CC BY
68
АСТРОНОМИЯ
УДК 524.7-1/-8
МНОГОВОЛНОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ БЛАЗАРОВ С СИЛЬНЫМ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕМ*
Д. А. Морозова1, И. С. Троицкий2
1. С.-Петербургский государственный университет, аспирант, comitcont@gmail.com
2. С.-Петербургский государственный университет, аспирант, void@star.math.spbu.ru
Введение. Блазары представляют особенно интересный подкласс галактик с активными ядрами (АЯГ). К блазарам относятся объекты типа BL Lac и квазары с плоским радиоспектром (FSRQ). Они обладают переменностью блеска на различных длинах волн от радио- до гамма-частот (иногда до ТэВ) и в масштабах времени от часов до десятков лет, обнаруживая высокую и переменную поляризацию излучения. Среди всех типов АЯГ блазары излучают в наиболее широком диапазоне частот и имеют выдающиеся радиоджеты, в которых наблюдаются сверхсветовые движения [1]. РСДБ-наблюдения позволяют получать изображение радиоджета в полном и поляризованном потоке с разрешением 0.1 мс дуги. В этих случаях можно видеть изменение структуры радиоисточника в масштабах парсеков, что объясняется релятивистским движением фокусированного потока заряженной плазмы. Хотя большинство джетов блазаров на радиокартах кажутся односторонними, на самом деле джет двусторонний, но релятивистское движение усиливает излучение, идущее к наблюдателю и ослабляет излучение, удаляющееся от него, так что удаляющаяся сторона становится слишком слабой для обнаружения. Блазары образуют самый многочисленный класс объектов, отождествленных с источниками гамма-излучения [2]. Исследуя корреляцию между свойствами радиоджета и гамма-излучением блазаров, зарегистрированных EGRET, авторы работ [3, 4] нашли, что гамма-излучение рождается в релятивистском джете и что распределение видимых скоростей компонент в джетах имеет максимум около 10-12 с, что намного выше средней скорости в дже-тах у всего класса компактных радиоисточников. Эти результаты подтверждаются наблюдениями в гамма-диапазоне по большей выборке компактных радиоисточни-
* Настоящее исследование финансируется по ФЦП «Кадры», государственный контракт №П123 от 13.04.2010.
© Д.А.Морозова, И.С.Троицкий, 2011
ков, выполненными со значительно более высокой точностью на космической гамма-обсерватории Ферми (LAT) [5, 6]. Однако полностью природа этого высокоэнергетического излучения не ясна, в частности, не известна как область, так и механизм генерации гамма-излучения. Заключение о том, что гамма-излучение сильнее зависит от Лоренц-фактора потока, чем радиоизлучение, согласуется как с моделями обратного комптоновского рассеяния фотонов джета и внешних фотонов, так и с моделью, в которой гамма-излучение рождается вблизи центральной машины. Многоволновые наблюдения являются мощным инструментом для изучения природы блазаров. В данной работе исследуется связь между характеристиками гамма-излучения шести блазаров и их поведением в оптическом и радиодиапазоне.
Наблюдения и обработка. Таблица представляет краткое описание выборки источников. Источники были выбраны, исходя из наличия данных в указанных диапазонах, а также различного уровня потока в гамма-диапазоне, поскольку представляется интересным изучить в оптическом и радиодипазоне поведение объектов, обладающих различными свойствами гамма-излучения. Выборка источников включает объекты различного типа (3 квазара и 3 объекта типа BL Lac).
Название источника z Тип Компонента Видимая скорость Papp (с)
3C 279 0.538 Quasar K1 13.4 ± 0.8
K2 24.5 ± 2.5
K3 10.6 ± 0.4
K4 10.2 ± 0.8
W Com, ON 231 0.102 BL Lac K1 0.9 ± 0.2
K2 2.9 ± 0.1
K3 0.7 ± 0.5
K4 1.2 ± 0.2
BL Lac 0.0686 BL Lac K1 4.9 ± 2.7
K2 3.3 ± 0.7
K3 6.2 ± 0.6
PKS 1510-089 0.36 Quasar K1 28.7 ± 1.7
K2 5.0 ± 1.4
K3 18.9 ± 1.9
3C 273 0.158 Quasar K1 9.8 ± 1.2
K2 8.6 ± 0.5
K3 7.5 ± 0.5
K4 9.8 ± 0.9
K5 9.0 ± 1.5
K6 8.6 ± 0.7
3C 66A 0.444 BL Lac K1 21 ± 10
K2 32.7 ± 4.3
K3 25 ± 2
K4 22 ±4.5
Оптические данные в фильтре R для исследуемых источников были получены группой наблюдателей Санкт-Петербургского университета (в которую входят авторы статьи) с помощью телескопа СПбГУ LX200 (0.4 м) и телескопа КрАО АЗТ-8 (0.7 м); также использовались данные программ MAPCAT, SMARTS и данные, полученные группой наблюдателей из Бостонского университета на телескопе Perkins. Более подробную информацию о процессе наблюдениях и обработке данных можно найти в работе [7].
Для получения информации в гамма-диапазоне авторами была произведена обработка данных, полученных телескопом LAT космической гамма-обсерватории Ферми в диапазоне 0.1—200 ГэВ для промежутка август 2008 — ноябрь 2009. Гамма-обсерватория Ферми начала свою работу в августе 2008 года. Для обработки данных в гамма-диапазоне мы использовали стандартное программное обеспечение (Fermi Science Tools, [8]), а также написанные нами программы, позволяющие ускорить обработку. При обработке фотонный спектр аппроксимировался простым степенным законом (Ф(Е) ж Е-а, где а — фотонный индекс). Считалось, что источник обнаружен, если значение статистического критерия TS превосходило 10, что соответствует обнаружению сигнала, по крайней мере, на уровне 3а [10]. Статистический критерий TS определяется следующим образом: TS = —2Ln(Lo/Li), где Li —функция правдоподобия при наличии источника в задаваемой модели, Lo —при его отсутствии. Более подробное описание критерия TS можно найти в работе [9]. Были построены кривые блеска в гамма-диапазоне для всех объектов выборки со временем интегрирования 1 и 7 дней. Различное время интегрирования было выбрано для сопоставления данных в гамма-диапазоне с оптическим и радиоданными, поскольку в оптике наблюдения проводятся примерно 1 раз в сутки, а радионаблюдения проводятся примерно раз в месяц. Увеличение времени интегрирования также позволяет увеличить точность определения плотности потока и спектрального индекса для слабых объектов.
Для выявления структуры источников использовались данные, полученные группой исследователей из Бостонского университета с помощью интерферометра со сверхдлинной базой (VLBA, США) на частоте 43 ГГц. Начиная с июня 2007 года VLBA-наблюдения проводятся приблизительно ежемесячно, откалиброванные данные находятся в свободном доступе (www.bu.edu/blazars). Моделирование структуры источника на каждом изображении было выполнено нами в Difmap (Calthech Software). Для создания модели источника использовались компоненты с круговым гауссовым распределением яркости. Для большинства источников конечное значение х2, определяющее качество подгонки модели к uv-данным, составляет от 1 до 5. Моделирование карт для всех источников, кроме 3С 66A, производилось на следующих эпохах: 16.08.08, 10.09.08, 16.11.08, 21.12.08, 24.01.09, 22.02.09, 1.04.09, 30.05.09, 21.06.09, 27.07.09, 16.08.09, 16.09.09, 16.10.2009, 28.11.09. Для объекта 3C 66А данные в радиодиапазоне имелись лишь на 4 эпохах: 2.04.09, 27.07.09, 16.10.09, 28.11.09.
Для определения скорости движения в джетах проводилось детальное сравнение параметров компонент джетов (узлов повышенной яркости) на различных эпохах для каждого объекта. Перед отождествлением компонент джета для всех полученных моделей был выполнен переход в относительную систему координат, в которой ядро джета находится в точке с координатами (0,0). Для отождествления компоненты на разных эпохах сравнивались плотности потоков, расстояние от ядра, позиционный угол и размеры компонент. Это позволило выделить узлы яркости, показывающие собственное движение в джете за время наших наблюдений. Зависимости расстояния компонент от ядра как функции времени имеют линейный характер, указывая на баллистическое движение компонент (см. рис.1). Используя метод наименьших квадратов, мы оценили скорость углового движения компонент ц. При вычислении видимых (перпендикулярных к лучу зрения наблюдателя) скоростей движения в дже-те использовалась космологическая модель FLRW (Friedmann—Lemaitre—Robertson— Walker) [11] с параметрами Qm = 0.3, Лт = 0.7 и постоянной Хаббла Ho = 70 км/с Мпк.
Результаты наблюдений и обсуждение. На рис. 1 (а, б) для примера приведены графики движения компонент для двух источников. В таблице приведены видимые скорости движущихся компонент и ошибки их определения. На рис. 2 для примера представлены VLBA-изображения источников на 43 ГГц в полном потоке (а —W Com, б —PKS 1510-089, в —BL Lac) для одной из эпох, на которой имеется наибольшее число отождествленных компонент. На изображениях видно яркое ядро, которое считается неподвижным, и от которого отделяются компоненты с видимыми сверхсветовыми скоростями. Отождествление компонент и определение скоростей были сделаны впервые за период август 2008 — ноябрь 2009 для всех объектов кроме PKS 1510-089, для которго комоненты К1 и К3 соответствуют компонетам knot1 и knot2 в работе [12]. На рис. 3, 4 для каждого из шести блазаров сверху вниз представлены: кривые блеска в гамма-диапазоне с временем интегрирования 1 и 7 дней, гамма-фотонный индекс и оптические кривые блеска в полосе R за промежуток времени с
Right Ascension (mas) Right Ascension (mas) Right Ascension (mos)
а б в
Рис. 2.
Mi
iky
'/•* V ’ ’ •••Г* • : v „ V*
_ 1,4е-6 Т 1,2е-6
N 1,0в-6
| 8,0е-7 о. 6,0е-7 § 4,0е-7 “■ 2,0е-7
1,4е-6
7 «я 1’2е’6
V 1,0е-6 о 8,0е-7 % 6,0е-7 з 4,0е-7
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
ЗС 66А й# mkk
i V • * . : ЛлТ* f «•
54700 54800
Рис. 3.
августа 2008 по ноябрь 2009. На панели с фотонными индексами черным цветом отмечены точки, соответствующие временному разрешению 7 дней, белым — 1 день. При анализе данных в гамма-диапазоне было зафиксировано несколько сильных гамма-вспышек у четырех (3C 66A, PKS 1510-089, 3C 279 и 3C 273) из шести источников. Все вспышки имеют сложную структуру. У других двух источников (BL Lac, W Com) не было обнаружено такой сильной переменности в гамма-диапазоне. Гамма-вспышки в
б
а
в
г
Рис. 4.
б
а
источниках 3C 66A, PKS 1510-089, 3C 279 и 3C 273 соответствуют оптическим вспышкам. У объектов BL Lac and W Com на оптических кривых блеска хорошо видны две сильные вспышки, однако нет соответствующих изменений в гамма-диапазоне. На графиках изменения фотонного индекса с течением времени видно, что при мощных вспышках его значение стабилизируется, поскольку растет точность его определения. У всех объектов выборки фотонный индекс находится в пределах от 1 до 3. Гамма-фотонный индекс для объектов типа BL Lac более жесткий, чем для квазаров, что соответствует результатам работы [13]. На рис. 5 представлена зависимость максимальной видимой скорости в джете источника от максимальной относительной амплитуды переменности (отношение максимального потока во вспышке к среднему потоку в спокойном состоянии) в гамма-диапазоне за период с августа 2008 по ноябрь 2009. Источники с более высокими скоростями обладают более сильной переменностью и более высоким уровнем потока в гамма-диапазоне. У объекта PKS 1510-089 было обнаружено несколько вспышек в гамма-диапазоне (MJD ~ 54850, MJD ~ 54950), которым соответствовали вспышки в оптическом диапазоне. В джете объекта были обнаружены 3 компоненты (компоненты К1 и К3 были выброшены из ядра джета в период с августа 2008 по ноябрь 2009). У объекта 3С 273 были обнаружены 2 вспышки в гамма-диапазоне, первой вспышке (MJD ~ 54950) соответствует вспышка в оптике, для второй вспышки (MJD ~ 55100) оптические данные в этот промежуток времени отсутствовали. У объекта были обнаружены 6 компонент (компоненты К5 и К6 были выброшены в период с августа 2008 по ноябрь 2009). У объекта 3С 279 были обнаружены 2 вспышки в гамма-диапазоне (MJD ~ 54800, MJD ~ 54870), которым соответствовали вспышки в оптическом диапазоне. В джете были обнаружены 4 компоненты (компонента К4 была выброшена из ядра джета в период с августа 2008 по ноябрь 2009). У объекта 3C 66A были обнаружены 2 вспышки в гамма-диапазоне, первой вспышке (MJD ~ 54750) соответствует вспышка в оптике, для второй вспыш-
ки (MJD ~ 54850) отсутствовали оптические данных в этот промежуток времени. В джете были обнаружены 4 компоненты (компоненты К2, К3, К4 были выброшены из ядра джета в период с августа 2008 по ноябрь 2009). У объекта BL Lac была обнаружена одна вспышка в оптике (MJD ~ 55220), в гамма-диапазоне вспышек не наблюдалось. Были обнаружены 3 движущиеся компоненты. Помимо движущихся компонент у объекта были обнаружены 2 компоненты (B1 и B2) вблизи ядра, не показавшие движения за время наблюдения. В течение всего промежутка наблюдений компоненты находились на расстояниях ~ 0,13 мсек и ~ 0,32 мсек от ядра. У объекта W Com Была обнаружена одна вспышка в оптике (MJD ~ 54880), в гамма-диапазоне вспышек не наблюдалось. У объекта были обнаружены 4 движущиеся компоненты (компоненты К3 и К4 были выброшены из ядра джета в период с августа 2008 по ноябрь 2009).
ю 100
amplitude of gamma-ray variability
Рис. 5.
Заключение. Были исследованы радиокарты 6-ти ярких в гамма-диапазоне бла-заров (BL Lac, 3C 279, 3C 273, W Com, PKS 1510-089, 3C 66A) и вариации блеска этих объектов в оптическом и гамма-диапазонах. За период с августа 2008 по ноябрь 2009 нами были обнаружены сверхсветовые движения во всех 6-ти источниках с видимыми скоростями от 2 до 32 с. Блазары с более высокими видимыми скоростями 3C 273, 3C 279, PKS 1510-089 и 3C 66A обладают более сильной переменностью гамма-излучения с максимальными амплитудами вспышек до 8, 84 * 10~6 фот/стсм2. Источники с более низкими скоростями BL Lac и W Com имеют более низкий уровень потока и переменности в гамма-диапазоне. Лишь у объектов с более высокими скоростями было зарегистрировано несколько вспышек, при которых происходили синхронные изменения блеска в оптическом и в гамма-диапазоне. Было обнаружено, что источники с более высокими скоростями обладают более сильным гамма-излучением. Для более подробного изучения данной тенденции следует провести аналогичное исследование большей выборки блазаров с различными уровнями плотности потока в гамма-диапазоне. Полученные результаты согласуются с моделями, в которых гамма-излучение рождается внутри джета.
Авторы приносят благодарность группе наблюдателей СПбГУ и группе исследователей из Бостонского университета за предоставленные данные.
1. Kellermann K. I., Lister M. L., Homan D. C. et al. Sub-Milliarcsecond Imaging of Quasars and Active Galactic Nuclei. III. Kinematics of Parsec-scale Radio Jets // The Astrophysical Journal. 2004. Vol. 609. P. 539-563.
2. Hartman R. C., Bertsch D.L., Bloom S.D. et al. The Third EGRET Catalog of High-Energy Gamma-Ray Sources // The Astrophysical Journal Supplement Series. 1999. Vol. 123. P. 79-202.
3. Jorstad S. G., Marscher A. P., Mattox J. R. et al. Multiepoch Very Long Baseline Array Observations of EGRET-detected Quasars and BL Lacertae Objects: Superluminal Motion of Gamma-Ray Bright Blazars // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2001. Vol. 134. P. 181-240.
4. Jorstad S. G., Marscher A. P., Mattox J. R. et al. Multiepoch Very Long Baseline Array Observations of EGRET-detected Quasars and BL Lacertae Objects: Connection between Superluminal Ejections and Gamma-Ray Flares in Blazars // The Astrophysical Journal. 2001. Vol. 556. P. 738-748.
5. Kovalev Y. Y., Aller H. D., Aller M.F. et al. The Relation Between AGN Gamma-Ray Emission and Parsec-Scale Radio Jets // The Astrophysical Journal Letters. 2009. Vol. 696. P. L17-L21.
6. Lister M.L., Homan D. C., Kadler M. et al. Connection Between Apparent VLBA Jet Speeds and Initial Active Galactic Nucleus Detections Made by the Fermi Gamma-Ray Observatory // The Astrophysical Journal Letters. 2009. Vol. 696. P. L22-L26.
7. Larionov V. M., Jorstad S. G., Marscher A. P. et al. Results of WEBT, VLBA and RXTE monitoring of 3C 279 during 2006-2007 // Astronomy and Astrophysics. 2008. Vol. 492. P. 389400.
8. Atwood W. B., Abdo A. A., Ackermann M. et al. The Large Area Telescope on the Fermi Gamma-Ray Space Telescope Mission // The Astrophysical Journal. 2009. Vol. 697. P. 1071-1102.
9. Mattox J. R., Bertsch D. L., Chiang J. et al. The Likelihood Analysis of EGRET Data // Astrophysical Journal. 1996. Vol. 461. P. 396.
10. Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M. et al. Fermi/Large Area Telescope Bright Gamma-Ray Source List // The Astrophysical Journal Supplement. 2009. Vol. 183. P. 46-66.
11. Kantowski R., Kao J. K., Thomas R. C. Distance-Redshift Relations in Inhomoge-neous Friedmann—Lemaitre—Robertson—Walker Cosmology // The Astrophysical Journal. 2000. Vol. 545. P. 549-560.
12. Marscher A. P., Jorstad S. G., Larionov V. M. et al. Probing the Inner Jet of the Quasar PKS 1510-089 with Multi-Waveband Monitoring During Strong Gamma-Ray Activity // The Astrophysical Journal Letters. 2010. Vol. 710. P. L126-L131.
13. Abdo A. A., Ackermann M., Ajello M. et. al. Spectral Properties of Bright Fermi-Detected Blazars in the Gamma-Ray Band // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 710. P. 1271-1285.
Статья поступила в редакцию 16 июня 2011 г.
