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

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