Výzkumy v ASU AV ČR (61): Lze ze spektra aktivního galaktického jádra usoudit na povahu jeho zdroje?
Pozorování některých galaxií odhalují jejich vysokou proměnnost, související s aktivitou jejich jader. Aktivní galaktická jádra jsou důsledkem pádu hmoty (akrece) z disku na černou veledíru, kterou tento disk obklopuje. Akrece je vysoce energetický proces, při němž vzniká tvrdé rentgenové záření. Zdroj tohoto záření však obvykle není možné přímo pozorovat. T. Pecháček, M. Dovčiak a V. Karas z ASU přispěli k práci, jež navrhuje metodiku, jak se ze sady rentgenových pozorování aktivního galaktického jádra ve více spektrálních pásech o zdroji tohoto záření něco dozvědět.
Jak již bylo naznačeno, rentgenovými detektory nepozorujeme přímo zdroj rentgenového záření v aktivním jádře. Procesem, který je považován za nejdůležitější při vzniku pozorovaného záření, je tzv. comptonizace tepelného záření horkého disku na volných elektronech, jež se nacházejí v tzv. koróně obklopující centrální oblast. Vlastní zdroj rentgenových fotonů leží v samotném srdci komplikovaného systému, kde se při akreci uvolňuje gravitační potenciální energie a mění na teplo. Moderní pozorování naznačují, že velikost tohoto zdroje je menší než deseti- až patnácti-násobek gravitačního poloměru černé veledíry. Přesná pozice a geometrie rentgenového zdroje není známa, je téměř jisté, že záření ze zdroje je přetvořeno na záření registrované pozorovatelem průchodem látkou v okolí černé díry. Máme o tom pozorovací důkazy: jednak o tomto přepracování svědčí přítomnost fluorescenční čáry železa s energií fotonů 6,4 keV a také široký tzv. comptonovský vrchol v oblastech energií 20 až 30 keV. V případě záření pocházejícího z vnitřní části disku by se na něm měly projevit též efekty speciální i obecné teorie relativity.
Informace o samotné povaze zdroje rentgenového záření je pro správnou interpretaci vzhledu celého systému aktivního galaktického jádra velmi důležité. Nelze je však z pozorování přímo získat. Pracovníci skupiny Galaxií a planetárních systémů ASU byli platnými členy mezinárodního týmu, který navrhl a na fyzikálním modelu otestoval metodu, jak z pozorování omezit možnou geometrii neviditelného rentgenového zdroje. Výsledné záření, které detekuje pozorovatel, je totiž složeno z více komponent. Kromě tepelného záření samotného zdroje se ve výsledném spektru objevuje i emisní komponenta mající původ v průchodu záření látkou. Tato komponenta může být vůči původní v čase zpožděna, neboť v principu cestuje k pozorovateli od zdroje po delší trajektorii. Navíc akreční disk působí na procházející záření jako jakýsi filtr. Všechny tyto efekty musí být úspěšným modelem zohledněny.
Autoři tedy sestavili zjednodušený model aktivního galaktického jádra, tvořený opticky tlustým avšak geometricky tenkým diskem materiálu, který obklopuje gravitační centrum černé veledíry, jíž je dovoleno rotovat. Zdroj rentgenového záření je zjednodušen do formy bodového zdroje v pevném bodě na ose celého systému, vyšetřován je však vliv výšky tohoto zdroje nad centrální rovinou disku na výsledné záření. S pomocí sofistikovaného modelu autoři nejprve vypočetli tzv. odezvovou funkci, která charakterizuje cestu světelného signálu od zdroje k pozorovateli. Typicky má tato odezvová funkce dva vrcholy. První vrchol, který pozorovatel zaznamená, souvisí s odrazem záření zdroje od bližší hrany akrečního disku. Druhý pak přirozeně souvisí s odrazem od vzdálenější hrany („za černou dírou“), kdy je vzdálenost, po níž musely fotony cestovat, přirozeně delší. Ukazuje se, že amplituda odezvové funkce závisí na výšce zdroje nad rovinou disku a také na rotaci černé veledíry. Je to docela přirozené: je-li zdroj blízko roviny a tedy blíže černé díry, efekty gravitačního ohybu světla soustřeďuje záření původně vyzářené do všech směrů a vnitřní partie disku jsou jím tedy ozařovány ve zvýšené míře.
Z modelových světelných křivek simulovaných pro více energetických kanálů vypočetli výkonové spektrum (s pomocí Fourierovy transformace) a tato výkonová spektra porovnali. Uvažovaný model dává jednoznačné výsledky, výsledné výkonová spektra mají vždy typický průběh. Na určité frekvenci změn (tato frekvence je především funkcí výšky zdroje nad rovinou disku) je pozorován hluboký (hloubka závisí na rotaci černé díry a zorném úhlu, pod nímž systém vidíme) pokles následovaný vytrácejícími se oscilacemi směrem k vyšším frekvencím proměnnosti záření. Z charakteru výsledného záření je tedy v principu možné získat omezení na hodnoty zmíněných základních parametrů popisujících centrum aktivního galaktického jádra.
Vyšetřovaný model je možná až příliš jednoduchý. Autoři však ukazují, že jejich výsledky na vlastnostech disku závisí jen velmi slabě a v principu je tedy možné použít závěry získané v této práci i pro posouzení složitějších systémů, tedy např. těch, které běžně ve vesmíru najdeme. Autoři slibují, že v některé ze svých budoucích prací se na některá známá aktivní galaktická jádra skutečně podívají a vyvinutou metodikou stanoví jejich důležité parametry.
Reference:
Papadakis, I, Pecháček, T. a kol., Signatures of X-ray reverberation in the power spectra of AGN, Astronomy & Astrophysics 588 (2016) A13. Preprint arXiv:1601.02860.
Kontakty:
Mgr. Tomáš Pecháček, Ph. D., pechacek@ig.cas.cz
Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.