Механизмы магнитогидродинамического запуска релятивистских струй в активных ядрах галактик и сопутствующие им явления

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-72-10078

НазваниеМеханизмы магнитогидродинамического запуска релятивистских струй в активных ядрах галактик и сопутствующие им явления

Руководитель Кравченко Евгения Васильевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-705 - Галактика и Метагалактика

Ключевые слова радио астрономия, астрометрия, черные дыры, активные галактические ядра, астрофизика, радиоинтерферометрия, релятивистские струи, радио галактики

Код ГРНТИ41.27.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Активные ядра галактик (АЯГ) являются ярчайшими не транзиентными объектами Вселенной, и благодаря огромному энерговыделению, они доступны для наблюдений с очень больших расстояний. Наиболее правдоподобные сценарии связывают выделение и перенос энергии в АЯГ со сверхмассивными черными дырами (СМЧД) и аккрецией вещества, в результате чего образуются мощные релятивистские выбросы (струи или джеты). Струи являются наиболее эффективным инструментом при исследовании фундаментальных вопросов и физических условий в окрестности черных дыр, природы аккреции, релятивистской астрофизики, а с недавнего времени и вопросов генерации нейтрино сверхвысоких энергий (>1E+14 эВ). Несмотря на продолжительные исследования, единого мнения о механизмах и природе активности АЯГ нет и существующие теории не способны объяснить их всех наблюдательных проявлений. Так, остаются открытым вопросы о процессе запуска и формирования струйных выбросов, их составе, механизмах ускорения и излучения на разных длинах волн, как и то, где именно рождается и как распространяется это излучение. Цель этого проекта заключается в поиске ответов на основополагающие вопросы фундаментальной физики и физики АЯГ, которые мы планируем реализовать путем объединения передовых аналитических и численных моделей релятивистских струй АЯГ и последних данных их наблюдений. Самым точным методом изучения струй является радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), идея создания которого была предложена в Советском союзе и активно продолжает развиваться в настоящее время (особенно в виде успешной миссии РадиоАстрон и готовящегося проекта Миллиметрона). Недавние результаты Телескопа Горизонта Событий (EHT) по картографированию тени от черной дыры в радио галактике М87 ярко продемонстрировали мощнейшие возможности метода РСДБ для изучения космических объектов, в том числе центров АЯГ, не имеющего аналогов на данный момент. Более того, совместные использованием АЯГ и РСДБ-технологией принципиально для практических задач астрометрии и геодезии, включающих создание и повышение точности инерциальных систем отсчета, построенных на базе положений АЯГ, а также связанной с этим точности измерения параметров вращения Земли. Последнее является одним из основных факторов, соответственно влияющих на точность систем глобального позиционирования, включая ГЛОНАСС. Именно поэтому задачи этого проекта будут решаться исключительно с привлечением РСДБ-наблюдений. Вопрос перераспределения энергии между магнитным полем и заряженными частицам, который до настоящего момента остается самым интересным непроверенным аспектом теории струй, будет рассматриваться с использованием полуаналитического метода решения уравнений стационарной осесимметричной магнитной гидродинамики. Это позволит смоделировать продольную и поперечную структуру струи, а также пространственное распределение магнитного поля, концентрации плазмы и скоростей, определяющих интенсивность синхротронного излучения. Механизм преобразования электромагнитной энергии выброса в кинетическую энергию объемного движения плазмы будет исследован сравнением профилей коллимации струй, наблюдаемых на многочастотных РСДБ-изображениях, и в разрабатываемых нами полуаналитических моделей замагниченных струй. В частности, это позволит протестировать единую картину образования структурированных релятивистских выбросов в АЯГ, как естественный процесс аккреции вещества на СМЧД. Особая часть исследований в проекте будет посвящена анализу РСДБ-наблюдений струи в радиогалактике М87 - ближайшему к нам активному ядру со СМЧД в ее центре. Огромные доступные массивы наблюдательных данных совместно с уникальными результатами исследования структуры и кинематики М87 дают основательную базу для ограничения моделей релятивистских выбросов и физики ЧД в целом. Помимо воссоздания профиля коллимации и структуры, излучающей в радиодиапазоне, будет предложена модель пространственной конфигурации магнитного поля в струе М87 и эффектов, связанных с определяющей ролью магнитных полей в физике выбросов, в том числе - развитие поверхностных неустойчивостей. Этот вопрос, но более масштабно, будет рассмотрен на выборке около 20 АЯГ путем построения карт пространственного распределения фарадеевского вращения, оценки эффектов деполяризации, изучения пространственного распределения плазмы и восстановления внутренней конфигурации магнитных полей. Вопрос переменности и вспышечной активности струйных выбросов АЯГ будет решаться построением реалистичных моделей распространения возмущений плотности излучающих частиц и напряженности магнитного поля. Это позволит установить природу нагрева излучающей плазмы во вспышечном состоянии (ударные волны/магнитное пересоединение) и локализовать высокоэнергетическое излучение в релятивистском выбросе. Более того, в рамках реализации этой задачи нами будет начата пилотная программа мониторинга выборки АЯГ на телескопах российской РСДБ-сети “Квазар-КВО”. Наблюдения полного потока будут выполняться двумя 32-метровых станциями Бадары и Зеленчук на частотах 5 и 8 ГГц. Эта программа будет хорошим дополнением других существующих программ мониторинга АЯГ, но на более высоких частотах, таких как OVRO на 15 ГГц (http://www.astro.caltech.edu/ovroblazars) и Metsähovi на 37 ГГц (https://www.aalto.fi/en/metsahovi-radio-observatory/active-galaxies). На основе самого масштабного на настоящий момент совместного анализа активности АЯГ в гамма- и радио-диапазонах будут получены надежные статистические результаты по локализации затравочных фотонов (окрестности СМЧД/вещество струи/оболочка струи) и определению механизмов генерации (ударные волны/магнитное пересоединение) высокоэнергетического излучения в релятивистском выбросе. Более того, впервые будет проведено статистически значимое исследование возможной взаимосвязи между генерацией радио- и гамма-излучения в областях струй, ассоциированными со стоячими ударными волнами и распространяющимися вдоль по струе возмущениями. Общая и самосогласованная картина излучения АЯГ во всем диапазоне энергий, как в спокойном, так и вспышечном состоянии, будет исследоваться моделированием широкополосного распределения энергии (SED) для выборки из 17 АЯГ. Для этого будет использоваться сама реалистичная на настоящий момент модель неоднородных релятивистских струй с изломом в профиле. Работы по этому проекту базируются на последних и предстоящих принципиально новых прорывных наблюдательные результатах в частности в рамках EHT, составляя часть современных исследований струйных выбросов и физики АЯГ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лисаков М.М., Кравченко Е.В., Пушкарев А.Б., Ковалев Ю.Ю., Саволаинен Т.К., Листер М.Л. An Oversized Magnetic Sheath Wrapping around the Parsec-scale Jet in 3C 273 The Astrophysical Journal, том 910, номер 1, стр. 35-42 (год публикации - 2021)
10.3847/1538-4357/abe1bd

2. Парк Дж., Асада К., Накамура М., Кино М., Пу Х.-Ю., Хада К., Кравченко Е.В., Джиролетти М. A revised view of the linear polarization in the subparsec core of M87 at 7 mm The Astrophysical Journal, Том 922, Выпуск 2, Страницы 180-197 (год публикации - 2021)
10.3847/1538-4357/ac26bf

3. Крамаренко И.Г., Пушкарев А.Б., Ковалев Ю.Ю., Листер М.Л., Ховатта Т., Саволайнен Т. A decade of joint MOJAVE-Fermi AGN monitoring: localization of the gamma-ray emission region Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Том 510, выпуск 1, страницы 469-480 (год публикации - 2021)
10.1093/mnras/stab3358

4. Бритцен С.,Кришна Г., Кун Э., Оливарес Г., Пащенко И.Н., Ярон Ф., Гонсалез Й.Б., Панеке Д. Detection of a Peculiar Drift in the Nuclear Radio Jet of the TeV Blazar Markarian 501 Universe, том 9, номер 3, страницы 115 - 130 (год публикации - 2023)
10.3390/universe9030115

5. Фролова В.А., Нохрина Е.Е., Пащенко И.Н. Synchrotron intensity plots from a relativistic stratified jet MNRAS (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad1381/7157135

Публикации