Ewolucja aktywnych jąder galaktyk

Bożena CzernyCentrum Astronomiczne im. M. Kopernika

Warszawa

Czemu warto zajmować się aktywnymi galaktykami?

•Aktywne galaktyki to bardzo ciekawy temat dla kogoś, kto lubi ogólną teorię względności• jądra aktywnych galaktyk to masywne czarne dziury otoczone przez wplywającą i wyplywającą plazmę •Poruszająca się materia emituje promieniowanie i w ten sposób można śledzić to, co dzieje się w bezpośrednich okolicach czarnej dziury.

Schemat struktury aktywnego jądra galaktyki

~ Urry & Padovani 1995

Trudne początki – niezamawiane odkrycie

•BL Lac jako ‘gwiazda zmienna’ •Lata 40-te – badania galaktyk z jasnymi jadrami i silnymi liniami emisyjnymi (Seyfert)•Lata 50/60-te – radiogalaktyki i punktowe żródla radiowe • 1963 – kwazary jako obiekty kosmologiczne• 1964 – scenariusz akreujących masywnych czarnych dziur (Zeldovich, Salpeter)

Zawrotna kariera AGNObecnie znane jest cale zoo aktywnych galaktyk: radiogalaktyki, kwazary, galaktyki Seyferta, LINERS itp., różnią się parametrami akrecji i katem widzenia.

Co więcej, w ciągu ostatnich dziesięciu lat odkryto niezwykle ważna rolę, jaką aktywne jądra odgrywają w ewolucji galaktyk, czyli od ciekawostki do istotnego elementu ewolucji struktury materii w kosmologii.

“They are no ornament which just happens to be there...” A. Fabian 2009

1999 – moja nieudana wyprawa do Portsmouth

Odbywala się tam konferencja– 5th Compton symposium „Galaxy dynamics: from the early universe to the present” i pokazalam tam plakat dotyczacy aspektow ewolucji czasowej AGN.

Mój plakat nie zostal jednak przyjety jako że „ it does not fit the general line of the Proceedings”.

1999 – moja nieudana wyprawa do Portsmouth

The main figure from my poster

•Stany stabilne i niestabilne

• Stany niestabilne oznaczają „limit-cycle type oscillations” – okresy zwiększonego i zmniejszonego tempa akrecji (czyli poziomu aktywności)

• Skale czasowe są od tysięcy lat (niestabilność związana z ciśnieniem promienowania) do miliona lat (niestabilność związana z częściową jonizacją).

Klasyczne podejście do ewolucji:

Ewolucja galaktyk:-- Początkowe narastanie niejednorodności-- Powstawanie gwiazd-- Ewolucja gwiazd w galaktyce

Ewolucja aktywnych jąder galaktyk-- Ocena czasu trwania fenomenu kwazara- - Rozważania niestabilności dyskowych (bardzo niepopularne !)

Wspólczesny punkt widzenia:

Okladka materialów z konferencji: The Monster’s Fiery Breath: Feedback in galaxies, groups, and clusters, 1-5 June 2009, Fluno Center, Madison Wisconsin

FEEDBACK/SPRZĘŻENIE ZWROTNE– związek aktywności galaktyk z ewolucją galaktyk i gromad galaktyk

Krytyczne momenty: 1998

Magorrian et al. :

Mbh = 0.0052 Mbulge

Oznacza to istnienie mechanizmu regulującego wspólny wzrost galaktyki i centralnej czarnej dziury. Najczęściej (z powodów obserwacyjnych) przedstawiany teraz jako związek M-sigma.

MBH

Sprzężenie sięga nawet dalej: związek BH-ciemne halo

Bandara et al. 2009 dane, Booth oraz Schaye 2009 symulacje.

Krytyczne momenty : lata 90-te i póżniej

•Centralne masywne czarne dziury są we wszystkich galaktykach • W większości galaktyk aktywność jest slaba (e.g. Sgr A* w Mlecznej Drodze) ale nie ma ścislej granicy pomiędzy galaktykami aktywnymi i nieaktywnymi • Zatem centralne czarne dziury i galaktyki jako calość ewoluują wspólnie

Krytyczne momenty: 1998Boyle i Terlevich (1998) - wykres kosmicznej ewolucji kwazarów i ewolucji tempa formowania się gwiazd (SFR).

Także Richstone et al.98

Zatem aktywność kwazarów i powstawanie gwiazd następuje jednocześnie!

Jak to jest możliwe?e.g. Collin i Zahn 1999:

Gwiazdy powstają w grawitacyjnie niestabilnej zewnętrznej części dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury

Gwiazdy te także akreuja materię

Gwiazdy wybuchają jako supernowe

Rozrzucona i wyplywająca materia wzbogaca otoczenie w pierwiastki ciężkie.

Taki scenariusz wyjaśnia wywoanie powstawania gwiazd, nature szybkich i silnych wyplywów, oraz sloneczną lub większą metaliczność w kwazarach nawet dla dużych z

Nowsza wersja wykresu ewolucji kwazarów i tempa powstawania

gwiazd

Zheng et al. 2009

Jak wygląda to oddzialywanie jadra i galaktyki?

Nie wiadomo. Ale problem można rozwazać od dwóch stron:

- Od strony symulacji powstawania galaktyk (wymogi energetyczne w stosunku do aktywnego jądra)

- Od strony modelowania aktywnego jądra i testowania, co jego obecność może dać, w konfrontacji z obserwacjami

Symulacje kosmologiczne potrzebują aktywnych galaktyk

Ostatnie symulacje wykonane przez grupe McCarthy et al. W oparciu o OverWhelmingly Large Simulations project. Bez efektów AGN (REF) i z efektami energetycznymi AGN.

Czarny histogram: dane z Loubser et al. 2009

W ogólności, AGN feedback jest wymagany:

•W gromadach galaktyk do powstrzymania zbyt efektywnego osiadania gorącego gazu (czyli tzw. cooling flows) • W grupach galaktyk do kontrolowania struktury grupy poprzez wplyw na ilość gazu • W pojedynczych galaktykach do kontrolowania tempa powstawania gwiazd i zapewnienia relacji M-sigma

Czy AGN są w stanie wywiązać się z zadania?

Radiowo glośne AGN – wyplyw w formie dżetu

Radiowo ciche AGN – wyplyw w formie wiatru ; widziany w formie linii absorpcyjnych w UV i X-rays.

Możliwa geometria wiatru wg. Elvisa (2000)Polączony obraz optyczno-

radiowy 3C219, NRAO

Przyklad: energetyka wiatruObserwacje VLT obiektu SDSS J0318-0600 (z=1.9257)

Dunn et al. 2009

Szczególowe modelowanie dalo tempo wyplywu masy 120 Msun/rok, strumień energii kinetycznej na poziomie 0.1 procenta jasności bolometrycznej, a o czynnik 50 więcej przy uwzględnieniu pylu, a 5 procent wystarczy do wyjaśnienia grzania ICM i relacji M-sigma

Mathur et al. (2009), NGC 4051

Równie staranna analiza widma rentgenowskiego galaktyki NGC 4051, bliskiego żródla o duzym stosunku Eddingtona pokazuje, że energia wyplywu jest 4 – 5 rzędów wielkości za mala, aby zapewnić potrzebny feedback. Prędkości wyplywu sąw dodatku za male, poniżej prędkości ucieczki.

Stoll et al. 2009

A może bardziej subtelne efekty są ważne?

Hopkins i Elvis 2009, simulacja obloku ISM w oddzialywaniu z gorącym wiatrem z AGN. Nawet stosunkowo niezbyt intensywny wiatr zaburza oblok i nie dopuszcza do powstawania w nim gwiazd.

Mój udzial w badaniach:Zanim uda się sformulować obrazek globalny, trzeba zrozumieć samoistne zachowanie aktywnej galaktyki i przetestować je w oparciu o obserwacje. Faza aktywna, wywolana przez przyczynę zewnetrzna (wiekszy czy mniejszy merdżer, czy nawet rozerwanie i akrecja obloku molekularnego) jest najprawdopodobniej zjawiskiem zlożonym, o charakterze multiepizodycznym (intermittent).

Obserwacja: obiekty radiowo glośne są zbyt często mlode

Czerny, Siemiginowska, Janiuk, Nikiel-Wroczyński, Stawarz 2009, punkty obserwacyjne z Wu (2009)

Mój udzial :Ten sam trend powinien być widoczny w obiektach radiowo cichych. Myślimy, że znależliśmy na to dowód obserwacyjny:

W zbiorze 100 000 kwazarów z SDSS znaleźlismy jeden z silna lnia LILs a slabą HIL., bez NLR.

To jest najprawdopodobniej wczesny etap reaktywacji kwazara.

Hryniewicz, Czerny, Nikołajuk, Kuraszkiewicz 2009.

Czy taka epizodycznośc jest ważna?

Z pewnością...

... Chociaż nie jest jasne, jak bardzo i w jakim zakresie

Podsumowanie – gdzie jesteśmy?•Aktywność galaktyk jest ważna•Centralna czarna dziura ewoluuje razem z galaktyką w ścislym związku • Niektóre efekty są uchwycone od strony energetycznej

Ale daleko jeszcze jesteśmy od zrozumienia, jakie niestabilności mogą występować w dysku akrecyjnym, jak one mogą wplywać na ewolucje aktywności jądra, i jak ta ewolucja tlumaczy się na faktyczny wplyw na wielofazowy ośrodek galaktyczny i międzygalaktyczny.

Powoli zbliżamy się do tego etapu...

Podstawy zjawiska krążenia wody w przyrodzie zostay po raz pierwszy uchwycone iw XVIII wieku (wkad Edmunda Halley’a !)