Blazar
Blazar to aktywne jądro galaktyczne (AGN) z relatywistycznym strumieniem ( strumień złożony ze zjonizowanej materii poruszający się z prędkością bliską prędkości światła ) skierowanym bardzo blisko obserwatora. Relatywistyczna wiązka promieniowania elektromagnetycznego z dżetu sprawia, że blazary wydają się znacznie jaśniejsze, niż byłyby, gdyby dżet był skierowany w kierunku przeciwnym do Ziemi. Blazary są potężnymi źródłami emisji w całym spektrum elektromagnetycznym i są obserwowane jako źródła wysokoenergetycznych fotonów promieniowania gamma . Blazary to wysoce zmienne źródła, często podlegające gwałtownym i dramatycznym fluktuacjom jasności w krótkich skalach czasowych (od godzin do dni). Niektóre dżety blazarowe wykazują pozorny ruch nadświetlny , kolejną konsekwencję materii w dżecie poruszającej się w kierunku obserwatora z prędkością bliską prędkości światła.
Kategoria blazar obejmuje obiekty BL Lac i kwazary optycznie gwałtownie zmienne (OVV) . Ogólnie przyjętą teorią jest to, że obiekty BL Lac są wewnętrznie niskoenergetycznymi galaktykami radiowymi , podczas gdy kwazary OVV są samoistnie potężnymi kwazarami radiowymi . Nazwa „blazar” została ukuta w 1978 roku przez astronoma Edwarda Spiegela na określenie połączenia tych dwóch klas.
Na obrazach w zakresie widzialnym większość blazarów wydaje się zwarta i punktowa, ale obrazy o wysokiej rozdzielczości ujawniają, że znajdują się one w centrach galaktyk eliptycznych .
Blazary są ważnymi tematami badań w astronomii i astrofizyce wysokich energii . Badania Blazara obejmują badanie właściwości dysków akrecyjnych i dżetów , centralnych supermasywnych czarnych dziur i otaczających je galaktyk macierzystych oraz emisję wysokoenergetycznych fotonów , promieni kosmicznych i neutrin .
W lipcu 2018 r. zespół IceCube Neutrino Observatory prześledził neutrino , które we wrześniu 2017 r. uderzyło w detektor na Antarktydzie , aż do punktu początkowego w blazarze oddalonym o 3,7 miliarda lat świetlnych . Po raz pierwszy użyto detektora neutrin do zlokalizowania obiektu w kosmosie.
Struktura
Uważa się, że blazary, podobnie jak wszystkie aktywne jądra galaktyczne (AGN), są ostatecznie zasilane przez materię spadającą na supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki macierzystej. Gaz, pył i przypadkowe gwiazdy są wychwytywane i spiralnie wpadają do tej centralnej czarnej dziury, tworząc gorący dysk akrecyjny , który generuje ogromne ilości energii w postaci fotonów , elektronów , pozytonów i innych cząstek elementarnych . Region ten jest stosunkowo mały, ma około 10-3 parseków .
Istnieje również większy nieprzezroczysty toroid rozciągający się kilka parseków od czarnej dziury, zawierający gorący gaz z osadzonymi obszarami o większej gęstości. Te „chmury” mogą absorbować i ponownie emitować energię z obszarów bliższych czarnej dziurze. Na Ziemi chmury są wykrywane jako linie emisyjne w widmie blazara .
Prostopadła do dysku akrecyjnego para relatywistycznych dżetów przenosi wysokoenergetyczną plazmę z dala od AGN. Dżet jest kolimowany przez kombinację intensywnych pól magnetycznych i silnych wiatrów z dysku akrecyjnego i toroidu. Wewnątrz dżetu wysokoenergetyczne fotony i cząstki oddziałują ze sobą oraz z silnym polem magnetycznym. Te relatywistyczne dżety mogą rozciągać się na odległość kilkudziesięciu kiloparseków od centralnej czarnej dziury.
Wszystkie te regiony mogą wytwarzać różnorodną obserwowaną energię, głównie w postaci nietermicznego widma, od bardzo niskich częstotliwości radiowych do niezwykle energetycznych promieni gamma, z wysoką polaryzacją (zwykle kilka procent) na niektórych częstotliwościach. Widmo nietermiczne składa się z promieniowania synchrotronowego w zakresie radiowym i rentgenowskim oraz odwrotnej emisji Comptona w zakresie rentgenowskim i gamma. Widmo termiczne osiągające maksimum w obszarze ultrafioletu i słabe optyczne linie emisyjne są również obecne w kwazarach OVV, ale słabe lub nieistniejące w obiektach BL Lac.
Promieniowanie relatywistyczne
Obserwowana emisja z blazara jest znacznie wzmocniona przez efekty relatywistyczne w dżecie, proces zwany wiązką relatywistyczną . Masowa prędkość plazmy tworzącej dżet może mieścić się w przedziale 95–99% prędkości światła, chociaż poszczególne cząstki poruszają się z większymi prędkościami w różnych kierunkach.
Zależność między jasnością emitowaną w ramie spoczynkowej dżetu a jasnością obserwowaną z Ziemi zależy od charakterystyki dżetu. Obejmują one to, czy jasność wynika z czoła uderzenia, czy serii jaśniejszych plam w dżecie, a także szczegóły pól magnetycznych w dżecie i ich interakcji z poruszającymi się cząstkami.
Prosty model wiązki ilustruje podstawowe efekty relatywistyczne łączące jasność w układzie spoczynkowym dżetu, Se , i jasność obserwowaną na Ziemi, S o : S o jest proporcjonalne do S e × D 2 , gdzie D jest efektem dopplera czynnik .
Gdy rozważymy to bardziej szczegółowo, mamy do czynienia z trzema efektami relatywistycznymi:
- Aberracja relatywistyczna wnosi czynnik D 2 . Aberracja jest konsekwencją szczególnej teorii względności, w której kierunki, które wydają się izotropowe w układzie spoczynkowym (w tym przypadku dżetu), wydają się być przesunięte w kierunku ruchu w układzie obserwatora (w tym przypadku Ziemi).
- Dylatacja czasu wnosi czynnik D +1 . Efekt ten przyspiesza pozorne uwalnianie energii. Jeśli dżet emituje wybuch energii co minutę we własnym układzie spoczynkowym, to uwalnianie to byłoby obserwowane na Ziemi znacznie częściej, być może co dziesięć sekund.
- Okienkowanie może przyczynić się do współczynnika D -1 , a następnie działa w celu zmniejszenia wzmocnienia. Dzieje się tak w przypadku stałego przepływu, ponieważ w obserwowanym oknie jest wtedy D mniej elementów płynu, ponieważ każdy element został rozszerzony o czynnik D . Jednak w przypadku swobodnie rozprzestrzeniającej się kropli materiału promieniowanie jest wzmacniane o pełne D +3 .
Przykład
Rozważmy odrzutowiec o kącie do linii wzroku θ = 5° i prędkości równej 99,9% prędkości światła. Jasność obserwowana z Ziemi jest 70 razy większa niż jasność emitowana. Jeśli jednak θ ma minimalną wartość 0°, dżet będzie wydawał się 600 razy jaśniejszy od Ziemi.
Promieniowanie
Promieniowanie relatywistyczne ma również inną krytyczną konsekwencję. Dżet, który nie zbliża się do Ziemi, będzie wydawał się ciemniejszy z powodu tych samych efektów relatywistycznych. Dlatego dwa wewnętrznie identyczne strumienie będą wyglądać znacznie asymetrycznie. W przykładzie podanym powyżej każdy dżet, w którym θ > 35° będzie obserwowany na Ziemi jako mniej świecący niż byłby z reszty ramy dżetu.
Dalszą konsekwencją jest to, że populacja wewnętrznie identycznych AGN rozproszonych w przestrzeni z przypadkowymi orientacjami dżetów będzie wyglądać jak bardzo niejednorodna populacja na Ziemi. Kilka obiektów, w których θ jest małe, będzie miało jeden bardzo jasny dżet, podczas gdy reszta będzie miała najwyraźniej znacznie słabsze dżety. Te, w których θ różni się od 90 °, będą miały asymetryczne strumienie.
To jest istota związku między blazarami a galaktykami radiowymi. AGN, które mają dżety zorientowane blisko linii wzroku z Ziemią, mogą wyglądać bardzo różnie od innych AGN, nawet jeśli są wewnętrznie identyczne.
Odkrycie
Wiele z jaśniejszych blazarów zostało po raz pierwszy zidentyfikowanych nie jako potężne odległe galaktyki, ale jako nieregularne gwiazdy zmienne w naszej galaktyce. Te blazary, podobnie jak prawdziwe nieregularne gwiazdy zmienne, zmieniały jasność w okresach dni lub lat, ale bez żadnego wzoru.
Wczesny rozwój radioastronomii pokazał, że na niebie istnieje wiele jasnych źródeł radiowych. Pod koniec lat pięćdziesiątych rozdzielczość radioteleskopów była wystarczająca do zidentyfikowania określonych źródeł radiowych za pomocą optycznych odpowiedników, co doprowadziło do odkrycia kwazarów . Blazary były licznie reprezentowane wśród tych wczesnych kwazarów, a pierwsze przesunięcie ku czerwieni stwierdzono dla 3C 273 , wysoce zmiennego kwazara, który jest również blazarem.
W 1968 roku dokonano podobnego połączenia między „gwiazdą zmienną” BL Lacertae a potężnym źródłem radiowym VRO 42.22.01. BL Lacertae wykazuje wiele cech kwazarów, ale widmo optyczne było pozbawione linii widmowych używanych do określenia przesunięcia ku czerwieni. W 1974 roku odkryto słabe oznaki leżącej pod spodem galaktyki – dowód na to, że BL Lacertae nie była gwiazdą.
Pozagalaktyczny charakter BL Lacertae nie był zaskoczeniem. W 1972 roku kilka zmiennych źródeł optycznych i radiowych zostało zgrupowanych razem i zaproponowanych jako nowa klasa galaktyk: obiekty typu BL Lacertae . Terminologia ta została wkrótce skrócona do „obiektu BL Lacertae”, „obiektu BL Lac” lub po prostu „BL Lac”. (Ten ostatni termin może również oznaczać oryginalny indywidualny blazar, a nie całą klasę).
Od 2003 roku znanych było kilkaset obiektów BL Lac. Jeden z najbliższych blazarów znajduje się w odległości 2,5 miliarda lat świetlnych.
Aktualny widok
Uważa się, że blazary to aktywne jądra galaktyczne , z relatywistycznymi dżetami zorientowanymi blisko linii wzroku obserwatora.
Specjalna orientacja dżetów wyjaśnia ogólne szczególne cechy: wysoką obserwowaną jasność, bardzo szybkie zmiany, wysoką polaryzację (w porównaniu z kwazarami nieblazarowymi) oraz pozorne ruchy nadświetlne wykryte wzdłuż pierwszych kilku parseków dżetów w większości blazarów.
Ujednolicony schemat lub ujednolicony model stał się ogólnie akceptowany, w którym wysoce zmienne kwazary są powiązane z wewnętrznie potężnymi galaktykami radiowymi, a obiekty BL Lac są związane z wewnętrznie słabymi galaktykami radiowymi. Rozróżnienie między tymi dwiema połączonymi populacjami wyjaśnia różnicę we właściwościach linii emisyjnych w blazarach.
Inne zaproponowane wyjaśnienia relatywistycznego dżetu / ujednoliconego schematu obejmują mikrosoczewkowanie grawitacyjne i koherentną emisję z relatywistycznego dżetu. Żadne z nich nie wyjaśnia ogólnych właściwości blazarów. Na przykład mikrosoczewkowanie jest achromatyczne. Oznacza to, że wszystkie części widma wznoszą się i opadają razem. Nie obserwuje się tego w blazarach. Jednak możliwe jest, że te procesy, jak również bardziej złożona fizyka plazmy, mogą wyjaśniać określone obserwacje lub niektóre szczegóły.
Przykłady blazarów obejmują 3C 454.3 , 3C 273 , BL Lacertae , PKS 2155-304 , Markarian 421 , Markarian 501 i S5 0014+81 . Markarian 501 i S5 0014+81 są również nazywane „TeV Blazarami” ze względu na ich wysokoenergetyczną (zakres teraelektronowoltowy) emisję promieniowania gamma.
IceCube zidentyfikowano blazar o nazwie TXS 0506+056 jako źródło wysokoenergetycznych neutrin .
Zobacz też
Notatki
Linki zewnętrzne
- Sieć wysokiej energii AAVSO
- Lista monitorowania Blazara, Uniwersytet Purdue
- Powiększająca się galeria najmów Obrazy Blazara
- NASA: film o koncepcji artysty Blazars
- Kosmiczna mgła NASA
- Spis promieniowania gamma NASA
- Wideo 13 maja 2013, Fermi pokazuje, jak aktywne galaktyki mogą być Blazarami
- Dyskusja TED na temat blazarów prowadzona przez Jedidah Isler
