Блазар — это активное галактическое ядро (AGN) с релятивистским джетом (струей, состоящей из ионизированной материи, движущейся почти со скоростью света ), направленным очень близко к наблюдателю. Релятивистское излучение электромагнитного излучения от струи заставляет блазары казаться намного ярче, чем если бы струя была направлена в сторону от Земли. [1] Блазары являются мощными источниками излучения по всему электромагнитному спектру и, как наблюдалось, являются источниками высокоэнергетических гамма- фотонов . Блазары являются весьма изменчивыми источниками, часто испытывающими быстрые и резкие колебания яркости в короткие временные масштабы (от часов до дней). Некоторые джеты блазара, по-видимому, демонстрируют сверхсветовое движение , еще одно следствие того, что вещество в струе движется к наблюдателю почти со скоростью света.
Категория блазаров включает объекты BL Lac и оптически бурно переменные (OVV) квазары . Общепринятая теория заключается в том, что объекты BL Lac являются по своей сути маломощными радиогалактиками , в то время как квазары OVV являются по своей сути мощными радиогромкими квазарами . Название «блазар» было придумано в 1978 году астрономом Эдвардом Шпигелем для обозначения комбинации этих двух классов. [2]
На снимках в видимом диапазоне волн большинство блазаров выглядят компактными и точечными, но изображения с высоким разрешением показывают, что они расположены в центрах эллиптических галактик . [3]
Блазары являются важными темами исследований в астрономии и астрофизике высоких энергий . Исследования блазаров включают изучение свойств аккреционных дисков и струй , центральных сверхмассивных черных дыр и окружающих родительских галактик , а также излучения высокоэнергетических фотонов , космических лучей и нейтрино .
В июле 2018 года команда обсерватории нейтрино IceCube проследила нейтрино , поразившее ее детектор, расположенный в Антарктиде , в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазаре, удаленном на 3,7 миллиарда световых лет . Это был первый случай использования детектора нейтрино для обнаружения объекта в космосе. [4] [5] [6]
Блазары, как и все активные галактические ядра (AGN), как полагают, питаются от материала, падающего в сверхмассивную черную дыру в ядре родительской галактики. Газ, пыль и случайные звезды захватываются и вращаются по спирали в этой центральной черной дыре, создавая горячий аккреционный диск , который генерирует огромное количество энергии в виде фотонов , электронов , позитронов и других элементарных частиц . Эта область относительно мала, размером примерно 10−3 парсека .
Также есть более крупный непрозрачный тороид, простирающийся на несколько парсеков от черной дыры, содержащий горячий газ с вкрапленными областями более высокой плотности. Эти «облака» могут поглощать и переизлучать энергию из областей, расположенных ближе к черной дыре. На Земле облака обнаруживаются как линии излучения в спектре блазара .
Перпендикулярно аккреционному диску пара релятивистских струй уносит высокоэнергетическую плазму от АЯГ. Струя коллимируется комбинацией интенсивных магнитных полей и мощных ветров от аккреционного диска и тороида. Внутри струи высокоэнергетические фотоны и частицы взаимодействуют друг с другом и сильным магнитным полем. Эти релятивистские струи могут простираться на многие десятки килопарсек от центральной черной дыры.
Все эти регионы могут производить разнообразную наблюдаемую энергию, в основном в форме нетеплового спектра от очень низкочастотного радио до чрезвычайно энергичных гамма-лучей с высокой поляризацией (обычно несколько процентов) на некоторых частотах. Нетепловой спектр состоит из синхротронного излучения в диапазоне от радио до рентгеновского и обратного комптоновского излучения в диапазоне от рентгеновского до гамма-излучения. Тепловой спектр с пиком в ультрафиолетовой области и слабые оптические эмиссионные линии также присутствуют в квазарах OVV, но слабые или отсутствуют в объектах BL Lac.
Наблюдаемое излучение блазара значительно усиливается релятивистскими эффектами в джете, процессом, называемым релятивистским излучением . Основная скорость плазмы, составляющей струю, может находиться в диапазоне 95–99% скорости света, хотя отдельные частицы движутся с более высокими скоростями в различных направлениях.
Соотношение между светимостью, излучаемой в системе покоя струи, и светимостью, наблюдаемой с Земли, зависит от характеристик струи. К ним относятся: возникает ли светимость из ударного фронта или из серии более ярких пятен в струе, а также детали магнитных полей внутри струи и их взаимодействие с движущимися частицами.
Простая модель излучения иллюстрирует основные релятивистские эффекты , связывающие светимость в системе покоя джета, Se , и светимость, наблюдаемую на Земле, So : So пропорционально Se × D2 , где D — коэффициент Доплера .
При более подробном рассмотрении можно выделить три релятивистских эффекта:
Рассмотрим струю с углом к лучу зрения θ = 5° и скоростью 99,9% от скорости света. Наблюдаемая с Земли светимость в 70 раз больше излучаемой светимости. Однако, если θ имеет минимальное значение 0°, струя будет казаться с Земли в 600 раз ярче.
Релятивистское излучение также имеет еще одно критическое последствие. Струя, которая не приближается к Земле, будет казаться более тусклой из-за тех же релятивистских эффектов. Поэтому две по сути идентичные струи будут казаться существенно асимметричными. В приведенном выше примере любая струя, где θ > 35°, будет наблюдаться на Земле как менее яркая, чем она была бы из покоящейся системы отсчета струи.
Дальнейшим следствием является то, что популяция внутренне идентичных AGN, разбросанных в пространстве со случайными ориентациями струй, будет выглядеть как очень неоднородная популяция на Земле. Те немногие объекты, где θ мало, будут иметь одну очень яркую струю, в то время как остальные, по-видимому, будут иметь значительно более слабые струи. Те, где θ отличается от 90°, будут иметь асимметричные струи.
В этом суть связи между блазарами и радиогалактиками. AGN, струи которых ориентированы близко к линии прямой видимости с Землей, могут выглядеть совершенно иначе, чем другие AGN, даже если они по сути идентичны.
Многие из самых ярких блазаров были впервые идентифицированы не как мощные далекие галактики, а как нерегулярные переменные звезды в нашей собственной галактике. Эти блазары, как и настоящие нерегулярные переменные звезды, меняли яркость в течение дней или лет, но без какой-либо закономерности.
Раннее развитие радиоастрономии показало, что на небе есть много ярких радиоисточников. К концу 1950-х годов разрешение радиотелескопов было достаточным для идентификации конкретных радиоисточников с оптическими аналогами, что привело к открытию квазаров . Блазары были широко представлены среди этих ранних квазаров, и первое красное смещение было обнаружено для 3C 273 , сильно изменчивого квазара, который также является блазаром.
В 1968 году была установлена аналогичная связь между «переменной звездой» BL Lacertae и мощным радиоисточником VRO 42.22.01. [7] BL Lacertae демонстрирует многие характеристики квазаров, но оптический спектр был лишен спектральных линий, используемых для определения красного смещения. Слабые признаки лежащей в основе галактики — доказательство того, что BL Lacertae не была звездой — были обнаружены в 1974 году.
Внегалактическая природа BL Lacertae не стала неожиданностью. В 1972 году несколько переменных оптических и радиоисточников были сгруппированы вместе и предложены в качестве нового класса галактик: объекты типа BL Lacertae . Эта терминология вскоре была сокращена до «объект BL Lacertae», «объект BL Lac» или просто «BL Lac». (Последний термин может также означать исходный отдельный блазар, а не весь класс.)
По состоянию на 2003 год [обновлять]было известно несколько сотен объектов BL Lac. Один из ближайших блазаров находится на расстоянии 2,5 млрд световых лет. [8] [9]
Блазары считаются активными ядрами галактик с релятивистскими джетами, ориентированными близко к линии зрения наблюдателя.
Особая ориентация струй объясняет общие пекулярные характеристики: высокую наблюдаемую светимость, очень быстрые изменения, высокую поляризацию (по сравнению с квазарами, не являющимися блазарами) и кажущиеся сверхсветовые движения , обнаруженные вдоль первых нескольких парсеков струй у большинства блазаров.
Общепринятой стала унифицированная схема или унифицированная модель, в которой высокопеременные квазары связаны с изначально мощными радиогалактиками, а объекты BL Lac связаны с изначально слабыми радиогалактиками. [10] Различие между этими двумя связанными популяциями объясняет разницу в свойствах эмиссионных линий в блазарах. [11]
Другие предложенные объяснения подхода релятивистской струи/унифицированной схемы включают гравитационное микролинзирование и когерентное излучение от релятивистской струи. Ни одно из них не объясняет общие свойства блазаров. Например, микролинзирование ахроматично. То есть все части спектра будут подниматься и опускаться вместе. Это не наблюдается в блазарах. Однако возможно, что эти процессы, а также более сложная физика плазмы, могут объяснить конкретные наблюдения или некоторые детали.
Примерами блазаров являются 3C 454.3 , 3C 273 , BL Lacertae , PKS 2155-304 , Маркарян 421 , Маркарян 501 , 4C +71.07 , PKS 0537-286 (QSO 0537-286) и S5 0014+81 . Маркарян 501 и S5 0014+81 также называются «ТэВ-блазарами» за их высокоэнергетическое (тераэлектрон-вольтный диапазон) гамма-излучение.
В июле 2018 года проект IceCube идентифицировал блазар под названием TXS 0506+056 [12] как источник нейтрино высокой энергии . [5] [6] [13]
