Výzkumy v ASU AV ČR (114): Efekty obecné relativity v rentgenovém záření aktivních galaktických jader

Stejně jako Slunce je obklopeno vrstvou horkého vysoce ionizovaného plazmatu, tzv. korónou, očekává se existence podobné vrstvy nebo struktury i nad akrečním diskem, tvořeným hmotou postupně padající do černé veledíry v centrech aktivních galaktických jader. Vlastnosti této struktury stejně jako důvody jejího vzniku jsou nepochybně jiné než v případě koróny sluneční, ale to není pro představovanou studii podstatné.

Koróna akrečního disku je na rozdíl od té sluneční jen omezeným zdrojem vlastního záření. Mnohem větší roli ale hraje pro rozptyl záření, které sem přichází přímo z disku pod ní. Toto primární záření má obvykle vlnové délky v ultrafialové až měkké rentgenové oblasti spektra a  vzniká proměnou gravitační energie hmoty disku na teplo třením mezi různě rychle rotujícími částmi disku (rychlost rotace akrečního disku se vzdáleností od černé veledíry klesá). Převážně ultrafialové termální záření tedy přichází do koróny a potkává se s horkými, vysoce relativistickými elektrony, kterých se zde nachází velké množství. Přicházející fotony získávají procesem inverzního Comptonova rozptylu energii na úkor kinetické energie elektronů a část z nich pak doputuje až k pozorovateli jako záření v tvrdém rentgenovém oboru.

Vzhledem k tomu, že elektrony v koróně mají nějakou typickou energii odpovídající teplotě plazmatu, není možné předávat rentgenovým fotonům libovolné množství energie. Pozorované sekundární spektrum má tedy vysokoenergetický zlom (tzv. cut-off nebo hranu), jehož hodnota úzce souvisí právě s teplotou koróny. Autoři některých prací tuto skutečnost využili k určení teploty koróny. Studovali tedy přicházející spektrum, určili hodnotu hrany a z ní pak stanovili teplotu koróny.

Tým z ASU na čele s Francescem Tamborrou si povšiml, že část těchto prací nebere v úvahu efekty obecné teorie relativity, kterými ovlivňuje šíření elektromagnetického záření velmi silné gravitační pole černé veledíry. Některé z publikovaných prací ukazovaly, že pro zjednodušené geometrie kompaktní koróny „visící“ na rotační ose akrečního disku mohou být tyto efekty značné, posouvající hodnotu hrany. Pozorovaná, tedy zdánlivá hodnota hrany je tedy odlišná od té skutečné a i teplota koróny tak může být určena nesprávně. Pro zmíněný zjednodušený model kandelábru je možné vypočítat korekci efektů obecné teorie relativity analyticky, neboť se na nich bude podílet pouze gravitační rudý posuv.

Autoři z ASU a dvou řeckých institucí studovali podobné efekty pro jiný model galaktické koróny, která tvoří prostorově omezenou vrstvu bezprostředně přiléhající k akrečnímu disku. Pro takovou geometrii již není možné nalézt jednoduchý analytický model korekcí a autoři tedy museli vypočítat síť numerických modelů. Pozorované efekty se budou lišit pro různé úhly pohledu, ale také pro různé velikosti koróny. Kromě gravitačního rudého posuvu totiž svoji roli hraje i relativistický Dopplerův jev, jehož projevy závisí právě na sklonu a rychlosti rotace, jež naopak souvisí se vzdáleností a tak rozlehlostí diskové koróny.

Jedním z výstupů článku je tak jakási tabulka převodů z pozorované zdánlivé hodnoty hrany na hodnotu odpovídající skutečné hodnotě hrany, kterou lze již přímo použít k odhadu teploty elektronů v koróně. V modelu kandelábru jsou relativistické korekce vždy směrem k vyšším hodnotám hrany. V modelu diskové koróny však v některých extrémních případech může být pozorovaná hodnota vyšší než skutečná a odhadnutá teplota tak přeceněna. Tato situace nastává zejména pro velmi vysoké pohledové úhly, kdy systém aktivního galaktického jádra vidíme téměř z roviny disku. To je běžná situace pro aktivní galaktická jádra typu II.

Výsledky tohoto teoretického článku tedy přesvědčivě ukazují, že zanedbání vlivů obecné teorie relativity může být pro extrémní typy objektů, mezi něž aktivní galaktická jádra jistě patří, velmi nebezpečné a odhady hodnot parametrů materiálu v různých strukturách těchto objektů pak zatíženy velkou chybou.

REFERENCE

Tamborra, F., Papadakis, I., Dovčiak, M., Svoboda, J., On the high energy cut-off of accreting sources: Is general relativity relevant? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 475 (2018) 2045-2050, preprint arXiv:1711.06183

KONTAKTY

Dr. Francesco Tamborra, Ph. D.
Email: francesco.tamborra@asu.cas.cz
Mgr. Michal Dovčiak, Ph. D.
Email: dovciak@astro.cas.cz
RNDr. Jiří Svoboda, Ph. D.
Email: jiri.svoboda@asu.cas.cz

Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.