Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Výzkumy v ASU AV ČR (220): Mají aktivní galaktická jádra spektrální stavy jako rentgenové dvojhvězdy?

Výzkumy v ASU AV ČR (220): Mají aktivní galaktická jádra spektrální stavy jako rentgenové dvojhvězdy?

Stručné schéma grafu tvrdost—svítivost pro rentgenové dvojhvězdy s vyznačením obvyklého cyklu. Vloženými obrázky je také naznačena přítomnost a charakter polárních výtrysků (napravo od čáry jetů).

Aktivní galaktická jádra a některé rentgenové dvojhvězdy spojuje to, že u nich dochází k dopadu hmoty na černou díru. V případě galaxií má černá díra hmotnost milion až miliardakrát větší, než je hmotnost našeho Slunce. U rentgenových dvojhvězd má černá díra jen několik jednotek až desítek hmot Sluncí a její rozměr čítá jen několik desítek km. Proto u černých děr v rentgenových dvojhvězdách můžeme pozorovat v průběhu času výrazné změny v množství dopadající hmoty a s tím související stavy s vysokou a nízkou svítivostí, vytváření a vyhasínání relativistických výtrysků. V nedávné publikaci vedené Emily Moravec se astronomové blíže podívali na velký soubor aktivních galaktických jader s cílem prozkoumat vztah mezi mírou dopadu hmoty na černou díru a vyvrhováním relativistických výtrysků v porovnání s rentgenovými dvojhvězdami. 

Rentgenové dvojhvězdy jsou systémy, v nichž jednou složkou  může být černá díra, na niž přitéká z hvězdné složky látka a vytváří v systému tzv. akreční disk, kdy hmota před vlastním dopadem do černé díry obíhá vysokými rychlostmi okolo. Tím se zahřívá až na milióny stupňů a uvolněná energie se ze systému odnáší ve formě rentgenového záření. Proměnlivá míra přetoku hmoty mění vlastnosti záření. Když je hmoty dostatek, systém se projevuje vysokou svítivostí nejvíce kolem energie 1 keV, která přibližně odpovídá nejvyšší teplotě akrečního disku. Naopak, když tok záření poklesne, tepelné záření akrečního disku poklesne a část energie se ztrácí v procesech v plynu. Vytváří se energetičtější záření v tzv. rentgenové koróně, kde rychle se pohybující elektrony dávají rentgenovému spektru jiný charakter. Tyto změny popisuje veličina „tvrdost“ spektra, která se určuje z poměru svítivostí ve dvou odlišných rentgenových pásmech a symbolizuje jakousi „barvu“ rentgenového záření. Na základě této veličiny a celkové svítivosti lze pro rentgenové dvojhvězdy definovat dva základní stavy (vysoký/měkký a nízký/tvrdý) a pro vývoj těchto stavů se konstruuje dvojrozměrný graf, který zobrazuje pozici daného objektu v různých stádiích. Během změn se na tomto grafu vykresluje  charakteristická křivka, jejíž tvar asi nejvíce přibližuje malé písmeno q.

Obvykle na začátku zjasnění vyvolaného větší mírou přetoku hmoty zvýší zdroj svoji svítivost o několik řádů, zatímco jeho spektrum zůstává tvrdé. Je zajímavé, že právě v „tvrdém“ stavu je v systému často přítomen polární výtrysk (jet) směrem od černé díry kolmo na akreční disk. Pokud akreující hmoty stále přibývá, může se zdroj  posunout do „měkkého“ termálního stavu (na grafu se přesune horizontálně z pravého horního rohu doleva). V záření začíná převažovat tepelná složka záření horkého akrečního disku, která vede k jasnému nárůstu svítivosti na nízkých rentgenových energiích a tedy ve spektru dochází ke zdánlivému „změknutí“ zdroje. Mění se i charakter výtrysku. Z ustáleného rádiově aktivního výtrysku se stanou diskrétní epizody menších výronů a vzplanutí. Ve vysokém/měkkém stavu se výtrysk zcela utlumí. Je třeba zdůraznit, že i v této fázi může dojít k dočasné změně stavu a obnovení činnosti jetu, což se na grafu projeví menším cyklem v levém horním rohu. Nakonec se ale zdroj vyčerpá, rychlost akrece a svítivost systému poklesne. Systém přejde do klidového stavu, z něhož bude vybuzen až další epizodou zjasnění.

Vzhledem k určité podobnosti aktivních galaktických jader a rentgenových dvojhvězd můžeme očekávat, že akreční procesy na černou díru budou podobné, jen na jiných škálách, a to jak rozměrových tak i časových. Studiem akrečních stavů aktivních galaxií se zabývá skupina kolem Jiřího Svobody z Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU. V práci vedené postdoktorandkou Emily Moravec se zaměřili zejména na souvislost přítomnosti relativistického výtrysku v aktivních galaxiích s jejich akrečním stavem. Pokud jde o galaktická jádra, většina z pozorovaných galaxií výtrysky zřejmě nemá nebo jsou velmi slabé  (tyto galaxie se nazývají rádiově klidné), jen asi 10–20 % vykazuje přítomnost výrazného jetu a je tedy rádiově aktivní. Tým astronomů si vzal za cíl tyto případy detailně prozkoumat a pokusit se určit, zda je možné i v případě aktivních galaxií uvažovat o podobném vývojovém cyklu jako v případě rentgenových dvojhvězd.

Museli k tomu využít informace velkého množství zdrojů na různých vlnových délkách a propojit mnoho různých pozorování. Zatímco akreční stavy se u rentgenových dvojhvězd mění na škále měsíců, jednoduchým škálováním na velikost lze odhadnout, že u aktivních galaktických jader bychom museli čekat miliony let – příliš dlouho na to, aby bylo možné takové změny odhalit lidskými možnostmi. Autoři proto prozkoumali celou řadu katalogů aktivních galaktických jader, z nichž odvodili, kolik hmoty dopadá na černou díru, kolik se vyzáří termálním zářením, zda a jaké vlastnosti mají jejich polární výtrysky. Cílem bylo zkonstruovat ekvivalent grafu tvrdost—svítivost pro aktivní galaxie a zkoumat, kde budou zastoupeny galaxie s výtrysky. Autoři si uvědomovali, že nemohou zkonstruovat celý graf pro jednu galaxii s vývojem v čase, ale spoléhali na to, že na větším vzorku získají zástupce různých stavů. Nejprve se zaměřili na porovnání zdrojů s odlišnou morfologií klasifikovanou podle metody astronomů Fanaroffa a Rileyho. Galaxie typu FR I mají rádiový obraz výtrysku s maximem intenzity ve středu a k okrajům intenzita rádiového záření klesá. Oproti tomu galaxie typu FR II mají rádiový obraz v centru méně intenzivní a má jasnější okraje.

Emily Moravec a kolektiv ve své práci ukázali, že galaxie typu FR I vykazují systematicky nižší celkovou svítivost a měkčí spektrum, zatímco typ FR II je spíše svítivější a jejich záření je spíše tvrdší. Podobný  vztah dále našli i pro jiný typ klasifikace rádiových galaxií, jejichž rozdělení je založeno na optické emisi vznikající v oblasti úzkých čar, z nichž přicházejí emisní čáry ionizovaného kyslíku, dusíku a síry. Galaxie typu HERG (High Excitation Radio Galaxies) s vyšším excitačním potenciálem vykazují vyšší svítivosti a tvrdší spektrum než galaxie typu LERG (Low Excitation Radio Galaxies) s nižším excitačním potenciálem. Mezi exempláři, které mají dvojí klasifikaci zmíněnou výše (tedy určení, zda je typu FR I nebo II a současně LERG nebo HERG), je statistický rozdíl ve vlastnostech zdaleka nejvíce patrný.
Zdá se tedy, že aktivní galaxie se specifickými vlastnostmi rádiového záření, které je obvykle spojeno s přítomností polárního výtrysku, okupují na grafu tvrdost—svítivost dvě odlišné oblasti. To svědčí pro to, že podobně jako rentgenové dvojhvězdy i aktivní galaktická jádra možná procházejí cykly aktivity v závislosti na vývoji látky v bezprostředním okolí černé veledíry po náhlém vzplanutí. To je velmi zajímavá zjištěná souvislost, protože dosud se rádiová dichotomie aktivních galaxií vysvětlovala pomocí různého spinu černých děr – ty s vysokým spinem vytváří ergosféru, kde se může extrahovat energie na úkor rotační energie černé díry. Tím se dá elegantně vysvětlit, jak mohou tyto energetické výtrysky vznikat. Samotný výskyt výtrysku však ale může být především závislý na akrečním stavu, jak naznačují výsledky publikované v tomto článku.  

REFERENCE

E. Moravec, J. Svoboda a kol., Do Radio Active Galactic Nuclei Reflect X-ray Binary Spectral States?, Astronomy & Astrophysics v tisku, preprint arXiv:2202.11116

KONTAKTY

Dr. Emily Moravec
emily.moravec@asu.cas.cz
RNDr. Jiří Svoboda, Ph.D.
jiri.svoboda@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR




O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Aktivní galaxie, Rentgenové dvojhvězdy, Astronomický ústav AV ČR


26. vesmírný týden 2022

26. vesmírný týden 2022

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 27. 6. do 3. 7. 2022. Měsíc bude v novu a ještě předtím jej najdeme ráno poblíž Merkuru a Venuše. Ráno můžeme vidět všechny okem viditelné planety v pořadí, jak jdou od Slunce. Kometa C/2017 K2 (PanSTARRS) se pohybuje souhvězdím Hadonoše. BepiColombo podruhé minula Merkur. SLS byla plně natankována, na test se chystá Super Heavy. Ariane 5 opět úspěšná. První let čistě jihokorejské rakety. VZLÚSat-1 slaví pět let na orbitě. Před 65 lety se narodil český astronom Marek Wolf.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

M63

Titul Česká astrofotografie měsíce za květen 2022 získal snímek „M 63“, jehož autorem je Zdeněk Vojč       M 63. Nu, opravdu trochu nudné pojmenování. Příliš to nevylepší ani NGC 5055, i přes tolik pětek. Ale nebyli by to romantičtí astronomové, aby tomuto objektu na

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Rho Ophiuchi z pouste v Kalifornii

Nic neni nad tmavou oblohu ktera necha vyniknout kontrastu i barvam a to bez jakychkoliv filtru. Porizeno kamerou ZWO 294MC s objektivem Canon 70-200mm USM L na montazi Celestron AVX s celkovou expozici 4 hodiny.

Další informace »