Sepuluh tahun teleskop gamma Fermi. Bahagian 2

Sepuluh tahun teleskop gamma Fermi. Bahagian 2

Boris Stern,
Ved. saintifik sotr. INR RAS, ketua editor TrV-Science
"Trinity Option" №16 (260), 14 Ogos 2018

Boris Stern

Dalam artikel kedua yang dikhaskan untuk ulang tahun projek Fermi, kami akan memberi tumpuan kepada objek yang paling tahan lama di Universe – blazar pelbagai jenis. Artikel ini mengandungi angka-angka yang menunjukkan data Fermi selama 10 tahun, lima hari. Mereka diproses oleh penulis, data terkini (sehingga 30 Julai 2018) membantu Gregory Rubtsov (INR RAS) untuk membantu muat turun. Beberapa hari sudah cukup untuk menarik pengagihan awal yang paling mudah yang menggambarkan fenomenologi blazar. Penerbitan jurnal saintifik yang dikaji semula berdasarkan set ulang tahun data akan muncul sekurang-kurangnya dalam beberapa bulan.

Apa itu blazar

Gambarajah kasar nukleus galaktik aktif ditunjukkan dalam Rajah. 1. Pusat, cakera dan jet akretion. Skim ini diedarkan ke seluruh alam semesta pada skala yang berlainan: cakera protoplanet, bintang neutron dan lubang hitam dalam sistem binari (microquasars), usus bintang semasa runtuh (letupan gamma-ray).

Rajah. 1. Skim Quasar

Mekanisme ini juga sama: cakera pertambahan hampir pasti terbentuk apabila bahan dipaksa ke arah pusat.Sekiranya zarah-zarah itu tidak berinteraksi dengan satu sama lain dan mempunyai semacam momen inersia, mereka tidak mempunyai apa-apa yang perlu dilakukan tetapi untuk memasang cakera. Medium interstellar, menarik ke cakera, membawa medan magnet itu.

Bidang dan bahan tersebut sangat saling berkaitan (medan itu "dibekukan" ke dalam substansi) disebabkan oleh kekonduksian besar plasma kosmik, yang diwujudkan kerana ukuran besar "konduktor" dan, oleh itu, induksi magnet gergasi. Dalam erti kata, medium interstellar boleh dipanggil superconducting.

Medan magnet dengan tenaganya tidak dapat hilang di angkasa, seperti dalam penggulungan tembaga, masuk ke dalam panas. Dalam kes ini, bahan itu mesti menyingkirkan medan magnet sebelum jatuh ke lubang hitam atau pada bintang membentuk, jika tidak, ia akan menahan graviti dengan keanjalannya. Terdapat dua cara utama untuk melakukan ini. Yang pertama ialah penyambungan semula gelung medan magnet. Inilah yang berlaku dengan medan magnet Matahari yang bergolak, dengan hasil yang kita mengagumi hasil seperti suar surya sebagai aurora. Cara kedua untuk menghilangkan medan magnet adalah membuangnya dengan plasma beku.

Dalam nukleus galaksi yang aktif, nampaknya kedua-dua mekanisme berfungsi.Penyambungan semula medan magnet, kemungkinan besar, memberikan sinaran sinar-X yang keras – walaupun ia bukan isotropik, ia bersinar dalam sudut pepejal yang luas dari perintah 2π. Medan boleh dibuang bersama paksi putaran cakera dalam dua arah bertentangan. Jadi ada jet.

Pada prinsipnya, mekanisme pelancaran jet jelas, tetapi hanya pada dasarnya. Dengan beberapa anggapan yang mudah, pelancaran ini bukan hanya dimodelkan pada superkomputer, tetapi juga diterangkan secara analitik. Perkara utama ialah memutarkan talian medan magnet. Ini boleh dilakukan dengan cakera akretion berputar, yang kemungkinan besar berlaku pada kelahiran sistem planet. Mekanisme yang lebih eksotik ditambahkan ke nukleus galaksi aktif: kesan Blandford-Znak. Lubang hitam yang berputar mengelilingi ruang di sekelilingnya. Sekiranya ia direndam dalam medan magnet luar, maka ia akan menjadi medan bersama ruang. Garis-garis gaya memutar seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Zarah plasma slaid di sepanjang garis medan, mempercepatkan akibat kesan sling. Bidang ini tidak tegar: di bawah beban plasma dipercepatkan, ia diterbangkan kembali ke lingkaran, dan jet itu sendiri dipercepat oleh tekanan medan berputar ke halaju ultrarelativistik. Ini penjelasan yang sangat kasar pada jari-jari.Matematik fenomena ini lebih rumit daripada matematik tornado. Di sini, persekitaran luaran juga memainkan peranan, membantu untuk menjimatkan jet, iaitu mengubahnya menjadi aliran sempit. Seperti yang dinyatakan dalam artikel sebelumnya, blazar adalah nukleus galaktik aktif, jet yang diarahkan kepada kami.

Pemegang rekod

Blazar terang di langit – 3C 454.3. Ia tergolong dalam jenis FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) – quasars kuasa tinggi, diarahkan oleh jet mereka kepada kami. Ia benar-benar adalah raksasa! Semasa kilat, ia lebih cerah daripada apa pun sinar gamma yang lain. Disk aksionnya mengeluarkan 1047 erg / s adalah kira-kira 10 ribu kali lebih besar daripada keseluruhan galaksi kami di seluruh julat. Tidak ada pengukuran langsung dari lubang 3C 454.4 lubang hitam, anggaran tak langsung menunjukkan urutan magnitud satu bilion massa matahari.

Redshift blazar ini ialah 0.859, yang sepadan dengan jarak 7.7 bilion tahun cahaya. Untuk jenisnya, ia adalah objek yang cukup dekat. Pada masa itu, kuarsa yang cerah mula perlahan-lahan mati, "masa keemasan" dari quasars – di antara redshift 1 dan 2 – adalah lebih daripada 10 bilion tahun yang lalu.

Rajah. 2 Keluk kecerahan blazar paling terang 3C 454.3 selama 10 tahun kerja, "Fermi". Horizontally – hari, dikira dari awal set data (04.08.2008), menegak – bilangan gamma-quanta tenaga melebihi 300 MeV dalam dua hari. Di bar sisi – puncak tertinggi pada skala waktu yang lebih besar. Lebar Bean – 2.4 jam

Dalam ara. 2 – lengkung cahaya 3о 454.3 untuk sepuluh tahun kerja "Fermi". Pembetulan untuk pendedahan tidak sekata berbeza-beza sepanjang masa, tetapi dalam jangka masa yang panjang ia agak lemah.

Perkara pertama yang menangkap mata, blazar adalah sumber yang berkedip (ini tidak hanya terpakai kepada objek ini). Dalam jeda antara episod aktiviti (selang 1200-1600 hari), sumbernya hampir hilang. Anda boleh melihat sekurang-kurangnya tiga skala kebolehubahan: dua hingga tiga tahun – tempoh aktiviti dan tenang, satu atau dua bulan – maksimum aktiviti dan hari – puncak sempit yang tinggi. Tahun boleh dijelaskan oleh ketidakstabilan rejim pertambahan. Bulan juga merupakan sejenis ketidakstabilan dalam cakera akretion. Dan dengan kebolehubahan pada hari-hari, walaupun pada hari itu – masa kenaikan kilat pendek terang – semuanya lebih rumit.

Dengan jisim lubang hitam dalam satu bilion suria, jejari graviti adalah 3 bilion km. Lingkaran orbit stabil dalaman terakhir cakera pertambahan adalah 10 bilion km (8 jam cahaya), dan masa peredarannya adalah beberapa hari.Ketidakstabilan pertambahan tidak mungkin menghasilkan kepelbagaian yang lebih cepat daripada masa dalam orbit terpendek.

Kemungkinan besar, kebolehubahan harian dikaitkan dengan beberapa fenomena dalam gelombang kejutan jet atau penyambungan semula medan magnet. Dalam kes ini, segala-galanya adalah dalam rangka dengan kebolehubahan yang cepat disebabkan oleh pengurangan masa relativistik: segala-galanya yang berlaku dalam jet menyusut pada masa pemerhati pergi ke sistem di T2 kali di mana G adalah faktor Lorentz jet.

Mungkin terdapat beberapa variasi yang lebih cepat di dalam pecutan raksasa, tetapi tidak begitu mudah untuk dikesan kerana pendedahan berubah-ubah – bidang pandangan Fermi berputar, peranti secara berkala jatuh ke dalam anomali magnetik Atlantik Selatan, di mana latar belakang begitu besar pengesan perlu dimatikan. Jadi, modulasi harian hasilnya berlaku, merumitkan analisis variabiliti pada masa yang sesingkat.

Jenis variasi 3C 454.3 adalah, pada umumnya, tipikal blazar. Naib juara di puncak kecerahan 4C +21.38 (juga raksasa – FSQR dengan kecerahan cakera pertambahan 1047 erg / s) mempunyai lengkung cahaya yang serupa.

Blazars pada diet kelaparan

Kami berpaling kepada jenis blazar lain – BL Lac, atau "Lazertida".Mereka mendapat nama mereka dengan nama wakil pertama mereka yang pertama, BL Lacerta. Sekiranya FSRQ adalah quasar dalam tempoh pertumbuhan yang pesat, maka Lazertids mungkin akan menjadi pesaing yang telah tenang, telah memakan zat yang mudah diakses dan duduk di atas suatu jatah lapar. Mereka lebih banyak daripada jumlah unit daripada FSRQ, sekurang-kurangnya dalam alam semesta moden, tetapi mereka hanya dapat dilihat dari redshifts kecil.

Rajah. 3 Keluk kecerahan salah satu BL Lacs paling terang – Mrk 421 selama 10 tahun kerja, "Fermi"

Yang paling terang ialah Markarian-421 dan Markarian-501, yang disebut di bawah sebagai Mrk 421 dan Mrk 501. Mereka adalah salah satu blazar yang paling dekat. Kurva cahaya salah satu daripada mereka ditunjukkan dalam Rajah. 3. Objek juga berkedip, tetapi, tidak seperti FSRQ yang paling terang yang dibentangkan di atas, ia tidak pergi ke sifar. Menurut Fermi, seseorang tidak dapat melihat variabilitas benda-benda ini lebih pendek daripada sehari – di sini, masalah pendedahan yang tidak sekata ditambah oleh statistik foton yang tidak mencukupi. Masalah ini diselesaikan dengan bantuan teleskop Cherenkov. Ini adalah pengesan teleskop jenis berasaskan tanah yang sama sekali berbeza-beza yang mengimbas langit untuk menyalakan cahaya Cherenkov dari hujan zarah atmosfera yang disebabkan kuantum gamma-kuantum yang tinggi. Julat mereka adalah dari beratus-ratus GeV dan ke atas (ambang lebih rendah secara beransur-ansur menurun).Pemasangan ini mempunyai bidang pandangan yang sangat sempit – anda mesti mengarahkan teleskop pada objek pemerhatian. Tetapi kawasan berkesan mereka adalah lima pesanan magnitud yang lebih besar daripada Fermi, dan statistik untuk gamma-quanta tenaga tinggi jauh lebih tinggi.

Menurut teleskop Cherenkov (MAGIC, HESS), skala terpendek variasi blazar ini adalah puluhan minit. Ini adalah walaupun fakta bahawa jisim lubang hitam ini adalah perintah yang sama: 109 jisim suria, dan variabiliti yang dikaitkan dengan pertambahan tidak boleh lebih pendek daripada beberapa hari. Jadi, kita berurusan dengan beberapa proses yang sangat cepat dalam jet ultrarelativistik.

Rajah. 4 Spektrum tiga blazar: yang paling terang kelas FSRQ 3C 454.3; yang paling terang kelas BL Lac Mrk 421; blazar TXS 0506+, dari mana fluks neutrino dikesan

Walau bagaimanapun, perbezaan utama antara BL Lacs dan FSRQ yang kuat adalah dalam spektrum quanta gamma. Pada mulanya mereka lebih sukar. Dalam ara. 4 menunjukkan spektrum wakil yang paling terang kelas mereka.

Spektrum dibina oleh pengarang terburu-buru, dengan mengambil kira kebergantungan kecekapan pengesan pada tenaga, tetapi tanpa mengambil kira kebergantungan tenaga penyebaran sudut. Yang terakhir memberikan sedikit pengurangan mata pada tenaga di rantau ini dan di bawah 1 GeV. Mendatar adalah logaritma perpuluhan tenaga, menegak adalah logaritma bilangan zarah dalam suatu bin yang didarab dengan tenaga mereka (dalam unit sewenang-wenang yang biasa untuk semua spektrum).Perwakilan spektrum ini (SED, Spectral Energy Distribution) adalah biasa dalam astrofizik tenaga tinggi – ia menunjukkan pengedaran kuasa ke atas julat tenaga yang berbeza.

Quasar 3C 454.3 dalam kecemerlangan mutlak dalam gamma quanta adalah lebih daripada tiga pesanan magnitud yang lebih kuat daripada Mrk 421, ia jauh lebih jauh. Perbezaan kilauan cakera akretionya lebih besar. Oleh itu, perbezaan ketegaran spektrum itu. Cahaya terang untuk zarah dipercepat adalah seperti medium likat, terutama jika ia adalah elektron (dan positron). Selain itu, ia adalah elektron dan positron yang harus memberi asas kepada kecerahan seperti quasar kuat. Sekiranya mereka tidak berada di sana pada mulanya, mereka dilahirkan secara berpasangan dengan kuantiti sedemikian sehingga mereka melebihi bilangan proton dalam jet dengan beberapa pesanan magnitud.

Selain itu, dalam spektrum blazar terdapat tanda-tanda penyerapan tenaga gamma-quanta dari 3-20 GeV oleh cahaya yang diffused dan diproses cakera pertambahan (lihat arXiv: 1408.0793v1). Penyerapan ini disebabkan oleh proses γ.1 + γ2 → e+ edi mana γ1 – kuantum gamma tenaga tinggi, γ2 – foton garis hidrogen Lyman-alpha.

Kerana proses ini, kinks ciri muncul dalam spektrum FSRQs terang, yang sangat baik dilihat dalam jumlah spektrum banyak blazars. Ini bermakna bahawa pelepasan gamma-quanta berasal dari "parsec tengah", di mana terdapat radiasi ultraviolet yang mencukupi untuk menyerap sebahagian daripada gamma-quanta.Ini, seterusnya, menunjukkan bahawa jet mempercepatkan dengan cepat, yang hanya dapat dipastikan oleh proses Blandford – Znaek: lubang hitam dalam medan magnet.

Sebaliknya, di salah satu kad Radioastron jet kelihatan, lebar tepat di pangkalan, yang sepadan dengan pelancaran dari disk akretion (Astronomi Alam, 2018. Vol. 2. P. 472-477). Pada dasarnya, tidak ada yang melarang untuk mengeluarkan dua jet sekaligus, bersarang di antara satu sama lain: sempit dan cepat di tengah dan lebar, lebih perlahan di pinggir.

Sumber Neutrino

Spektrum BL Lac jauh lebih sukar: tenaga yang dipancarkan oleh gamma quanta tidak berkurang dalam beratus-ratus GeV dan bahkan di TeVs (teleskop Cherenkov melihat ini). Selanjutnya, sinar gamma diserap di sepanjang jalan kerana interaksi dengan latar belakang inframerah, yang galaksi memenuhi Alam Semesta. Oleh itu, kita tidak boleh mengatakan sejauh mana spektrum gamma-quanta BL Lacs terbentang. Tetapi baru-baru ini, neutrinos dengan tenaga melebihi 200 GeV dari blazar "biasa" TXS 0506 +056 – juga BL Lac – telah direkodkan (lihat "Kedengaran pertama astronomi neutrino"). Spektrumnya, purata 10 tahun, ditunjukkan dalam Rajah. 5. Ia lebih lembut daripada spektrum yang paling dekat dengan Mrk 421, yang semula jadi – yang pertama adalah lebih daripada tiga ratus juta tahun cahaya, yang kedua ialah empat bilion, oleh itu bahagian keras spektrumnya sangat diserap.

Rajah. 5 Gamma quanta yang didaftarkan oleh Fermi dari blazar TXS 0506 +38. Setiap foton sepadan dengan salib; secara mendatar – masa ketibaan, menegak – logaritma tenaga (MeV). Bar mendatar menunjukkan masa pendaftaran lebihan tenaga neutrino 10-40 TeV dari arah TXS 0506 +056 (akhir tahun 2014 – awal tahun 2015). Anak panah menegak – masa pendaftaran tenaga neutrino tunggal melebihi 200 TEV

Dalam ara. 5 menunjukkan graf ketibaan foton dari TXS 0506 +056. Ia dapat dilihat bahawa "paket" neutrino, yang tiba pada akhir tahun 2014 – awal tahun 2015, sepadan dengan pecah sinaran gamma-quanta. Lampu kilat yang sepadan dengan neutrino tunggal tidak dapat dilihat di sini, tetapi ia juga dinyatakan dalam data teleskop MAGIC Cherenkov. (Sains 361, eaat1378 (2018), arxiv.org/abs/1807.08816).

Persoalan semulajadi timbul: mengapa neutrinos dilihat dari blazar yang lebih jauh dan lemah? Kilauan mutlak TXS 0506 adalah suatu perintah magnitud yang lebih cerah, tetapi di sini kilauan yang diperhatikan adalah penting, menurut yang Mrk 421 lebih cerah oleh urutan magnitud. Pelbagai penjelasan mungkin, contohnya:

  • Pada 200 TeV, neutrinos pada asasnya diserap oleh Bumi. Mrk 421 adalah di utara, TXS 0506 terletak di selatan. Fluks neutrino tenaga semacam ini berkurangan sebanyak tiga kali, melalui Bumi. Penjelasan ini disediakan dalam artikel Kerjasama Ais Cube (arxiv.org/abs/1807.08794).
  • Untuk pelepasan neutrino, bukan sahaja proton dipercepat adalah penting, sasaran juga diperlukan. Cahaya boleh menjadi sasaran untuk memancarkan sinar gamma. Sasaran untuk pelepasan neutrino kemungkinan besar adalah zarah-zarah media interstellar. Nisbah ketumpatan kedua dapat sangat bervariasi.

Sebagai kesimpulan, senarai soalan-soalan utama mengenai jet quasar, tidak kira di mana mereka diarahkan.

  • Di mana jet bermula: dari kawasan dalaman cakera pertambahan atau dari kejiranan dekat lubang hitam? Penyerapan dalam spektrum FSRQ agak bercakap tentang yang kedua, walaupun pemerhatian RadioAstron menyokong yang pertama. Adalah mungkin bahawa versi gabungan adalah perkara biasa.
  • Zarah yang dipercepatkan yang bertanggungjawab untuk radiasi utama jet itu? Dalam kes FSRQ, ini jelas pasangan elektron-positron. Dalam hal BL Lacc oleh spektra radikal yang lebih tegar, ini adalah proton yang paling mungkin. Pertama, proton lebih mudah mempercepatkan, kerugian mereka kurang daripada satu juta kali. Kedua, spektrum BL Lac mirip dengan spektrum lata – apabila zarah awal mempunyai tenaga yang sangat tinggi, dan keturunannya seragam mengisi skala tenaga logaritma.Nah, hujah baru yang memihak kepada proton – neutrino.
  • Apakah mekanisme pecutan bagi zarah dalam jet? Gelombang kejutan dalaman? Ketidakstabilan plasma? Pergolakan? Sempadan jet? Konsensus tidak wujud di sini, dan perbincangan mengenai topik ini adalah di luar skop artikel ini.

    Biasanya, apabila anda melancarkan alat besar baru, krim dikeluarkan dalam dua hingga tiga tahun. Tetapi kemudian debugging, pengumpulan statistik, pendaftaran peristiwa baru, penjelasan gambar dan keputusan baru yang kualitatif diteruskan. Oleh itu, ia tetap mengingatkan anggota pasukan Fermi bahawa anak-anak mereka bekerja dengan selamat sehingga ulang tahun akan datang.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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