Emisja blazarów w wysokoenergetycznym zakresie promieniowania gamma

Emisja blazarów w wysokoenergetycznym zakresie promieniowania gamma Krzysztof Katarzyński Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu XXXIV Zjazd Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, Kraków 2009 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 1/36

Czym są blazary? Mechanizm promieniowania 1 Wprowadzenie Czym są blazary? Mechanizm promieniowania 2 3 Wnioski końcowe Bibliografia Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 2/36

Blazary Wprowadzenie Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Blazary to grupa aktywnych jąder galaktyk do której zalicza się przeważnie objekty typu BL Lac oraz kwazary. Tłumaczy to nazwę tych obiektów, którą zaproponował E. Spiegel w 1978 roku na konferencji na temat obiektów typu BL Lac w Pittsburgu. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 3/36

Wprowadzenie Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Orientacja dżetu Wyrzuty materii w postaci dżetów obserwowane są w blazarach zwykle pod kątem kilku stopni. Jest to charakterystyczna cecha tych obiektów. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 4/36

Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Głowne cechy promieniowania blazarów nietermiczne, spolaryzowane oraz zmienne widmo promieniowania widzialnego, w którym brak silnych linii emisyjnych, emisja w szerokim zakresie od promieniowania radiowego po wysokoenergetyczne promieniowanie gamma (E foton TeV), płaskie"widmo (F radio ν α, α 0) oraz stosunkowo duża jasność w zakresie radiowym promieniowania, zmienność promieniowania obserwowana na wszystkich długościach fali krótsza długość fali oznacza zwykle szybszą skalę zmienności Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 5/36

Podział LBL/HBL Wprowadzenie Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Fossati et al. 1998 W widmach obiektów typu BL Lac (w postaci νl ν ) można wyróżnić dwa charakterystyczne maksima promieniowania. Ze względu na różne położenie tych maksimów wprowadzony został podział na obiekty LBL (ang. Low-Energy Peaked BL Lacs) oraz HBL (ang. High-Energy Peaked BL Lacs). Położenie pierwszego i drugiego maksimum: LBL IR UV oraz MeV GeV HBL X-ray oraz GeV TeV Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 6/36

Mrk 501 widmo promieniowania Czym są blazary? Mechanizm promieniowania BeppoSAX Pian et al. 1998, CAT 2013 Djannati-Atai et al. 1999, EGRET Kataoka et al. 1999, NED http://nedwww.ipac.caltech.edu Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 7/36

Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Przekrój aktywnego jądra - wewnętrzne fale uderzeniowe dysk akrecyjny oraz torus pyłowo-gazowy zwarty komponent dżetu, który zawierają cząstki o relatywnie niskich energiach dżety blazarów obserwowane są zwykle pod bardzo małymi kątami, rzędu kilku stopni BLR kierunek do obserwatora wektor prędkości NLR źródło promieniowania X oraz gamma powstałe po zderzeniu dwóch komponentów dżetu Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 8/36

Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Ukierunkowanie promieniowania beaming Γ = 1/ 1 β 2, θ = 1/Γ rad Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 9/36

Wzmocnienie promieniowania Czym są blazary? Mechanizm promieniowania ϕ V=βc transformacja: czasu t = (1 + z)t /δ częstotliwości ν = δ 1+z ν natężenia promieniowania I ν = δ 3 I ν Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 10/36

Promieniowanie synchrotronowe Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Podstawowym procesem promieniowania w blazarach jest emisja synchrotronowa. Relatywistyczne elektrony (E = γm e c 2, γ = 1...10 7 ) poruszając się w chaotycznym polu magnetycznym generują promieniowanie od zakresu radiowego po zakres rentgenowski widma. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 11/36

Czym są blazary? Mechanizm promieniowania Odwrotne rozpraszanie comptonowskie Pewna część promieniowania synchrotronowego może zostać rozproszona przez elektrony w procesie odwrotnego rozpraszania comptonowskiego. Jest to tak zwany proces SSC (ang. synchrotron self-compton). Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 12/36

Mrk 501 model emisji Czym są blazary? Mechanizm promieniowania aktywna galaktyka Katarzyński et al. 2001 synch. IC Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 13/36

W 2006 roku obserwatorium H.E.S.S. zaobserwowało bardzo silny rozbłysk w blazarze PKS 2155-304. W trakcie rozbłysku zaobserwowana została bardzo szybka zmienność w skalach czasowych rzędu kilkunastu minut. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 14/36

PKS 2155-304 bardzo szybka zmienność! -1 s ] -2 cm -9 I(>200 GeV) [ 10 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 40 60 80 100 120 Time - MJD53944.0 [min] Aharonian et al. 2007 (H.E.S.S. Collaboration) Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 15/36

Skala zmienności ogranicza rozmiar źródła źródło obserwator R ctvar R δ 1+z ct var t var 10 min oraz δ 10 daje R 2 10 14 cm Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 16/36

Kreacja par elektron-pozyton Fotony wysokoenergetycznego promieniowania gamma (hν TeV) oddziaływując z fotonami podczerwonymi wewnątrz źródła, mogą kreować pary elektron-pozyton. ν TeV + ν IR e + + e Proces ten może prowadzić do silnej absorpcji promieniowania gamma w zwartych (R 10 14 cm) źródłach. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 17/36

Absorpcja promieniowania TeV Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 18/36

PKS 2155-304 model szybkiej zmienności R 10 14 cm R 10 16 cm X-ray TeV F Katarzyński et al. 2008 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 19/36

Absorpcja promieniowania TeV Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 20/36

Korelacja pomiędzy emisją X oraz gamma Obserwacje blazara Mrk 421 przeprowadzone w 2001 roku przez instrumenty HEGRA, Whipple oraz RXTE pozwoliły wykryć precyzyjną korelację pomiędzy promieniowaniem rentgenowskim oraz gamma w trakcie kilku rozbłysków. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 21/36

Mrk 421 krzywe zmian blasku optical [V mag.] X-ray [cts/s/pcu] γ-ray [Crab] TeV HEGRA & Whipple, X-ray RXTE-PCA, Fossati et. al. 2008 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 22/36

Mrk 421 18/19 marca 2001 #1: March 18/19 (a) F TeV (F X ) x 2 Fossati et al. 2008 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 23/36

Mrk 421 22/23 marca 2001 #5: March 22/23 (e) F TeV (F X ) x 2 Fossati et al. 2008 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 24/36

PKS 2155-304 29/30 lipca 2006 H.E.S.S., Chandra & 32 cm Bronberg Observatory F TeV (F X ) x 3 Aharonian et al. 2009 (H.E.S.S. Collaboration) Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 25/36

PKS 2155-304 modelowanie korelacji model wstrzykiwanie + chłodzenie Katarzyński & Walczewska 2009 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 26/36

PKS 2155-304 modelowanie korelacji model zmiana ϕ δ Katarzyński & Walczewska 2009 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 27/36

Promieniowanie blazarów w zakresie GeV TeV jest silnie absorbowane przez pole promieniowania międzygalaktycznego. Z tego względu odkrycie wysokoenergetycznego promieniowania gamma pochodzącego od dość odległego źródła 1ES 1101-232 (z=0.186) było sporym zaskoczeniem. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 28/36

Absorpcja w ośrodku międzygalaktycznym Fotony wysokoenergetycznego promieniowania gamma oddziałując z polem promieniowania (IR) wypełniającym przestrzeń międzygalaktyczną tworzą pary elektronpozyton. Proces ten powoduje znaczne osłabienie promieniowania gamma docierającego do obserwatora. Najodleglejszym zaobserwowanym blazarem w zakresie GeV jest 3C 279 (FSRQ, z = 0.536). W przypadku obiektów typu HBL (TeV) przesunięcie ku czerwieni jest jeszcze mniejsze z 0.2. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 29/36

1ES 1101-232 - strome widmo promieniowania gamma Aharonian et al. 2006 (H.E.S.S. Collaboration) Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 30/36

1ES 1101-232 model emisji dla n 1 = 2 rozkład energii elektronów n 1 log 10 N(γ) n 2 log 10 (γ) 1ES 1101-232 z = 0.186 BeppoSAX Wolter et al. 2000 H.E.S.S. Aharonian et al. 2005 E = γm e c 2 N(γ) γ n [cm 3 ] α = (n 1)/2 F (ν) ν α Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 31/36

1ES 1101-232 model emisji dla n 1 = 1.5 rozkład energii elektronów n 1 log 10 N(γ) n 2 log 10 (γ) 1ES 1101-232 z = 0.186 BeppoSAX Wolter et al. 2000 H.E.S.S. Aharonian et al. 2005 E = γm e c 2 N(γ) γ n [cm 3 ] α = (n 1)/2 F (ν) ν α Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 32/36

1ES 1101-232 różne kształty widma n 1 log 10 N(γ) n 2 log 10 (γ) Katarzyński et al. 2006 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 33/36

1ES 0229+200 strome widmo promieniowania gamma Swift Fermi H.E.S.S. Tavecchio et al. 2009 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 34/36

Wnioski końcowe Wprowadzenie Wnioski końcowe Bibliografia Przyjmując, że obserwowana emisja gamma pochodzi z różnych rejonów dżetu można wyjaśnić bardzo szybką zmienność (t var 10 min). Podejście takie pozwala również wyjaśnić stromą (F TeV (F X ) x 2 ) korelacje pomiędzy promieniowaniem rentgenowskim oraz gamma. Jeżeli promieniowanie generowane jest wyłącznie przez cząstki o dużych energiach (γ > 10 4 ) to pozwala to wyjaśnić strome widma promieniowania gamma obserwowane w niektórych obiektach. Klasyczny model promieniowania typu synchrotron sefl-compton pozwala wyjaśnić wiele z własności promieniowania blazarów w zakresie wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 35/36

Bibliografia Wprowadzenie Wnioski końcowe Bibliografia Aharonian, F., Akhperjanian, A. G., Bazer-Bachi, A. R., et al. 2007, ApJ, 664L, 71 Aharonian, F., Akhperjanian, A. G., Bazer-Bachi, A. R., et al. 2006, Nature 440, 1018 Aharonian, F.; Akhperjanian, A. G.; Anton, G., et al. 2009, A&A, 502, 749 Fossati, G., Maraschi, L., Celotti, A., 1998 MNRAS, 299, 433 Fossati, G., Buckley, J., H., Bond, I. H., et al. 2008, ApJ, 677, 906 Katarzyński, K., Ghisellini, G., Tavecchio, F., et al. 2005, A&A, 433, 479 Katarzyński, K., Ghisellini, G., Tavecchio, F., et al. 2006, MNRAS, 368, 52 Katarzyński, K., Lenain, J.-P., Zech, A., et al. 2008, MNRAS, 390, 371 Tavecchio, F., Ghisellini, G., Ghirlanda, G., et al. arxiv:0905.0899v2 Krzysztof Katarzyński CA-UMK Toruń Emisja blazarów... 36/36