Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведена серия интерферометрических наблюдений двух выборок активных ядер галактик (АЯГ) на лучших системах апертурного синтеза (VLBA, EVN). Построены карты распределения яркости источников с высочайшим угловым разрешением, составляющим порядка миллисекунды дуги. Восстановленные изображения будут использованы для исследования эффекта реколлимации релятивистских струйных выбросов, а также объяснения феномена больших сдвигов между положениями источников в радио и оптическом диапазоне. Показано, что независимое определение скорости плазмы в ядре активной галактики по задержке вспышек на разных частотах и положение ядра позволяют сделать вывод о форме джета в месте наблюдаемого на бОльшей частоте ядра. В частности, для 9 источников, для которых сделаны эти измерения, сравнение с модельными профилями ускорения показывает, что ядра на частоте 15 ГГц у всех этих источников лежат в параболической части формы границы джета, где происходит эффективное ускорение плазмы. Впервые показано то, как джеты, произведенные вращающимися черными дырами, поглощающими окружающий газ, сталкиваются со внешней средой и становятся жертвами трехмерной магнитной “кинк”-неустойчивости. Эта неустойчивость приводит к полному разрушению джета. Впервые продемонстрировано, что таким самосогласованным образом запущенные джеты естественным образом приводят к образованию “пузырей”, наполненных сильно замагниченной разгоряченной плазмой. На основе полуаналитического моделирования джета в рамках магнитной гидродинамики восстановлена форма границы джета из М87 на масштабах 10^-2 – 10^4 парсек. На этих же масштабах проведено сравнение модельных продольных скоростей в джете с наблюдаемыми. На основе этого сделан вывод о начальной замагниченности выброса. В рамках этой модели проведен анализ профилей интенсивности с учетом стратификации выброса и нагрева по краям. На различный масштабах, получены трехгорбые, двугорбые и одногорбые профили, что качественно соответствует наблюдениям. На основе карт распределения спектрального индекса проведена оценка размера центрального кора джета, предсказанного в аналитических моделях. Для источников с областью перехода формы границы джета от параболической к конической определены радиус светового цилиндра, спин черной дыры в предположении максимальной эффективности центральной машины. Предложен новый способ оценки массы черной дыры. Получены оценки давления внешней среды вокруг выбросов. На основе анализа ранее измеренных векторов видимой скорости плазмы в струйном выбросе галактики М87 впервые определены профили поперечного распределения скорости в струе и прослежена их эволюция вдоль струи на масштабах от 0.07 до 1.45 парсеков (250 – 5100 гравитационных радиусов центральной чёрной дыры). Проведено сравнение модельных профилей с наблюдаемыми. Многочастотные исследования АЯГ являются чрезвычайно важной методикой в исследовании природы активности АЯГ, позволяя прослеживать эволюцию и изменение физических характеристик. Даже в настоящее время такие наблюдения остаются нетривиальной задачей, поскольку требуют координации огромного количества наземных и космических обсерваторий. Одним из самых пристально наблюдаемых космическим объектов в данный момент является радио галактика М87 из-за ее близости к Земле, наличия протяженного джета и сверхмассивной черной дыры в ее центре. Недавно коллаборация EHT представила (The EHT Collaboration, 2019, ApJL 875,1) прорывной и первый подобный результат по прямому картографированию тени от черной дыры в центре М87. Однако наблюдения не дают вопроса на ответ связи окрестности черной дыры с протяженным релятивистским джетом, поэтому дальнейшие исследования радиогалактики особо актуальны. Весной 2017 г. многие обсерватории мира наблюдали М87, включая наш РСДБ мониторинг, что позволило собрать богатейший многоволновый материал, провести анализ свойств источника и оценить его основные физические параметры. Более того, наши дополнительные данные РСДБ-мониторинга радиогалактики показывают существенную эволюцию позиционного угла ее струи во времени, что позволяет тестировать различные модели АЯГ. Самым точным методом исследования внутренней структуры АЯГ является наземно-космическая радиоинтерферометрия. На основе уникальных наблюдений радиогалактики М87, выполненных в рамках миссии "Радиоастрон", нами получено самое точное изображение струи источника на 5 ГГц. Это позволяет проводить детальные исследования области формирования струи и тестировать наши модельные представления о магнетогидродинамических механизмах запуска и распространения струй АЯГ. Другим мощным инструментом исследования внутренних областей АГЯ является эффект переменной оптической толщи вдоль джета (Blandford & Königl 1979), приводящий к сдвигу наблюдаемого положения основания струи в зависимости от частоты наблюдения. Этот эффект может использоваться для оценки напряженности магнитного поля, плотности частиц и расстояния наблюдаемого основания джета от центральной черной дыры (Lobanov 1998b, A&A, 370, 90). На основе наших исследований выборки АЯГ на семи разных частотах наблюдений, мы провелили кросс-идентификацию компонент струй между частотами, восстановили спектральный индекс радио ядра и оптически тонких компонент с целью дальнейшего измерения сдвига положения радиоядра.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Профиль коллимации релятивистских струйных выбросов из активных ядер галактик (АЯГ) напрямую связан с процессом ускорения плазмы до релятивистских скоростей, одновременной диссипацией вектора Пойнтинга и свойствами внешней среды, коллимирующей выброс. Мы проводим исследование профилей как наблюдательно - на одноэпоховых и стаковых изображениях, - так и с помощью численного и аналитического моделирования. В 2021 году полностью выполнены РСДБ-наблюдения на частоте 15 ГГц выборки из 27 близких активных галактик с красным смещением z<0.07 и проведена первичная калибровка экспериментальных данных. Проведен анализ по исследованию формы джетов и поиску области ее изменения. Предварительные анализ поперечных профилей джетов исследуемых источников на основе стаковых изображений по трем эпохам наблюдений на частоте 15 ГГц показал, что форма 16 из них близка к конической, а 11 - к параболической. При этом 4 объекта показывают признаки изменения геометрии джета с параболы на конус. Для более далеких источников предложен неявный метод определения формы выбросов на масштабах наблюдаемых ядер. Метод основывается на определении положения ядер по измеренному сдвигу и оценке скорости плазмы по запаздыванию вспышек. По этой причине метод применим для источников с высокой переменностью. У семи АЯГ определена параболическая форма выброса, на масштабах ядер на 8-15 ГГц, что говорит об эффективном ускорении частиц в этой области джетов. Результаты исследований позволят уточнить параметры джетов по измеренному сдвигу ядра с учетом параболической формы. Показано, что форма выброса М87 на масштабах порядка 10 гравитационных радиусов совместима с параболической формой с основанием струи, находящимся примерно в 3 гравитационных радиусах от черной дыры. Для семи источников получены оценки спинов черных дыр. Для двух источников совместное применение прямых измерений формы выброса с неявными измерениями дали величины безразмерного спина близкие к ожидаемым теоретическим значениям. Опубликована статья: Nokhrina et al., 2022, MNRAS, 509, 1899. В рамках трехмерной общерелятивистской МГД создана численная модель АЯГ, в которой самосогласованно формируется аккреционный диск и джеты. При этом плотность вещества внутри радиуса Бонди устанавливается с профилем ~r^{-1}, что согласуется с данными измерений для М87 (Рассел и др. 2015). На начальном этапе аккреции появляются джеты со случайным направлением. Когда магнитный поток в окрестности черной дыры начинает влиять на саму аккрецию (magnetically arrested disc - MAD), вдоль оси системы формируется джет, распространяющийся за пределы радиуса Бонди, взаимодействующий с внешней средой с формированием кокона. Вычислены распределение и интенсивность рентгеновского излучения от полостей. Исследование поперечной структуры выбросов важно для понимания как механизма запуска джетов и источника энергии (вращение черной дыры, аккреция вещества) так и для наиболее достоверной оценки параметров АЯГ и джета по данным наблюдений. Проведен многоволновой анализ излучения выброса из М87. Построены карты спектрального индекса, в том числе впервые на частотах 43-86 ГГц. Полученный поперечный градиент спектрального индекса может указывать на стратификацию течения, и дает существенный вклад в апробацию наших теоретических моделей. По результатам работы опубликована статья: Algaba et al. 2021, ApJL, 911, 1. С рекордным разрешением восстановлена структура джета М87 на волне 6 см (чаcтота 5 ГГц) в рамках наблюдений наземно-космическим РДСБ "Радиоастрон". Мы провели моделирование структуры струй 20 АЯГ на частотах 4.6, 5.0, 8.1, 8.4, 15.4, 22.8 и 43.4 ГГц и кросс-идентифицировали компоненты между изображениями на разных частотах. Восстановлен спектр радио ядра и оптически тонкой, яркой компоненты в джете. Выполнено моделирование радиоспектра с использованием модели однородного синхротронного источника. В дополнение к работе по М87, были проведены детальное картографирование и анализ свойств внутренней структуры в релятивистской струе в квазаре 3С273 на основе наблюдений в рамках международной ключевой научной программы наземно-космического интерферометра “Радиоастрон”. Анализ внутренней структуры выявил уярчение к краю на частоте 1.6 ГГц в то время как на 4.8 ГГц обнаружено значительное уярчение к центру. Оба этих факта указывают на поперечную стратификацию струи, и моделирование возможных физических сценариев стратификации показало, что в данном случае к ожидаемой стратификации струи по скорости, величине магнитного поля и плотности частиц необходимо добавить и стратификацию по распределению энергии излучающих частиц. По результатам опубликована статья: Bruni et al. 2021, A&A, 654, 27. В рамках работы по исследованию внутренней структуры релятивистских струй также проведено исследование структуры излучения и магнитного поля в релятивистской струе в блазаре 3С345 на основе поляриметрических наблюдений, проведённых в рамках международной ключевой научной программы наземно-космического интерферометра “Радиоастрон” на частоте 1.6 ГГц (длина волны 18 см). Удалось оценить физические условия в тех областях струи, где продолжается её формирование и коллимация. Детектирование областей с сильнополяризованным излучением, недоступное по данным наземной интерферометрии, позволило сделать вывод о наличии поперечного магнитного поля, которое может возникать либо в результате компрессии в ударных волнах, распространяющихся внутри струи, либо как следствие доминирующей тороидальной компоненты магнитного поля. Измерения на самых больших базах указывают на то, что в наиболее компактных областях струи яркостная температура излучающей плазмы превышает обратный комптоновский предел, что вкупе с известной кинематикой плазмы в этом объекте, требует наличия переускорения излучающей плазмы. Такое переускорение может осуществляться в частности в ударных волнах, на присутствие которых указывают данные поляризации и спектрального индекса. Результаты работы опубликованы в статье Poetzl et al. 2021, A&A, 648, 82. При анализе поперечных профилей скоростей в М87 получены предварительные ограничения на структуру выброса и распределение скоростей в джете: показано наличие внешнего медленного (слаборелятивистского, фактор Лоренца Г~1.5) течения (оболочки), при это ширина быстрой центральной части составляет от 0.25 до 0.5 ширины джета в зависимости от спина черной дыры. Моделирование внутренней части совместимо с максимальной скоростью в выбросе Г~6. Наблюдаемая асимметрия между южным и северным краями выброса объясняется тороидальной скоростью порядка 0.07-0.1 скорости света. Произведено моделирование профилей для джета в M87 из работы Asada et al. (2016). Воспроизведены желаемые качественные и количественные соотношения между профилями. При этом удалось получить оценки как на физические параметры в выбросе, так и сделать вывод о специфике нагрева плазмы в джете. Наблюдаемые характеристики джетов и, в частности, переменность оптической толщи и ее зависимость от расстояния вдоль джета (эффект частотно-зависимого сдвига ядра или пика яркости в джете) позволяют делать уникальные оценки напряженности магнитного поля и замагниченности аккреционного диска, оценивать плотность частиц в излучающей плазме и локализовать положение излучающей области по отношению к центральной чёрной дыре. Нами завершена первичная калибровка всех данных многочастотных (1.4, 2.2. 5, 8, 22 ГГц) EVN наблюдений для 50 объектов выборки. Проведено гибридное картографирование 47 источников, получено распределение яркости объектов в полной интенсивности для частот 1.4, 5 и 22 ГГц и в правой круговой поляризации для частот 2.2 и 8 ГГц. Проведена чистка данных от помех на частотах 1.2 и 2.2 ГГц. Результирующий динамический диапазон карт позволил получить изображения вытянутых джетов для большинства объектов выборки, что необходимо для сличения многочастотных изображений и измерений видимого сдвига ядра из-за синхротронного самопоглощения. Для источников измерены сдвиги между многочастотными изображениями. Типичные сдвиги определены на уровне долей миллисекунды дуги.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Профиль коллимации релятивистских струйных выбросов из активных ядер галактик (АЯГ) напрямую связан с ускорением плазмы в джете до релятивистских скоростей, трансформацией электромагнитной энергии в энергию кинетического движения плазмы и параметрами внешней среды, коллимириующей и удерживающей выброс. С другой стороны, непосредственное измерение параметров выброса в точке реколлимации – перехода струи от хорошо сколлимированного квазипараболического к коническому профилю границы – дает инструмент исследования параметров АЯГ. Наша группа проводит комплексное исследование этого эффекта с помощью наблюдений, аналитического и численного моделирования. В 2022 году нами завершен анализ эффекта реколлимации струй с изменением формы выброса с параболической на коническую на основе восстановленных усредненных по 5 эпохам карт на частоте 15 ГГц и одноэпоховых изображений выбросов 26 близких активных ядер галактик на частоте 1.4 ГГц. Завершено картографирование всех 5 эпох VLBA наблюдений близких (z < 0.07) 26 источников на частоте 15 ГГц, зондирующие более внутренние области, и одной эпохи на частоте 1.4 ГГц, визуализирующие более внешние области джетов благодаря крутому спектру их излучения. Получен полный набор одноэпоховых изображений наблюдавшихся внегалактических источников на частоте 1.4 и 15 ГГц. Построены стековые (усредненные) изображения на 15 ГГц по 5 эпохам наблюдений, покрывающим период времени около двух лет, что повысило как чувствительность изображений выбросов в среднем в два раза, так и полноту их поперечного сечения, что особенно важно для анализа формы струи, который показал, что большая часть (73%) источников имеют квазипараболические профили джета, тогда как оставшиеся объекты демонстрируют форму выброса близкую к конической. Получены финальные модели РСДБ структуры джетов и построены финальные хребтовые линии джетов и соответствующие профили коллимации. Исследована кинематика видимого движения плазменных сгустков по полученным многоэпоховым 15 ГГц данным VLBA наблюдений, которая показала в среднем меньшие скорости компонент в сравнении с результатами по выборке MOJAVE, не имеющей ограничений по красному смещению. Эти результаты позволят существенно увеличить выборку источников с измеренными параметрами выброса в окрестности точки реколлимации, что необходимо для продвижения в понимании связи этого эффекта со свойствами джетов и внешней среды. Проведено сравнение результатов аналитического моделирования излома релятивистского струйного выброса с данными измерений геометрии и кинематики джета в источнике NGC 315. Впервые разработанным нами методом совмещения точки изменения геометрии формы джета (излома) для источника NGC 315 получена оценка спина черной дыры (а=0.86 или а=0.99 для различных оценок замагниченности), близкая к критическому значению. Показано, что наблюдаемые факторы Лоренца течения могут быть объяснены магнитогидродинамическим ускорением, с ростом фактора Лоренца, пропорционально локальному радиусу. Получены формулы для оценки магнитного поля по измерению эффекта видимого сдвига ядра с учетом параболической формы основания выброса и ускорению плазмы вдоль джета. Получены значения магнитного поля в области ядра и на масштабах гравитационного радиуса. Последняя оценка находится в хорошем согласии с ожидаемым значением порядка 10^4 Гс и с независимой оценкой по темпу аккреции. Результаты опубликованы в статье Ricci L., Boccardi B., Nokhrina E. et al. 2022, A&A, 664, A166. В рамках трехмерной магнитной гидродинамики с учетом эффектов общей теории относительности, рассмотрена численная модель быстро вращающейся черной дыры, погруженной во внешнюю среду с эвакуированным газом внутри сферы Бонди и газом со слабым магнитным полем и постоянной плотностью вне ее. Численное моделирование показывает стабилизацию выброса, который распространяется далеко за пределы сферы Бонди. Была получена эволюция формы выброса по мере его распространения в окружающем газе. К концу симуляции джет приобрел форму, близкую к наблюдаемой параболической. Результаты опубликованы в статье Lalakos A. et al. (incl. Tchekhovskoy A. & Nokhrina E.) 2022, ApJL, 936, L5. Исследование внутренней структуры выбросов важно для наиболее достоверной оценки параметров АЯГ и джета по данным наблюдений и для понимания тех физических процессов (развитие и распространение неустойчивостей), которые могут определять механизмы нагрева плазмы и отвечать за излучение выброса. Нами в 2022 году построены двухчастотные карты спектрального индекса в струе М87 на частотах 1.7-5 ГГц и 5-15 ГГц. Моделирование структуры и излучения согласуется с наблюдениями в предположении постоянного спектрального индекса вдоль струи. Такое поведение указывает на инжекцию частиц в этой области. Эти результаты подтверждаются регистрацией рекордно высокой яркостной температуры в области радио ядра на частоте 22 ГГц, измеренной в наших наблюдениях М87 РадиоАстроном. Результаты суммированы в статье, которая послана в Astrophysical Journal. Подготовлена рукопись научной статьи по моделированию радиоспектров и измерению сдвига ядер в 20 АЯГ по данным наблюдений на частотах 5-43 ГГц. Проведен анализ структуры струи М87 на частоте 5 ГГц. Выявлены модуляции амплитуды и позиционного угла джета на 43 ГГц. Проведен анализ внутренней структуры в релятивистской струе галактики М87, определены параметры доминирующих мод плазменной неустойчивости Кельвина-Гельмгольца и промоделированы физические условия в релятивистской плазме струи и в окружающем веществе. Результаты работы (2 статьи) находятся в процессе подготовки к печати. Разработаны и реализованы два алгоритма сопоставления качественной и количественной структуры наблюдаемых и промоделированных профилей интенсивности излучения релятивистских джетов. Применение методов к трехпиковым интенсивностям в данных M87 позволяет сделать оценки параметров джета (радиус светового цилиндра, полный магнитный поток и мощность джета, максимальный фактор Лоренца в выбросе и угол наблюдения) и пространственном распределении излучающей плазмы. Оба разработанных алгоритма универсальны, и мы в дальнейшем применим их к данным других галактик, что позволит исследовать параметры релятивистских джетов статистически и сделать более общие выводы о распространении и природе нагрева. Подготавливается рукопись статьи. Наблюдаемые систематические сдвиги между положениями джетов (ядер) при наблюдении в радио- и оптическом диапазонах позволяют делать уникальные оценки напряженности магнитного поля и замагниченности аккреционного диска, оценивать плотность частиц в излучающей плазме и локализовать положение излучающей области по отношению к центральной чёрной дыре. В 2022 году проведено моделирование наблюдений на Европейской РСДБ-сети (EVN) на частотах 1.4, 2.4, 5.0, 8.6 и 22 ГГц и полученных РСДБ-изображений выборки АЯГ с большими сдвигами между радио- и оптическими положениями. Путём моделирования наблюдательных данных, измерены величины частотного сдвига ядра для этих объектов. С использованием таких измерений геометрии даны оценки величины магнитного поля вблизи основания джета. Написана рукопись научной статьи по данным результатам.