Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Мы начали работу по экспериментальному исследованию предсказанного теорией эффекта видимого сдвига положения ядра в активных галактиках в зависимости от длины волны наблюдения. Скорее всего, он связан с частотно-зависимым синхотронным самопоглощением излучения в основании струй активных галактик. Данный эффект определяется плотностью излучающих частиц нетепловой плазмы, величиной магнитного поля, а также геометрией коллимированного истечения. Его измерение является мощным инструментом зондирования экстремальных физических условий в релятивистских выбросах в непосредственной близости от сверхмассивных черных дыр. Мы изучаем/атакуем проблему комплексно, используя разные подходы; - многочастотные РСДБ наблюдения отдельных источников во время ярких вспышек, - двухчастотные глобальные РСДБ наблюдения большого количества источников для статистического исследования эффекта, - исследование переменности эффекта сдвига ядра по многоэпоховым РСДБ данным для ряда объектов, - измерение эффекта методом относительной астрометрии по близким триплетам источников, - измерение эффекта методом временных задержек излучения на разных частотах по кривым блеска для ультракомпактных источников, - анализ точности измерений сдвига с учетом неизбежных случайных и возможных систематических компонент неопределенности. Изменение положения и размера видимого начала джета (РСДБ-ядра) с изменением частоты на которой проводятся наблюдения - блестяще подтвердившееся экспериментально предсказание модели Блэнфорда и Кёнигла. Модель первоначально была призвана объяснить плоские спектры и быструю переменность блеска, наблюдаемые в компактных внегалактических источниках радиоизлучения. Основная идея модели Блэнфорда и Кёнигла состоит в том, что наблюдаемая яркая область у основания джета (РСДБ-ядро) - это фотосфера, т.е. область, где джет становится прозрачным для собственного синхротронного излучения на частоте наблюдения. Альтернативное объяснение природы ядра -- стоячая ударная волна, не предсказывает зависимости её положения от частоты наблюдения, в то время как из модели Блэнфорда и Кёнигла разное положение фотосферы на разных частотах объясняется естественным образом градиентом напряженности магнитного поля и концентрации частиц вдоль постепенно расширяющего своё поперечное сечение джета. Измерения сдвига положения и изменения размера ядра с частотой позволяют в рамках модели установить величину и радиальное распределение напряженности магнитного поля и концентрации излучающих частиц в джете. Также по зависимости положения и размера ядра от частоты можно судить о форме джета (коническая/параболическая/гиперболическая) в районе наблюдаемого ядра. Измерение смещения видимого начала струи с частотой позволяет оценить важные параметры выброса, такие как напряжённость магнитного поля и расстояние от видимого начала струи до её истинного основания. Согласно проведённому анализу многочастотных VLBA наблюдений квазара 3С273, его выброс действительно может быть описан моделью Блэндфорда-Кёнигла, причём удаленность видимого ядра от истинного начала струи обратно пропорциональна частоте. При этом напряжённость магнитного поля, измеренная на расстоянии видимого начала струи не меняется от наблюдения к наблюдению и равна примерно 0.3 Гс. В то же время, в ядре происходит мощная вспышка, которая, с учётом неизменности магнитного поля, может быть объяснена увеличением плотности частиц в 1000 раз. Это согласуется с обнаруженным перемещением видимого начала струи во время вспышки. Увеличенная плотность частиц приводит не только к появлению вспышки, но и к увеличению оптической толщи. Чтобы вещество струи стало прозрачным для радиоизлучения, необходимо, чтобы за счёт расширения упала плотность частиц. Поэтому просветление более плотной плазмы происходит ниже вдоль струи, что и регистрируется нами как смещение видимого начала струи. Величина этого эффекта составляет для 3С273 около 4 пк. Проведен анализ многочастотных радио наблюдений квазара S4 1030+61, выполненных радиоинтерферометром VLBA на частотах 5 — 43 ГГц на нескольких эпохах. Получены оценки величины магнитного поля и плотности плазмы в струе на расстоянии одного парсека от сверхмассивной черной дыры квазара, которые составили 2 Гс и 100 см^-3, соответственно. При этом, характер уменьшения этих величин с расстояния от начала струйного выброса согласуется с расширением струи конической формы. Частотный сдвиг положения ядра может быть измерен путем совмещения ахроматических деталей структуры источника на разных частотах и учетом разности положения ядра по отношению к ним. Совмещение изображений было выполнено с помощью методов двумерной кросс-корреляции, а положение ядра - с помощью моделирования распределения яркости источника. Разработан автоматический способ измерений сдвига РСДБ-ядра, который применим к большим наборам данных и показывает результаты на уровне лучших методов, использующих ручной труд экспертов. Исследована переменность сдвига положения ядра в источниках и впервые показана её связь со вспышками. Эффект сдвига ядра нужно учитывать и при высокоточных астрометрических исследованиях. Однако метод измерений частотного сдвига ядра относительно оптически тонкой структуры источника неприменим для высоко-компактных объектов, таких как источники Международного набора реперов системы астрономических координат ICRF. В этом случае обнаружить и измерить эффект позволяет относительная астрометрия. В 2008 году были проведены РСДБ наблюдения 8 компактных радиоисточников из каталога ICRF2 на Европейской РСДБ сети при участии Российских телескопов системы Квазар-КВО в четырех диапазонах длин волн. Каждый такой объект наблюдался вместе с двумя близкими источниками, которые использовались в качестве фазовых калибраторов. По этим наблюдениям были измерены величины относительных сдвигов РСДБ ядра с частотой в парах источник-калибратор. Для пар источников, у которых можно определить направление релятивистской струи, относительное частотное смещение ядер было разложено по направлениям струй и, таким образом, получена оценка эффекта видимого сдвига РСДБ ядра с частотой для каждого источника отдельно. Яркие вспышки радио излучения в блазарах на низких частотах появляются позже, чем на высоких из-за эффекта синхротронного самопоглощения в релятивистских выбросах источников. Задержки вспышек, таким образом, отражают реальные физические условия в джетах: напряженность магнитного поля и концентрацию частиц. Проанализированы кривые блеска (вариации плотности потока) пяти блазаров: 0235+164, 0716+714, 0851+202, 1633+382 и 1730-130, полученные на пяти частотах радиодиапазона (от 5 до 37 ГГц) в обсерваториях Мичиганского университета, Метсахови и Оуэнс Вэлли. Найдены величины временных задержек вспышек на разных частотах. Это позволит провести оценки видимых скоростей выбросов непосредственно в области радио ядра (несколько парсек от сверхмассивной черной дыры). Неопределенность (“ошибка”) оценки величины эффекта сдвига РСДБ-ядра квазаров состоит из нескольких компонент. Для определения точности наших оценок сдвигов ядер квазаров и, по-возможности, увеличения этой точности мы проделали следующее. Во-первых, был реализован инструмент, позволяющий оценить точность случайной компоненты общей неопределенности, связанной с тепловым шумом в наблюдаемых РСДБ-данных. Это нетривиальная задача в связи с особенностью РСДБ-наблюдений и сложностью/нелинейностью алгоритмов обработки. Мы использовали статистический бутстрап и показали, в частности, что получающиеся оценки неопределенностей по крайней мере для РСДБ-изображений статистически более оптимальные, чем традиционные, получаемые на основании статистик синтезируемых РСДБ-изображений. Используя этот инструмент, мы обнаружили, что некоторые систематические составляющие общей неопределенности оценки величины эффекта доминируют. Для их уменьшения были предложены методы, позволяющие, как показывают анализ характерных реальных данных и симуляции, практически исключить вклад этих эффектов в результирующую ошибку величины сдвига. Наконец, симуляции изображений физически-правдоподобных моделей и обработка искусственно созданных по ним РСДБ-данных указывают на незначительную систематику, связанную с модельными аппроксимациями, используемыми для анализа структуры центральных областей квазаров. Нам повезло. Международная группа проекта космического телескопа Gaia опубликовала первую версию каталога высокоточных оптических координат далеких квазаров уже в 2016 году. Мы оперативно провели анализ и опубликовали первые результаты сличения радио и оптических положений этих объектов в двух статьях. Обнаружена выборка около 400 ядер галактик, смещение от высокоточных астрометрических радио (РСДБ) до астрометрических оптических (Gaia) координат которых не описывается случайными ошибками измерений, то есть реально отлично от нуля. Сравнение направлений этих смещений с направлением джетов квазаров привело к следующим принципиально важным выводам для задачи построения высокоточной инерциальной системы отсчета. Найдено, что преимущественное направление смещения координат радио-оптика параллельно направлению парсековых джетов активных галактик. Подтверждено предсказанное нами и некоторыми другими авторами ранее влияние эффекта сдвига ядра и неточечной РСДБ структуры на абсолютные координаты квазаров в радиодиапазоне - на уровне около или меньше 1 миллисекунды дуги. Также обнаружен сдвиг в противоположном направлении от нуля до десятков миллиссекунд дуги, объясняемый вытянутыми яркими джетами квазаров в оптическом диапазоне на масштабах парсек. Мы открыли наличие ярких вытянутых оптических джетов в квазарах на масштабах парсек вместо ярких точек - оптических ядер квазаров. Фактически, эти результаты делают проводимое нами исследование в рамках гранта РНФ еще более актуальным и востребованным, а построение инерциальной системы отсчета в радио и оптике однозначно зависимым от правильного учета астрофизических свойств далеких галактик.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Научная группа продолжает работы по экспериментальному исследованию предсказанного теорией эффекта сдвига положения радио-ядра в активных галактиках в зависимости от длины волны наблюдений. Данный эффект определяется плотностью излучающих частиц нетепловой плазмы, величиной магнитного поля, а также геометрией коллимированного истечения. Поэтому его измерение является мощным инструментом зондирования экстремальных физических условий в релятивистских выбросах в непосредственной близости от сверхмассивных черных дыр. Мы решаем проблему комплексно, используя разные подходы: - многочастотные наблюдения отдельных источников во время ярких вспышек, - двухчастотные наблюдения большого количества источников для статистического исследования эффекта, - исследование переменности эффекта сдвига ядра по многоэпоховым данным для ряда объектов, - измерение эффекта методом относительной астрометрии по близким триплетам источников, - измерение эффекта методом временных задержек на кривых блеска для ультракомпактных источников, - массовая оценка величины эффекта из сравнения высокоточных координат ядер галактик, измеренных в радио и оптическом диапазонах электро-магнитного спектра, - учет результатов нашего анализа на точность измерений сдвига, принимая во внимание наличие неизбежных случайных и возможных систематических компонент неопределенности. Вопрос высокоточных и при этом корректных измерений всегда был и остается нетривиальной задачей. И измерения сдвига положения ядра -- не исключение. Это довольно тонкий эффект, но уровень техники РСДБ эксперимента сейчас настолько высок, что позволяет регистрировать такой сдвиг. Само же измерение всегда имеет неопределенность, которую можно разделить на случайную (рассчитываемую из самих измерений) и систематическую (скрытую). По этой причине, требуется дополнительный анализ для исследования наличия систематической ошибки, определения ее величины и учета. С помощью современных статистических методов и компьютерного моделирования мы провели такой анализ и установили, что систематика в определении величины сдвига при использовании простых моделей структуры источника существует, она может быть значима и в этом случае должна быть учтена для получения корректных оценок ключевых физических параметров джета, таких как величина магнитного поля и плотность излучающих частиц. Один из самых элегантных методов измерения эффекта сдвига ядра, примененного нами, основывается на долговременных наблюдениях в режиме одиночной антенны и не требует участия системы апертурного синтеза для достижения сверхвысокого углового разрешения. Более того, метод работает как для источников с богатой морфологией, так и для ультракомпактных объектов, где большинство других методов бессильны. Мы провели исследования известного "точечного" блазара 0235+164 на основе кривых блеска, полученных на пяти разных частотах наблюдений, определили временные задержки излучения по запаздыванию ярких вспышек и соответствующие величины сдвига положения радиоядра. Для нескольких десятков квазаров наблюдательный материал был настолько богат, что позволил нам впервые исследовать вопрос переменности эффекта сдвига. Большинство таких объектов, которые имели до 70 эпох наблюдений на шкале до 20 лет, показали существенную переменность частотного сдвига положения ядра со временем с амплитудой сопоставимой средней величине самого эффекта - примерно до 1 миллисекунды дуги от 2 до 8 ГГц. Это позволяет нам исследовать природу активности источника, а также отслеживать вспышки и их распространение вниз по течению выброса. Это имеет важное прикладное значения в вопросе построения высокоточной инерциальной системы отсчета и других астрометрических задач. В результате сравнения высокоточных положений ядер активных галактик по данным измерений радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ) и космического оптического телескопа Gaia было найдено 7% объектов со значимым сдвигом от радио до оптики. Оказалось, что этот сдвиг, преимущественно, сонаправлен джетам. Сдвиг по направлению центральной машины обнаружен на уровне около или ниже 1 угловой миллисекунды и объясняется синхротронным самопоглощением ядра и неточечной радиоструктурой. Сдвиг по направлению развития струи найден величиной от 0 до более чем 10 миллисекунд дуги и объясняется наличием ярких протяженных оптических джетов на масштабах парсек. Фактически, это первое массовое обнаружение оптических джетов в квазарах, которое стало возможным благодаря разнице методов наблюдений на РСДБ и оптическом телескопе Gaia. Дело в том, что протяженная структура струи влияет на координаты в оптике сильнее, чем в радиодиапазоне (метод РСДБ). Gaia детектирует полную мощность излучения на ПЗС матрицу, тогда как метод РСДБ измеряет коррелированную величину и поэтому наиболее чувствителен к компактным структурам объекта. Данный эффект необходимо учитывать для высокоточном сличения инерциальных систем отсчета, построенных в радио и оптическом диапазонах. Кроме этого, он открывает новые уникальные возможности по массовому восстановлению и изучению свойств центральных областей квазаров - аккреционного диска и джета - на масштабах парсек при совместном моделировании данных о переменности положений объектов в радио (РСДБ) и оптике (Gaia), а также переменной оптической светимости и цвета.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Научная группа успешно продолжает работы по экспериментальному исследованию предсказанного теорией эффекта сдвига положения радио-ядра в активных галактиках в зависимости от длины волны наблюдений. Данный эффект определяется плотностью излучающих частиц нетепловой релятивистской плазмы, величиной магнитного поля, а также геометрией коллимированного истечения. Поэтому его измерение является одним из самых мощных инструментов зондирования экстремальных физических условий в релятивистских выбросах в непосредственной близости от сверхмассивных черных дыр. Мы решаем проблему комплексно, используя максимально широкий спектр подходов: - многочастотные РСДБ-наблюдения отдельных источников во время ярких вспышек, - двухчастотные наблюдения большого количества источников для статистического исследования эффекта, - исследование переменности эффекта сдвига ядра по многоэпоховым и _многолетним_ данным для ряда объектов, - измерение эффекта методом относительной астрометрии по близким на небе триплетам источников, - измерение эффекта методом временных задержек на кривых блеска для ультракомпактных источников, - массовая оценка величины эффекта из сравнения высокоточных координат ядер галактик, измеренных в радио и оптическом диапазонах электромагнитного спектра, - учет результатов нашего анализа на точность измерений сдвига, принимая во внимание наличие неизбежных случайных и возможных систематических компонент неопределенности. Используя методы машинного обучения было показана возможность более точной оценки эффекта сдвига ядра. А именно: систематика, возникающая при использовании упрощенных моделей при анализе наблюдательных данных может быть скомпенсирована, если известно как параметры этих моделей зависят от параметров модели неоднородного выброса, описывающей эффект сдвига ядра. Мы провели симуляцию РСДБ-наблюдений выборки искусственных источников с использованием модели неоднородного выброса и оценили эту зависимость методами машинного обучения. Впервые оценка физических параметров выбросов АЯГ проведена подгонкой физически обоснованной модели неоднородного выброса напрямую к РСДБ-данным. Фактически, это знаменует очередной этап в развитии методов исследования выбросов АЯГ. Развитие методов РСДБ и вычислительной статистики позволяет теперь непосредственно сравнивать теоретические предсказания и данные наблюдений со сверхвысоким угловым разрешением. Измерение частотного сдвига положения ядра позволяют исследовать ряд важных физических параметров релятивистской струи, таких как магнитное поле, плотность излучающих в нем частиц, саму форма выброса и даже реальную скорость истечения плазмы, если удается измерить временные задержки излучения на разных частотах или эволюцию частоты завала синхротронного спектра ядра. Применяя эти методы мы измерили скорости движения в ряде источников. Это особенно важно для тех объектов, структура которых либо очень компактна, либо состоит из нескольких стоячих ударных волн, поскольку в этих случаях стандартный кинематеский анализ изменения координат таких квазистационарных компонент не отражает реальной скорости струи. Помимо частотно-зависимого сдвига ядра мы также установили, что существует эффект и частотно-независимого смещения положения самого яркого и компактного компонента структуры выброса - его видимого начала. Дело в том, что аккреция на центр активности источника - сверхмассивную черную дыру - идет неравномерно, что проявляется в переменности излучения ядра как области джета, через которую проходят разные по плотности сгустки плазмы. Изменение свойств поглощения излучения из-за меняющейся плотности релятивистских электронов и приводит к переменности положения ядра как области выброса с оптической толщиной около 1. В рамках выполнения проекта мы также использовали один из самых элегантных методов измерения сдвига ядра (он же исторически первый) - метод фазовой привязки. Он основан на попеременных наблюдениях близко расположенных в проекции на небо исследуемого источника и более яркого, объекта, выступающего в роли фазового калибратора, задающего опорную точку на небе. Мы применили эту уникальную методику для исследования квазара 0850+581, который как было обнаружено нами ранее, показал один из самых больших сдвигов ядра среди других АЯГ. Поскольку положение фазового калибратора также подвержено эффекту сдвига ядра, то для повышения точности измерений нами был предложен и успешно реализован модифицированный метод опорных фаз, основанный на наблюдении двух близких опорных источников, составляющих вместе с исследуемым объектом триплет, все источники в котором связаны одним фазовым решением. Мы провели наблюдения на Европейской РСДБ сети при участии трех Российских телескопов системы Квазар-КВО в четырех диапазонах длин волн для 8 таких триплетов компактных источников, разработали метод измерения соответствующих сдвигов и исследовали их частотные зависимости. Мы обнаружили значимые сдвиги между радио (РСДБ) и оптическим (Gaia) положением активных галактик. Оказалось, что этот сдвиг, преимущественно, параллелен направлениям их джетов. Смещение от радио до оптики по направлению центральной машины обнаружено на уровне около или менее 2 mas и объясняется синхротронным самопоглощением в ядре и протяжённой структурой в радиодиапазоне. Более того, анализ цвета показал, что в этом случае аккреционный диск доминирует в оптическом излучении. При этом,смещение радио->оптика от центра имеет величину от 0 до более чем 10 mas. Мы объясняем это наличием ярких протяженных оптических джетов на масштабах парсек. Таким образом, можно считать эти результаты первым массовым наблюдательным указанием на существование ярких протяженных оптических струй в активных галактиках. Их необходимо учитывать для увеличения точности сличения инерциальных систем отсчета, построенных в радио и оптическом диапазонах. Анализ сдвигов и цветов для разных типов активных галактик (квазары, лацертиды, сейферты) удивительно хорошо согласуется с предсказаниями унифицированной схемы. Данный эффект открывает новые уникальные возможности по массовому восстановлению и изучению свойств центральных областей квазаров (аккреционного диска и джета) на масштабах парсек.