Dziesięć lat teleskopu gamma Fermiego. Część 2

Dziesięć lat teleskopu gamma Fermiego. Część 2

Boris Stern,
Ved. naukowy sotr. INR RAS, redaktor naczelny TrV-Science
"Opcja Trójcy" №16 (260), 14 sierpnia 2018

Boris Stern

W drugim artykule poświęconym rocznicy projektu Fermi skupimy się na najjaśniejszym z najtrwalszych obiektów we wszechświecie – blazarach różnych typów. Ten artykuł zawiera liczby pokazujące dane Fermiego przez 10 lat, pięć dni. Są one przetwarzane przez autora, najnowsze dane (do 30 lipca 2018 r.) Pomogły Grigoriu Rubtsovowi (INR RAS) w pobraniu pomocy. Wystarczy kilka dni, aby wyciągnąć najprostsze wstępne rozkłady ilustrujące fenomenologię blazarów. Publikacje w recenzowanych czasopismach naukowych oparte na jubileuszowym zestawie danych pojawią się co najmniej za kilka miesięcy.

Czym jest blazar

Schemat aktywnego galaktycznego jądra pokazano na ryc. 1. Centrum, dysk akrecyjny i dysze. Schemat ten jest rozprowadzany w całym Wszechświecie w różnych skalach: dyski protoplanetarne, gwiazdy neutronowe i czarne dziury w układach podwójnych (mikrokwazary), trzewiki gwiazd podczas zawalenia (rozbłyski gamma).

Ryc. 1. Program Quasar

Mechanizm jest również taki sam: dysk akrecyjny prawie na pewno powstaje, gdy substancja jest przesuwana w kierunku środka.Jeśli cząstki nieelastycznie oddziałują ze sobą i mają pewien rodzaj całkowitego momentu bezwładności, nie mają już nic do roboty poza złożeniem w dysk. Medium międzygwiezdne, wciągające do dysku, niesie ze sobą pole magnetyczne.

Pole i substancja są ze sobą silnie powiązane (pole jest "zamrożone" w substancji) z powodu ogromnej przewodności kosmicznej plazmy, która objawia się z powodu ogromnych rozmiarów "przewodnika", a zatem gigantycznej indukcji magnetycznej. W pewnym sensie ośrodek międzygwiezdny można nazwać nadprzewodnictwem.

Pole magnetyczne z jego energią nie może zniknąć w przestrzeni, jak w uzwojeniu miedzianym, przechodząc w ciepło. W takim przypadku substancja musi jakoś pozbyć się pola magnetycznego przed wpadnięciem do czarnej dziury lub gwiazdy formującej, w przeciwnym razie będzie opierać się grawitacji dzięki jej elastyczności. Są na to dwa główne sposoby. Pierwszym z nich jest ponowne podłączenie pętli pola magnetycznego. Dokładnie tak dzieje się z burzliwym polem magnetycznym Słońca, w wyniku czego podziwiamy taki efekt rozbłysków słonecznych jak zorza polarna. Drugim sposobem na pozbycie się pola magnetycznego jest wyrzucenie go za pomocą zamrożonej plazmy.

W aktywnych jądrach galaktycznych najwidoczniej działają oba mechanizmy.Ponowne łączenie pola magnetycznego, najprawdopodobniej, daje twarde promieniowanie rentgenowskie – choć nie jest izotropowe, świeci szerokim, jednolitym kątem rzędu 2π. Pole może być wyrzucane wzdłuż osi obrotu dysku w dwóch przeciwnych kierunkach. Są więc odrzutowce.

Zasadniczo mechanizm wyrzutowy jet jest jasny, ale tylko w zasadzie. Przy szeregu uproszczających założeń, uruchomienie jest nie tylko modelowane na superkomputerach, ale również opisane analitycznie. Najważniejsze jest obracanie linii pola magnetycznego. Można tego dokonać za pomocą obracającego się dysku akrecyjnego, który najprawdopodobniej ma miejsce przy narodzinach systemów planetarnych. Bardziej egzotyczny mechanizm dodaje się do aktywnych jąder galaktycznych: efekt Blandford-Znak. Obracająca się czarna dziura przekręca przestrzeń wokół niej. Jeśli jest zanurzony w zewnętrznym polu magnetycznym, wówczas obraca pole wraz z przestrzenią. Linie sił skręcają się tak, jak pokazano na schemacie. Cząstki plazmy przesuwają się wzdłuż linii pola, przyspieszając ze względu na efekt zawiesia. Pole nie jest sztywne: pod obciążeniem przyspieszonej plazmy jest zgięte z powrotem w spiralę, a sam strumień jest przyspieszany przez ciśnienie wirującego pola do ultrarelatywistycznych prędkości. To bardzo wulgarne wyjaśnienie na palcach.Matematyka tego zjawiska jest bardziej skomplikowana niż matematyka tornada. W tym przypadku środowisko zewnętrzne również odgrywa rolę, pomagając w kolimowaniu strumienia, czyli przekształceniu go w wąski strumień. Jak wspomniano w poprzednim artykule, blazar jest aktywnym jądrem galaktycznym, którego strumień jest skierowany przeciwko nam.

Rekordzista

Najjaśniejszy blazar na niebie – 3C 454,3. Należy do typu FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) – kwazarów o wysokiej mocy, kierowanych przez ich odrzutowiec do nas. To naprawdę jest potwór! Podczas błysków jest znacznie jaśniejszy niż jakiekolwiek inne źródło promieniowania gamma. Jego dysk akrecyjny emituje 1047 erg / s jest około 10 tysięcy razy większy niż cała nasza galaktyka w całym zakresie. Nie ma bezpośrednich pomiarów czarnej dziury 3C 454.4 masy, pośrednie szacunki wskazują na rząd wielkości miliarda mas Słońca.

Redshift tego blazara wynosi 0,859, co odpowiada odległości 7,7 miliarda lat świetlnych. Dla jego typu jest to dość bliski obiekt. W tym czasie jasne kwazary zaczęły powoli wymierać, "złoty czas" kwazarów – gdzieś pomiędzy redshift 1 i 2 – był ponad 10 miliardów lat temu.

Ryc. 2 Krzywa jasności najjaśniejszego blazar 3C 454.3 na 10 lat pracy, "Fermi". Poziomo – dni, liczone od początku zbioru danych (04.08.2008), pionowo – liczba gamma-kwantów energii powyżej 300 MeV w ciągu dwóch dni. Na pasku bocznym – najwyższy szczyt w większej skali czasowej. Szerokość fasoli – 2,4 godziny

Na rys. 2 – krzywa świetlna 3С 454,3 za dziesięć lat pracy "Fermi". Korekta nierównomiernego narażenia różni się znacznie w ciągu godzin, ale w długim okresie jest raczej słaba.

Pierwszą rzeczą, która rzuca się w oczy, blazar jest migającym źródłem (dotyczy to nie tylko tego obiektu). W przerwach między epizodami aktywności (przerwa 1200-1600 dni), źródło praktycznie zniknęło. Możesz zobaczyć co najmniej trzy skale zmienności: dwa do trzech lat – okresy aktywności i spokoju, jeden lub dwa miesiące – maksimum aktywności i dni – wysokie wąskie szczyty. Lata można wytłumaczyć niestabilnością reżimu akrecyjnego. Miesiące są także raczej niestabilnością dysku akrecyjnego. A ze zmiennością dni, nawet w ciągu dnia – czas narastania najjaśniejszego krótkiego błysku – wszystko jest bardziej skomplikowane.

Z masą czarnej dziury w miliardach słonecznych, jego promień grawitacyjny wynosi 3 miliardy km. Promień ostatniej wewnętrznej stabilnej orbity dysku akrecyjnego wynosi 10 miliardów km (8 godzin świetlnych), a czas krążenia na nim wynosi kilka dni.Niestabilność akrecji raczej nie spowoduje zmienności szybciej niż czas na najkrótszej orbicie.

Najprawdopodobniej dzienna zmienność wiąże się z pewnymi zjawiskami w fali uderzeniowej – fali uderzeniowej lub ponownym połączeniem pola magnetycznego. W tym przypadku wszystko jest w porządku z szybką zmiennością ze względu na relatywistyczną redukcję czasu: wszystko, co dzieje się w strumieniu, kurczy się w czasie, gdy obserwator wchodzi do układu w T2 razy, gdzie G jest współczynnikiem Lorentza strumienia.

Może nastąpić szybsza zmienność wewnątrz gigantycznego wybuchu, ale nie jest to łatwe do wykrycia z powodu zmiennej ekspozycji – pole widzenia Fermiego obraca się, urządzenie okresowo wpada w anomalię magnetyczną południowego Atlantyku, gdzie tło jest tak wielkie, że wykrywacz musi być wyłączony. W ten sposób dochodzi do codziennej modulacji wyników, co komplikuje analizę zmienności w najkrótszym czasie.

Typ zmienności 3C 454,3 jest na ogół typowy dla blazarów. Vice-mistrz w szczytowej jasności 4C +21.38 (także potwór – FSQR z jasnością dysku akrecyjnego 1047 erg / s) ma podobną krzywą jasności.

Blazars na diecie głodowej

Przejdźmy do innego rodzaju blazars – BL Lac, czyli "Lazertida".Nazwę nazwali imieniem swojego historycznie pierwszego przedstawiciela, BL Lacerta. Jeśli FSRQ jest kwazarem w okresie gwałtownego wzrostu, to Lazertidzi najprawdopodobniej będą spokojniejszymi ludźmi, zjedzą łatwo dostępną substancję i usiądą na głodnej racji. Są znacznie bardziej na jednostkę objętości niż FSRQ, przynajmniej we współczesnym Wszechświecie, ale są widoczne tylko z małych przesunięć ku czerwieni.

Ryc. 3 Krzywa jasności jednego z najjaśniejszych BL Lacs – Mrk 421 na 10 lat pracy, "Fermi"

Najjaśniejszymi z nich są Markarian-421 i Markarian-501, określane poniżej jako Mrk 421 i Mrk 501. Są jednym z najbliższych blazarów. Krzywą światła jednego z nich pokazano na ryc. 3. Obiekt miga również, ale w przeciwieństwie do najjaśniejszych wyników FSRQ przedstawionych powyżej, nie wychodzi na zero. Według danych Fermiego nie można dostrzec zmienności tych obiektów krótszych niż jeden dzień – tutaj niewystarczające statystyki fotonów są dodawane do problemu nierównomiernej ekspozycji. Ten problem rozwiązano za pomocą teleskopów Czerenkowa. Są to detektory zupełnie innego typu – naziemne teleskopy, które skanują niebo w poszukiwaniu przebłysków światła Czerenkowa z atmosferycznych strumieni cząstek spowodowanych przez gamma-kwant wysokiej energii. Ich zakres wynosi od setek GeV i powyżej (dolny próg stopniowo maleje).Instalacje te mają bardzo wąskie pole widzenia – musisz skierować teleskopy na obiekt obserwacji. Z drugiej strony, ich efektywny obszar jest o pięć rzędów wielkości większy niż obszar Fermiego, a statystyki dla wysokoenergetycznych gamma-kwantów są znacznie wyższe.

Według teleskopy Czerenkowa (MAGIC, HESS) najkrótsza skala zmienności tych blazarów wynosi kilkadziesiąt minut. Dzieje się tak pomimo faktu, że masa czarnych dziur w tych blazars jest tego samego rzędu: 109 masy Słońca, a zmienność związana z akrecją nie może być krótsza niż kilka dni. Mamy więc do czynienia z bardzo szybkimi procesami w ultrarelatywistycznym odrzutowcu.

Ryc. 4 Spectra trzech blazarów: najjaśniejsza z klasy FSRQ 3C 454,3; najjaśniejszy z klasy BL Lac Mrk 421; blazar TXS 0506+, z którego wykrywany jest strumień neutrin

Jednak główna różnica między BL Lacs i potężnymi FSRQs znajduje się w widmach kwantów gamma. Na początku są znacznie trudniejsze. Na rys. 4 pokazuje widma najjaśniejszych przedstawicieli ich klas.

Widma zostały zbudowane przez autora w pośpiechu, biorąc pod uwagę zależność sprawności detektora od energii, ale bez uwzględnienia zależności energetycznej kąta rozprzestrzeniania się. Ta ostatnia daje niewielkie niedoszacowanie punktów w energiach w regionie i poniżej 1 GeV. Poziomy to dziesiętny logarytm energii, pionowy to logarytm liczby cząstek w zbiorniku pomnożony przez ich energię (w arbitralnych jednostkach wspólnych dla wszystkich widm).Taka reprezentacja widm (SED, Spectral Energy Distribution) jest powszechna w astrofizyce wysokoenergetycznej – pokazuje rozkład mocy w różnych zakresach energii.

Kwasar 3C 454.3 w absolutnej jasności w kwantach gamma jest o ponad trzy rzędy wielkości potężniejszy od Mrka 421, jest o wiele dalej. Różnica w jasności dysku akrecyjnego jest jeszcze większa. Stąd wynika różnica w sztywności widma. Jasne światło dla przyspieszonych cząstek jest jak lepkie medium, szczególnie jeśli jest to elektron (i pozyton). Co więcej, elektrony i pozytony powinny dać podstawę jasności tak potężnego kwazara. Jeśli początkowo nie istniały, rodzą się w parach w takiej ilości, że przekraczają liczbę protonów w strumieniu o kilka rzędów wielkości.

Co więcej, w widmach blazarów widoczne są oznaki absorpcji gamma-kwantów energii 3-20 GeV przez rozproszone i przetworzone światło dysku akrecyjnego (patrz arXiv: 1408.0793v1). Ta absorpcja jest spowodowana procesem γ.1 + γ2 → e+ egdzie γ1 – kwant gamma o wysokiej energii, γ2 – linia fotonów wodoru Lyman-alfa.

Z powodu tego procesu charakterystyczne załamania pojawiają się w widmie jasnych FSRQ, które są szczególnie dobrze widoczne w całym spektrum wielu blazarów. Oznacza to, że emisja promieniowania gamma pochodzi z "centralnego parsetu", w którym jest wystarczająco dużo promieniowania ultrafioletowego, aby pochłonąć część promieniowania gamma.To z kolei wskazuje, że strumień przyspiesza wystarczająco szybko, co może zapewnić tylko proces Blandford-Znak: czarna dziura w polu magnetycznym.

Z drugiej strony, na jednej z kart Radioastron widoczny jest dżet, szeroki w prawo u podstawy, co odpowiada uruchomieniu z dysku akrecyjnego (Nature Astronomy, 2018. tom. 2. P. 472-477). W zasadzie nikt nie zabrania emitowania dwóch dysz naraz, zagnieżdżonych jeden w drugim: wąski i szybki w środku i szeroki, wolniejszy na obrzeżach.

Źródło Neutrino

Widma BL Lac są znacznie trudniejsze: energia emitowana przez kwanty gamma nie zmniejsza się w setkach GeVs, a nawet w TeVs (teleskopy Czerenkowa to widzą). Co więcej, promienie gamma są pochłaniane wzdłuż drogi w wyniku interakcji z tłem w podczerwieni, którą galaktyki wypełniają Wszechświat. Dlatego nie możemy powiedzieć, jak daleko rozciąga się widmo gamma-kwantów BL Lacs. Ale ostatnio zarejestrowano neutrina o energiach powyżej 200 GeV od "zwykłego" blazara TXS 0506 +056 – również BL Lac – (patrz "Pierwszy krzyk astronomii neutrinowej"). Jego spektrum, uśrednione w ciągu 10 lat, pokazano na ryc. 5. Jest bardziej miękki niż spektrum najbliższego Mrka 421, który jest naturalny – pierwszy jest w ponad trzystu milionach lat świetlnych, drugi jest w czterech miliardach, dlatego twarda część jego spektrum jest mocno pochłonięta.

Ryc. 5 Gamma quanta zarejestrowana przez Fermiego z blazar TXS 0506 +38. Każdy foton odpowiada krzyżykowi; poziomo – czas przybycia, pionowo – logarytm energii (MeV). Poziomy pasek pokazuje czas rejestracji nadwyżki energii neutrinowej 10-40 TeV od kierunku TXS 0506 +056 (koniec 2014 r. – początek 2015 r.). Strzałka w pionie – czas rejestracji pojedynczej energii neutrin powyżej 200 TeV

Na rys. 5 przedstawia wykres wchodzenia fotonów z TXS 0506 +056. Można zauważyć, że "paczka" neutrin, która dotarła pod koniec 2014 r. – początek 2015 r., Odpowiada wybuchowi promieniowania gamma-kwanta. Błysk odpowiadający pojedynczemu neutrino nie jest tutaj widoczny, ale jest dobrze wyrażony w danych teleskopu MAGIC Czerenkowa. (Nauka 361, eaat1378 (2018), arxiv.org/abs/1807.08816).

Powstaje naturalne pytanie: dlaczego neutrina widać z dalszego i słabszego blazara? Absolutna jasność TXS 0506 jest o rząd wielkości jaśniejsza, ale tutaj obserwowana jaskrawość jest ważna, zgodnie z którą Mrk 421 jest jaśniejszy według zamówienia. Możliwe są różne wyjaśnienia, na przykład:

  • Przy 200 TeV neutrina są zasadniczo absorbowane przez Ziemię. Mrk 421 znajduje się na północy, TXS 0506 na południu. Strumień neutrin takiej energii zmniejsza się około trzy razy, przechodząc przez Ziemię. To wyjaśnienie znajduje się w artykule Ice Cube Collaboration (arxiv.org/abs/1807.08794).
  • W przypadku emisji neutrin ważne są nie tylko przyspieszone protony, ale również cel. Światło może być celem emitowania promieni gamma. Celem emisji neutrin jest najprawdopodobniej cząsteczki ośrodka międzygwiezdnego. Stosunek gęstości tych dwóch może się znacznie różnić.

Na zakończenie lista kluczowych pytań dotyczących dyas quasar, niezależnie od tego, gdzie są kierowane.

  • Gdzie zaczyna się strumień: z wewnętrznych obszarów dysku akrecyjnego lub z najbliższego otoczenia czarnej dziury? Wchłanianie w widmach FSRQ raczej mówi o drugim, chociaż obserwacja RadioAstron jest na korzyść pierwszego. Możliwe, że połączona wersja jest powszechna.
  • Jakie przyspieszone cząstki są odpowiedzialne za główne promieniowanie strumienia? W przypadku FSRQ jest to wyraźnie para elektron-pozyton. W przypadku BL Lacc na podstawie radykalnie bardziej sztywnych widm są to najprawdopodobniej protony. Po pierwsze, protony łatwiej przyspieszyć, ich straty są mniejsze niż milion razy. Po drugie, widma BL Lac są podobne do widm kaskadowych – kiedy początkowa cząstka ma bardzo wysoką energię, a jej potomkowie równomiernie wypełniają logarytmiczną skalę energii.Cóż, świeży argument na korzyść protonów – neutrino.
  • Jaki jest mechanizm przyspieszenia dla cząstek w strumieniu? Wewnętrzne fale uderzeniowe? Niestabilność plazmy? Turbulencje? Granica Jet? Konsensus nie istnieje tutaj, a dyskusja na ten temat wykracza poza zakres tego artykułu.

    Zwykle po uruchomieniu nowego dużego narzędzia krem ​​usuwa się w ciągu dwóch do trzech lat. Ale nadal trwa debugowanie, gromadzenie statystyk, rejestracja nowych wydarzeń, wyjaśnianie obrazu i jakościowo nowe wyniki. Dlatego też życzymy członkom zespołu Fermi, aby ich potomstwo działało bezpiecznie do następnej rocznicy.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: