Введение к работе
Диссертация посвящена задачам исследования структуры, физических характеристик и химического состава плотных ядер в областях образования массивных звезд, что напрямую связано с фундаментальной проблемой астрофизики, проблемой звездообразования. Основу диссертации составили данные наблюдений в молекулярных линиях и в континууме представительных выборок и отдельных объектов. В диссертации развиты методы обработки данных, проведен их теоретический анализ и разработаны модели объектов. Определены основные физические параметры ядер и их распределения внутри ядер, в частности, сделаны оценки радиальных профилей плотности. Исследованы эффекты химической дифференциации. Проведен поиск мелкомасштабной фрагментарности в ядрах, определены физические параметры фрагментов. Проведены исследования свойств газа и пыли в области индуцированного звездообразования W40.
Актуальность работы и предмет исследования
Проблема звездообразования является одной из важнейших фундаментальных проблем астрофизики. Согласно современным данным, образование звезд происходит в наиболее холодных и плотных областях межзвездных газопылевых облаков, получивших название плотных ядер. Температуры этих объектов обычно лежат в диапазоне ~ 10 — 100 К, а плотности могут изменяться от ~ Ю3 см~3 до ~ Ю7 см~3 и более высоких значений. Помимо молекулярного водорода в этих областях содержится большое количество разнообразных неорганических и органических молекул, а также частиц пыли. Свидетельством того, что именно в этих объектах происходит образование новых звезд, может служить наличие в них ультракомпактных зон Н II, а также ярких точечных ИК-источников, являющихся, соответственно, индикаторами ионизации и нагрева газопылевой оболочки, окружающей звезду на начальных этапах ее эволюции. Признаками ранних стадий звездообразования являются "горячие ядра" и молекулярные мазерные источники, а также молекулярные истечения, которые свидетельствуют о начавшейся динамической активности молодых звездных объектов.
Многие аспекты процесса звездообразования, в особенности, его начальные условия и ранние стадии, когда ядро или его часть теряет устойчивость и начинается сжатие, остаются неясными, несмотря на значительно возросший за последние годы объем наблюдательных данных. В частности, вопрос о том, почему в одних случаях звезды образуются в группах и кластерах, среди которых мы встречаем звезды большой массы (<; 8 Mq), а в других - в изоляции с массами порядка
солнечной, на сегодняшний день не решен. В отличие от звезд малой массы для звезд большой массы до сих пор не существует общепринятой теории образования и эволюции [1]. Неясно, формируются ли массивные звезды аналогично звездам малой массы из ядер с более высокой турбулентностью и скоростью аккреции (например, [2, 3]) или же здесь играют роль иные процессы, такие как, например, конкурирующая аккреция [4]. Области формирования массивных звезд являются более редкими, более далекими и эволюционируют значительно быстрее, чем области образования звезд малой массы, проводя значительный период своей эволюции внутри газопылевого кокона. По мере эволюции массивные звезды воздействуют на окружающее родительское облако посредством звездного ветра, массивных истечений, сильного УФ-излучения и расширяющихся зон Н П. В результате этих процессов физические условия и химический состав родительского облака меняются, а газ низкой плотности, выметенный на периферию, может формировать слои повышенной плотности, либо вступать во взаимодействие с существующими неоднородностями, сжимая их и инициируя новый процесс звездообразования. Поскольку окружающая среда обычно неоднородна и обладает богатым химическим составом, это приводит к сложным морфологическим картинам распределения газа и пыли в каждом отдельном случае. Учитывая многообразие физических явлений и наблюдаемых феноменов, связанных с этими процессами, исследования ядер, связанных с областями образования массивных звезд, представляются весьма важными.
Структура ядер является важным фактором, влияющим на то, как проходит процесс звездообразования внутри них, включая распределения таких параметров, как плотность, температура, распространенности газовых составляющих, поля случайных и систематических скоростей, степень ионизации и магнитные поля. Распределения основных физических параметров могут различаться в ядрах различного типа. Известно, например, что звездные кластеры, исключительно в которых наблюдаются массивные звезды, связаны с ядрами облаков большой массы (например, [5, 6, 7]). Также существует представление, основанное как на наблюдениях, так и модельных расчетах, что маломассивные ядра обладают профилями плотности, близкими к профилям плотности изотермической сферы, в то время как в массивных ядрах профиль плотности принято полагать более пологим [8, 9, 10]. Дисперсии скоростей газа на луче зрения, как правило, превышают тепловые; при этом, в массивных ядрах они в несколько раз больше, чем в маломассивных.
Исследования внутренней структуры идут как по пути непосредственного измерения распределений физических параметров в ядрах,
определенных по данным наблюдений, так и по пути численного моделирования излучения и выбора моделей, наиболее адекватных полученным данным для выработки общих закономерностей и теоретических взглядов на данную проблему. Одним из наиболее сложных и противоречивых вопросов остается вопрос о существовании мелкомасштабной фрагментарной структуры в массивных ядрах, на существование которой имеются неявные указания.
Эффективным средством определения свойств газопылевых облаков и их ядер являются наблюдения в линиях различных молекул и в континууме на длинах волн от миллиметрового до инфракрасного диапазонов. Большое количество вращательных переходов межзвездных молекул приходится на миллиметровый диапазон длин волн, в частности, на его коротковолновую часть. Часто эти наблюдения являются единственным доступным источником информации о процессах, происходящих в плотных ядрах газопылевых облаков. Прогресс в области приемной техники в этом диапазоне длин волн, имевший место за последнее время, позволил обнаружить большое количество новых спектральных линий, отождествить их с определенными молекулярными переходами, исследовать большое количество объектов и значительно продвинуться в понимании физики газопылевых облаков и их ядер.
Цели и задачи работы, использованные методы
В цели и задачи настоящей диссертации входили систематические исследования структуры, физических характеристик и химического состава плотных ядер газопылевых облаков, связанных с областями образования массивных звезд в Галактике с помощью радиоастрономических наблюдений. Данные задачи непосредственно связаны с проблемой звездообразования, что определяет их актуальность. Для решения поставленных задач использованы методы наблюдательной радиоастрономии, а также стандартные и оригинальные программы обработки наблюдательных данных. Основной массив данных наблюдений был получен на радиотелескопах OSO-20 (Онсала, Швеция), SEST-15 (Чили), РМО-13,7 (Китай), IRAM-30 (Испания), Effelsberg-100 (Германия) и на интерферометре GMRT (Индия). Для интерпретации данных наблюдений были использованы как стандартные методы анализа, так и оригинальные программы обработки. Анализ данных потребовал также проведения детальных модельных расчетов возбуждения молекул, для чего были исследованы теоретические модели и разработаны оригинальные компьютерные программы расчета возбуждения молекул, результатом которых явились модельные спектры, предназначенные для непосредственного сравнения с данными наблюдений.
Научная новизна работы
Основное направление данной работы - исследование физических характеристик и структуры плотных ядер в областях образования массивных звезд и звездных кластеров, а также определение их химического состава. С этой целью проведены наблюдения представительных выборок областей образования массивных звезд и отдельных объектов в молекулярных линиях и в континууме в миллиметровом диапазоне длин волн. Новизна материала заключается в отборе объектов исследования, удовлетворяющих определенным критериям, в проведении оригинальных наблюдений в молекулярных линиях и в континууме, а также в оригинальных методах обработки и анализа данных, включая разработку моделей и компьютерных программ расчета возбуждения молекул.
Определены физические характеристики ядер, включая размеры, кинетические температуры газа и температуры пыли, массы, плотности и дисперсии скоростей. Исследованы распределения наблюдаемых параметров внутри ядер. Сравнение физических характеристик массивных ядер, наблюдавшихся в линии N2H+(l-0), с характеристиками подобных ядер в областях образования звезд малой массы показало, что помимо больших размеров, больших масс и дисперсий скоростей, исследованные нами ядра обладают меньшими значениями средних плотностей и градиентов скоростей по сравнению с ядрами, в которых образуются звезды малой массы. Впервые показано, что вытянутость ядер может быть связана с их вращением.
Обнаружены систематические различия между пространственными распределениями различных молекул, а также между распределениями молекул и пыли (химическая дифференциация). В отличие от химической дифференциации в областях образования звезд малой массы не обнаружено вымерзания молекул CS и/или СО на пыли. CS коррелирует с пылью в ядрах с внутренними источниками. Распространенности СО, CS и HCN близки к постоянным значениям, а оптически тонкие линии более редких изотопов этих молекул могут служить индикаторами общего распределения плотного газа в данных областях. Обнаружено, что электронные концентрации повышены в направлении внутренних молодых звездных объектов. Обнаружены сильные вариации распро-страненностей N2H+ и HNC. Они антикоррелируют с электронными концентрациями, уменьшаясь в направлении внутренних объектов, что можно объяснить диссоциативной рекомбинацией.
Найдено, что радиальные профили плотности во внутренних областях ядер в среднем близки к степенной зависимости со степенным показателем -1.6(0.3). Показано, что для описания профилей плотности также хорошо подходит модифицированная модель Боннора-Эберта, опи-
сывающая сферу с тепловыми и нетепловыми (микротурбулентными) движениями и ограниченную внешним давлением.
Впервые на профилях молекулярных линий, полученных с высоким отношением сигнал/шум в направлении ряда плотных ядер в областях образования массивных звезд, обнаружены флуктуации интенсивности малой амплитуды вблизи пиков линий, связанных с наличием в диаграмме телескопа большого числа мелких фрагментов. С помощью аналитической модели и детальных расчетов возбуждения молекул в рамках модели облака, состоящего из ансамбля идентичных мелких тепловых фрагментов, распределенных по случайному закону и движущихся со случайными скоростями, сделаны оценки общего числа фрагментов в диаграмме телескопа и их физических параметров.
Проведены детальные исследования плотного ядра одной из ближайших к нам областей образования массивных звезд W40, которые выявили резкие различия в распределениях плотного газа и пыли, эффекты химической дифференциации и различия физических характеристик в различных частях области. Показано, что ионизационный фронт от зоны Н II приводит к сжатию газа в восточной части ядра и индуцирует новую фазу звездообразования.
Достоверность результатов, научное и практическое значение
Достоверность полученных результатов определяется большим массивом полученных в работе данных с использованием мировых радиотелескопов, использованием стандартных методов обработки и анализа данных, а также сопоставлением результатов наблюдений и рассчитанных значений физических параметров с независимыми оценками.
Полученные в настоящей работе экспериментальные данные и результаты их анализа, а также результаты модельных расчетов возбуждения молекул в плотных ядрах газопылевых облаков могут быть использованы при построении физико-химических и эволюционных моделей областей звездообразования, а также для анализа и интерпретации данных аналогичных измерений. Разработанные методы обработки спектральных данных и карт, а также модели возбуждения молекул в плотных ядрах молекулярных облаков и компьютерные программы для численного моделирования могут быть использованы для обработки, анализа и интерпретации данных спектральных радиоастрономических наблюдений плотных ядер газопылевых облаков в линиях различных молекул.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты исследований плотных ядер в областях образования массивных звезд по данным наблюдений в молекулярных линиях и в континууме, определение основных физических характеристик, включая оценки отношений энергии вращения ядер к гравитационной энергии, сравнение с характеристиками ядер в областях образования звезд малой массы.
-
Результаты исследований эффектов химической дифференциации, выражающихся в систематических различиях между пространственными распределениями отдельных молекул и пыли, сравнение с подобными эффектами в областях образования звезд малой массы.
-
Результаты исследований распределений физических параметров внутри ядер, в частности, радиальных профилей плотности в ядрах с помощью различных моделей.
-
Результаты поиска мелкомасштабной фрагментарности в областях образования массивных звезд по анализу изрезанности профилей линий, оценки параметров фрагментов с помощью аналитической модели и детальных расчетов, оценки физического состояния фрагментов.
-
Результаты исследований области образования массивных звезд W40, включая определение физических характеристик сгустков пыли и газа, исследование эффектов химической дифференциации в сгустках и в окружающем газе и вывод о том, что различие физических и химических характеристик сгустков связано с их различными эволюционными стадиями и процессом индуцированного звездообразования.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на семинарах ИПФ РАН, обсерватории Онсала (Швеция), университета г. Нанкин, обсерватории РМО (Китай) и Института фундаментальных исследований им. Тата (TIFR, Индия). Основные результаты докладывались на Всероссийских астрономических конференциях (Санкт-Петербург, 2001, 2013; Москва, 2004; Казань, 2007; Нижний Архыз, 2010), на совещаниях "Межзвездная среда" (Москва, 2001), "Субпарсековые структуры в МЗС" (Москва, 2007), на русско-китайском совещании "Миллиметровая астрономия и звездообразование" (Нижний Новгород, 2007), на международных студенческих конференциях "Физика космоса" (Екатеринбург, 2005, 2007, 2008), на конференции "100-летие: прошлое, настоящее и будущее Крымской астрофизической обсерватории" (Симеиз, 2008), на международной научной конференции "Астрономия и астрофизика начала XXI века" (Москва, 2008), на конференции "Плотное межзвездное вещество в галактиках" (Церматт, 2003), на конференции "Миллиметровая и субмиллиметровая астрономия высокого разрешения" (Тайпей, 2009), на конференции "На переднем крае исследований межзвездной среды" (Пекин, 2010) и на конференции JENAM-2011 (Санкт-Петербург, 2011).
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 статьях в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, пять из них опубликованы в российских журналах из перечня ВАК (Известия ВУЗов. Радиофизика, Астрономический журнал, Письма в Астрономический журнал), девять в иностранных журналах, входящих в список Web of Science (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Monthly Notices of RAS), две в журнале Astronomical and Astrophysical Transactions. Также основные результаты диссертации опубликованы в электронном издании Astronomical Telegram и в 27 трудах международных, всероссийских конференций и симпозиумов.
Вклад автора, благодарности
Общая постановка задачи по исследованию химического состава плотных ядер и мелкомасштабной фрагментарности в ядрах принадлежат д.ф.-м.н. И.И. Зинченко, которому автор также выражает благодарность за многочисленные ценные дискуссии, постоянное внимание к работе и ценные замечания. Постановка задач по исследованию профилей плотности в ядрах и свойств области индуцированного звездообразования W40 принадлежит автору. Постановка задач для наблюдений осуществлялась автором как лично, так и совместно с д.ф.-м.н. И.И. Зинченко. Программы для наблюдений и заявки на получение наблюдательного времени в большинстве случаев подготовлены лично автором. Проведе-
ниє наблюдений осуществлялось автором как лично, так и совместно с сотрудниками Института прикладной физики РАН д.ф.-м.н. И.И. Зин-ченко, Н.Р.Троицким, С.Ю.Малафеевым, с сотрудниками обсерватории Онсала д-ром Л. Иоханссоном и д-ром М. Томассоном, а также с сотрудниками обсерваторий SEST, IRAM, РМО и GMRT. В проведении наблюдений на GMRT принимал участие сотрудник TIFR К.Маллик. Всем им автор выражает свою искреннюю благодарность. Автором проведена обработка большей части полученных наблюдательных данных. Им проведен весь теоретический анализ, разработаны модели для расчета возбуждения молекул и проведены модельные расчеты. Все выводы диссертационной работы принадлежат автору.
Автор благодарен д.ф.-м.н. А.В. Лапинову за ценные дискуссии. Автор признателен проф. П. Каселли (University of Leeds) за помощь при анализе химических реакций, проф. Д. Янгу (РМО) за организацию наблюдений в обсерватории РМО и гостеприимство, проф. Ю. By (Pekin University) за ценные дискуссии, проф. Д.К. Оджха (TIFR) за ценные дискуссии и гостеприимство, а также персоналу обсерваторий Онсала, IRAM, SEST, РМО, Effelsberg, GMRT.
Данная работа проведена при поддержке грантов РФФИ 96-02-16472, 97-02-31011, 99-02-16556, 03-02-16307, 03-02-39016-ГФЕН, 06-02-16317, 08-02-00628, 11-02-92690, 12-02-00861 и 13-02-92697, гранта Совета при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ (НШ-1483), гранта Министерства Образования и Науки РФ (8421), грантов NASA-CRDF RPO-841, INTAS 99-1667 и 93-2168-ext, программами ОФН РАН "Протяженные объекты во Вселенной", "Активные процессы и стохастические структуры во Вселенной".
