеко-вых п суб-парсековых масштабах используется при подготовке списков внегалактических объектов для наблюдений и калибровки РСДБ экспериментов, в частности, в рамках проекта космического интерферометра Радионстрон — как для подготовки тестов, так и научной программы миссии. Данные наблюдений широкодиапазонных спектров на PATAH-G00 используются для проверки и/или калибровки наблюдений на одиночных антеннах, ддя отбора кандидатов в предельно компактные объекты с целью дальнеп-
1http://www.iors.org/IERS/EN/Publications/TechnicalNotes/tn35.html
ВВЕДЕНИЕ
14
iiiiix измерений их в РСДБ-обзорах и для совместного анализа с данными, полученными на РСДБ-сетях и в многоволновых экспернмен']ах от радио- до ТэВ-диапазона.
Личный вклад автора в совместные работы. Все работы из приведенного Списка публикаций по теме диссертации представляют результаты экспериментов и их анализа. Все, кроме работ |7,32,37|, выполнены в соавторстве, в период е 1997 но 2011 год. В основном, это РСДБ и шнрокодшшазониые спектральные радиоизмерения, в которых автор принимал активное непосредственное участие на всех или ключевых этапах эксперимента: РСДБ-измерения с помощью международных многоантенных систем апертурного синтеза в США и Европе, и многочастотные спектральные наблюдения на радиотелескопе РАТАН-600 CAO РАН (ст. Зеленчукская, КНР, Россия). На защиту выносятся те результаты, в которых вклад автора диссертации был определяющим или сравнимым со вкладом соавторов. Конкретизация вклада:
Вклад диссерганта в РСДБ исследования состоял в определяющем или равном участии в постановке задачи, планировании эксперимента, калибровке данных для получения астрофизической информации, включая картографирование, анализе РСДБ результатов в области пространственных частот, статистическом анализе результатов, интерпретации и выводах, написании статей.
Во всех работах на РАТАН-600 автор: готовил и представлял в Комитет по тематике больших телескопов научные заявки на наблюдательное время; составлял круглосуточные расписания наблюдений и электронные задания Fia установки радиотелескопа; участвовал в наблюдениях; обрабатывал измерения всех источников, кроме калибровочных; строил мгновенные спек тры по результатам обработки и калибровки измерений; участвовал с соавторами в анализе и интерпретации результатов и в написании статей.
Участие в работах но совместным многодиапазоыным исследованиям (в том числе с орбитальной 7-обсерваторией Parmi, WEBT и другими телескопами во всем диапазоне электромагнитных волн — от радио до ТэВ): представление новых результатов наблюдений и анализа по избранным исследуемым источникам, выполненных на РСДБ-сетках и на РАТАН-600, обсуждение много-диапазонного анализа всех данных и его результатов, участие в написании статей. Определяющее или равное участие на всех этапах работ по радно-7 анализу больших выборок (более согни) “радио-г ром к их” активных ядер галактик.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти Глав п Заключения. Содержит 95 рисунков, 24 таблиц, и библиографию из 382 наименований. Общий объем составляет 260 страниц, включая рисунки, таблицы и библиографию.
Апробация результатов. Результаты, изложенные в диссертации, обсуждались автором на семинарах Астрокосмического цен тра ФИАН (Россия), Отделения теоретической физики им. U.E. Тамма ФИАН (Россия), Специальной Астрофизической Обсерватории РАН (Россия), Главной Пулковской Астрономической Обсерватории (Россия), Национальной Радиоастрономической Обсерватории (Грин Бэнк и Шарлоттесвиль, США), Национального Аэрокосмического Агентства (NASA, Годдард, США), Физического факультета университета Purdue (США). ASTRON (Нидерланды), института Макса Планка по радиоастрономии (Германия), университета Тюбингена (Германия). Национальной Астрономической Обсерватории Японии (Япония), Космического Агентства Японии (ЛАХА, Япония), университета Ямагучи (Япония), университета Кагоитима (Япония), университета Валенсии (Испания), на более 20 научных конференциях в СНГ и России, а также на более 40 международных научных конференциях, включая шесть конференций с приглашенными обзорными докладами. В частности, результаты диссертации
ВВЕДЕНИЕ
15
обсуждались на следующих конференциях:
1. Всероссийские астрономические конференции, Санкт-Петербург (2001), Москва (2004),
Казань (2007), Нижний Архыз (2010).
2. “Актуальные проблемы внегалактической астрономии”, Нунцию (2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009).
3. “International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) 2008 General Meeting", Санкт-Петербург, Россия (2008).
4. EVN Symposium, Бонн, Германия (2002). Болонья, Италия (2008)
о. 202-ая конференция Американского Астрономического Общества, Нэшвиль, США (2003).
6. “Blazar Variability workshop", Майами, США (2005).
7. “Challenges of Relativistic jets”, Краков, Польша (2006).
8. “Extragalactic Jets: Theory and Observation from Radio to Gamma Ray", Гирвуд, Аляска
(2007).
9. IAU Symposium 248, “A Giant Step: from Milli- to Micro-arcsccond Astrometry", Шанхай,
Китай (2007).
10. “Reaching Micro-Arcsccond Resolution with VSOP-2: Astrophysics and Technology”, Токио, Япония (2007).
11. “The Fourth Workshop on Compact Steep Spectrum and GHz-Peaked Spectrum”, Ричи-оне, Италия (2008).
12. “Радиовселенная с экстремальным угловым разрешением”, Москва, Россия (2008).
13. “The Central Kiloparsoc: Active Galactic Nuclei and Their Hosts”, Иэрапстра, Крит, Греция (2008).
14. “Accretion and ejection in AGN: a global view”, Комо, Италия (2009).
15. Fermi symposium II (2009: Вашингтон, США) и III (2011: Рим, Италия).
10. “Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра", Москва (2010).
17. Региональная конференция МАО Азиатско-Тихоокеанского региона, Чан Май, Таиланд (2011).
Опубликованные статьи, содержащие основные результаты диссертации, признаны, подтверждены независимыми исследованиями, часто цитируются в мире (более 1600 цитирований). Индекс Хирша (Hirsch 2005) на июль 2011 г. равен 26. Эта статистика приведена поданным базы астрофизических публикаций NASA ADS (Kurtz et al. 2000).
Основные результаты, выносимые на защиту
Данная научно-квалификационная работа суммирует результаты по изучению природы релятивистских струй в активных ядрах галактик, полученные при качественном изменении подхода — от исследований отдельных объектов особого интереса к глубокому изучению больших статистически полных выборок компактных внегалактических объектов на многих частотах с линейным разрешением вплоть до суб-парсеков. Основные результаты работы суммированы в Заключении диссертации
Содержание работы
Диссертации состоит из Введения, пяти Глав и Заключения.
ВВЕДЕНИЕ
10
Во Введении кратко рассмотрены основные представления о природе активных ядер галактик, их переменности, показана важность и перспективность исследований компактных внегалактических объектов современными методами, дана общая характеристика диссертации.
Глава 1 посвящена описанию долговременного исследования миллисекундной структуры активных ядер галактик на 15 ГГц. Переход от индивидуальных к массовым измерениям позволил использовать статистические методы анализа для изучении характеристик 1>елятивистских выбросов в активных ядрах галактик на масштабах суб-парсеков.
В Главе 2 представлены результаты поискового обзора компактных внегалактических объектов на 2 и 8 ГГц.
Глава 3 посвящена совместному анализу данных наблюдений в радио- (РСДБ и одиночные антенны) и 7- (Еегтг) диапазонах.
Глава 4 посвящена исследованию эффектов поглощения синхротронного излучения в ядрах струй активных галак тик.
Глава 5 посвящена исследованию многочастотных спектров радиоизлучения, измеренных на РАТАН-600 в интервале от 1 до 22 ГГц, и их применению в многодиапазоином анализе переменного излучения струй в активных ядрах галактик.
В Заключении сформулированы основные результаты работы, выносимые на защиту.
ВВЕДЕНИЕ
17
Список публикаций по теме диссертации
Результаты автора по теме диссертации опубликованы в научных журналах и в трудах упомянутых выше конференций. Основные результаты диссертации суммированы в следующих 52 статьях. Все приведенные статьи опубликованы в изданиях, находящихся в Перечне ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, удовлетворяя достаточному условию присутствия в хотя бы одной из систем цитирования — библиографических баз Web of Science (база но естественным наукам: Science Citation Index Expanded) и Astrophysics (NASA Astrophysics Data System).
1. Kovalev, Y. Y., Nizhelsky. N. A., Kovalev, Yu. A., Berlin, A. B., Zhekanis, G. V., Mingaliev, M. G., Bogdantsov, A. V., “Survey of Instantaneous 1 22 GHz Spectra of 550 Compact Extragalactic Objects with Declinations from -30° to +43°”, 1999, A&A Suppl., 139, 545-554.
2. Попов, М. В., Ковалев. IO. Ю., “Статистический анализ радновыбросов в квазарах”, 1999, Астрон. жури., 76, 643-655.
3. Kovalev, Yu. A., Kovalev, Y. Y., Nizhelsky, N. A., “Broad Band Spectra Study of 213 VSOP 5-GHz Survey Sources”, 2000, PASJ, 52, 1027-1036.
4. Kovalev, Y. Y., Kovalev, Yu. A., Nizhelsky, N. A., Bogdantsov, A. B., “Broad-Band Radio Spectra Variability of 550 AGNs in 1997-2001”, 2002, PASA, 19, 83-87.
5. Kellormann, К. I., Lister, M. L., Homan, D. C., Vermeulen, R. C., Cohen, М. H., Ros.
E., Zonsus, J. A., Kadler, М., & Kovalev, Y. Y., “Sub-milliarcsecond Imaging of Quasars and Active Galactic Nuclei. III. Kinematics of Parsec-Scalcs Radio Jets”, 2003, ApJ, 609, 539-563.
6. Пушкарев, А. Б., Ковалев, IO. IO., Молотов, И. E., Нечаева, М. Б., Горшенков, IO.
11., Туккари, Дж., Стангелини, К., Хонг, III., Куик, Дж., Доугхерти, Ш., Лю, 111., “Квазиодиовремсииые РСДБ и РАТАН-600 наблюдения активных ядер галактик”, 2001, Астрон. жури., 81, 988-997.
7. Kovalev, Y. Y., “Temporary GPS/HFP radio sources”, 2005, Baltic Atron., 14, 413-416.
8. Bottcher, М., et al. (всего 71 автор, включая К). К). Ковалева), “Coordinated Multiwavelen Observations of ЗС 66A during the WEBT campaign of 2003-2004”, 2005, ApJ, 631, 169-186.
9. Raiteri, С. М., et al. (всего 67 авторов, включая IO. Ю. Ковалева), “The WEBT campaign to observe AO 0235+16 in the 2003-2004 observing season”, 2005, A&A, 438, 39-53.
10. Kovalev Y. Y., Kovalev, Yu. A., Nizhelsky N. A., “Analysis of WMAP sample of extragalactic sources at 2.3-22 GHz”, 2005, Baltic Atron., 14, 389-391.
11. Petrov, L., Kovalev, Y. Y., Fomalont, E. B., & Gordon, D.,‘The Third VLBA Calibrator Survey”, 2005, AJ, 129, 1163-1170.
ВВЕДЕНИЕ
18
12. Kovalev, Y. Y., Kellermann, K. I., Lister, M. L., Hornau, D. C., Venneuleii, R. C., Cohen, M. H., Ros, E., Kodier, M., Lobanov, A. P., Zensus, J. A., Karclashev. N. S., Gurvits, L. I., Aller, M. F., & Aller. H. D., “Sub-milliarcsecond Imaging of Quasars and Active Galactic Nuclei IV. Fine Scale Structure”, 2005, АЛ, 130. 2473-2505;
“Erratum: “Sub-Milliarcsecond Imaging of Quasars and Active Galactic Nuclei. IV. Fine-Scale Structure” (АЛ, 130, 2473 |2005|)”, 2006, АЛ, 131, 2361.
13. Raiteri, C. M., ct al. (всего 61 автор, включая IO. К). Ковалева), “Multifrequency variability of the blazar AO 0235+164. The WEBT campaign in 2004-2005 long-term SED analysis”, 2000, A&A, 459, 731-743.
14. Villata, M., ct al. (всего 88 авторов, включая Ю. JO. Ковалева), “The unprecedented optical outburst of the quasar 3C 454.3. The WEBT campaign of 2004-2005”, 2006, A&A, 453, 817-822.
15. Homan, D. C., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Ros, E., Kellermann, K. I., Cohen, M. H., Venneulen, R. C., Zensus, Л. A., & Kadler, M., “Intrinsic Brightness Temperatures of AGN 4ets”, 2006, АрЛ Lett., 642, L115-L118.
10. Petrov, L., Kovalev, Y. Y., Fomalont, E. B., & Gordon, D., “The Fourth VLB A Calibrator Survey”, 2006, АЛ, 131, 1872-1879.
17. Böttcher, M., et al. (всего 80 авторов, включая Ю. Ю. Ковалева), ‘The WEBT Campaign on the Blazar 3C 279 in 2006”, 2007, АрЛ, 670, 968-977.
18. Kellermann, K. I., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Homan, D. C., Kadler, M., Cohen,
M. H., Ros, E., Zensus, Л. A., Vermeiden, R. C., Aller, M. F., Aller. H. D., “Doppler Boosting, Superluminal Motion, the Kinematics of AGN 3et”, 2007, Astropliys. & Space Sei., 311, 231.
19. Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Homan, D. C., Kellermann, K. I., ‘The Inner .let of the Radio Galaxy M87”, 2007, АрЛ Lett., 668, L27-L30.
20. Cohen, M. H., Lister, M. L., Homan, D. C., Kadler, M., Kellermann, K. I., Kovalev,
Y. Y., Vermeiden, R. C., “Relativistic Beaming and the Intrinsic Properties of Ext.ragalactic Radio .Jets”, 2007, АрЛ, 658, 232-244.
21. Raiteri, C. M., et al. (всего 76 авторов, включая IO. К). Ковалева), “WEBT ami XMM-Newton observations of 3C 454.3 during the post-outburst phase. Detection of the little and big blue bumps”, 2007, A&A, 473, 819-827.
22. Villata, M., et al. (всего 49 авто1юв. включая 10. IO. Ковалева), “The radio delay of the exceptional 3C 454.3 outburst. Follow-up WEBT observations in 2005-2006”, 2007, A&A Lett., 464, L5-L9.
23. Kovalev, Y. Y., Petrov, L., Fomalont, E. B., Gordon, D., “The Fifth VLBA Calibrator Survey: VCS5”, 2007. АЛ, 133, 1236-1242.
24. Larionov. V. M., et. al. (всего 71 авторов, включая Ю. К). Ковалева), “Results of WEB'r, VLBA and ИХТЕ monitoring of 3C 279 during 2006-2007”, 2008, A&A, 492, 389-400.
ВВЕДЕНИЕ
19
25. Savolainen, Т., Kovalev, Y. Y., “Serendipitous VLBI detection of rapid, largc-amplitude, intraday variability in QSO 1156-Ь295”, 2008, A&A Lett., 489, L33-L36.
26. Kovalev, Y. Y., Lobanov, A. P., Pushkarev, A. B., Zensus, J. A., “Opacity in compact extragalactic radio sources and its effect on astrophysical and astrometric studies”, 2008, A&A, 483, 759-768.
27. Kovalev, Y. Y., Lobanov, A. P., Pushkarev, A. B., “Physics of the central region in the quasar 0850+581”, 2008, Memorie della Societa Astronomica Italiana, 79, 1153-1156.
28. Vollmer, В., Krichbaum, T. P., Angelakis, E., Si Kovalev, Y. Y., “Quasi-siinultaneous multi-frequency observations of inverted-spectrum GPS candidate sources”, 2008, A«VA, 489, 49-55.
29. Pet.rov, L., Kovalev, Y. Y., Fomalont, E. B., Sc Gordon, D., “The Sixth VLBA Calibrator Survey’, 2008, AJ, 136, 580-585.
30. Kadler, M., Ros, E., Perucho. M., Kovalev, Y. Т., Homan, П. С., Agudo, I., Kellennaim, K. I., Aller, M. F., Aller, H. D., Lister, M. L., Zensus, J. A., “The Trails of Superluminal Jet Components in 3C 111”, 2008, ApJ, 680, 867-884.
31. Kataoka, J., Madejski, G., Sikora, M., Chester, M., Grupe, D.? Tkubuku, Y. Sato, R., Kawai, N., Tosti, G., Impiombato, D., Kovalev, Y. Y., Edwards, P. G., Wagner, S. J., Stawarz, L., Moderski, R., Takahashi, Т., Watanabe, S., “Multiwavelength Observations of the Powerful 7-ray Quasar PKS 1510-089: Clues to Particle Content in the Jet”, 2008, ApJ, 672, 787-799.
32. Kovalev, Y. Y., “Parsec-scale Jet in the Distant Gigahertz-Peaked Spectrum Quasar PKS 0858-279”, 2009, Astron. Nachr., 330, 141-144.
33. Abdo, А. А. (коллаборация Fermi), et al. (всего 208 авторов, включая Ю. IO. Ковалева), “Multiwavelength monitoring of the enigmatic Narrow-Line Seyfert 1 PMN J0948+0022 in March-July 2009”, 2009, ApJ, 707, 727-737.
34. Lister, M. L., Aller, H. D., Aller, M. F., Cohen, M. H., Homan, D. C., Kadler, M., Kellermann, K. I., Kovalev, Y. Y., Ros, E., Savolainen, Т., Zensus, J. A., Vermeiden, R. C., “MOJAVE: Monitoring of Jets in AGN with VLBA Experiments. V. Multi-epoch VLBA Images”, 2009, AJ, 137, 3718-3729.
35. Lister, M. L., Cohen, M. H., Homan, D. C., Kadler, M., Kellermann, K. 1., Kovalev, Y. Y., Ros, E., Savolainen, Т., Zensus, J. A., “MOJAVE: Monitoring of Jets in Active Galact ic Nuclei with VLBA Experiments. VI. Kinematics Analysis of a Complete Sample of Blazar Jets”, 2009, AJ, 138, 1874-1892.
36. Homan, D. C., Kadler, M., Kollermann, K. I., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Ros, E., Savolainen, Т., Zensus, J. A., “MOJAVE: Monitoring of Jets in Active Galactic Nuclei with VLBA Experiments. VII. Blazar Jet Acceleration”, 2009, ApJ, 706, 1253-1268.
37. Kovalev, Y. Y., “Identification of the Early Fermi LAT Gamma-Ray Bright Objects with Extragalactic VLBI sources”, 2009, ApJ Lett., 707, L56-L59.
ВВЕДЕНИЕ
20
38. Villata, М., et al. (всего 50 авторов, включая Ю. Ю. Ковалева), “The correlated optical and radio variability of BL Lacertae. VVEBT data analysis 1904-2005”, 2009. A&A, 501, 455-400.
39. Abdo, А. А. (коллаборация Fermi), et al. (всего 174 авторов, включая Ю. К). Ковалева). “Fermi Discovery of Gamma-Ray Emission from NGC 1275”, 2009, Ap.), 099. 31-39.
40. Lister, M. L., Homan, D. C., Kadler, М., Kellermann, К. I., Kovalev, Y. Y., Ros, E., Savolainen, 'Г., Zensus, Л. A., “A Connection Between Apparent VLBA .Jet Speeds and Initial AGN Detections Made by the Fermi Gamma-ray Observatory”, 2009, ApJ Lett., 696, L22-L26.
41. Kovalev, Y. Y., Aller, H. D., Aller, M. F., Homan, D. C., Kadler, М., Kellermann, К. I., Kovalev, Yu. A., Lister, M. L., McCormick, М.J., Pushkarev, A. B., Ros, E., Zensus, J. A., “The relation between AGN gamma-ray emission and parsec-scale radio jets”, 2009, ApJ Lett., 696, L17-L21.
42. Pushkarev, A. B., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Savolainen, Т., “Jet opening angles and gamma-ray brightness of AGN”, 2009, A&A Lett., 507, L33-L36.
43. Horan, D., et al. (всего 74 авторов, включая Ю. Ю. Ковалева), “Multiwavelength Observations of Markarian 421 in 2005-2006”, 2009, ApJ, (595, 596-618.
44. Pushkarev, A. B., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., “Radio/Gainma-ray Time Delay in the Parsec-scale Cores of Active Galactic Nuclei”, 2010, ApJ Lett., 722, L7-L11.
45. Chang, С.-S., Ros, E., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., “VLBI detection of the HST-1 feature in the M87 jet at 2 cm”, 2010, A&A, 515, A38 (9 страниц).
46. Hovatta, Т., Lister, M. L., Kovalev, Y. Y., Pushkarev, A. J3., Savolainen, Т., “The Relation between Radio Polarization and Gamma-ray Emission in AGN Jets”, 2010, International Journal of Modern Physics D, 19,1)43-948.
47. Abdo, А. А. (коллаборация Fermi), et al. (всего 257 авторов, включая К). К). Ковалева), “The Spectral Energy Distribution of Fermi bright blazars”, 2010, ApJ, 716, 30-70.
48. Savolainen, Т., Homan, D. C., Hovatta, Т., Kadler, М., Kovalev, Y. Y., Lister, M. L., Ros, E., Zensus, J. A., “Rclativistic beaming and gamma-ray brightness of blazars”, 2010, A&A, 512, A24 (6 страниц).
49. Abdo. А. А. (коллаборация Fermi), ct al. (всего 208 авторов, включая Ю. Ю. Ковалева), “PKS 1502 1-106: A New and Distant Gamma-ray Blazar in Outburst Discovered by the Fermi Large Area Telescope”, 2010, ApJ, 710, 810-827.
50. Abdo, А. А. (коллаборация Fermi), et al. (всего 368 авторов, включая Ю. 10. Ковалева), “Fermi Large Area Telescope Observations of Markarian 421: The Missing Piece of its Spectral Energy Distribution”, 2011, ApJ, 736, id.131 (22 страницы).
ВВЕДЕНИЕ
21
51. Foschini, L., Ghisellini, G., Kovalev, Y. Y., et al., ‘The first gaimna-ray outburst of a narrow-line Scyfert 1 galaxy: the case ofPMN J09484-0022 in 2010 July’’, 2011, MNRAS, 413, 1671-1(577.
52. Abdo, А. А. (коллаборацня Fermi), et al. (всего 454 авторов, включая 10. Ю. Ковалева), “Insights Into the High-energy gamma-ray Emission of Markarian 501 from Extensive Multifrequency Observations in the Fermi Era”, 2011, ApJ, 727, id. 120 (26 страниц).
Более подробно рассмотрение современного состояния исследований но тому или иному воп]юсу, а также постановка задачи даются во введениях к соотве тствующим разделам диссертации.
В диссертации для рассчета расстояний применяется A-CDM космология со следующими параметрами космологических постоянных: Но = 0.71, ПП1 = 0.27, and = 0.73 (Komat.su et al. 2009).
Глава 1
Релятивистские струи и их эволюция на суб-парсековых масштабах
1.1 Введение
В течеиие последних нескольких десятилетий исследования струй в активных ядрах галактик (ЛЯГ') с папвьгешим угловым разрешением методом Радиоиптерферомотрии со сверхдлинными базами (РСДБ) позволили нам продвинуться очень далеко в понимании физики струй и процессов их коллимации. На сегодняшний день можно считать достаточно хорошо установленным, что активные ядра галактик представляют из себя сверхмассивные черные дыры, массой в миллиарды солнечных масс, подпитка энергией происходит за счет аккреции вещества из массивных дисков иа центральную черную дыру (Rees 1984).1 [асть энергии преобразуется и высвобождается наружу в виде симметричных релятивистских струйных выбросов (струй, джетов) излучающих синхротрон-ным механизмом из-за движения заряженных част иц по спирали “вдоль” силовых линий магнитного поля. Эти заряженные частицы — скорее всего электроны, хотя обсуждается в литературе и возможность излучения в струях релятивистских протонов.
Однако первые РСДБ эксперименты концентрировались только на нескольких наиболее ярких и/или близких галактиках (см., например, Cohen et. al. 1971,1975, Shaffer et al. 1975, Schilizzi et al. 1975). Понятно, что эти галактики — очень не типичны, с особенностями, делающими их наиболее пригодными для первых наблюдений с ограниченной чувствительностью. С вводом в строй регулярно действующих современных систем РСДБ — американской VLBA, Европейской EVN, австралийской LBA, глобальной высокочастотной GMVA — удалось сделать качественный скачок от работы с отдельными объектами до исследования больших представительных выборок активных ядер галактик.
Наверное, одной из самых значительных но объему затраченного наблюдательного времени и объему полученных результатов по праву можно назвать программу обзора компактных внегалактических объектов на системе VLBA на 15 ГГц. Она была начата (Kellermann et al. 1908) r 1994 году — как только система апертурного синтеза NRAO VLBA была полностью введена в эксплуатацию. Автор данной диссертации подключился к программе в 1997 году и участвовал или лидировал для некоторых задач во всех этапах работы: отборе источников, подготовке заявок на наблюдения, подготовке расписаний РСДБ наблюдений, обработке (или переобработке старых / архивных) VLBA данных, анализе результатов п подготовке статей. Для полноты картины в Табл. 1.1 приведен полный, но мнению автора (Kovalev 2009), список больших РСДБ обзоров активных
22
ГЛАВА 1. VLBA исследования струй на 15 ГГц 23
Таблица 1.1 Большие РСДБ обзоры активных ядер галактик с картографированием.
Название А (см) Ka>i-no источников Последняя ссылка Комментарий
C.JF обзор 18 & 6 293 Pollack ct nl. (2003) полная
ICRF/RDV 13 & 3.6 500 Ojha et al. (2004b) открытый!
VCS - VI, В А калибраторы 13 & 3.6 > 3400 Kovalev et al. (2007) открытый, полная
VSOP VLB A pis 6 374 Foniulont ct al. (2000)
VSOP обзор G « 300 Dodson et al. (2008)
VIPS 6 1127 Helmboldt et al. (2007) открытый, полная
2 сш обзор / 2 250 Kovalev ct al. (2005) открытый, полная
MOJAVE 2 > 133 Lister Homan (2005) открытый, полная
VERA FSS / VLBA GaPS 1.35 > 500 Petrov et al. (2007) открытый, полная
ICRFext 22 & 43 GIIz 1.35 & 0.7 > 100 Lanyi et al. (2005)
GMVA 3mm 0.3 121 Lee et. al. (2008)
Комментарий к последней колонке: “полная” означает, что выборка или подтзыборка объектов обзора является статистически полной до определенного уровня коррелированного потока; “открытый" — все или часть данных находится в открытом доступе в виде FITS файлов с восстановленными РСДБ изображениями и/нли калиброванной функции вид-ности.
ядер галактик на момент подготовки диссертации.
Наблюдения тонкой суб-парсековой структуры струй активных галактик п ее эволюции во времени с целью глубокого изучения на основе экспериментальных результатов по большой представительной выборке активных ядер галактик физики этих объектов является основной цслыо проекта 2см / MOJAVE обзора VLB А, некоторым результатам которого посвящена данная Глава диссертации.
1.2 VLB А измерения струй в активных галактиках на
15 ГГц: данные
1.2.1 Описание статистически полной MOJAVE выборки
В основе критериев отбора для выборки MOJAVE лежит плотность компактного ра-диопотока с целью обеспечения наилучшего сравнения с выборками релятивистски усиленных струй, сформированными методом Монте-Карло (см., например, Lister Marscher 1997). Используя для критерия отбора плотность потока на 15 ГГц с миллисекунд дуги (VLBA) вместо плотности полного потока, нам удалось эффективно исключить любой вклад излучения с больших масштабов. В результате выборка состоит почти полностью из рндио-ярких АЯГ с релятивистскими струями, направленными близко к лучу зрения (то есть, блазаров). Единственными исключениями были горстка близких радиогалактик и источников с пиком в радиоспектре, чьи струи, вероятно, направлены намного ближе к картинной плоскости.
Критерии выборки MOJAVE напоминают критерии предшествующего 2 см обзора на VLB A (Kellermann et al. 1998) и состоят в следующем:
ГЛАВА 1. VLB А исследования струи пи 15 ГГц
24
• склонение (.12000) > -20°.
• галактическая широта |6| > 2.5°,
• полная плотность потока VLBA на 15 ГГц больше или равна 1.5 Ян (> 2 Ян для источников южнее небесного экватора) хотя бы в одну эпоху за период 1994.0-
2004.0.
Из-за сильно переменных свойств ярких компактных ЛЯГ мы не ограничивши! плотность потока величиной в какую-либо фиксированную эпоху. Это могло привести к исключению из выборки многих сильно переменных источников и снизило бы надежность статистических тестов, описывающих свойства источников. Учет переменных АЯГ также позволяет собрать более полную выборку, что важно при сравнении с обзорами ЛЯГ на других длинах волн, таких как З-нй EGRET (Hartman et. al. 1999) и каталоги 7-излучения Fcnni (Abclo et al. 2010a, Abdo et al. 2011). Более высокий предел на плотность потока для южных источников был принят, поскольку VLBA имеет уменьшенное покрытие часовых углов для этой области неба и, следовательно, сниженное качество картографирования.
Отметим, что для нескольких источников в нашей выборке у нас не было ни одного 15 ГГц измерения па VLBA, которое бы формально удовлетворяло нашему критерию на плотность потока. Однако мы смогли оценить их VLBA плотность потока в другие эпохи, используя обширную базу данных измерений плотностей потока на телескопах в UMRAO и PATAH-G00, проведенных с 1994.0 по 2004.0 (см., например, Kovalev et al. 1999, Aller et al. 1992). Важным шагом в этом методе было определить величину протяженной (не-VLBA) плотности потока для каждого источника, используя почти одновременные UMRAO/VLBA измерения на нескольких эпохах (см. §1.3).
Первоначально мы первоначально отобрали 133 активных ядер галактик (АЯГ), удовлетворявших описанным выше критериям. Позже, обрабатывая не-MOJAVE архивные эпохи VLBA наблюдений, мы отобрали еще два источника (0S3S-I-133 и 1807+698), которые удовлетворяли нашим критериям отбора, увеличивая полное число АЯГ до 135. В общем и целом, мы полагаем, что полнота обзора MOJAVE очень высока, с пропущенными лишь очень немногими источниками, благодаря длинному списку кандидатов и обширной базе данных по плотностям потока, которая была в нашем распоряжении из наблюдений на телескопах VLBA, РАТАН-600 и UMRAO (см. Главу 5, §,1.3 и современную базу данных MOJAVE1).
Мы перечисляем общие свойства источников MOJAVE в Табл. 1.2. Красные смещения собраны из публикаций, и в настоящее время охватывают 93% источников. Эта неполнота объясняется, в основном, спектрами без особенностей у нескольких лацертид. Мы приводим тип оп тического отождествления из работы Véron-Cetty к Véron (2006) дли каждого АЯГ в столбце 6, за исключением того, что упомянуто в Табл. 1.2. В настоящее время только у четырех источников (0446+113. 0648—165. 1213—172 и 2021+317) отсутствуют оптические отождествления.
В выборке MOJAVE доминируют квазары, а лацертиды со слабыми линиями и радиогалактики составляют 16% и 6%, соответственно. Véron-Cetty к Véron (2006) недавно пере-классифицировшш некоторые лацертиды в квазары, так как у них иногда наблюдались эмиссионные линии шире, чем формальная граница для эквивалентной ширины
1http://www.physics.purduo.odu/astro/KDJAVE/