Диссертация (Анализ возмущений в джетах блазаров с сильным гамма-излучением), страница 7

Благодаря такому подходу упрощается идентификация компонентна различных эпохах. В результате моделирования исследуемых источниковбыли получены 184 модели, которые представлены в Приложении.43Глава 2Определение кинематики джетов на основеРСДБ-карт2.1. Модель джета2.1.1. Релятивистский конический джет с распространяющимисяударными волнамиВ 1970-х гг. переменное поляризованное излучение от компактных радиоисточников было интерпретировано как некогерентное синхротронное излучениеот ансамбля релятивистских электронов со степенным распределением энергий.Первая непротиворечивая модель излучающей плазмы в этих источниках была представлена Бланфордом и Кениглом в 1979 году [36]. Они показали, чтонаблюдаемая переменность и кинематика компактного радиоисточника можетбыть объяснена моделью квазистационарного коллимированного коническогосверхзвукового релятивистского джета.

Эта модель дает хорошее приближениереальной формы релятивистского джета, видимого на радиокартах, и известнакак модель Бланфорда-Кенигла. Наблюдаемое увеличение яркости в этой модели приписывается сильным ударным волнам, распространяющимся в джете,или плотным сгусткам, ускоряющимся в потоке джета.В 1985 году Маршер и Гир [37] предложили подробное описание радиоизлучения ударных волн различной силы, распространяющихся по джету, и описалисвойства плазмы такого джета.

Ударные волны обусловлены наличием градиентов давления в джете. В этой модели ударная волна распространяется поконическому адиабатическому джету, который имеет постоянную скорость потока, характеризующуюся Лоренц-фактором Γ. Предполагается, что угол рас-44крытия джета меньше, чем угол зрения θ между осью джета и лучом зрения наблюдателя. Таким образом можно предполагать постоянство Доплер-факторапотока. Эта так называемая «модель ударной волны в джете» способна описатьвременную и спектральную эволюцию источника во время вспышки, котораянаблюдается в различных диапазонах волн (от радио до оптики) и предсказывает связь вспышек в радиодиапазоне с высокоэнегретическим излучением. Внастоящее время эта теоретическая модель широко используется для описанияповедения АЯГ.

На Рис.2.1 показаны процессы, происходящие в центральномрегионе АЯГ в соответствии с моделью Бланфорда-Кенигла и моделью ударнойволны в джете.Рис. 2.1. Модель джетаРис. 2.2. Смещение положения радиоядраджета в зависимости от частоты [4]Эволюция ударной волны описывается тремя этапами. Во время первогоэтапа, роста, комптоновские потери доминируют и плотность потока возрастаетна всех частотах. Частота загиба спектра при этом не меняется. Когда плотность энергии фотонов становится равной плотности энергии магнитного поля, начинают доминировать синхротронные потери. В это время максимальнаяплотность потока остается примерно постоянной, а частота загиба смещается45в сторону более низких частот.

В конечной стадии адиабатическое расширениеначинает доминировать и ударная волна затухает.Соколов и др. [38] предложили немного отличающуюся модель, в которойвспышки происходят, когда движущаяся ударная волна сталкивается со стоячейволной в джете, которая на радиокартах выглядит как стационарная компонента джета, например, ядро джета. Яркость VLBI-ядра возрастает, когда с нимсталкивается ударная волна, затем она становится видна как новая сверхсветовая компонента в джете.

Недавнее исследование блазара BL Lac показало, чтоускорение частиц происходит в области перед радиоядром, где излучающая компонента движется по спиральным линиям магнитного поля [39]. Радиовспышкавидна, когда излучающая область пересекает ядро, которое является стоячейударной волной. В данном случае впервые имели место достаточно плотные повремени наблюдения на всех доступных длинах волн, что позволило подтвердить данный сценарий наблюдательно.Вопросы о том, как формируется и коллимируется джет и на каких масштабах происходит его ускорение, до сих пор остаются открытыми, так же каки вопрос о составе джета. Часть теоретических моделей и наблюдательных данных указывают на то, что быстрая сердцевина джета в области ускорения должна быть окружена значительно более медленной оболочкой.

Мы видим началоджета на некотором расстоянии от центральной машины, так называемое радиоядро, которое наблюдается на РСДБ-картах. На самом деле формированиеджета начинается ближе к центральной машине, но эта область джета непрозрачна в радиодиапазоне. Природа радиоядра до конца не выяснена. Его положение смещается в зависимости от частоты (см. Рис. 2.2). Возможно, ядропредставляет собой область, где происходит переход от оптически толстой коптически тонкой плазме, стоячую ударную волну или искривление в джете,которое изменяет Доплер-фактор в этой области [40]. В работе [4] было определено расстояние ядра джета радиогалактики M87 на частоте 43 ГГц.

Расстояние46составило 14 23Rg (0.007 0.01 пк), что значительно меньше, чем аналогичные оценки для блазаров. В работах [3, 10, 12], для блазаров были полученыоценки расстояния от центральной машины до ядра джета порядка 104 106 Rg(0.1 15 пк).Данная работа в основном посвящена анализу и интерпретации наблюдательных данных, и эта интерпретация проводится в рамках упрощенной моделиджета, основанной на теории, предложенной в работах Бландфорда и Кенигла[36] и Маршера и Гира [37]. На Рис.2.1 представлена схема джета, на которой показаны основные элементы.

Мы рассматриваем узкий конический джет с малымполовинным углом раскрытия φ, ось которого составляет угол θ с лучом зрения наблюдателя (наблюдаемый половинный угол раскрытия φapp φ cosec θ)и Лоренц-фактором Γ, описывающим скорость потока в джете. Сечение джетавозрастает как A9Rn (n2 в случае конического джета), где R - расстоя-ние вдоль джета. В джете присутствует спиральное магнитное поле B , котороеубывает с расстоянием как B 9Ra . Необходимое условие коллимации джетаBK 9R1 и Bk 9R2 [36]. Кинетическая энергия электронов находится в приблизительном равновесии с энергией магнитного поля. Релятивистские электроныимеют степенное распределение по энергиям N pE qплотность потока излучения S 9ν α .

KE p, c p 1 2α и2.2. Сверхсветовые движения и релятивистское усилениеКак было отмечено ранее, джеты блазаров направлены под малым угломк лучу зрения наблюдателя и плазма в джетах движется с релятивистской скоростью. В таком случае имеет место эффект релятивистского усиления, такжеизвестный как доплеровское усиление. Гипотеза о релятивистском усилении вкомпактных радиоисточниках впервые была выдвинута Ризом в 1966 году [41]для объяснения высоких яркостных температур в АЯГ при изучении их пе-47ременности. В 1970-х годах были получены наблюдательные подтвержденияэтой гипотезы: сверхсветовые движения в джетах блазаров 3С 279 и 3С 273(см.

[42, 43]). С течением времени сверхсветовые движения были обнаруженыв джетах многих блазаров (см. [44–48]). Предположим, что скорость плазмыв джете β v{c, где v измерено в системе отсчета источника, θ - угол меж-ду джетом и лучом зрения наблюдателя. Лоренц-фактором потока называетсявеличина1Γa,1 β2(2.1)Доплер-фактором, отвечающим за релятивистское усиление излучения, называется величина:δ Γp1 β1cospθqq(2.2)Если рассматривать источник со степенным спектром излучения Sν 9ν α ,где α -спектральный индекс, то благодаря эффекту доплеровского усилениянаблюдатель будет регистрировать плотность потокаSν1где x δ x α S ν ,(2.3) 2 соответствует случаю однородного протяженного потока, а x 3 -изолированному оптически тонкому движущемуся источнику. Это происходит,поскольку излучение от движущегося источника концентрируется в конусе с углом раскрытия 1{Γ, ориентированном в направлении движения с осью, парал-лельной вектору скорости.

Частота излучения возрастает ν 1масштаб также изменяется ∆t1 δν , временной δ1t, из-за чего видимая переменность болеебыстрая, чем реальная.Из-за эффекта релятивистского усиления наблюдаемая морфология джетов сильно зависит от угла зрения θ. Если смотреть на источник сбоку, обычновидны два джета с противоположных сторон от центральной машины. Такие48источники часто классифицируются как радиогалактики.

Если источник виденпод малым углом, то в этих случаях контрджет обычно невидим, посколькудоплеровское усиление усиливает излучение джета, направленного на наблюдателя и ослабляет излучение контрджета.Сверхсветовое движение, наблюдаемое в джете, является просто иллюзией, возникающей в результате реального движения с релятивистской скоростьюпод малым углом к лучу зрения наблюдателя. Если излучающий компонент вджете движется со скоростью β под углом θ к лучу зрения наблюдателя, тонаблюдатель измеряет скорость βapp , видимую трансверсальную (перпендикулярную к лучу зрения наблюдателя) скорость.βappРис. 2.3.

Схема джетаpθq 1 β sinβ cospθq(2.4)Рис. 2.4. Зависимость видимой скорости от угла между джетом и лучом зрения при разныхЛоренц-факторахКак видно из Рис.2.4, эта скорость может превосходить скорость света придостаточно малом угле θ.Самая высокая видимая скорость βappPKS 1510-089 [49]. p46 4qc была измерена у квазара49Можно показать, что если β¡ ?12 , при некоторой ориентации системы на-блюдаются сверхсветовые движения. Видимая скорость достигает максимального значения βapp,max?Γ2 1 при cospθq β или sinpθq Γ1, для этого Γ.