Przejdź do treści

Natura promieniowania gamma emitowanego przez blazary

Krzywe zmian blasku blazara

Blazary należą do najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. W ich centrach znajdują się ogromne czarne dziury zasilane materiałem opadającym na nie z dysków akrecyjnych. Dyski te mają rozmiary rzędu kilku parseków, otaczają czarne dziury i są zbudowane z przyciąganej przez nie materii.

Blazary wyrzucają w kosmos energetyczne dżety plazmy, skierowane niemal dokładnie w naszą stronę. Na mapach radiowych dżety wydają się rozciągać na duże odległości od centrum macierzystej galaktyki. Ciągła emisja blazarów jest zmienna pod względem strumienia i polaryzacji. Skala tej zmienności może wynosić od kilku minut do dekad.

Blazary świecą głównie w wysokich energiach, w tym na falach rentgenowskich i gamma. Powszechnie uważa się, że ich silna emisja w tych najwyższych zakresach energii widma elektromagnetycznego jest wynikiem procesów związanych z promieniowaniem synchrotronowym i odwrotnym rozpraszaniem Comptona w relatywistycznych szokach uderzeniowych, które rozchodzą się wzdłuż dżetów blazarów, lub też procesów tak zwanej rekoneksji pól magnetycznych w przypadku silnie namagnesowanych dżetów. Jednak pomimo wspólnych wysiłków kilku nowoczesnych teleskopów - zarówno naziemnych jak i orbitalnych - szczegóły tych mechanizmów i dokładna lokalizacja obszarów produkcji emisji w wysokich energiach w odniesieniu do aktywnych centrów blazarów pozostają wciąż nieuchwytne.

Aby scharakteryzować statystyczne cechy zmienności promieniowania gamma blazarów, przeprowadzono systematyczne badania próbki 20 silnych blazarów przy użyciu różnych narzędzi analitycznych, takich jak rozkład obserwowanego strumienia, analiza symetrii oraz analiza szeregów czasowych. Metody te zastosowano na dziesięcioletnich obserwacjach blazarów prowadzonych z pomocą teleskopu Fermi/LAT.

Wyniki badań prowadzonych w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie wskazują na to, że emisja promieniowania gamma z blazarów jest bardzo wyraźna oraz silnie zmienna na różnych częstotliwościach, przy czym zmienność ta może przejawiać się w różnych okresach czasu. Zaobserwowano też silną dodatnią korelację między tę analizowaną zmiennością a indeksem spektralnym promieniowania gamma, co sugeruje, że zmienność jest bardzo wrażliwa na tzw. nachylenie spektralne promieniowania.

Co więcej, sam rozkład strumienia promieniowania gamma może być precyzyjnie przybliżany logarytmicznie normalnym rozkładem prawdopodobieństwa (w przeciwieństwie do normalnej funkcji gęstości prawdopodobieństwa). Także statystyczna analiza symetrii obejmująca porównania pomiędzy rozkładem tempa wzrostu i zaniku strumienia promieniowania dla krzywych zmian blasku blazarów rejestrowanych na falach gamma wykazała, że oba te rozkłady są bardzo do siebie podobne. To z kolei, nieco wbrew naszej intuicji, świadczy o tym, że istotna różnica w tych skalach czasowych, w których zachodzą procesy przyspieszania i chłodzenia (czyli procesy generujące zmienność - charakterystyczne "migotanie" blazarów), rozmywa się na dużych odległościach przestrzennych, w jakich propagują się ich dżety radiowe.

Wydaje się też, że większość badanych blazarów wykazuje liniową zależność RMS (pierwiastek średni kwadratowy) od wartości strumienia. Może to oznaczać, że obserwowane blazary zdają się nam bardziej zmienne podczas swoich najwyższych stanów emisji promieniowania. Aby ograniczyć statystyczną naturę takiej zmienności w szerokim zakresie częstotliwości czasowych zmienności, zastosowano rozbudowane metody Monte Carlo. Miało to na celu oszacowania takiej gęstości widmowej mocy, która najlepiej reprezentuje periodogram promieniowania gamma dla blazarów. Badania wykazały, że widmowa gęstość mocy dla krzywych świetlnych jest zgodna z pojedynczym rozkładem potęgowym P(ν) ~ 1/ν, z indeksami widmowymi skupionymi wokół wartości jeden.

 

ESO-NTT blazar

Na zdjęciu: Blazar PKS 2155-304 sfotografowany w filtrze R przez teleskop ESO-NTT.

 

Wszystko to może prowadzić do wniosku, że charakter zmienności blazarów objawiającej się migotaniem może być napędzany procesami o "długiej pamięci" - w tym sensie, że ślady działania ("wspomnienia") procesów zachodzących jeszcze w centrum aktywnego jądra i dysku galaktyki macierzystej są przenoszone na duże odległości przez emisję dżetu. Ponadto zbadano okresowe zachowania układów blazarowych z pomocą analizy szeregów czasowych. Niektóre blazary z badanej próbki, w tym S5 0716+714, Mrk 421, ON +325, PKS 1424-418 i PKS 2155-304, faktycznie ujawniły cechy spektralne wskazujące na obecność kwaziperiodycznej zmienności w rocznych skalach czasowych, bardzo wyraźne w porównaniu do możliwych artefaktów obserwacyjnych, jakie są zwykle widoczne w krzywych zmian blasku blazarów.

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: OA UJ

Opracowanie: G. Bhatta, E. Kuligowska

Na ilustracji: Krzywe zmian blasku blazara zaobserwowane teleskopem Fermi/LAT w latach 2008-2018. Widoczne są tu charakterystyczne sygnatury oscylacji pseudookresowych. Źródło: G. Bhatta & N. Dhital.