po polsku

Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego

 

Astronomiczny Obiekt Miesiąca OAUJ: lipiec 2018

< poprzedni Archiwum następny >

Pierwsza długookresowa analiza spektralna OJ 287 w pełnym zakresie częstotliwości

OJ 287 to lacertyda (obiekt BL Lacertae) oddalona od Ziemi o 3,5 miliarda lat świetlnych, położona w granicach gwiazdozbioru Raka. Emituje quasi-okresowe rozbłyski w dziedzinie optycznej, których pojawianie się możemy prześledzić do około 120 lat wstecz. Pierwsze z nich są bowiem widoczne już na fotograficznych kliszach astronomicznych z 1896 roku. Optyczna krzywa zmian blasku obiektu wykazuje dodatkowo periodyczne oscylacje charakteryzowane przez dwa maksima jasności, które powtarzają się z okresem około 12 lat. Są interpretowane jako oznaka obecności w centrum tej galaktyki układu dwóch obiegających się wzajemnie, supermasywnych czarnych dziur o silnie zróżnicowanych masach (1010 i 106 mas Słońca). Zmienność związana z podwójnymi rozbłyskami uważana jest za wynik procesu, w którym mniejsza z czarnych dziur przebija się co 12 lat przez dysk akrecyjny większej z nich. Międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez dr Arti Goyal z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego przeprowadził pierwszą długookresową analizę zmienności OJ 287 w pełnym zakresie widma elektromagnetycznego wykorzystując w tym celu również dane pochodzące z satelity Kepler. Otrzymano zmienne widmo mocy obiektu bez długich przerw czasowych. Wyniki tych badań ukażą się niebawem w The Astronomical Journal.

Rysunek 1: długookresowe krzywe zmian blasku OJ 287, obejmujące zarówno historyczne jak i nowo pozyskane pomiary. Różne symbole odpowiadają różnym danym obserwacyjnym. Niebieska strzałka wskazuje na maksimum potężnego rozbłysku z 2015 roku, a czarna linia kropkowana (przesunięta w górę dla większej przejrzystości wykresu) śledzi ewolucję jasności obiektu przy założeniu stałej różnicy barw. Źródło: publikacja zespołu.

Blazary stanowią ważną podklasę galaktyk aktywnych (AGN), których całkowita energia radiacyjna jest zdominowana przez szerokopasmową, nietermiczną i wzmocnioną przez zjawisko Dopplera emisję relatywistycznych dżetów plazmy. Dżety są produkowane w procesie akrecji materii na supermasywną czarną dziurę znajdującą się w centrum prawie każdej galaktyki eliptycznej. Część emisji blazarów obejmująca zakres od fal radiowych po światło widzialne i promienie rentgenowskie jest emisją ciągłą prawdopodobnie będącą efektem promieniowania synchrotronowego produkowanego przez pary elektron-pozyton przyśpieszane w dżetach do energii rzędu TeV. Z kolei wysokoenergetyczny (fale rentgenowskie i gamma) zakres emisji blazarów uważa się za efekt odwrotnego zjawiska Comptona, dla którego różne pola fotonowe zyskują energię kosztem elektronów znajdujących się w dżetach. W alternatywnym scenariuszu "hadronowym" emisja w najwyższych energiach może być również generowana przez protony przyspieszane do ultra wysokich energii i wytwarzające w efekcie promieniowanie gamma lub też rozpady mezonów z emisją synchrotronową wtórną pochodzącą z oddziaływań typu proton-foton (IceCube Collaboration et al., 2018, Science, link do artykułu).

Blazary wykazują silną zmienność obserwowanego strumienia emisji na wszystkich długościach fali obserwacji w skalach czasowych od dziesięcioleci aż po godziny i minuty. Kształty widm mocy ich krzywych blasku wskazują na to, że obserwowane zmiany w strumieniu w danym zakresie energii fotonów są skorelowane z ich częstotliwością w czasie. Jednak dotychczas nie znaleziono silnych dowodów na występowanie oczekiwanego spłaszczenia zmiennych widm mocy blazarów w najdłuższych skalach czasu obserwacji na jakie pozwalają programy monitorowania obiektów tej klasy (lata i dekady). Zaobserwowane już kilkakrotnie anomalie w widmach mocy blazarów mogą również wskazywać na charakterystyczne skale czasowe związane z lokalizacją ich stref emisji, z odpowiadającymi im przedziałami czasowymi chłodzenia cząstek lub też z istnieniem bardziej globalnych procesów relaksacji w tych układach fizycznych. Wykrywanie takich zmian w widmach blazarów jest więc bardzo istotne dla lepszego zrozumienia procesów generacji i propagacji dżetów.

Jednak krzywe zmian blasku blazarów otrzymywane na drodze obserwacji teleskopami naziemnymi zawsze mają ograniczone pokrycie czasowe (ze względu na zmiany pogody i inne czynniki ograniczające widoczność nieba). Na falach widzialnych może być on rozwiązany (choć ciągle tylko dla niewielkiej próbki blazarów) poprzez wykorzystanie danych zbieranych przez satelitę Kepler.

OJ 287 to typowy przykład obiektu BL Lacertae z maksimum emisji na niskich częstotliwościach oraz z pozytywną detekcją w zakresie energii rzędu GeV i TeV. W układzie tym znajduje się podwójna supermasywna czarna dziura. Dowodem na obecność dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur w jego centrum wydaje się być istnienie dwunastoletniego cyklu zmienności optycznej krzywej zmian blasku (Valtonen et al. 2008, Nature). OJ 287 jest także jednym z nielicznych blazarów, dla których dostępne są wysokiej jakości długookresowe dane obserwacyjne. Dla światła widzialnego najstarsze z nich mamy już z roku 1896 dzięki dobrze zachowanym kliszom astronomicznym. Pomiary przedstawia Rysunek 1. Szczęśliwie to dodatkowo jeden z bardzo niewielu blazarów, które były obserwowane przez satelitę Kepler w trybie ciągłym przez aż 72 dni z częstotliwością czasową jednej minuty. Wszystko to czyni OJ 287 idealnym obiektem do badania statystycznych zmian jasności w skali czasowej od minut do 100 lat.

Dr Arti Goyal jest pierwszym autorem nowej publikacji prezentującej wyniki analizy widma mocy OJ 287 w całym zakresie elektromagnetycznym. Obserwacje w świetle widzialnym zostały uzupełnione danymi z przeglądu Fermi-LAT (fale gamma), satelity Swift (zakres rentgenowski) oraz radiowymi obserwacjami na częstotliwościach gigahercowych (Rysunek 2). Dzięki dodaniu obserwacji z Keplera możliwe było po raz pierwszy prześledzenie zmienności widma mocy blazara w zakresie optycznym bez przerw czasowych.

Rysunek 2: zmienność widma mocy OJ 287. Kształt zmienności w wysokich energiach (promienie gamma) różni się znacznie (jest "płaski" w skali czasowej większej niż 155 dni) od kształtów otrzymanych dla fal rentgenowskich, optycznych i radiowych. Źródło: publikacja zespołu.

Analiza wykazała, że widma mocy uzyskane dla częstotliwości radiowych są typowe dla tzw. kolorowego szumu (oznacza to, że ich zmienność zmniejsza się coraz bardziej wraz ze zmniejszaniem przedziałów czasu) w skali czasowej od dziesiątek lat do miesięcy. Ogólne widzialne spektrum mocy jest również zgodne z kolorowym szumem w skali czasowej rozciągającej się od 117 lat aż do godzin, bez żadnych przesłanek mogących świadczyć o oscylacjach quasi-okresowych. Widmo mocy promieniowania rentgenowskiego przypomina widma mocy radiowej i optycznej w analogicznych skalach czasowych - od miesięcy do dziesiątek lat. Jednak widmo mocy dla wysokich energii gamma wyraźnie różni się od niższych energii i wykazuje charakterystyczne czasy relaksacji odpowiadające około 150 dniom. Różnorodność widm mocy otrzymanych dla OJ 287 na różnych długościach fal może wskazywać na złożoną naturę zmienności blazarów, która jest trudna do zrozumienia w kontekście obecnie przyjmowanych modeli emisji obiektów tej klasy.

Oryginalna publikacja: A. Goyal et al. 2018: Stochastic modeling of multiwavelength variability of the classical BL Lac object OJ 287 on timescales ranging from decades to hours, zaakceptowana do ukazania się w czasopiśmie The Astrophysical Journal (lipiec 2018).

Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii i w Zakładzie Astronomii Gwiazdowej i Pozagalaktycznej Obserwatorium Astronomicznego UJ. W skład zespołu badawczego z OAUJ wchodzili: Arti Goyal, Łukasz Stawarz, Stanisław Zoła, Volodymyr Marchenko, Marian Soida, Michał Ostrowski, Bartłomiej Dębski, Dorota Kozieł-Wierzbowska, Elżbieta Kuligowska, Tomasz Kundera, Sebastian Kurowski i Urszula Pajdosz.


Kontakt:
Arti Goyal
Astronomical Observatory
Jagiellonian University
Arti.Goyal [at] uj.edu.pl
Łukasz Stawarz
Astronomical Observatory
Jagiellonian University
Stawarz [at] uj.edu.pl
TKGS