Zehn Jahre Fermi-Gammateleskop. Teil 2

Zehn Jahre Fermi-Gammateleskop. Teil 2

Boris Stern,
Ved. wissenschaftlich sotr. INR RAS, Chefredakteur von TrV-Science
"Trinity Option" №16 (260), 14. August 2018

Boris Stern

Im zweiten Artikel, der dem Jahrestag des Fermi-Projekts gewidmet ist, werden wir uns auf die hellsten der langlebigsten Objekte im Universum konzentrieren – Blazare verschiedener Art. Dieser Artikel enthält Zahlen, die Fermi-Daten für 10 Jahre, fünf Tage zeigen. Sie werden vom Autor verarbeitet, die neuesten Daten (bis zum 30. Juli 2018) halfen Grigory Rubtsov (INR RAS) beim Download. Ein paar Tage sind genug, um die einfachsten vorläufigen Verteilungen zu zeichnen, die die Phänomenologie der Blazare illustrieren. Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Peer-Review-Zeitschriften, die auf einem Jubiläumsdatensatz basieren, erscheinen mindestens in einigen Monaten.

Was ist Blazar?

Ein grobes Diagramm des aktiven galaktischen Kerns ist in Abb. 1. Mitte, Akkretionsscheibe und Düsen. Dieses Schema ist im ganzen Universum auf verschiedenen Skalen verteilt: protoplanetare Scheiben, Neutronensterne und schwarze Löcher in binären Systemen (Mikroquasaren), die Eingeweide von Sternen während des Zusammenbruchs (Gammastrahlenausbrüche).

Abb. 1. Quasar-Schema

Der Mechanismus ist auch der gleiche: Eine Akkretionsscheibe entsteht mit ziemlicher Sicherheit, wenn eine Substanz zur Mitte hin gezwungen wird.Wenn die Teilchen unelastisch miteinander wechselwirken und ein totales Trägheitsmoment haben, haben sie nichts mehr zu tun, als sich zu einer Scheibe zusammenzusetzen. Interstellares Medium, das in eine Scheibe zieht, trägt ein magnetisches Feld mit sich.

Das Feld und die Substanz sind aufgrund der enormen Leitfähigkeit des kosmischen Plasmas, die sich aufgrund der enormen Größe des "Leiters" und entsprechend der riesigen magnetischen Induktion manifestiert, stark miteinander verbunden (das Feld ist in der Substanz "eingefroren"). In gewissem Sinne kann das interstellare Medium als supraleitend bezeichnet werden.

Das Magnetfeld mit seiner Energie kann nicht im Raum verschwinden, wie in einer Kupferwicklung, die in Wärme geht. In diesem Fall muss die Substanz das Magnetfeld irgendwie loswerden, bevor sie in ein schwarzes Loch oder einen sich bildenden Stern fällt, sonst wird sie der Schwerkraft durch ihre Elastizität widerstehen. Es gibt zwei Hauptwege, dies zu tun. Die erste ist die Wiederverbindung der Magnetfeldschleifen. Dies ist genau das, was mit dem turbulenten Magnetfeld der Sonne passiert, mit dem Ergebnis, dass wir solch ein Ergebnis von Sonneneruptionen als Aurora bewundern. Die zweite Möglichkeit, das Magnetfeld loszuwerden, besteht darin, es mit dem gefrorenen Plasma wegzuwerfen.

In aktiven Galaxienkernen funktionieren anscheinend beide Mechanismen.Die Wiederverbindung des Magnetfeldes führt aller Wahrscheinlichkeit nach zu einer harten Röntgenstrahlung – obwohl sie nicht isotrop ist, scheint sie in einem breiten Raumwinkel in der Größenordnung von 2π. Ein Feld kann entlang der Rotationsachse der Platte in zwei entgegengesetzte Richtungen geworfen werden. Also gibt es Jets.

Im Prinzip ist der Startmechanismus des Jets klar, aber nur prinzipiell. Mit einer Reihe vereinfachender Annahmen wird die Einführung nicht nur auf Supercomputern modelliert, sondern auch analytisch beschrieben. Die Hauptsache ist, die magnetischen Feldlinien zu drehen. Dies kann durch eine rotierende Akkretionsscheibe geschehen, die höchstwahrscheinlich bei der Geburt von Planetensystemen stattfindet. Ein exotischerer Mechanismus wird den aktiven galaktischen Kernen hinzugefügt: der Blandford-Znak-Effekt. Ein rotierendes schwarzes Loch dreht den Raum um ihn herum. Wenn es in ein externes Magnetfeld eingetaucht ist, dreht es das Feld mit dem Raum. Die Kraftlinien verdrehen sich wie im Diagramm gezeigt. Plasmateilchen gleiten entlang der Feldlinien und beschleunigen durch den Schlingeffekt. Das Feld ist nicht starr: Unter der Last des beschleunigten Plasmas wird es in die Spirale zurückgebogen, und der Strahl selbst wird durch den Druck des wirbelnden Feldes auf ultrarelativistische Geschwindigkeiten beschleunigt. Dies ist eine sehr vulgäre Erklärung an den Fingern.Die Mathematik dieses Phänomens ist komplizierter als die Mathematik eines Tornados. Hier spielt auch die äußere Umgebung eine Rolle, die dazu beiträgt, den Jet zu kollimieren, also in einen schmalen Strom zu verwandeln. Wie im vorigen Artikel erwähnt, ist der Blazar ein aktiver galaktischer Kern, dessen Strahl auf uns gerichtet ist.

Rekordhalter

Der hellste Blazar am Himmel – 3C 454.3. Es gehört zum FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) -Typ – High-Power-Quasare, gerichtet von ihrem Jet zu uns. Es ist wirklich ein Monster! Während Blitzen ist es viel heller als jede andere Quelle von Gammastrahlen. Seine Akkretionsscheibe emittiert 1047 erg / s ist im gesamten Bereich etwa 10 tausend mal größer als unsere gesamte Galaxie. Es gibt keine direkten Messungen der Masse des Schwarzen Lochs 3C 454.4, indirekte Schätzungen geben die Größenordnung einer Milliarde Sonnenmassen an.

Die Rotverschiebung dieses Blazars beträgt 0,859, was einer Entfernung von 7,7 Milliarden Lichtjahren entspricht. Für seinen Typ ist es ein ziemlich nahes Objekt. Zu dieser Zeit begannen die hellen Quasare langsam auszusteigen, die "goldene Zeit" der Quasare – irgendwo zwischen der Rotverschiebung 1 und 2 – war vor mehr als 10 Milliarden Jahren.

Abb. 2 Helligkeitskurve des hellsten blazar 3C 454.3 für 10 Jahre Arbeit "Fermi". Waagerecht – Tage, gerechnet ab dem Beginn des Datensatzes (04.08.2008), vertikal – die Anzahl der Gamma-Quanten der Energie über 300 MeV in zwei Tagen. Auf der Seitenleiste – der höchste Gipfel auf einer größeren Zeitskala. Bohnenbreite – 2,4 Stunden

In Abb. 2 – Lichtkurve 3С 454,3 für zehn Jahre der Arbeit "Fermi". Die Korrektur für ungleichmäßige Exposition variiert stark im Laufe der Stunden, aber über lange Zeiträume ist es ziemlich schwach.

Das erste, was ins Auge fällt, ist der Blazar, eine blinkende Quelle (das gilt nicht nur für dieses Objekt). In den Pausen zwischen den Aktivitätsphasen (Intervall von 1200-1600 Tagen) verschwand die Quelle praktisch. Sie können mindestens drei Skalen der Variabilität sehen: zwei bis drei Jahre – Perioden der Aktivität und Ruhe, ein oder zwei Monate – maximale Aktivitäten und Tage – hohe schmale Spitzen. Die Jahre können durch die Instabilität des Akkretionsregimes erklärt werden. Monate sind auch eher eine Art von Instabilität in der Akkretionsscheibe. Und mit der Variabilität in den Tagen, sogar am Tag – der Anstiegszeit des hellsten kurzen Blitzes – ist alles komplizierter.

Mit einer Masse von einem Schwarzen Loch in einer Milliarde Sonnen ist sein Gravitationsradius 3 Milliarden km. Der Radius der letzten inneren stabilen Umlaufbahn der Akkretionsscheibe beträgt 10 Milliarden km (8 Lichtstunden), und die Zirkulationszeit beträgt mehrere Tage.Es ist unwahrscheinlich, dass Akkretionsinstabilitäten eine Variabilität schneller erzeugen als die Zeit auf der kürzesten Umlaufbahn.

Höchstwahrscheinlich ist die tägliche Variabilität mit einigen Phänomenen in den Jet – Shock – Wellen oder der Wiederverbindung des Magnetfeldes verbunden. In diesem Fall ist aufgrund der relativistischen Reduktion der Zeit alles mit einer schnellen Variabilität in Ordnung: Alles was in einem Jet passiert, schrumpft in der Zeit, wenn der Beobachter in T zum System geht2 Zeiten, wo G der Lorentz-Faktor des Jets ist.

Es kann zu einer schnelleren Variabilität innerhalb des Riesenimpulses kommen, aber aufgrund der variablen Belichtung ist es nicht so leicht zu erkennen – das Fermi-Sichtfeld rotiert, das Gerät fällt periodisch in die südatlantische magnetische Anomalie, wo der Hintergrund so groß ist Der Detektor muss ausgeschaltet sein. Somit findet eine tägliche Modulation der Ergebnisse statt, wodurch die Analyse der Variabilität zu den kürzesten Zeiten erschwert wird.

Die Art der Variabilität 3C 454.3 ist im Allgemeinen typisch für Blazare. Vizemeister in der Spitzenhelligkeit 4C +21,38 (auch ein Monster – FSQR mit einer Leuchtkraft einer Akkretionsscheibe 1047 erg / s) hat eine ähnliche Lichtkurve.

Blazars auf einer Hungerkur

Kommen wir zu einer anderen Art von Blazaren – BL Lac oder "Lazertida".Sie erhielten ihren Namen mit dem Namen ihres ersten Repräsentanten, BL Lacerta. Wenn der FSRQ in einer Zeit schnellen Wachstums ein Quasar ist, dann sind die Lazertiden wahrscheinlich Quiesser, die sich beruhigt haben, leicht zugängliche Substanz weggefressen haben und auf einer hungrigen Ration saßen. Sie sind viel mehr pro Volumeneinheit als das FSRQ, zumindest im modernen Universum, aber sie sind nur aus kleinen Rotverschiebungen sichtbar.

Abb. 3 Die Helligkeitskurve eines der hellsten BL Lacs – Mrk 421 für 10 Jahre Arbeit, "Fermi"

Die hellsten von ihnen sind Markarian-421 und Markarian-501, im Folgenden Mrk 421 und Mrk 501 genannt. Sie gehören zu den engsten Blazaren. Die Lichtkurve von einem von ihnen ist in Abb. 3. Das Objekt blinkt auch, aber im Gegensatz zu den hellsten FSRQs, die oben dargestellt sind, geht es nicht auf Null. Laut Fermi ist die Variabilität dieser Objekte nicht kürzer als ein Tag – hier wird das Problem der ungleichmäßigen Belichtung durch unzureichende Photonenstatistiken ergänzt. Dieses Problem wird mit Hilfe von Cherenkov-Teleskopen gelöst. Dies sind Detektoren eines ganz anderen Typs – erdgebundene Teleskope, die den Himmel nach Blitzen von Cherenkov-Licht aus atmosphärischen Schauerungen von Teilchen absuchen, die durch ein Gamma-Quantum hoher Energie verursacht werden. Ihr Bereich liegt bei 100 GeV und darüber (die untere Schwelle nimmt allmählich ab).Diese Installationen haben ein sehr enges Sichtfeld – Sie müssen die Teleskope auf das Beobachtungsobjekt richten. Auf der anderen Seite ist ihre effektive Fläche fünf Größenordnungen größer als die von Fermi, und die Statistiken für hochenergetische Gamma-Quanten sind signifikant höher.

Laut Cherenkov-Teleskopen (MAGIC, HESS) beträgt der kürzeste Variabilitätsgrad dieser Blazare zehn Minuten. Dies ist trotz der Tatsache, dass die Masse der schwarzen Löcher dieser Blazare in der gleichen Reihenfolge ist: 109 Sonnenmassen und die mit der Akkretion verbundene Variabilität kann nicht kürzer als ein paar Tage sein. Wir haben es also mit sehr schnellen Prozessen in einem ultrarelativistischen Jet zu tun.

Abb. 4 Spektren von drei Blazaren: die hellsten der Klasse FSRQ 3C 454,3; der hellste der Klasse BL Lac Mrk 421; Blazar TXS 0506+, aus dem der Neutrinofluss detektiert wird

Der Hauptunterschied zwischen BL-Lacs und starken FSRQs liegt jedoch in den Spektren von Gamma-Quanten. Zuerst sind sie viel härter. In Abb. 4 zeigt die Spektren der hellsten Vertreter ihrer Klassen.

Die Spektren wurden vom Autor in Eile erstellt, wobei die Abhängigkeit der Detektoreffizienz von der Energie berücksichtigt wurde, ohne jedoch die Energieabhängigkeit der Winkelverteilung zu berücksichtigen. Letzteres ergibt eine leichte Unterschätzung der Energiepunkte in der Region und unterhalb von 1 GeV. Horizontal ist der dekadische Logarithmus der Energie, vertikal ist der Logarithmus der Anzahl der Teilchen in einem Behälter multipliziert mit ihrer Energie (in willkürlichen Einheiten, die allen Spektren gemeinsam sind).Eine solche Darstellung der Spektren (SED, Spectral Energy Distribution) ist in der Hochenergie-Astrophysik üblich – sie zeigt die Verteilung der Leistung über verschiedene Energiebereiche.

Der Quasar 3C 454.3 in absoluter Leuchtkraft in Gamma-Quanten ist mehr als drei Größenordnungen stärker als Mrk 421, es ist nur viel weiter. Der Helligkeitsunterschied der Akkretionsscheibe ist noch größer. Daher der Unterschied in der Steifigkeit des Spektrums. Helles Licht für beschleunigte Teilchen ist wie ein viskoses Medium, besonders wenn es sich um Elektronen (und Positronen) handelt. Darüber hinaus sollten Elektronen und Positronen die Grundlage für die Leuchtkraft eines so mächtigen Quasars sein. Wenn sie anfangs nicht da waren, werden sie paarweise in einer solchen Menge geboren, dass sie die Anzahl der Protonen in einem Jet um mehrere Größenordnungen überschreiten.

Darüber hinaus sind in den Spektren von Blazaren sichtbare Zeichen der Absorption von Gamma-Quanten der Energie von 3-20 GeV durch das diffundierte und prozessierte Licht der Akkretionsscheibe sichtbar (siehe arXiv: 1408.0793v1). Diese Absorption wird durch den γ-Prozess verursacht.1 + γ2 → e+ ewo γ1 – Gamma-Quanten mit hoher Energie, γ2 – Photon Lyman-Alpha-Linie von Wasserstoff.

Aufgrund dieses Prozesses treten charakteristische Knicke im Spektrum der hellen FSRQs auf, die im gesamten Spektrum vieler Blazare besonders gut zu sehen sind. Dies bedeutet, dass die Emission von Gammastrahlen von dem "zentralen Parsec" kommt, wo genügend Ultraviolettstrahlung vorhanden ist, um einen Teil der Gammastrahlen zu absorbieren.Dies wiederum deutet darauf hin, dass der Jet schnell genug beschleunigt, was nur durch den Blandford-Znak-Prozess sichergestellt werden kann: ein schwarzes Loch in einem Magnetfeld.

Auf der anderen Seite ist auf einer der Radioastron-Karten rechts unten ein Strahl zu sehen, der dem Start von der Akkretionsscheibe entspricht (Natur Astronomie, 2018. Vol. 2. S. 472-477). Im Prinzip verbietet es niemand, gleichzeitig zwei ineinander verschachtelte Jets auszusenden: schmal und schnell in der Mitte und breit, langsamer in der Peripherie.

Neutrinoquelle

Die BL-Lac-Spektren sind viel härter: Die von Gamma-Quanten emittierte Energie nimmt nicht in Hunderten von GeVs und sogar in TeVs ab (Cherenkov-Teleskope sehen dies). Darüber hinaus werden Gammastrahlen durch die Wechselwirkung mit dem Infrarothintergrund entlang der Straße absorbiert, die das Universum durch Galaxien füllte. Daher können wir nicht sagen, wie weit das Spektrum der Gamma-Quanten von BL Lacs reicht. Aber kürzlich wurden Neutrinos mit Energien über 200 GeV vom "gewöhnlichen" Blazar TXS 0506 +056 – auch BL Lac – aufgenommen (siehe "Der erste Schrei der Neutrinoastronomie"). Sein Spektrum, gemittelt über 10 Jahre, ist in Abb. 5. Es ist weicher als das Spektrum des nächsten Mrk 421, das natürlich ist – das erste ist in mehr als dreihundert Millionen Lichtjahren, das zweite ist in vier Milliarden, daher wird der harte Teil seines Spektrums stark absorbiert.

Abb. 5 Von Fermi von Blazar TXS 0506 +38 registrierte Gammaquanten. Jedes Photon entspricht einem Kreuz; waagerecht – Ankunftszeit, vertikal – Logarithmus der Energie (MeV). Horizontale Leiste zeigt den Zeitpunkt der Registrierung eines Überschusses an Neutrinoenergie von 10-40 TeV aus Richtung TXS 0506 +056 (Ende 2014 – Anfang 2015). Vertikaler Pfeil – Zeitpunkt der Registrierung einer einzelnen Neutrinoenergie über 200 TeV

In Abb. 5 zeigt den Photonenankunftsgraph von TXS 0506 +056. Man kann sehen, dass das "Pack" der Neutrinos, das Ende 2014 – Anfang 2015 – eingetroffen ist, einem Ausbruch von Gamma-Quanten-Strahlung entspricht. Der Blitz, der einem einzelnen Neutrino entspricht, ist hier nicht sichtbar, wird aber in den Daten des MAGIC Cherenkov-Teleskops gut ausgedrückt. (Wissenschaft 361, eaat1378 (2018), arxiv.org/abs/1807.08816).

Eine natürliche Frage stellt sich: Warum wurden Neutrinos von einem weiter entfernten und schwächeren Blazar gesehen? Die absolute Leuchtkraft des TXS 0506 ist um eine Größenordnung heller, aber hier ist die beobachtete Helligkeit wichtig, nach der Mrk 421 um eine Größenordnung heller ist. Verschiedene Erklärungen sind möglich, zum Beispiel:

  • Bei 200 TeV werden Neutrinos im Wesentlichen von der Erde absorbiert. Mrk 421 liegt im Norden, TXS 0506 liegt im Süden. Der Neutrinofluss solcher Energie nimmt um etwa das Dreifache ab und verläuft durch die Erde. Diese Erklärung finden Sie im Artikel Ice Cube Collaboration (arxiv.org/abs/1807.08794).
  • Für die Neutrinoemission sind nicht nur beschleunigte Protonen wichtig, ein Ziel wird auch benötigt. Licht kann ein Ziel für die Emission von Gammastrahlen sein. Das Ziel für die Neutrinoemission ist höchstwahrscheinlich die Partikel des interstellaren Mediums. Das Dichteverhältnis der beiden kann stark variieren.

Abschließend eine Liste von Schlüsselfragen zu den Quasar-Jets, unabhängig davon, wohin sie geleitet werden.

  • Woher kommt der Jet? Aus den inneren Bereichen der Akkretionsscheibe oder aus der Nähe eines Schwarzen Lochs? Die Absorption in den FSRQ-Spektren spricht eher von der zweiten, obwohl die Beobachtung von RadioAstron für die erste spricht. Es ist möglich, dass die kombinierte Version üblich ist.
  • Welche beschleunigten Teilchen sind für die Hauptstrahlung des Jets verantwortlich? Im Fall von FSRQ sind dies eindeutig Elektron-Positron-Paare. Im Falle von BL Lacc sind diese bei radikal starreren Spektren höchstwahrscheinlich Protonen. Erstens sind Protonen leichter zu beschleunigen, ihre Verluste sind weniger als eine Million Mal. Zweitens sind die BL-Lac-Spektren den Kaskadenspektren ähnlich – wenn das Anfangsteilchen eine sehr hohe Energie hat und seine Nachkommen die logarithmische Energieskala gleichmäßig ausfüllen.Nun, ein neues Argument zugunsten von Protonen – das Neutrino.
  • Was ist der Beschleunigungsmechanismus für Partikel in einem Jet? Interne Stoßwellen? Plasma-Instabilitäten? Turbulenzen? Jet-Grenze? Konsens gibt es hier nicht, und die Diskussion zu diesem Thema geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

    Normalerweise, wenn Sie ein neues großes Werkzeug starten, wird die Creme in zwei vor drei Jahren entfernt. Aber dann werden das Debugging, die Akkumulation von Statistiken, die Registrierung neuer Ereignisse, die Klärung des Bildes und qualitativ neue Ergebnisse fortgesetzt. Es bleibt daher den Mitgliedern des Fermi-Teams zu wünschen, dass ihre Nachkommen bis zum nächsten Jahrestag sicher arbeiten.


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