Назва проєкту

Астрофізичні Релятивістські Галактичні Об’єкти (АРГО): життєвий шлях активних ядер.

Науковий керівник  проєкту: Берцик Петер Петерович

Сучасний стан проблеми

З появою все більшої кількості спостережних даних про активні ядра галактик (АЯГ), починаючи з сучасних радіоінтерферометрів і закінчуючи новими космічними апаратами, які роблять спостереження в рентгенівському діапазоні, все очевидніше, що в центрі кожної галактики знаходиться надмасивна чорна діра. Саме еволюція цього «екзотичного» об’єкта і визначає всі високоенергетичні процеси в активному центрі як нашої, так і інших галактик. Проте, незважаючи на унікальність сучасних фотометричних оглядів неба, фотометрична інформація апріорі є обмеженою в спектральному діапазоні довжин хвиль і, зазвичай, спектроскопічні дані надають більше можливостей для аналізу галактичних та позагалактичних джерел. З іншого боку, через технічні обмеження, наразі  не вдається побудувати багатомільйонні каталоги спектрів, тому необхідність використання фотометричної інформації очевидна. Саме тому, встановлення взаємозв’язку фотометричних даних про певний об’єкт з його спектроскопічними властивостями є обов’язковою умовою для забезпечення комплексного  аналізу інформації з сучасних цифрових оглядів. Тому постає ряд задач, які на сьогодні мають актуальний пріоритет у їх розв’язуванні. У проекті ми пропонуємо мультимасштабний підхід к вивченню загальної проблеми життєвого циклу АЯГ: від загального масштабу галактичного ядра до центральних чорних дір.

По-перше, для уточнення моделей будови та еволюції АЯГ велике значення мають вивчення кінематичних і фізичних умов випромінювання вузьких і широких  спектральних ліній оптичного діапазону електромагнітного випромінювання. Огляд «MaNGA» надає можливість спектрального дослідження структури просторово розділених галактик з активними ядрами в оптичному діапазоні. Визначення металевості АЯГ в областях випромінювання широких і вузьких ліній пов’язане зі значними складнощами і потребує моделювання фотоінозації. Через це досі маловідомо як співвідноситься металевість АЯГ із масою, світністю, змінністю яскравості та фізичними розмірами галактичного ядра.

По-друге, в активних ядрах розсіяне високоенергетичне випромінювання від корони акреційного диску та випромінювання самого джерела (для невеликої кількості близьких об’єктів) не дозволяє просторово розділити ядро за допомогою космічних рентгенівських обсерваторій. Однак висока якість спектрів та вірно обраний діапазон дає змогу незалежно від спостережень в інфрачервоному (ІЧ) та міліметровому діапазоні хвиль отримати оцінки головних параметрів акреційного диску та газопилового тору – густину, повну масу, геометричні розміри та орієнтацію у просторі. Внаслідок малих розмірів і віддаленості АЯГ від Землі, для дослідження торів, які затінюють центр АЯГ та підживлюють акреційний диск, в радіодіапазоні залучаються наземні телескопи «VLTI»,  а прямі спостереження в міліметровому діапазоні довжин хвиль стали можливими лише нещодавно за допомогою радіоінтерферометра «ALMA», що вперше дозволило побачити детальну структуру та особливості динаміки в центральних областях для сімох АЯГ. Отримані параметри акреційного диску дозволять нам побудувати більш самоузгоджені моделі як АЯГ так і центральної області галактичного бару. Тому постала необхідність будувати більш самоузгоджену модель активних ядер галактик, в якій необхідно враховувати самогравітацію, взаємодію тору з вітром та акреційним диском, ефекти дисипації, зовнішню акрецію, тощо і яка повинна узгоджуватись з спостережливими даними в різних діапазонах.

По-третє, надмасивні чорні діри є унікальними об’єктами: фізичний опис, виникнення і еволюція яких (тобто т.з. «життєвий шлях») і є однією з найбільших проблем у  сучасній астрофізиці. На сьогодні вже точно встановлено, що ці об’єкти з масою в межах 10⁵-10¹⁰ сонячних мас присутні в центрах переважної більшості галактик. Очікується, що під час злиття галактик ці об’єкти утворюють подвійні системи  Визначення мас і розмірів чорних дір на різних червоних зміщеннях, а також пошук подвійних АЯГ, надзвичайно важливі для уточнення відомих залежностей (наприклад, маса чорної діри – червоне зміщення, маса чорної діри – болометрична світність галактики), а також моделей еволюції чорних дір і активних ядер. Такі подвійні системи є найбільш високоенергетичними динамічними об’єктами в центрах галактик. Точний чисельний розв’язок динамічної еволюції подвійних чорних дір у тісному зоряному оточенні  є нетривіальною задачею для багатокомпонентного  комп’ютерного обчислення. Вивчення таких об’єктів в момент злиття дасть змогу дослідити енергетичні характеристики гравітаційних хвиль і дозволить прямим методом перевірити загальну теорію відносності Ейнштейна. Фізику Всесвіту можна описати двома фундаментальними теоріями – загальною теорією відносності та квантовою теорією поля. Чорні діри є об’єктами де ці теорії поєднуються, тому їх вивчення зможе дати відповіді на ключові питання: з чого починався Всесвіт и чим він закінчиться.

Розуміння виникнення і еволюції чорних дір в ядрах галактик є однією з основних завдань сучасної теоретичної астрофізики. Вплив центрального джерела (чорної діри) на глобальну зоряну еволюцію галактик так само як і на зореутворення навколо центрального району галактик є фундаментальним. В цьому сенсі можна говорити про так звану «со»-еволюцію галактик та їх чорних дір.

Новизна проєкту

Метою наших досліджень є повний аналіз активних ядер галактик, створення каталогу позагалактичних джерел та проведення їх класифікації на квазари, галактики та АЯГ різних типів. А також дослідити еволюцію (в першу чергу динамічну), як галактичного центру, так і чорної діри та її оточення (подвійна система  чорних дір, акреційний диск навколо чорної діри, припливне руйнування зірок в поле тяжіння чорної діри, ядерне зоряне скупчення).

По-перше, унікальні астрофізичні дослідження з використання фотометричної, астрометричної, морфологічної інформації про АЯГ та їх кратних систем в різних діапазонах довжин хвиль  дасть можливість створити нові моделі еволюції чорних дір та активних ядер. Для просторово розділених АЯГ будуть проведені кінематичні дослідження на основі даних космічного телескопу «Gaia» в оптичному та наземних радіо спостережень. Використання спектральної, фотометричної, астрометричної, морфологічної інформації АЯГ в різних діапазонах довжин хвиль дозволить отримати нові дані щодо їх будови та еволюції.

По-друге, буде виконано первинну обробку (отримання зображень, спектрів та кривих блиску джерел) та створено однорідну вибірку активних ядер галактик типу «Сейферт 2» з великим поглинанням. Глибокий спектральний аналіз рентгенівського випромінювання галактики надасть можливість отримати нові значення відповідних спектральних параметрів. Фізична інтерпретація результатів буде виконана з додатковим залученням результатів спостережень в ближньому ІЧ-діапазоні за допомогою обсерваторій «Spitzer» та «WISE».

По-третє, буде вивчено процес динамічного злиття надмасивних чорних дір у галактичних ядрах. Моделювання включає пост-ньютонівські сили взаємодії між надмасивними чорними дірами, тому що без цих релятивістських дисипативних сил неможлива кінцева фаза злиття чорних дір. Після проведення детального аналізу будуть отримані частотно-часові та амплітудно-частотні картини злиття надмасивних чорних дір для вибірки взаємодіючих галактик з різними значеннями червоних зміщень. Дослідження ролі структурних та орбітальних властивостей подвійних надмасивних чорних дір та масивних кулястих зоряних скупчень, які падають до галактичного центру за рахунок динамічного тертя, дозволить відслідковувати розподіл компактних залишків (чорні діри зоряних мас та нейтроні зорі) та їх вплив на рівень припливного руйнування зір. Отримані відповідні моделі будуть порівняні з поточними та майбутніми спостереженнями для виявлення гравітаційних хвиль та високоенергетичних сигналів. У нову еру гравітаційно-хвильової астрономії (з урахуванням майбутньої місії «LISA» Європейського Космічного Агентства) такі параметричні розрахунки є ключовими для передбачення  частотно-часових гравітаційних спостережень.

Методологія дослідження

В останні десятиліття, бурхливий розвиток технологій, а саме розвиток приймачів випромінювання та телескопобудування, призвів до експоненціального росту спостережних даних в астрономії. Кількість об’єктів в сучасних астрометричних та фотометричних каталогах уже значно перевищує мільярди. Розміри сучасних каталогів становлять декілька терабайтів даних. Для вивчення та аналізу таких величезних масивів інформації необхідно розробляти нові методи та підходи. Серед найбільш популярних методів в астрономії необхідно відзначити машинне навчання, чисельне моделювання та штучний інтелект. Ці методи дозволяють отримати та досліджувати складні закономірності в даних, що неможливо стандартними алгоритмами.

Моделювання еволюції центральної подвійної чорної діри у тісному зоряному середовищі буде проведено на основі наявних спостережних даних за допомогою чисельного моделювання з використанням добре відомого в світі власного динамічного N-тільного коду φ-GPU з пост-ньютонівськими поправками до членів порядку ~1/c⁷. Пост-ньютонівська апроксимація спільно з ефективним інтегруванням динаміки надмасивних чорних дір є найважливішим «інструментом» для досягнення цієї амбітної мети. Даний код вже кілька років був успішно тестований і адаптований для запуску на GPU-кластері ГАО НАН України та на інших GPU системах по всьому світу (Німеччина, Швейцарія, Китай та США). Також планується виконати низку прямих N-тільних моделювань з максимально високою роздільною здатністю для вивчення впливу диску акреції на зоряну динаміку в АЯГ. Ми очікуємо, що взаємодія ядерного зоряного скупчення з газовим диском призводить до утворення міні зоряного диску в  центральній  частині ядерного зоряного скупчення. Всередині цього диску акреція зір від зоряного диску на надмасивну чорну діру врівноважується захопленням зір з ядерного зоряного скупчення на зоряний диск, що може забезпечити стаціонарний профіль густини навколо надмасивної чорної діри. Точні вирішення завдань, що пов’язані з динамічними процесами і злиттям надмасивних чорних дір (з випромінюванням гравітаційних хвиль) в центрах галактик є переднім краєм обчислювальної астрофізики на сьогодні.

Створення нейронних мереж глибокого навчання дозволить встановити складні закономірності між фотометричною, морфологічною, астрометричною інформацію та спектроскопічними даними, що дозволить виконати класифікацію позагалактичних об’єктів. Для вирішення цих задач будуть створені нейронні мережі різної архітектури з використанням добре відомими алгоритмами «LDA», «KNN», «RF», «SVM» та виконане їх навчання з «вчителем». Використання машинного навчання також дозволить оцінити червоні зміщення для досліджуваних об’єктів. Один з найбільш важливих етапів машинного навчання з «вчителем» – це відбір та нормалізація даних для навчання. Для цього будуть об’єднані  дані з сучасних спектроскопічних обзорів таких як «SDSS», «LAMOST», «GAMA», «PRIMUS»  та інші, серед яких будуть відібрані позагалактичні об’єкти різних класів. Отримана вибірка даних буде доповнена інформацією з сучасних фотометричних та астрометричних оглядів таких як «Gaia», «PanSTARRS», «WISE», «2MASS», тощо. Створена класифікаційна модель шляхом машинного навчання на основі спектроскопічної, фотометричної та астрометричної інформації дозволить виконати класифікацію позагалактичних об’єктів у найбільших сучасних оглядах неба.

Точні розв’язки задач, що пов’язані з динамічними процесами і злиттям надмасивних чорних дір (з випромінюванням гравітаційних хвиль) в центрах галактик є переднім краєм обчислювальної астрофізики на сьогодні. Для отримання карт розподілу швидкості в АЯГ будуть проведені N-тільне моделювання тору (φ-GPU код) з залученням алгоритму трасування променів при взаємному затінені 3D хмар та з урахуванням роздільної здатності «ALMA».

Для отримання значень характеристик високоенергетичного випромінювання АЯГ буде проведений спектральний аналіз рентгенівського випромінювання галактик вибірки з використанням стандартних феноменологічних моделей, простих та складних аналітичних моделей та табличних моделей, які створені на основі чисельного фізичного моделювання акреційних дисків або газопилових торів. В результаті цього спектрального аналізу будуть отриманні значення відповідних параметрів спектру. Як джерелами вхідних даних використовуватимуться спостереження космічних рентгенівських обсерваторій XMM-Newton, NuSTAR, Swift/XRT+BAT, котрі будуть опрацьовані належним чином. Для цього будуть використані наступні програмні пакети для обробки супутникових спостережень: XMM SAS v 16.0 – для обробки даних спостережень обсерваторії XMM-Newton; HEASOFT v. 6.22 – для обробки даних спостережень обсерваторій NuSTAR, Swift та проведення часового аналізу даних; для спектрального аналізу — програмний пакет XSpec v 12.10.0 з додатковими фізичними табличними моделями газопилових торів.

Для визначення вмісту хімічних елементів в областях зореутворення обраних галактик із огляду «MаNGA» буде використано інструмент для фотоіонізаційного моделювання газових хмар «Cloudy». Код відтворює вміст 30 найлегших хімічних елементів від водню до цинку на всіх стадіях іонізації в хмарах довільної геометрії. Отримані спектри достатньо детальні, щоб спів зіставити їх із спостережувальними спектрами для оцінки фізичних умов і хімічного складу в джерелі.