Введение

Тип активной галактики, излучающей очень ярко в радиодиапазоне.

Радиогалактика – это галактика с гигантскими областями радиоизлучения, простирающимися далеко за пределы её видимой структуры. Эти энергетические радиолепестки питаются струями из активного галактического ядра. Их светимость достигает 1039 Вт на радиоволнах в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц. Радиоизлучение возникает в результате синхротронного механизма. Наблюдаемая структура радиоизлучения определяется взаимодействием двойных струй с внешней средой, модифицированным эффектами релятивистского усиления. Галактики-хозяева почти исключительно являются крупными эллиптическими галактиками. Радиогромкие активные галактики могут быть обнаружены на больших расстояниях, что делает их ценными инструментами для наблюдательной космологии. В последнее время активно изучается влияние этих объектов на межгалактическую среду, особенно в группах и скоплениях галактик. Алкионеус – радиогалактика с низким уровнем возбуждения, у которой обнаружены самые большие известные радиолепестки, простирающиеся на 5 мегапарсек (16 × 106 световых лет). Для сравнения, другая гигантская радиогалактика аналогичного размера – 3C 236, с лепестками диаметром 15 миллионов световых лет. Гигантская радиогалактика – это особый класс объектов, характеризующийся наличием радиолепестков, генерируемых релятивистскими струями, питаемыми сверхмассивной чёрной дырой в центре галактики. Гигантские радиогалактики отличаются от обычных радиогалактик тем, что могут простираться на гораздо большие масштабы, достигая нескольких мегапарсек в поперечнике, что значительно превышает диаметры их галактик-хозяев.

Процессы выбросов

Радиоизлучение от радиосильных активных галактик является синхротронным излучением, что следует из его очень гладкого, широкополосного характера и сильной поляризации. Это подразумевает, что радиоизлучающая плазма содержит, по крайней мере, электроны с релятивистскими скоростями (факторы Лоренца ~10⁴) и магнитные поля. Поскольку плазма должна быть нейтральной, она также должна содержать либо протоны, либо позитроны. Невозможно определить состав частиц непосредственно из наблюдений синхротронного излучения. Более того, невозможно определить плотности энергии в частицах и магнитных полях по наблюдениям: одна и та же синхротронная эмиссивность может быть результатом небольшого числа электронов и сильного поля, или слабого поля и большого числа электронов, или чего-то промежуточного. Можно определить минимальное энергетическое состояние, которое представляет собой минимальную плотность энергии, которую может иметь область с заданной эмиссивностью, но долгое время не было оснований полагать, что истинные энергии близки к минимальным. Процесс, родственный синхротронному излучению, – обратный комптоновский эффект, в котором релятивистские электроны взаимодействуют с окружающими фотонами и рассеивают их по закону Томсона до высоких энергий. Обратное комптоновское излучение от радиосильных источников оказывается особенно важным в рентгеновском диапазоне, и поскольку оно зависит только от плотности электронов, обнаружение обратного комптоновского рассеяния позволяет получить несколько модель-зависимую оценку плотности энергии в частицах и магнитных полях. Это использовалось для аргументации того, что многие мощные источники на самом деле находятся довольно близко к минимальному энергетическому состоянию. Синхротронное излучение не ограничено радиодиапазоном: если радиоисточник может ускорять частицы до достаточно высоких энергий, особенности, обнаруженные в радиодиапазоне, могут быть также видны в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом или даже рентгеновском излучении. В последнем случае энергии ответственных электронов должны превышать 1 ТэВ при типичных напряжённостях магнитного поля. Снова, поляризация и непрерывный спектр используются для различения синхротронного излучения от других процессов излучения. Джеты и горячие точки являются обычными источниками высокочастотного синхротронного излучения. Различать синхротронное и обратное комптоновское излучение наблюдательно сложно, что делает их предметом продолжающихся исследований. Процессы, известные как ускорение частиц, создают популяции релятивистских и нетепловых частиц, которые приводят к синхротронному и обратному комптоновскому излучению. Ускорение Ферми – один из возможных процессов ускорения частиц в радиосильных активных галактиках.

Жизненные циклы и динамика

Самые большие радиогалактики имеют доли или шлейфы, простирающиеся до масштабов мегапарсеков (и даже больше, как в случае гигантских радиогалактик, таких как 3C236), что указывает на временной масштаб роста в десятки или сотни миллионов лет. Это означает, что, за исключением очень маленьких и молодых источников, мы не можем наблюдать динамику радиоисточников напрямую и должны полагаться на теорию и выводы, основанные на большом количестве объектов. Очевидно, радиоисточники должны начинать с малого и увеличиваться в размерах. В случае источников с долями динамика относительно проста: единственная известная однозначно сверхзвуковая расширяющаяся система – это внутренние доли низкоэнергетической радиогалактики Центавр А, которые, вероятно, являются результатом сравнительно недавнего выброса активного ядра.

Галактики-хозяева и окружающая среда

Эти радиоисточники почти повсеместно встречаются в эллиптических галактиках, хотя есть одно хорошо задокументированное исключение – галактика NGC 4151. Некоторые галактики Сейферта демонстрируют слабые, небольшие радиоструи, но их светимость недостаточна для классификации как радиогромких. Имеющиеся данные о галактиках-хозяевах радиогромких квазаров и блазаров указывают на то, что они также располагаются в эллиптических галактиках. Существует несколько возможных объяснений этой выраженной склонности к эллиптическим галактикам. Одно из них заключается в том, что эллиптические галактики обычно содержат самые массивные черные дыры, и, следовательно, способны питать самые мощные активные галактики (см. светимость Эддингтона). Другая причина в том, что эллиптические галактики, как правило, находятся в более плотных окружениях, обеспечивая крупномасштабную межгалактическую среду для удержания радиоизлучения. Также возможно, что большее количество холодного газа в спиральных галактиках каким-то образом нарушает или подавляет формирование струи. На сегодняшний день не существует убедительного единого объяснения этих наблюдений.

Единые модели

Различные типы радиогромких активных галактик объединены едиными моделями. Ключевым наблюдением, приведшим к принятию единых моделей для мощных радиогалактик и радиогромких квазаров, стало то, что все квазары, по-видимому, ориентированы потоком излучения в нашу сторону, демонстрируя сверхсветовое движение в ядрах и яркие джеты со стороны источника, ближайшей к нам (эффект Лэйнга-Гаррингтона). Если это так, то должна существовать популяция объектов, не направленных потоком излучения к нам, и, поскольку мы знаем, что радиолепестки не подвержены эффектам, связанным с направлением потока, они должны выглядеть как радиогалактики, при условии, что ядро квазара скрыто, когда источник наблюдается сбоку. В настоящее время общепринято, что по крайней мере некоторые мощные радиогалактики содержат "скрытые" квазары, хотя неясно, стали бы все такие радиогалактики квазарами, если бы на них смотрели под правильным углом. Аналогичным образом, радиогалактики низкой мощности являются вероятной родительской популяцией для объектов BL Lac.

Далекие источники

Радиогалактики и радиогромкие квазары широко использовались, особенно в 80-х и 90-х годах, для обнаружения далеких галактик: отбирая объекты по радиоспектру и затем наблюдая галактику-хозяина, можно было находить объекты с высоким красным смещением с умеренными затратами телесного времени. Проблема этого метода заключается в том, что галактики-хозяева активных галактик могут не быть типичными для галактик на соответствующем красном смещении. Ранее радиогалактики также использовались для поиска далеких скоплений, излучающих в рентгеновском диапазоне, но в настоящее время предпочтение отдается непредвзятым методам отбора. Самая далекая известная на сегодняшний день радиогалактика – TGSS J1530+1049, с красным смещением 5,72.

Стандартные линейки

Некоторые исследования были предприняты с целью использования радиогалактик как стандартных свечей для определения космологических параметров. Этот метод полон сложностей, поскольку размер радиогалактики зависит как от её возраста, так и от окружающей среды. Однако, при использовании модели радиоисточника, методы, основанные на радиогалактиках, могут хорошо согласовываться с другими космологическими наблюдениями.

Влияние на окружающую среду

Радиоисточник, расширяется он со сверхзвуковой скоростью или нет, должен совершать работу против внешней среды при расширении, и таким образом передает энергию для нагрева и подъема внешней плазмы. Минимальная энергия, запасенная в долях мощного радиоисточника, может составлять 10⁵³ Дж. Нижняя граница работы, совершаемой таким источником над внешней средой, в несколько раз превышает это значение. Значительная часть современного интереса к радиоисточникам связана с тем, какое влияние они оказывают на центры скоплений в настоящее время. Не менее интересным представляется их возможное влияние на формирование структур в космологических масштабах времени: предполагается, что они могут обеспечивать механизм обратной связи, замедляющий формирование наиболее массивных объектов.

Терминология

Широко используемая терминология стала неудобной, поскольку общепринято, что квазары и радиогалактики – это одни и те же объекты (см. выше). Акроним DRAGN (от ‘Double Radiosource Associated with Galactic Nucleus’ – двойной радиоисточник, связанный с галактическим ядром) был предложен Патриком Лихи в 1993 году и используется. Термин «внегалактический радиоисточник» распространен, но может вводить в заблуждение, так как многие другие внегалактические объекты обнаруживаются при радиоизмерениях, в частности, галактики со вспышками звездообразования. Термин «радиогромкая активная галактика» является однозначным и поэтому часто используется в данной статье.