Блазар — это активное галактическое ядро (АЯГ) с релятивистской струей (струей, состоящей из ионизированного вещества, движущейся почти со скоростью света ) , направленной очень близко к наблюдателю. Релятивистское излучение электромагнитного излучения струи делает блазары намного ярче, чем они были бы, если бы струя была направлена в сторону от Земли. [1] Блазары являются мощными источниками излучения во всем электромагнитном спектре и, по наблюдениям, являются источниками высокоэнергетических гамма- фотонов . Блазары — это сильно переменчивые источники, яркость которых часто претерпевает быстрые и резкие колебания в короткие промежутки времени (от часов до дней). Некоторые блазарные струи, по-видимому, демонстрируют сверхсветовое движение , что является еще одним следствием того, что вещество в струе движется к наблюдателю почти со скоростью света.
В категорию блазаров входят объекты BL Lac и квазары с оптически бурно переменными (OVV) . Общепринятая теория состоит в том, что объекты BL Lac по своей природе являются радиогалактиками малой мощности , тогда как квазары OVV являются по своей природе мощными радио-громкими квазарами . Название «блазар» было придумано в 1978 году астрономом Эдвардом Шпигелем для обозначения комбинации этих двух классов. [2]
На изображениях в видимом диапазоне волн большинство блазаров кажутся компактными и точечными, но изображения с высоким разрешением показывают, что они расположены в центрах эллиптических галактик . [3]
Блазары — важная тема исследований в астрономии и астрофизике высоких энергий . Исследования Блазара включают изучение свойств аккреционных дисков и джетов , центральных сверхмассивных черных дыр и окружающих родительских галактик , а также испускания фотонов высокой энергии , космических лучей и нейтрино .
В июле 2018 года команда нейтринной обсерватории IceCube отследила нейтрино , попавшее в ее детектор в Антарктиде в сентябре 2017 года, до точки его происхождения в блазаре на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от нас. Это был первый случай использования детектора нейтрино для обнаружения объекта в космосе. [4] [5] [6]
Считается, что блазары, как и все активные ядра галактик (АЯГ), питаются материалом, падающим в сверхмассивную черную дыру в ядре родительской галактики. Газ, пыль и случайные звезды захватываются и по спирали попадают в эту центральную черную дыру, создавая горячий аккреционный диск , который генерирует огромное количество энергии в виде фотонов , электронов , позитронов и других элементарных частиц . Эта область сравнительно небольшая, размером примерно 10 -3 парсека .
Существует также более крупный непрозрачный тороид , простирающийся на несколько парсеков от черной дыры и содержащий горячий газ со встроенными областями более высокой плотности. Эти «облака» могут поглощать и переизлучать энергию из регионов, расположенных ближе к черной дыре. На Земле облака обнаруживаются как эмиссионные линии в спектре блазара .
Пара релятивистских струй , перпендикулярных аккреционному диску , уносит высокоэнергетическую плазму от АЯГ. Джет коллимируется сочетанием интенсивных магнитных полей и мощных ветров аккреционного диска и тороида. Внутри струи фотоны и частицы высокой энергии взаимодействуют друг с другом и с сильным магнитным полем. Эти релятивистские джеты могут простираться на многие десятки килопарсек от центральной черной дыры.
Все эти области могут производить различную 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 радио- и рентгеновском диапазоне и обратного комптоновского излучения в диапазоне от рентгеновского до гамма-излучения. Тепловой спектр с максимумом в ультрафиолетовой области и слабые оптические эмиссионные линии также присутствуют в квазарах OVV, но слабы или отсутствуют в объектах BL Lac.
Наблюдаемое излучение блазара значительно усиливается релятивистскими эффектами в джете — процессом, называемым релятивистским излучением . Объемная 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 джета, и светимостью, наблюдаемой с Земли, зависит от характеристик джета. К ним относятся, возникает ли светимость из-за фронта ударной волны или серии более ярких пятен в струе, а также детали магнитных полей внутри струи и их взаимодействия с движущимися частицами.
Простая модель излучения иллюстрирует основные релятивистские эффекты , связывающие светимость в системе покоя джета Se и наблюдаемую на Земле светимость So : So пропорциональна S e × D 2 , где D — доплеровский коэффициент . фактор .
При более детальном рассмотрении возникают три релятивистских эффекта:
Рассмотрим струю с углом к лучу зрения θ = 5° и скоростью 99,9% скорости света. Светимость, наблюдаемая с Земли, в 70 раз превышает излучаемую светимость. Однако если θ имеет минимальное значение 0°, то с Земли струя будет казаться в 600 раз ярче.
Релятивистское излучение имеет еще одно важное последствие. Джет, не приближающийся к Земле, будет казаться более тусклым из-за тех же релятивистских эффектов. Таким образом, две внутренне идентичные струи будут выглядеть существенно асимметричными. В приведенном выше примере любая струя, где θ > 35 °, будет наблюдаться на Земле как менее яркая, чем она была бы в остальной части струи.
Еще одним последствием является то, что популяция внутренне идентичных АЯГ, разбросанных в космосе со случайной ориентацией струй, будет выглядеть как очень неоднородная популяция на Земле. Те немногие объекты, у которых θ мало, будут иметь одну очень яркую струю, тогда как остальные, по-видимому, будут иметь значительно более слабые струи. Те, где угол θ варьируется от 90°, будут иметь асимметричные струи.
В этом суть связи блазаров и радиогалактик. АЯГ, струи которого ориентированы близко к лучу видимости с Землей, могут сильно отличаться от других АЯГ, даже если они по своей сути идентичны.
Многие из более ярких блазаров были впервые идентифицированы не как мощные далекие галактики, а как неправильные переменные звезды в нашей собственной галактике. Эти блазары, как и настоящие неправильные переменные звезды, меняли яркость в течение нескольких дней или лет, но без какой-либо закономерности.
Раннее развитие радиоастрономии показало, что на небе имеется множество ярких радиоисточников. К концу 1950-х годов разрешение радиотелескопов оказалось достаточным для идентификации конкретных радиоисточников с оптическими аналогами, что привело к открытию квазаров . Блазары были широко представлены среди этих ранних квазаров, а первое красное смещение было обнаружено у 3C 273 , сильно переменного квазара, который также является блазаром.
В 1968 г. аналогичная связь была установлена между «переменной звездой» BL Lacertae и мощным радиоисточником ВРО 42.22.01. [7] BL Lacertae демонстрирует многие характеристики квазаров, но оптический спектр лишен спектральных линий, используемых для определения красного смещения. Слабые признаки существования 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 как новый класс галактик: объекты типа BL Lacertae . Вскоре эта терминология была сокращена до «объект BL Lacertae», «объект BL Lac» или просто «BL Lac». (Последний термин также может 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 миллиардов световых лет. [8] [9]
Блазары считаются активными ядрами галактик с релятивистскими джетами, ориентированными близко к лучу зрения наблюдателя.
Особая ориентация джетов объясняет общие своеобразные характеристики: высокую наблюдаемую светимость, очень быстрое изменение, высокую поляризацию (по сравнению с неблазарными квазарами) и кажущиеся сверхсветовые движения, обнаруженные вдоль первых нескольких парсеков джетов в большинстве блазаров.
Общепринятой стала Единая схема или Единая модель, в которой сильнопеременные квазары связаны с внутренне мощными радиогалактиками, а объекты BL Lac связаны с внутренне слабыми радиогалактиками. [10] Различие между этими двумя связанными популяциями объясняет разницу в свойствах эмиссионных линий блазаров. [11]
Другие объяснения подхода релятивистской струи / единой схемы, которые были предложены, включают гравитационное микролинзирование и когерентное излучение релятивистской струи. Ни один из них не объясняет общие свойства блазаров. Например, микролинзирование является ахроматическим. То есть все части спектра будут расти и падать одновременно. У блазаров этого не наблюдается. Однако возможно, что эти процессы, а также более сложная физика плазмы могут объяснить конкретные наблюдения или некоторые детали.
Примеры блазаров включают 3C 454.3 , 3C 273 , BL Lacertae , PKS 2155-304 , Маркарян 421 , Маркарян 501 и S5 0014+81 . Маркарян 501 и S5 0014+81 также называют «ТэВ-блазарами» из-за их высокоэнергетического (тераэлектрон-вольтового диапазона) гамма-излучения.
В июле 2018 года проект IceCube идентифицировал блазар под названием TXS 0506+056 [12] как источник нейтрино высоких энергий . [5] [6] [13]
