Novinky

Na čem pracujeme: IRAS 13224-3809 – aktivní galaktické jádro v průběhu času

Aktivní galaktická jádra patří mezi exotické kosmické objekty, neboť se v jejich středu nachází černá veledíra. Současně jsou tyto objekty ideální laboratoří procesů v akrečních discích a také vhodnými cíli pro studia jevů obecné teorie relativity. A tak pokud je k dispozici unikátní sada pozorování umožňují dozvědět se o těchto objektech téměř všechny podstatné informace, byla by škoda je nevyužít, zejména pokud je v týmu k dispozici programový balík pro tyto účely velmi vhodný. 

Přesně v této pozici byl tým ze Skupiny relativistické fyziky Oddělení galaxií a planetárních systému ASU ve studii, kterou vedla Maria Caballero-García. Tým studoval unikátní pozorování objektu IRAS 13224-3809 pořízená po tři roky přístroji na rentgenové družici XMM-Newton. Jejich článek je dokonce první, který analyzoval časová zpoždění světelných křivek a spektra najednou, což umožnilo stanovit parametry tohoto velmi dynamického systému.

IRAS 13224-3809 patří mezi tzv. aktivní galaktická jádra, tedy černé veledíry obklopené masivním akrečním diskem. Akreční procesy se projevují v celém elektromagnetickém spektru, nejlépe jsou ale pozorovatelné v rentgenových vlnových délkách. Zdrojů detekovaného rentgenového záření je v systému hned několik. Vědci se domnívají, že ten hlavní rentgenový zdroj se nachází na rotační ose černé veledíry, v určité výšce nad rovinou akrečního disku. Tento zdroj se označuje též termínem koróna. Jeho geometrické rozměry jsou zřejmě malé ve srovnání s velikostí disku. Astrofyzikové v tomto případě mluví o tzv. modelu kandelábru (lamp-post model), a to pro zjevnou analogii s pouličním osvětlením. Rentgenový zdroj je poháněn akrecí. Analogie s pouličními lampami jde i dále. Vzdálený pozorovatel zaznamenává nejen vlastní záření rentgenového zdroje, ale také záření odražené a přepracované akrečním diskem. Dopadající záření disk částečně ohřívá a částečně ho odráží do okolního prostoru, přičemž interakce s látkou mění jeho spektrální vlastnosti. Výsledné rentgenové záření je tedy kombinací mnoha komponent. Aby toho nebylo málo, jednotlivé rentgenové paprsky se v okolí silně gravitující černé veledíry pohybují podél trajektorií předepsaných obecnou teorií relativity. Analyzovat tedy výsledné záření není zcela přímočaré.

Naštěstí je ve Skupině relativistické fyziky k dispozici komplexní počítačový program tyto situace modelující a autoři jednotlivých komponent tohoto kódu, kteří byli též spoluautory představovaného článku, mají s touto aplikací velké zkušenosti. Stejně tak Maria Caballero-García není v oboru žádným nováčkem. Ostatně její nedávná práce, kdy studovala spektra hned tří různých aktivních galaktických jader, ukázala, že rezidua mezi pozorováními a jejich modelovými předpověďmi mají vlnkovatý charakter, což naznačuje časový vývoj v modelu kandelábru, nejspíše jeho proměnnou výšku nad rovinou akrečního disku.

Objekt IRAS 13224-3809 je klasifikován jako rádiově tichá rentgenově jasná Seyfertova galaxie typu I, která se nachází ve vzdálenosti asi 310 Mpc. Patří mezi vůbec nejvíce proměnné Seyfertovy galaxie v rentgenové oblasti. Družice XMM-Newton se na tento objekt podívala hned třikrát, v letech 2002, 2011 a 2016. Tato pozorování autoři zpracovali s využitím redukčního řetězce poskytnutého konsorciem přístroje. Výsledkem úsilí byly světelné křivky a typická spektra získaná pro tři charakteristické režimy proměnnosti – v režimu nízké jasnosti, střední jasnosti a vysoké jasnosti, to vše v rentgenovém pásu 1–4 keV. Dále pak bylo odděleno spektrum rentgenového zdroje v pásu 0,3–1 keV a pozaďové spektrum.

Světelné křivky v měkčím a tvrdším pásu jsou vůči sobě časově posunuty. To je důsledkem konečné rychlosti světla, které musí překonat vzdálenost mezi rentgenovým zdrojem (tvrdší pás) a akrečním diskem, na němž se reprocesuje (měkčí pás). Časové zpoždění pak obsahuje informaci o vzdálenosti mezi diskem a zdrojem a potažmo tedy o výšce zdroje nad rovinou disku.
Autoři práce modelovali systém s pomocí komplikovaného programového kódu, který ze známých parametrů systému vypočte očekávané modelové spektrum. Úlohu bylo přirozeně zapotřebí obrátit, tedy z porovnání modelového a skutečného spektra odvodit hodnoty volných parametrů modelu, čímž se tyto volné parametry fitovaly v procesu iterativní minimalizace. Nebylo jich málo. Výsledné spektrum závisí na zastoupení železa (ve spektru disku je dobře patrná dominantní železná čára), hustota v disku, výška rentgenového zdroje nad rovinou disku, primární záření rentgenového zdroje a spektrální sklon. Dalším volným parametrem, který je nutné vzít v úvahu, je rychlost rotace černé veledíry. Jeho započtení je však komplikovanější a tak se autoři omezili jen na studium dvou hraničních hodnot – nerotující a kriticky rotující černou veledíru.

Z výsledků vyplývá, že modely s nerotující černou veledírou nefitují pozorování tak dobře jako modely s maximální rotací. První možnost sice nelze vyloučit, ale statisticky je pravděpodobnost její realizace mnohem menší. V systému IRAS 13224-3809 tedy černá veledíra zřejmě rotuje velmi rychle. Simultánní fity dále ukazují, že odvozená výška rentgenového zdroje nad rovinou disku narůstá s růstem jasnosti. Ve fázích s nízkou jasností je zdroj ve výšce asi 4 gravitačních poloměrů, zatímco v období s vysokou jasností se „vyšplhá“ až na 10 gravitačních poloměrů. Rezidua pro epizody s vysokou jasností obsahují náznak vlnitého charakteru, což může poukazovat na společnou akci hned dvou souosých zdrojů, jeden níže a jeden výše, přičemž ten nižší je výrazně potlačen.

Práce jednoznačně ukazuje, že pečlivou analýzou kvalitních dat se lze dopátrat až překvapivého množství informací o objektu, jehož skutečný obraz nikdy nespatříme. Všechny naše údaje jsou odvozeny ze záření bodového zdroje. I přesto, s pomocí sofistikovaných metod využívajících platné fyzikální zákony, lze i takové objekty dobře poznat.

 Michal Švanda

Citace práce

M. D. Caballero-García a kol., A combined timing/spectral study of IRAS 13224-3809 using XMM-Newton data, Monthly Notices of Royal Astronomical Society 498 (2020) 3184-3192, preprint arXiv:2007.00597.

Kontakt: Dr Maria D. Caballero-Garcia, PhD, garcia@asu.cas.cz