Активные галактические ядра

Активные галактические ядра (АГЯ) представляют собой компактные и чрезвычайно яркие центральные области некоторых галактик, источающие излучение в широком диапазоне длин волн — от радиодиапазона до рентгеновского и гамма-излучения. Мощность излучения АГЯ может превышать суммарную светимость всей галактики в сотни и тысячи раз, несмотря на компактные размеры порядка нескольких световых лет.

Ключевым фактором, определяющим активность ядра, является наличие сверхмассивной черной дыры (СМЧД) с массой от 10⁶ до 10¹⁰ масс Солнца, окружённой аккреционным диском. Именно аккреция вещества на черную дыру является основной энергетической движущей силой АГЯ.

Структура активного галактического ядра

1. Сверхмассивная черная дыра и аккреционный диск

СМЧД формирует гравитационный потенциал, который захватывает газ, пыль и звезды.
Аккреционный диск — это тонкая структура вращающегося вещества, нагреваемого за счет внутреннего трения и магнитных турбуленций. Температура диска может достигать 10⁵–10⁶ K в ближней зоне, что приводит к интенсивному рентгеновскому и ультрафиолетовому излучению.
Эффективность преобразования массы в излучение в аккреционном диске может достигать 10%, что значительно выше эффективности термоядерного синтеза в звездах (~0,7%).

2. Область широких и узких линий

Область широких линий (БЛР) располагается на расстоянии от 0,01 до 1 светового года от СМЧД. Газ здесь движется со скоростями до 10³–10⁴ км/с, что приводит к широким спектральным линиям.
Область узких линий (УЛР) находится на расстояниях до сотен световых лет и характеризуется более медленным движением газа (несколько сотен км/с), что формирует узкие эмиссионные линии.

3. Пылевая тороидальная структура

Пылевой тороид окружает аккреционный диск и БЛР, поглощая и переизлучая ультрафиолетовое излучение в инфракрасный диапазон.
Наличие тороида объясняет различия между типами АГЯ (например, Seyfert 1 и Seyfert 2) в модели унификации.

4. Релятивистские джеты

Некоторые АГЯ демонстрируют мощные струи материи, вылетающие перпендикулярно плоскости аккреционного диска со скоростями, близкими к световой.
Джеты могут распространяться на сотни килопарсек и взаимодействовать с межгалактической средой, формируя радиолюминесцентные структуры.
Механизм образования джетов связан с магнитными полями аккреционного диска и эффектами вращения черной дыры (эффект Бланко–Занелли–Пенроуза и модель Бландфорда–Знаека).

Энергетические механизмы

1. Аккреционная энергия Главный источник энергии АГЯ — гравитационная энергия падающего вещества. Потенциальная энергия вещества, падающего на СМЧД, преобразуется в тепловую и затем в электромагнитное излучение.

2. Ядерные реакции и звёздная активность Хотя основное излучение генерируется аккрецией, отдельные компоненты могут включать вспышки звездообразования вблизи ядра, что дополнительно влияет на спектр и инфракрасное излучение.

3. Механизмы джетов Энергия джетов в релятивистской теории может достигать 10²⁰–10²⁴ Вт, частично за счет вращения черной дыры (эффект Эрго-зоны) и сильных магнитных полей.

Классификация АГЯ

1. Seyfert-галактики

Ядра сравнительно низкой мощности.
Seyfert 1: наблюдаются широкие и узкие линии.
Seyfert 2: наблюдаются только узкие линии, поскольку широкие линии скрыты пылевым тороидом.

2. Квазары

Очень мощные АГЯ, видимые на больших космологических расстояниях.
Часто доминируют в видимом и радиодиапазонах.
Спектр содержит сильные эмиссионные линии высоких ионов.

3. Блазар

АГЯ, джет которого направлен почти вдоль линии наблюдения.
Характеризуется резкой переменчивостью и высоким поляризованным излучением.

4. Радиогалактики

Мощные радиоджеты и радиополосы.
Могут проявлять двухсторонние джеты с яркими хот-спотами и лобами на расстояниях сотен килопарсек.

Наблюдательные характеристики

1. Переменность излучения

Изменения интенсивности во временных масштабах от часов до лет позволяют оценить размеры аккреционного диска и зоны широких линий.

2. Спектроскопия

Анализ спектральных линий позволяет определять скорость движения газа, химический состав и физические условия вблизи СМЧД.

3. Поляризация и радиоинтерферометрия

Поляризация излучения указывает на наличие упорядоченных магнитных полей в джетах и диске.
Методы VLBI позволяют изучать структуру релятивистских джетов с высокой угловой разрешающей способностью.

Релятивистские эффекты

1. Доплеровское усиление и сокращение времени

В релятивистских джетах интенсивность излучения вдоль линии наблюдения увеличивается из-за эффекта Доплера.
Переменность сигналов ускоряется в системе наблюдателя (сокращение времени), что особенно важно для блазаров.

2. Гравитационное красное смещение

Излучение с внутренней части аккреционного диска испытывает значительное гравитационное смещение к красному, что влияет на профиль эмиссионных линий.

3. Линзы и микролинзы

На больших расстояниях излучение АГЯ может подвергаться гравитационному линзированию, усиливая наблюдаемые светимость и вызывая дублирование изображений.

Влияние АГЯ на галактику и межгалактическую среду

1. Обратная связь (feedback)

Энергетические потоки от АГЯ способны подавлять или стимулировать звездообразование в галактике.
Джеты и галактические ветры переносят массу и энергию на десятки килопарсек, влияя на распределение газа и металличность межгалактической среды.

2. Химическое обогащение

Материал, выбрасываемый АГЯ, обогащает окрестности тяжелыми элементами, способствуя последующему формированию звезд второго поколения.

3. Космологические последствия

Высокая светимость квазаров позволяет использовать их для изучения структуры ранней Вселенной.
АГЯ служат маяками для измерения расстояний и изучения процессов эволюции галактик на больших красных смещениях.