Radiogalaxie - Radio galaxy
Radiogalaxien und ihre Verwandten, radiolaute Quasare und Blazare , sind Arten von aktiven Galaxienkernen , die bei Radiowellenlängen sehr leuchtend sind , mit Leuchtstärken von bis zu 10 39 W zwischen 10 MHz und 100 GHz. Die Radioemission ist auf den Synchrotronprozess zurückzuführen . Die beobachtete Struktur in Radioemission wird durch die Wechselwirkung zwischen Twin bestimmt Düsen und dem äußeren Medium, modifiziert durch die Wirkungen der relativistischen beaming . Die Wirtsgalaxien sind fast ausschließlich große elliptische Galaxien . Radiolaute aktive Galaxien können in großen Entfernungen nachgewiesen werden, was sie zu wertvollen Werkzeugen für die beobachtende Kosmologie macht . In letzter Zeit wurde viel über die Auswirkungen dieser Objekte auf das intergalaktische Medium , insbesondere in Galaxiengruppen und -haufen, untersucht .
Emissionsprozesse
Die Radioemission von radiolauten aktiven Galaxien ist Synchrotronemission , wie aus ihrer sehr glatten, breitbandigen Natur und starken Polarisation abgeleitet wird . Dies impliziert, dass das radioemittierende Plasma zumindest Elektronen mit relativistischen Geschwindigkeiten ( Lorentz-Faktoren von ~10 4 ) und Magnetfeldern enthält . Da das Plasma neutral sein muss, muss es auch entweder Protonen oder Positronen enthalten . Es gibt keine Möglichkeit, den Partikelgehalt direkt aus Beobachtungen von Synchrotronstrahlung zu bestimmen. Darüber hinaus gibt es keine Möglichkeit, die Energiedichten in Teilchen und Magnetfeldern aus der Beobachtung zu bestimmen: Der gleiche Synchrotron-Emissionsgrad kann das Ergebnis einiger weniger Elektronen und eines starken Felds oder eines schwachen Felds und vieler Elektronen oder etwas dazwischen sein. Es ist möglich, eine minimale Energiebedingung zu bestimmen, die die minimale Energiedichte ist, die eine Region mit einem gegebenen Emissionsgrad aufweisen kann, aber viele Jahre lang gab es keinen besonderen Grund zu der Annahme, dass die wahren Energien auch nur in der Nähe der minimalen Energien lagen.
Ein Schwesterprozess zur Synchrotronstrahlung ist der Inverse-Compton- Prozess, bei dem die relativistischen Elektronen mit Umgebungsphotonen wechselwirken und diese von Thomson auf hohe Energien streuen . Als besonders wichtig erweist sich die Inverse-Compton-Emission von radiolauten Quellen bei Röntgenstrahlen, und da sie nur von der Elektronendichte abhängt, erlaubt eine Detektion der inversen Compton-Streuung eine etwas modellabhängige Abschätzung der Energiedichten in den Partikeln und Magnetfeldern. Dies wurde verwendet, um zu argumentieren, dass viele leistungsstarke Quellen tatsächlich ziemlich nahe an der minimalen Energiebedingung sind.
Synchrotronstrahlung ist nicht auf Radiowellenlängen beschränkt: Wenn die Radioquelle Teilchen auf ausreichend hohe Energien beschleunigen kann, können Merkmale, die in den Radiowellenlängen erfasst werden, auch im Infraroten , optischen , Ultravioletten oder sogar Röntgen gesehen werden . Im letzteren Fall müssen die verantwortlichen Elektronen bei typischen magnetischen Feldstärken Energien von mehr als 1 TeV aufweisen . Auch hier werden Polarisation und Kontinuumsspektrum verwendet, um die Synchrotronstrahlung von anderen Emissionsprozessen zu unterscheiden. Jets und Hotspots sind die üblichen Quellen für hochfrequente Synchrotronstrahlung. Es ist schwierig, beobachtungstechnisch zwischen Synchrotron- und Invers-Compton-Strahlung zu unterscheiden, was sie zu einem Gegenstand laufender Forschung macht.
Prozesse, die zusammen als Teilchenbeschleunigung bekannt sind, erzeugen Populationen von relativistischen und nicht-thermischen Teilchen, die Synchrotron- und Inverse-Compton-Strahlung erzeugen. Die Fermi-Beschleunigung ist ein plausibler Teilchenbeschleunigungsprozess in radiolauten aktiven Galaxien.
Funkstrukturen
Radiogalaxien und in geringerem Maße radiolaute Quasare zeigen in Radiokarten eine Vielzahl von Strukturen. Die gebräuchlichsten großräumigen Strukturen werden als Lappen bezeichnet : Dies sind doppelte, oft ziemlich symmetrische, grob ellipsoide Strukturen, die auf beiden Seiten des aktiven Kerns angeordnet sind. Eine signifikante Minderheit von Quellen mit geringer Leuchtkraft weist Strukturen auf, die normalerweise als Plumes bekannt sind, die viel länger sind. Einige Radiogalaxien zeigen ein oder zwei lange schmale Strukturen, die als Jets bekannt sind (das bekannteste Beispiel ist die Riesengalaxie M87 im Virgo-Cluster ), die direkt vom Kern ausgehen und zu den Lappen gehen. Seit den 1970er Jahren ist das am weitesten verbreitete Modell, dass die Keulen oder Plumes von Strahlen hochenergetischer Teilchen und Magnetfeldern angetrieben werden, die aus der Nähe des aktiven Kerns kommen. Es wird angenommen, dass die Jets die sichtbaren Manifestationen der Strahlen sind, und oft wird der Begriff Jet verwendet, um sich sowohl auf das beobachtbare Merkmal als auch auf die darunterliegende Strömung zu beziehen.
Im Jahr 1974 wurden Radioquellen von Fanaroff und Riley in zwei Klassen unterteilt, die heute als Fanaroff und Riley Class I (FRI) und Class II (FRII) bekannt sind . Die Unterscheidung erfolgte ursprünglich aufgrund der Morphologie der großräumigen Radioemission (der Typ wurde durch den Abstand zwischen den hellsten Punkten der Radioemission bestimmt): FRI-Quellen waren zur Mitte am hellsten, während FRII-Quellen an den Rändern am hellsten waren . Fanaroff und Riley stellten fest, dass die Leuchtkraft zwischen den beiden Klassen relativ scharf voneinander getrennt ist: FRIs waren schwach leuchtend, FRIIs waren stark leuchtend. Bei genaueren Radiobeobachtungen stellt sich heraus, dass die Morphologie die Methode des Energietransports in der Radioquelle widerspiegelt. FRI-Objekte haben normalerweise helle Jets in der Mitte, während FRIIs schwache Jets, aber helle Hotspots an den Enden der Keulen haben. FRIIs scheinen in der Lage zu sein, Energie effizient zu den Enden der Keulen zu transportieren, während FRI-Strahlen insofern ineffizient sind, als sie auf ihrem Weg einen erheblichen Teil ihrer Energie abstrahlen.
Genauer gesagt hängt die FRI/FRII-Unterteilung von der Umgebung der Wirtsgalaxie in dem Sinne ab, dass der FRI/FRII-Übergang in massereicheren Galaxien bei höheren Helligkeiten auftritt. Von FRI-Jets ist bekannt, dass sie sich in den Regionen verlangsamen, in denen ihre Radioemission am hellsten ist, und so scheint es, dass der FRI/FRII-Übergang widerspiegelt, ob sich ein Jet/Strahl durch die Wirtsgalaxie ausbreiten kann, ohne durch Interaktion auf subrelativistische Geschwindigkeiten abgebremst zu werden mit dem intergalaktischen Medium. Aus der Analyse relativistischer Strahleffekte ist bekannt, dass die Strahlen von FRII-Quellen relativistisch bleiben (mit Geschwindigkeiten von mindestens 0,5 c) bis zu den Enden der Keulen. Die Hotspots, die normalerweise in FRII-Quellen zu sehen sind, werden als sichtbare Manifestationen von Schocks interpretiert, die sich bilden, wenn der schnelle und daher Überschallstrahl (die Schallgeschwindigkeit darf c/√3 nicht überschreiten) abrupt am Ende der Quelle endet, und ihre spektralen Energieverteilungen stimmen mit diesem Bild überein. Oft sind mehrere Hotspots zu sehen, die entweder den fortgesetzten Abfluss nach dem Schock oder die Bewegung des Jet-Endpunkts widerspiegeln: Die gesamte Hotspot-Region wird manchmal als Hotspot-Komplex bezeichnet.
Namen werden einigen bestimmten Arten von Radioquellen basierend auf ihrer Radiostruktur gegeben:
- Klassisches Doppel bezieht sich auf eine FRII-Quelle mit klaren Hotspots.
- Weitwinkelschweif bezieht sich normalerweise auf eine Quelle zwischen der Standard-FRI- und FRII-Struktur mit effizienten Jets und manchmal Hotspots, aber eher mit Plumes als Lappen, die in oder in der Nähe der Clusterzentren gefunden werden .
- Engwinkel-Schwanz- oder Kopf-Schwanz-Quelle beschreibt einen FRI, der durch den Staudruck gebogen zu werden scheint, während er sich durch einen Cluster bewegt.
- Fat Doubles sind Quellen mit diffusen Lappen, aber weder Jets noch Hotspots. Einige dieser Quellen können Relikte sein, deren Energieversorgung dauerhaft oder vorübergehend abgeschaltet wurde.
Lebenszyklen und Dynamik
Die größten Radiogalaxien haben Keulen oder Plumes, die sich auf Megaparsec- Skalen erstrecken (mehr im Fall von riesigen Radiogalaxien wie 3C236 ), was eine Wachstumszeitskala in der Größenordnung von zehn bis Hunderten von Millionen Jahren impliziert. Dies bedeutet, dass wir außer bei sehr kleinen, sehr jungen Quellen die Dynamik von Radioquellen nicht direkt beobachten können und daher auf Theorien und Rückschlüsse aus einer großen Anzahl von Objekten zurückgreifen müssen. Natürlich müssen Radioquellen klein anfangen und größer werden. Bei Quellen mit Keulen ist die Dynamik recht einfach: Die Strahlen speisen die Keulen, der Druck der Keulen nimmt zu und die Keulen dehnen sich aus. Wie schnell sie sich ausdehnen, hängt von der Dichte und dem Druck des äußeren Mediums ab. Die Höchstdruckphase des externen Mediums und damit die dynamisch wichtigste Phase ist das röntgenemittierende diffuse Heißgas. Lange Zeit ging man davon aus, dass sich starke Quellen überschall ausdehnen und einen Schock durch das äußere Medium drücken würden . Röntgenbeobachtungen zeigen jedoch, dass die Innenkeulendrücke leistungsstarker FRII-Quellen oft nahe an den äußeren thermischen Drücken liegen und nicht viel höher sind als die äußeren Drücke, die für die Überschallexpansion erforderlich wären. Das einzige bekannte System mit eindeutiger Überschallausdehnung sind die inneren Keulen der energiearmen Radiogalaxie Centaurus A, die wahrscheinlich das Ergebnis eines vergleichsweise jungen Ausbruchs des aktiven Kerns sind.
Hostgalaxien und Umgebungen
Diese Funkquellen gefunden werden fast überall gehostet von elliptischen Galaxien , obwohl es eine gut dokumentierte Ausnahme, nämlich NGC 4151 . Einige Seyfert-Galaxien zeigen schwache, kleine Radiojets, aber sie sind nicht hell genug, um als radiolaut eingestuft zu werden. Informationen, die es über die Wirtsgalaxien von radiolauten Quasaren und Blazaren gibt , legen nahe, dass sie auch von elliptischen Galaxien beherbergt werden.
Es gibt mehrere mögliche Gründe für diese sehr starke Präferenz für Ellipsentrainer. Einer ist, dass Ellipsen im Allgemeinen die massereichsten Schwarzen Löcher enthalten und daher in der Lage sind, die hellsten aktiven Galaxien mit Energie zu versorgen (siehe Eddington-Leuchtkraft ). Ein anderer ist, dass Ellipsentrainer im Allgemeinen reichere Umgebungen bewohnen und ein großräumiges intergalaktisches Medium bereitstellen , um die Radioquelle einzuschließen. Es kann auch sein, dass die größeren Mengen an kaltem Gas in Spiralgalaxien einen sich bildenden Jet in irgendeiner Weise stören oder ersticken. Bis heute gibt es keine zwingende einzige Erklärung für die Beobachtungen.
Einheitliche Modelle
Die verschiedenen Typen radiolauter aktiver Galaxien werden durch einheitliche Modelle verbunden. Die wichtigste Beobachtung, die zur Annahme vereinheitlichter Modelle für leistungsstarke Radiogalaxien und radiolaute Quasare führte, war, dass alle Quasare auf uns ausgestrahlt zu werden scheinen und superluminale Bewegungen in den Kernen und helle Jets auf der uns am nächsten liegenden Seite der Quelle zeigen ( der Laing-Garrington-Effekt :). Wenn dies der Fall ist, muss es eine Population von Objekten geben, die nicht auf uns gerichtet sind, und da wir wissen, dass die Keulen durch die Strahlung nicht beeinflusst werden, würden sie als Radiogalaxien erscheinen, vorausgesetzt, der Quasarkern ist verdeckt, wenn die Quelle gesehen wird seitlich auf. Es wird heute akzeptiert, dass zumindest einige starke Radiogalaxien „versteckte“ Quasare haben, obwohl nicht klar ist, ob alle diese Radiogalaxien Quasare wären, wenn sie aus dem richtigen Winkel betrachtet würden. In ähnlicher Weise sind Radiogalaxien mit geringer Leistung eine plausible Elternpopulation für BL Lac-Objekte .
Verwendung von Radiogalaxien
Entfernte Quellen
Radiogalaxien und radiolaute Quasare wurden insbesondere in den 80er und 90er Jahren häufig verwendet, um weit entfernte Galaxien zu finden: Durch die Auswahl anhand des Radiospektrums und die anschließende Beobachtung der Wirtsgalaxie war es möglich, Objekte mit hoher Rotverschiebung zu geringen Kosten im Teleskop zu finden Zeit. Das Problem bei dieser Methode besteht darin, dass Heerscharen aktiver Galaxien möglicherweise nicht typisch für Galaxien bei ihrer Rotverschiebung sind. In ähnlicher Weise wurden in der Vergangenheit Radiogalaxien verwendet, um entfernte Röntgenstrahlen emittierende Haufen zu finden, aber jetzt werden unverzerrte Selektionsmethoden bevorzugt. Die am weitesten entfernte derzeit bekannte Radiogalaxie ist TGSS J1530+1049 mit einer Rotverschiebung von 5,72.
Standardlineale
Es wurden einige Arbeiten durchgeführt, in denen versucht wurde, Radiogalaxien als Standardlineale zu verwenden, um kosmologische Parameter zu bestimmen . Diese Methode ist mit Schwierigkeiten verbunden, da die Größe einer Radiogalaxie sowohl von ihrem Alter als auch von ihrer Umgebung abhängt. Wenn ein Modell der Radioquelle verwendet wird, können jedoch Methoden, die auf Radiogalaxien basieren, eine gute Übereinstimmung mit anderen kosmologischen Beobachtungen ergeben.
Auswirkungen auf die Umwelt
Unabhängig davon, ob sich eine Radioquelle überschall ausdehnt oder nicht, muss sie beim Ausdehnen gegen das äußere Medium arbeiten, und so setzt sie Energie in das Erhitzen und Anheben des äußeren Plasmas ein. Die minimale Energie, die in den Keulen einer starken Radioquelle gespeichert wird, könnte 10 53 J betragen . Die untere Grenze der von einer solchen Quelle auf dem externen Medium geleisteten Arbeit ist um ein Vielfaches höher. Ein Großteil des aktuellen Interesses an Radioquellen konzentriert sich auf die Wirkung, die sie heute in den Zentren von Clustern haben müssen. Ebenso interessant ist ihre wahrscheinliche Wirkung auf die Strukturbildung über die kosmologische Zeit: Es wird angenommen, dass sie einen Rückkopplungsmechanismus bieten, um die Bildung der massereichsten Objekte zu verlangsamen.
Terminologie
Die weit verbreitete Terminologie ist jetzt umständlich, da allgemein anerkannt wird, dass Quasare und Radiogalaxien dieselben Objekte sind (siehe oben ). Das Akronym DRAGN (für 'Double Radiosource Associated with Galactic Nucleus') wurde geprägt, aber noch nicht auf den Markt gebracht. Extragalaktische Radioquellen sind weit verbreitet, können aber zu Verwirrung führen, da viele andere extragalaktische Objekte in Radiodurchmusterungen entdeckt werden, insbesondere Starburst-Galaxien . Radiolaute aktive Galaxien sind eindeutig und werden daher in diesem Artikel oft verwendet.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Atlas of DRAGNs Eine Sammlung von Radiobildern des 3CRR-Katalogs radiolauter aktiver Galaxien.
- Radio- und optische Bilder von Radiogalaxien und Quasaren
- Der Online-3CRR-Katalog der Radioquellen