Zece ani de telescopul Fermi gamma. Partea 2

Zece ani de telescopul Fermi gamma. Partea 2

Boris Stern,
ved. științifice. și colab. INR RAS, redactor șef al TrV-Science
"Opțiunea Trinității" №16 (260), 14 august 2018

Boris Stern

În cel de-al doilea articol dedicat aniversării proiectului Fermi, ne vom concentra pe cele mai strălucite dintre cele mai durabile obiecte din Univers – blazare de diferite tipuri. Acest articol conține cifre care prezintă date Fermi timp de 10 ani, cinci zile. Ele sunt prelucrate de autor, cele mai recente date (până la 30 iulie 2018) au ajutat-o ​​pe Gregory Rubtsov (INR RAS) să ajute la descărcare. Câteva zile sunt suficiente pentru a desena cele mai simple distribuții preliminare care ilustrează fenomenologia blazarelor. Publicațiile în reviste științifice evaluate de colegi, pe baza unui set de date jubilian, vor apărea cel puțin în câteva luni.

Ce este blazar

O diagramă grafică a nucleului galactic activ este prezentată în Fig. 1. Centru, disc de acumulare și jeturi. Această schemă este distribuită în Univers în diferite scări: discuri protoplanetare, stele neutronice și găuri negre în sisteme binare (microquasars), intestinele stelelor în timpul colapsului (exploziile de raze gama).

Fig. 1. Schema Quasar

Mecanismul este, de asemenea, același: un disc de acumulare este aproape sigur format atunci când o substanță este forțată spre centru.Dacă particulele interacționează inelastic între ele și au un anumit moment de inerție totală, nu au nimic de făcut decât să se adune într-un disc. Mediul interstelar, tragând în disc, poartă cu el câmpul magnetic.

Câmpul și substanța sunt puternic interconectate (câmpul este "înghețat în" în substanță) datorită conductivității enorme a plasmei cosmice, care se manifestă datorită dimensiunii enorme a "conductorului" și, prin urmare, a inducției magnetice uriașe. Într-un sens, mediul interstelar poate fi numit supraconductor.

Câmpul magnetic cu energia sa nu poate dispărea în spațiu, ca într-o înfășurare de cupru, care intră în căldură. În acest caz, substanța trebuie să scape cumva de câmpul magnetic înainte de a cădea într-o gaură neagră sau pe o stea formatoare, altfel se va rezista gravitației prin elasticitatea sa. Există două modalități principale de a face acest lucru. Primul este reconectarea buclelor de câmp magnetic. Acesta este exact ceea ce se întâmplă cu câmpul magnetic turbulent al Soarelui, rezultând că admirăm un astfel de rezultat al rachetelor solare ca aurora. Al doilea mod de a scăpa de câmpul magnetic este să-l aruncați cu plasmă congelată.

În nucleele galactice active, aparent, ambele mecanisme funcționează.Reconectarea câmpului magnetic, prin toate probabilitățile, dă o radiație radiologică dură – deși nu este izotropă, strălucește într-un unghi larg larg de aproximativ 2π. Un câmp poate fi aruncat de-a lungul axei de rotație a discului în două direcții opuse. Deci, există jetoane.

În principiu, mecanismul de lansare al jetului este clar, dar numai în principiu. Cu o serie de ipoteze simplificatoare, lansarea nu este doar modelată pe supercomputere, ci și descrisă analitic. Principalul lucru este rotirea liniilor câmpului magnetic. Acest lucru poate fi realizat printr-un disc de acumulare rotativ, cel mai probabil care are loc la nașterea sistemelor planetare. Un mecanism mai exotic este adăugat la nucleele galactice active: efectul Blandford-Znak. O gaură neagră rotativă răstoarnă spațiul din jurul lui. Dacă este scufundat într-un câmp magnetic extern, atunci se întoarce câmpul împreună cu spațiul. Liniile de forță se răsucesc așa cum se arată în diagrama. Particulele de plasmă se aliniază de-a lungul liniilor de câmp, accelerând datorită efectului de sling. Câmpul nu este rigid: sub sarcina plasmei accelerate, el este îndoit înapoi în spirală, iar jetul în sine este accelerat de presiunea câmpului turbionar până la viteze ultrarelativiste. Aceasta este o explicație foarte vulgară asupra degetelor.Matematica acestui fenomen este mai complicată decât matematica unei tornado-uri. Aici, mediul extern joacă un rol, ajutând la colimarea jetului, adică transformându-l într-un flux îngust. După cum sa menționat în articolul precedent, blazarul este un nucleu galactic activ, a cărui jet este îndreptată spre noi.

Titularul înregistrării

Cel mai strălucitor blazar din cer – 3C 454.3. Acesta aparține tipului FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) – quasare de mare putere, regizat de jetul lor către noi. Este într-adevăr un monstru! În timpul flash-urilor, este mult mai strălucitor decât orice altă sursă de raze gamma. Discul de acumulare emite 1047 erg / s este de aproximativ 10 mii de ori mai mare decât toată galaxia noastră în întreaga gamă. Nu există măsurători directe ale gaurii negre 3C masa 454.4, estimările indirecte indică ordinea de mărime a unui miliard de mase solare.

Redshiftul acestui blazar este de 0.859, ceea ce corespunde unei distanțe de 7,7 miliarde de ani lumină. Pentru tipul său, este un obiect destul de aproape. În acel moment, quasarii strălucitori au început să dispară încet, "timpul de aur" al quasarilor – undeva între schimbarea roșie 1 și 2 – a fost cu mai mult de 10 miliarde de ani în urmă.

Fig. 2. Curba de strălucire a celui mai strălucitor blazar 3C 454.3 timp de 10 ani de muncă, "Fermi". orizontal – zile, calculate de la începutul setului de date (04.08.2008), vertical – numărul de gama-quanta de energie de peste 300 MeV în două zile. Pe bara laterală – cel mai înalt vârf într-o scară de timp mai mare. Lățimea fasolei – 2,4 ore

În fig. 2 – curba de lumină 3С 454.3 pentru zece ani de muncă "Fermi". Corecția pentru expunerea neuniformă variază mult peste ore, dar pe perioade lungi de timp este destul de slabă.

Primul lucru care captează ochiul, blazar-ul este o sursă intermitentă (aceasta se aplică nu numai acestui obiect). În pauzele dintre episoadele de activitate (interval de 1200-1600 de zile), sursa a dispărut practic. Puteți vedea cel puțin trei scale de variabilitate: doi până la trei ani – perioade de activitate și calm, una sau două luni – maxime de activitate și zile – vârfuri înguste. Anii pot fi explicați prin instabilitatea regimului de acumulare. Lunile sunt, de asemenea, mai degrabă un fel de instabilitate în discul de acumulare. Și cu variabilitatea zilelor, chiar și în timpul zilei – timpul de creștere a celui mai strălucitor bliț scurt – totul este mult mai complicat.

Cu o masă de o gaură neagră într-un miliard solar, raza gravitațională este de 3 miliarde de km. Raza ultimei orbite stabile interne a discului de acumulare este de 10 miliarde km (8 ore de lumină), iar timpul de circulație pe acesta este de câteva zile.Este puțin probabil ca instabilitățile de acționare să producă variabilitate mai rapidă decât timpul pe cea mai scurtă orbită.

Cel mai probabil, variabilitatea zilnică este asociată cu unele fenomene în undele de șoc-jet sau reconectarea câmpului magnetic. În acest caz, totul este în ordine cu o variabilitate rapidă datorită reducerii relativiste a timpului: tot ce se întâmplă într-un jet se micșorează în timp când observatorul merge la sistem în T2 ori unde G este factorul Lorentz al jetului.

S-ar putea să existe o variabilitate mai rapidă în interiorul exploziilor uriașe, dar nu este atât de ușor de detectat datorită expunerii variabile – câmpul de vedere al lui Fermi se rotește, dispozitivul cade periodic în anomalia magnetică a Atlanticului de Sud, unde fundalul este atât de mare încât detectorul trebuie să fie oprit. Astfel, apare o modulare zilnică a rezultatelor, complicând analiza variabilității în cele mai scurte timpuri.

Tipul de variabilitate 3C 454.3 este, în general, tipic pentru blazare. Vicecampion în luminozitatea vârfului 4C +21.38 (de asemenea un monstru – FSQR cu o luminozitate a unui disc de acumulare 1047 erg / s) are o curbă similară a luminii.

Blazari pe o dieta de foame

Să ne întoarcem la un alt tip de blazare – BL Lac, sau "Lazertida".Ei au primit numele lor după numele primului lor reprezentant istoric, BL Lacerta. În cazul în care FSRQ este un quasar într-o perioadă de creștere rapidă, atunci Lazertids sunt probabil quiezers care au liniștit, au mâncat substanță ușor accesibile și a stat pe o rație foame. Ele sunt mult mai multe pe unitatea de volum decât FSRQ, cel puțin în Universul modern, dar ele sunt vizibile numai din roșu redus.

Fig. 3. Curba de luminozitate a unuia dintre cele mai strălucite lacuri BL – Mrk 421 pentru 10 ani de muncă, "Fermi"

Cei mai străluciți dintre ei sunt Markarian-421 și Markarian-501, menționați mai jos ca Mrk 421 și Mrk 501. Acestea sunt unul dintre cele mai apropiate blazare. Curba luminoasă a uneia dintre ele este prezentată în Fig. 3. Obiectul, de asemenea, clipește, dar, spre deosebire de cele mai strălucite FSRQ prezentate mai sus, nu merge la zero. Potrivit lui Fermi, nu se poate vedea variabilitatea acestor obiecte mai scurte decât o zi – aici, problema expunerii neuniforme este completată de statistici insuficiente de fotoni. Această problemă este rezolvată cu ajutorul telescoapelor Cherenkov. Acestea sunt detectoarele unui telescop complet diferit de tip – pe sol, care scanează cerul pentru aprinderea luminii Cherenkov de la dușurile atmosferice ale particulelor cauzate de o gamă-cuantum de energie înaltă. Gama lor este de la sute de GeV și mai sus (pragul inferior scade treptat).Aceste instalații au un câmp vizual foarte îngust – trebuie să îndreptați telescoapele spre obiectul de observare. Dar zona lor efectivă este de cinci ordine de mărime mai mare decât cea a lui Fermi, iar statisticile pentru gama-quanta de mare putere sunt semnificativ mai mari.

Potrivit telescopelor Cherenkov (MAGIC, HESS), cea mai scurtă scară de variabilitate a acestor blazare este de zeci de minute. Aceasta este în ciuda faptului că masa gaurilor negre a acestor blazare este de aceeași ordine: 109 masele solare și variabilitatea asociată acumulării nu pot fi mai scurte decât câteva zile. Deci, avem de-a face cu niște procese foarte rapide într-un avion ultrarelativist.

Fig. 4. Spectra a trei blazare: cea mai strălucitoare din clasa FSRQ 3C 454.3; cea mai strălucitoare din clasa BL Lac Mrk 421; blazar TXS 0506+, din care este detectat fluxul de neutrini

Cu toate acestea, principala diferență între BL Lacs și FSRQs puternice este în spectrele quanta gamma. La început sunt mult mai dure. În fig. 4 prezintă spectrele celor mai străluciți reprezentanți ai clasei lor.

Spectrele au fost construite de autor în grabă, ținând cont de dependența eficienței detectorului de energie, dar fără a ține seama de dependența energetică a răspândirii unghiulare. Aceasta din urmă oferă o ușoară subestimare a punctelor la energiile din regiune și sub 1 GeV. Orizontal este logaritmul zecimal al energiei, verticala este logaritmul numarului de particule dintr-un cos inmultit cu energia lor (in unitati arbitrare comune tuturor spectrelor).O astfel de reprezentare a spectrelor (SED, Distribuția energiei spectrale) este obișnuită în astrofizica de mare energie – arată distribuția puterii pe diferite intervale de energie.

Quasar 3C 454.3 în luminozitatea absolută în quanta gamma este mai mare de trei ordine de mărime mai puternică decât Mrk 421, este mult mai departe. Diferența de luminozitate a discului de acumulare este chiar mai mare. Prin urmare, diferența în rigiditatea spectrului. Luminile luminoase pentru particulele accelerate sunt ca un mediu vâscos, mai ales dacă sunt electroni (și positroni). Mai mult, sunt electroni și positroni care ar trebui să dea baza luminozității unui asemenea quasar puternic. Dacă nu erau acolo inițial, se naște în perechi într-o asemenea cantitate încât să depășească numărul de protoni într-un jet de mai multe ordine de mărime.

Mai mult, în spectrele blazarelor există semne vizibile de absorbție a gama-quanta de energie de 3-20 GeV prin lumina difuză și prelucrată a discului de acumulare (vezi arXiv: 1408.0793v1). Această absorbție este cauzată de procesul γ.1 + γ2 → e+ eunde γ1 – gama quantum de energie mare, γ2 – fotonul Lyman-alfa de hidrogen.

Datorită acestui proces, se înregistrează caracteristici caracteristice ale spectrului FSRQ-urilor strălucitoare, care se văd în special în spectrul total al multor blazare. Aceasta înseamnă că emisia de raze gama provine de la "parsec central", unde există suficiente radiații ultraviolete pentru a absorbi o parte din razele gamma.Aceasta, la rândul său, indică faptul că jetul accelerează destul de repede, lucru care poate fi asigurat numai prin procesul Blandford-Znak: o gaură neagră într-un câmp magnetic.

Pe de altă parte, pe una dintre cartelele Radioastron este vizibil un jet, larg la dreapta, care corespunde lansării de pe discul de acumulare (Natura Astronomie, 2018. Vol. 2. P. 472-477). În principiu, nimeni nu interzice să emită două jeturi simultan, îmbinate unul în celălalt: îngust și rapid în centru și larg, mai lent în periferie.

Sursă de neutru

Spectrele BL Lac sunt mult mai greu: energia emisă de quanta gamma nu scade în sute de GeVs și chiar în TeVs (telescoapele Cherenkov văd acest lucru). În plus, razele gamma sunt absorbite de-a lungul drumului datorită interacțiunii cu fundalul infraroșu, care galaxiile au umplut Universul. Prin urmare, nu putem spune cât de departe se întinde spectrul gamma-quanta al BL Lacs. Dar, recent, s-au înregistrat neutrini cu energii peste 200 GeV de la blazarul "obișnuit" TXS 0506 +056 – și BL Lac – (vezi "Primul strigăt al astronomiei neutrinice"). Spectrul său, în medie de 10 ani, este prezentat în Fig. 5. Este mai moale decât spectrul celui mai apropiat Mrk 421, care este natural – primul este în mai mult de trei sute de milioane de ani-lumină, al doilea este de patru miliarde, de aceea partea cea mai grea a spectrului său este puternic absorbită.

Fig. 5. Gamma quanta înregistrată de Fermi de la blazar TXS 0506 +38. Fiecare foton corespunde unei cruci; orizontal – ora sosirii; vertical – logaritmul energiei (MeV). Bara orizontală arată timpul înregistrării unui exces de energie neutrin de 10-40 TeV din direcția TXS 0506 +056 (sfârșitul anului 2014 – începutul anului 2015). Săgeată verticală – timpul de înregistrare a unei singure energii neutrinice de peste 200 TeV

În fig. 5 prezintă graficul de sosire a fotonului de la TXS 0506 +056. Se poate observa că "pachetul" de neutrini, care a ajuns la sfârșitul anului 2014 – începutul anului 2015, corespunde unei izbucniri a radiației gamma-cuantice. Blițul corespunzător unui singur neutrino nu este vizibil aici, dar este bine exprimat în datele telescopului MAGIC Cherenkov. (Science 361, eaat1378 (2018), arxiv.org/abs/1807.08816).

Se ridică o întrebare naturală: de ce au fost observate neutrinii dintr-un blazar mai îndepărtat și mai slab? Luminozitatea absolută a TXS 0506 este un ordin de mărime mai strălucitoare, dar aici luminozitatea observată este importantă, conform căruia Mrk 421 este mai luminos prin ordin. Sunt posibile diferite explicații, de exemplu:

  • La 200 TeV, neutrinii sunt absorbiți de Pământ. Mrk 421 este în nord, TXS 0506 este în sud. Fluxul neutrin al unei astfel de energii scade cu aproximativ trei ori, trecând prin Pământ. Această explicație este furnizată în articolul Collaboration Ice Cube (arxiv.org/abs/1807.08794).
  • Pentru emisiile de neutrini, nu numai protonii acceleratori sunt importanți, este de asemenea necesară o țintă. Lumina poate fi o țintă pentru emisia de raze gamma. Obiectivul pentru emisia de neutrini este cel mai probabil particulele mediului interstelar. Raportul densității dintre cele două poate varia foarte mult.

În concluzie, o listă de întrebări-cheie referitoare la jeturile quasare, indiferent de locul în care sunt direcționate.

  • Unde începe jetul: de la zonele interne ale discului de acumulare sau dintr-o vecinătate aproape de o gaură neagră? Absorbția în spectrele FSRQ vorbeste mai degrabă despre cea de-a doua, deși observarea RadioAstron este în favoarea primului. Este posibil ca versiunea combinată să fie comună.
  • Ce particule accelerate sunt responsabile pentru radiația principală a jetului? În cazul FSRQ, acest lucru este în mod clar perechi de electroni-pozitivi. În cazul BL Lacc prin spectre radical mai rigide, acestea sunt probabil protoni. În primul rând, protonii sunt mai ușor de accelerat, pierderile lor fiind mai puțin de un milion de ori. În al doilea rând, spectrul BL Lac este similar spectrului de cascadă – când particula inițială are o energie foarte mare, iar descendenții ei umple uniform scara logaritmică a energiei.Un argument nou în favoarea protonilor – neutrino.
  • Care este mecanismul de accelerare a particulelor într-un jet? Undele interne de șoc? Instabilități de plasmă? Turbulență? Limita jetului? Consensul nu există aici, iar discuția pe această temă depășește domeniul de aplicare al acestui articol.

    De obicei, atunci când lansați un nou instrument mare, crema este îndepărtată în doi sau trei ani. Dar, apoi, depanarea, acumularea de statistici, înregistrarea de noi evenimente, clarificarea imaginii și rezultate calitative noi continuă. Prin urmare, rămîne să-i dăm speranță membrilor echipei Fermi că puii lor lucrează în condiții de siguranță până la următoarea aniversare.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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