Крупномасштабные неравновесные процессы в межзвездной среде Щекинов, Юрий Андреевич

Введение к работе

;.' 'у.;\\ '

Межзвездная среда (МЗС) представляет собой яркий пример термодинамически неравновесной системы. Она включает в себя многофазную газовую составляющую, заполненную неравновесным электромагнитным излучением и космическими лучами и возбуждаемую ударными волнами от вспышек сверхновых, звездного ветра, зон ни, аккреции межгалактического газа и т.д. Многие свойства межзвездной среды определяются особенностями взаимодействия ее компонент друг с другом и энергетикой возмущающих ее ударных волн. Диссертация посвящена .исследованию тех процессов в МЗС, которые опре-, деляют ее глобальные характеристики .такие как энергетика и фазовый состав, "особенности звездообразования, обмен энергией и массой между, диском и гало.

Актуальность проблемы. За последние двадцать лет совокупность данных, составляющих основу эмпирического описания межзвездной среды, была пополнена несколькими фундаментальными открытиями, принципиальным образом изменившими наши представления о ее структуре и динамике. Сюда относятся: а} обнаружение в большом количестве МНОГОЗарЯДНЫХ ИОНОВ (OVI, HV, CIV, SilV И ДР..) В МЗС [1,2];

б) обнаружение мнэгозарядных ионов (civ, suv и nv> в газе галактического гало на больших расстояниях (^ З кгаО от плоскости Галактики [З]; в) установление того факта, что звездообразование в галактиках может носить характер глобальных вспышек [4,5]; г) обнаружение следов стимулированного звездообразования в звездных ассоциациях [6-8].

Первые же работы, предпринятые для объяснения наблюдаемого распределения многозарядных ионов продемонстрировали необходимость детальных исследований крупномасштабных эффектов в межзвездной среде, ее глобальной энергетики и массообмена между различными фазами, определяющими статус МЗС в Галактике [9-10]. Наиболее отчетливо это проявилось при попытках интерпретации распределения газа в галактическом гало [ii-i2], феномена глобальных вспышек звездообразования [із] и пространственно-временной организации в звездных ассоциациях и звездных комплексах [14].

Согласно современной точке зрения происхождение нногозарядных

ионов в диске, и в гало Галактики связано с нагревом газа и выбросом его на большие расстояния от плоскости Галактики вспышками сверхновых [її]. С другой-стороны» бесспорной в настоящее время является идея о возможности усиления звездообразования под влияние стимулирующего действия молодых активных звезд на газ [12,із]. С этой точки зрения приведенная совокупность фактов 'содержит в себе информацию не только о характере пассивного отклика газа на воздействие со стороны молодых массивных звезд и об эффективности превращения газа в звезды; но и об особенностях обратных связей, регулирующих динамику системы "газ - молодые звезды".

Очевидна необходимость построения теоретической модели-межзвездной среды, адекватной всей совокупности наблюдательных данных, описывающих ее глобальные свойства. Следующие вопросы имеют первостепенное значение для понимания крупномасштабной динамики МЗС:

-тепловая и ионизационная структура течений за фронтами ударных волн;

-транспорт массы из газового диска в гало Галактики;

-характер обратных связей в системе, включающей в себя межзвездный газ и молодые звезды, и обеспечивающие их действие механизмы. Изучению этих вопросов посвяшена диссертация.

Целью диссертации является исследование неравновесных процессов в межзвездном газе, которые проявляются на- больших масштабах и определяют его глобальный энерго- и массообкен. Конкретно были поставлены следующие задачи:

1. Исследование неравновесных тепловых и химических процессов в догалактическом газе и, в частности, в крупномасштабных космологических ударных волнах.

2. Исследование характера звездообразования на ранних стадиях эволюции Галактики.

3. Классификация режимов индуцированного звездообразования. Построение теории когерентных вспышек звездообразования, стимулированных нагревающим излучением. .

4. Численное исследование ионизационного баланса в
неравновесной межзвездной среде. Исследование статистических
свойств горячей фазы межзвездной среды.

5. Построение теории энерго- и массообмена между газом диска и гало Галактики.

Научная новизна. В диссертации впервые исследованы эффекты неизотермичности течения газа за фронтами крупномасштабных космологических ударных волн, влияние неизотермичности на эмиссионные характеристики сжатого ударными волнами газа. Впервые исследовано влияние ветровой и взрывной активности массивных звезд на характер звездообразования в ранней Галактике. Предложен механизм обратной связи в звездообразуицих системах, обеспечивающий * дальнодействущия характер индуцированного звездообразования; построена численная модель глобальной вспышки звездообразования. Создан комплекс программ, позволяхвдх рассчитывать ионизационный состав вещества, подверженного действию нагревающих и ионизующих факторов, в том числе рентгеновского излучения, как в стационарных, так и в нестационарных условиях. Построена многотемпературная модель межзвездного газа. ' Исследована эффективность механизма галактического фонтана. Предложен механизм переноса массы из диска в гало, основанный на ускорении межзвездных облаков хаотическими ударными.волнами от сверхновых і типа. В рамках сосредоточенной модели исследовано действие обратных связей в системе' "газовый диск - газовое гало".

Научная и практическая ценность. Научная ценность диссертации определяется решением следующих теоретических ' задач: исследованием неравновесных состояний газа за фронтами крупномасштабных ударных волн, предшествующих или сопутствующих образованию галактик; исследованием механизмов, обеспечивающих когерентный режим звездообразования на ранних стадиях эволюции Галактики; разработкой теории, описывающей глобальные вспышки звездообразования, возбуждаемые фоновым ультрафиолетовым излучением; разработкой теории переноса газа из дисковой составляющей Галактики в гало хаотическими ударными волнами, генерируемыми ансамблем сверхновых; исследованием обратных связей между газом диска и гало Галактики.

Практическая ценность определяется совокупностью результатов и представлений, расширяющих понимание природы процессов, имеющих

место в межзвездной . среде, а также следующих отсвда наблюдательных тестов: ,

результаты исследования свойств неизотермичной плазмы за фронтами крупномасштабных ударных волн в предгалактическом газе могут быть использованы при интерпретации наблюдаемых характеристик галактик с аномально низким- содержанием тяжелых элементов и протогалактических объектов; предложенные механизмы синхронизации звездообразования в больших масштабах позволяют делать количественные выводы о различных стадиях эволюции галактик со следами глобальных вспышек; результаты численного моделирования ионизационных свойств МЗС дают основу для статистической обработки наблюдаемых свойств межзвездного поглощения в линиях многозарядных ионов.

Полученные результаты используются в теоретических исследованиях по физике звездообразования, физике газового гало и тепловым свойствам предгалактического газа в ГАИШ МГУ, ГАО АН Украины, ИТФ АН Украины. Волгоградском университете, ИАФА АН Эстонии, САО Российской АН, Институте астрономии АН Чехословакии. Разработанные в. диссертации вычислительные методы используются при расчетах теплового и ионизационного состояния ионосферы и верхних слоев атмосферы Земли. '

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Не"изотермичность плазмы за фронтами крупномасштабных
ударных волн в догалактическои газе обеспечивает его высокую
светимость в линии ьуа - энерговыделение составляет около
10¹⁴эрг<т.

2. В адиабатическом сценарии происхождения галактик плазма за
фронтом ударной волны неизотермична, если ее скорость меньше
некоторого критического значения, D_sh* .500 км/с. Во взрывном
сценарии - после выхода ударной волны на радиационную стадию.

3. Неизотерыичность плазмы за фронтами космологических
ударных волн облегчает тепловую неустойчивость изобарических
возмущений.

4. Ветровая и взрывная активность первичных массивных звезд
обуславливает волновой характер звездообразования на ранних
стадиях эволюции 'Галактики.

5. Подвод энергии к межзвездным облакам через их новерхностньв слои непроникаодим нагревающим- излучением или теплопроводностью вызывает имплозию облаков.

6. Ультрафиолетовое нагревающее излучение, вызывающее имплозию межзвездных облаков, обеспечивает положительную обратную связь в звездообразухвдх системах в больших масштабах и,тем самым, может возбуждать глобальные вспышки звездообразования.

7. При частоте вспышек сверхновых в Галактике v < (15 лет)^-1 межзвездный газ разреженной фазы, ответственный за наблюдаемое поглощение -в линиях ионов ovi и, частично, в линиях civ И SilV является многотемпературный с Т = 1(Р - 3-Ю⁵ К.

8. Газ галактического гало с экспоненциальным распределением плотности препятствует выходу ударных волн от- сверхновых и ограничивает эффективность переноса нассы из диска в гало на высоту, сравнимую с наблюдаемой шкалой высот высокоширотного газа civ и siiv. Выброс газа в гало может обеспечиваться лишь кумулятивным взрывом нескольких сотен сверхновых.

9. В центральной области Галактики перенос массы из диска в гало может осуществляться путем стохастического ускорения межзвездного газа вспышками сверхновых і типа.

10. Эффекты индуцированного звездообразования в системе "газовый диск - газовое гало" с активной ролью последнего обеспечивает возможность существования в ней устойчивых автоколебательных режимов с амплитудой, зависящей от параметров взаимодействия диска и гало.

Ашгообаїшя работы. Результаты работы докладывались на семзшарах кафедры астрофизики и отдела космических исследований НИИФ РГУ. лаборатории космической физики и радиоастрономии РГУ, кафедры обшей и теоретической физики ВолГУ, на астрофизических семинарах ЙКИ АН СССР. ФИАН СССР. ФТИ АН СССР, ИАФА АН Эстонии, на семинарах рабочей группы "Физика межзвездной среды" (,Москва, 1981, 1983, 1985, 1985, 1987. Горький 1989;. на рабочем совещании по молекулярной астрофизике (Ленинград, 1979}, на Всесоюзном совещании "Строение и эвоюция галактик" (.Боржоми, 19803, на Всесоюзных совещаниях по физике межзвездной среды (Терскол, 1980; Абастумани, 1985; Дрогобич, 1987; Ленинград, 1988; Киев, 19893, на Всесоюзных семинарах "Актуальные проблемы астрофизики"

8 (Абрау-Дюрсо, 1983; Цей. 1990), на Всесоюзном совещании "Крупномасштабная структура Вселенной" (Таллинн. 1981), на совещании подкомиссии но 6 в рамках многостороннего сотрудничества "Скопления и ассоциации" (Нижний Архыз, 1981), на Всесоюзной конференции "Структура галактик и звездообразование" СКиев, 1983), на рабочем совещании по инфракрасной и субмиллиметровой астрономии (Тыравере, 1985), на Всесоюзном совещании рабочей группы "Галактика" (.Киев, 1985), на Симпозиуме МАС 146 "Динамика галактик и распределение молекулярных облаков" (Париж, 1990), на 12-й Европейской астрономической конференции (Давос, 1990), на Всесоюзной конференции "Астрофизика сегодня" (Нижний Новгород, 1991). на совещании Центра теоретических исследований Карлова университета Но і "Эволюция межзвездной среды и динамика галактик" (Прага, 1991).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка цитируемой литературы (284 названия) и четырех Приложений. Полный объем диссертации 313 стр., в том числе 250 стр. текста, 35 рисунков, 1 таблица, 17 стр. Приложений.