Novinky

Na čem pracujeme: Záření korón aktivních galaktických jader

Aktivní jádra galaxií jsou jedním z vděčných cílů pro testy obecné teorie relativity. Prostředí v blízkosti hmotného kompaktního objektu se k záření chová jinak, než jsme zvyklí ze své každodenní zkušenosti. Ne všechny otázky ohledně aktivních galaktických jader jsou zodpovězeny a některé nelze než považovat za zcela zásadní. Tým z Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU vyvinul zcela nový počítačový program umožňující studovat záření přicházející od aktivního galaktického jádra a tak dovozovat vlastnosti některých zde přítomných struktur.

V centru každého aktivního galaktického jádra se nachází černá veledíra. Ta je obklopena akrečním diskem látky, která je černou dírou postupně pohlcována. Proces akrece je zdrojem širokého spektra elektromagnetického záření, a to převážně v optické a ultrafialové oblasti spektra. Aktivní oblast je doplněna oblastí velice horké a částečně transparentní látky, která se označuje jako koróna. Do této oblasti přicházejí fotony záření uniklé z akrečního disku a s látkou zde velmi silně interagují. Dochází zde k tzv. Comptonovskému rozptylu, při němž se mění nejen energie přicházejícího záření, ale také směr, do něhož je výsledné záření rozptýleno. Fotony pocházející z akrečního disku zde po srážce s elektrony přebírají velkou část jejich energie a posouvají se z optického oboru až do rentgenové oblasti spektra. Ve výstupním spektru se tak kromě složky záření černého tělesa, která pochází od akrečního disku, objevuje ještě složka s mocninným spektrem sahající do energií okolo 20 až 300 keV, kde nastává zlom.

Geometrie koróny je jednou z velkých neznámých v problematice aktivních galaktických jader. V současnosti jsou k dispozici zjednodušené modely, s jejichž pomocí lze provádět například odhady teploty látky v koróně. Ta přibližně odpovídá poloze zlomu ve výstupním spektru měřeném vzdáleným pozorovatelem, zatímco směrnice mocninného spektra je funkcí teploty a také optické tloušťky, která zase závisí na hustotě a rozlehlosti rozptylující oblasti. Častým modelem je model tzv. kandelábru, kdy se předpokládá, že koróna se nachází v ose rotace v určité vzdálenosti od centrální černé díry. Již z náhledu je zřejmé, že takový model nemůže postihnout všechny myslitelné konfigurace systému. Model tzv. rozlehlé koróny, tedy oblaku vyskytujícího se v různých místech v okolí centra aktivní galaxie, je přirozeně mnohem komplikovanější, ale pravděpodobně realističtější. Záření procházející takovou korónou je ovlivněno velmi silně a již není možné využít analytické odhady k popisu tohoto procesu.

Skupina tří pracovníků Oddělení galaxií a planetárních systémů studovala problém změn záření v koróně aktivního galaktického jádra s pomocí numerického modelování. Vytvořili zcela nový počítačový program MONK, který umožňuje sledovat cestu jednotlivých fotonů  od jejich vzniku až po zachycení vzdáleným pozorovatelem. Při cestě fotonů jsou brány v úvahu všechny efekty obecné teorie relativity a statisticky je postižen i Comptonův rozptyl na volných elektronech v koróně. Kód je přísně numerický, proto umožňuje najít řešení pro libovolný tvar a libovolné vlastnosti koróny. Porovnáním výstupního toku záření s tím opravdu pozorovaným pak umožňuje stanovit omezení na tvar a velikost koróny a tím i omezit možné mechanismy stojící za jejím formováním. V literatuře lze vysledovat několik hypotéz, z nichž každá by měla vést k jinému výslednému tvaru.

Běh programu tedy začíná vygenerováním záření s vlastnostmi, které jsou očekávány při akreci látky na černou veledíru, tedy tepelné spektrum modifikované efekty obecné teorie relativity. Tyto fotony jsou pak jako „paprsky“ sledovány po celou dobu průchodu systémem struktur aktivního galaktického jádra. Dojde-li k interakci fotonu s látkou, je toto vyhodnoceno a v závislosti na výsledku interakce (která může ovlivnit jak energii fotonu, tak další směr jeho šíření) je sledovaný foton modifikován. Sledování je ukončeno v okamžiku, kdy je jasné, že foton opustil oblast aktivního jádra a míří od systému pryč. Ve výsledku jsou vyhodnocovány jen ty fotony, které směřují do předpokládané pozice vzdáleného pozorovatele. Volbou směru je tak možné studovat vliv vzájemné geometrické pozice pozorovatele a aktivního galaktického jádra na spektrum měřené detektorem.

MONK není prvním kódem řešícím tuto úlohu, je však prvním kódem, který řeší danou problematiku uceleným způsobem. Autoři proto výsledky výpočtů porovnali s půltuctem jiných dostupných kódů, které řeší dílčí úlohy. To bylo možné díky vysoké modularitě programu MONK, kdy se „vypínáním“ jednotlivých modulů běh programu přizpůsobil možnostem svého „předobrazu“. Tato porovnání dopadla nadmíru dobře, což svědčí pro správnost výpočtů.

Autoři poté studovali několik možných vybraných konfigurací koróny a vyhodnocovali modelové spektrum. Ukazují například, že zahrnuté efekty mohou i v případě přísně symetrických systémů vést k nesymetrii výstupního záření v závislosti na úhlu pohledu. Autoři ukazují, že použitím některých předchozích programů jiných autorů lze snadno přecenit předpokládaný rozměr koróny právě proto, že starší metody předpokládaly symetrii výstupního záření.

Univerzální kód MONK je tedy připraven k dalšímu použití. Autoři očekávají, že se s jeho pomocí podaří odhalit některé záhady geometrie aktivních galaktických jader a přispět tak k popisu fyzikálních procesů, které v okolí těchto zajímavých objektů probíhají.

Michal Švanda

Citace práce

W. Zhang, M. Dovčiak, M. Bursa, Constraining the Size of the Corona with Fully Relativistic Calculations of Spectra of Extended Coronae. I. The Monte Carlo Radiative Transfer Code, ApJ 875 (2019) article id. 148, preprint: arXiv:1903.09241

Kontakty:
RNDr. Michal Dovčiak, Ph. D., michal.dovciak@asu.cas.cz
Mgr. Michal Bursa, Ph. D., michal.bursa@asu.cas.cz