Лучевые скорости звезд и определение структурных и кинематических характеристик галактики Расторгуев, Алексей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Изучение кинематики и строения Галактики и ее
подсистем на основе наблюдательных данных о пространственном
распределении объектов различной природы, лучевых скоростях и
собственных движениях звезд относится к числу классических задач
звездной астрономии. Постоянный интерес к этим проблемам
объясняется глобальным характером выводов, следующих из
результатов исследований. Действительно, такие важнейшие

наблюдательные характеристики Галактики, как расстояние от Солнца rjo ее центра, скорость вращения диска, форма кривой вращения, служат наблюдательной основой для построения реалистических моделей Галактики. обращение к этим проблемам стимулируется появлением нового наблюдательного материала.

Несмотря на большой прогресс в этой области наблюдательной
астрономии, непосредственно опирающейся на наблюдения и
эазработку новых методов исследования, существует целый ряд
зажных задач, на решении которых в настоящее время

сконцентрированы усилия многих научных групп, как наблюдателей, гак и теоретиков, сформулируем наиболее актуальные из них.

1. Измерение высокоточных лучевых скоростей звезд. Лучевые скорости являются основным наблюдательным материалом для изучения синематики подсистем галактики и динамики звездных скоплений. Злагодаря появлению эффективных корреляционных методов, за юследние два десятилетия объем данных многократно возрос. В :аталогах Вильсона (1953) и библиографических каталогах Абта, Зиггс (1972) и Барбье-Бросса и др. (1994) приводятся надежные іанньїе о лучевых скоростях многих десятков тысяч звезд. На первое іесто постепенно выдвигается задача детального анализа лучевых :коростей звезд, что связано как с пульсационной переменностью, :ак и с двойственностью. По некоторым оценкам, число двойных

среди, например, звезд высокой светимости (сверхгигантов, цефеид) должно достигать 20 X' и более (Сабадош, 1991; Мермийо, Майор, 1992). В силу этого легко понять, что точные измерения V_r имеют абсолютную ценность, как и данные фотоэлектрических измерений.

2. строение, кинематика и динамика шаровых и рассеянных
скоплений. Наблюдательные данные для этих систем все еще
немногочисленны. Так, лучевые скорости молодых рассеянных
скоплений, наиболее интересных с точки зрения изучения строения и
кинематики галактического диска, определяются по ОВ-звеэдам
крайне неуверенно. Представляется очень важным изучение молодых
скоплений, содержащих цефеиды - они фактически задают шкалу
расстояний в Галактике. Для скоплений умеренного и большого
возраста остается актуальным накопление массивов лучевых
скоростей красных звезд и определение на их основе средних
скоростей скоплений.

Еще менее изучены шаровые скопления Галактики. Из примерно 140 скоплений средние скорости разной точности есть приблизительно у 100 скоплений, а оценки дисперсии скоростей и вириальных масс - у 56 скоплений, причем в половине случаев они выполнены по уширению линий в интегральных спектрах. Массовые измерения индивидуальных скоростей красных гигантов в шаровы> скоплениях, определение структурных параметров и вычисление дисперсий скоростей звезд и масс .скоплений в рамках, например, простейшей модели Кинга (1966) по-прежнему остается актуальнейшеР задачей.

3. Определение расстояния до центра Галактики. Его значение
остается предметом оживленных дискуссий (Керр, Линден-белл, 1985;
Фист, 1987; Рейд, 1988, 1993). Сейчас уже ясно, что простое
усреднение полученных разными методами по различным объекта(
оценок, допустимое 15-20 лет назад, не дает гарантии получение
"наивероятнейшего" значения, поскольку каждый из методої

збременен своими систематическими и случайными ошибками, величина соторых чаще всего плохо изучена. Большую неопределенность вносит также проблема согласования шкал расстояний объектов разной трироды, например, объектов галактического диска и гало. Разработка новых методов оценки R₀ и использование уточненных наблюдательных данных (лучевые скорости, собственные движения, икалы расстояний) крайне необходимы для преодоления имеющейся неоднозначности оценок.

4. Кривая вращения Галактики и кинематические параметри. Для решения этой проблемы также необходим надежный наблюдательный материал. К числу объектов с наиболее хорошо установленной шкалой эасстояний относятся классические цефеиды, расстояние до которых зпределяется по зависимости "период - светимость" (Бердников, Ефремов, 1985). Тщательный отбор выборки, привлечение массива высокоточных лучевых скоростей и однородного материала по абсолютным собственным движениям, как ожидается, позволяет рассчитать наиболее надежную кривую вращения и получить независимую кинематическую оценку R₀.

С учетом глобального характера этих проблем, а также возможности использовать для решения высокоточные измерения лучевых скоростей, эти задачи, безусловно, представляются актуальными.

Цель работы. Одной из задач, поставленных перед данной диссертационной работой, является измерение высокоточных лучевых скоростей широкого класса звезд - цефеид, сверхгигантов, красных гигантов в рассеянных и шаровых звездных скоплениях, красных звезд в площадках Каптейна. Использование корреляционного спектрометра-измерителя лучевых скоростей (ИЛС) конструкции А.А.Токовинина обеспечивает массовое получение лучевых скоростей, сравнимых по точности с лучшими мировыми стандартами.

Вторая задача диссертации состоит в использовании полученного наблюдательного материала - лучевых скоростей - для решения целого ряда взаимосвязанных проблем:

1. определения высокоточных средних скоростей цефеид, вычисления или уточнения для спектрально - двойных цефеид орбитальных параметров;

2. определения лучевых скоростей рассеянных скоплений умеренного возраста;

3. вычисления кривой вращения системы цефеид и определения кинематическим методом расстояния до центра Галактики.

И, наконец, третья задача состоит в оценке новым методом расстояния до центра Галактики по пространственному распределению шаровых скоплений; определении структурных параметров ядер некоторых шаровых скоплений и, опираясь на лучевые скорости, оценке дисперсий скоростей и масс ряда шаровых скоплений.

Новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:

1. С корреляционным спектрометром конструкции А.А.Токовинина в 1987 - 1994 г. проведены высокоточные массовые измерения лучевых скоростей звезд спектральных классов F5 - М5, сравнимые по точности с лучшими мировыми стандартами.

Среди программных звезд - более 1100 звезд в 19 площадках Каптейна; около 300 звезд высокой светимости (сверхгигантов и ярких гигантов, для которых получено 660 измерений V_r); 107 цефеид северного неба; более 180 красных гигантов в шаровых скоплениях М4, М5, М10, М12, М71; красные гиганты в 25 рассеянных скоплениях. Полное число измерений превышает 6000. Эти измерения имеют, как и данные точной фотометрии, абсолютную и непреходящую ценность.

2. Получена самая богатая в мире сводка корреляционных

лучевых скоростей для цефеид, насчитывающая более 3000 измерений, что составляет около 50 % аналогичного по точности мирового наблюдательного материала.

Для 84 северных цефеид определены новые, более точные средние скорости с характерной ошибкой до 0.3 - 0.7 км/с; для 6 спектрально-двойных цефеид (из которых три открыты по нашим оригинальным наблюдениям) уточнены или впервые вычислены орбитальные элементы.

3. Методом фотоэлектрического сканирования узкой длинной
щелью определены структурные параметры центральных областей 11
шаровых скоплений. По лучевым скоростям красных гигантов
уточнены, (а для трех скоплений впервые рассчитаны) средние
скорости, дисперсии скоростей и массы шаровых скоплений М4, М5,
М10, М12, М71. Вычисленные значения отношения "касса
светимость" заключены в пределах от 1 до 2. Нами получены
кинематические данные для 5 скоплений из 56, для которых имеются
аналогичные наблюдения, причем в половине случаев - по
интегральным спектрам.

Впервые по лучевым скоростям обнаружено вращение шарового скопления М5 с угловой скоростью порядка 0.25 ки/с/пк (т.е. с линейной скоростью, достигающей 3-5 км/с) вокруг оси, ориентированной вдоль малой оси видимого эллипса скопления. Высказано предположения о связи формы скопления с его вращением.

4. Впервые определены или уточнены по высокоточным лучевым скоростям красных гигантов и цефеид - членов скоплений средние скорости 29 рассеянных скоплений. Впервые по лучевым скоростям доказано членство цефеид СЕ CAS A, CF CAS в рассеянном скоплении ПСС 7790.

5. Разработан новый метод учета наблюдательной селекции в пространственном распределении шаровых скоплений и методом максимального правдоподобия сделана оценка расстояния до центра

Галактики, равная R₀ = 7 ±0.5 кпк, и показателя степенного закона пространственной плотности скоплений (2.5 - 2.7).

6. По наиболее богатому и однородному наблюдательному
материалу - лучевым скоростям (из которых более 80 выведено в
настоящей работе) и собственным движениям 280 цефеид Галактики,
пульсирующих в основном тоне, с использованием шкалы расстояний
Бердникова, Ефремова (1985), после тщательного отбора звезд
выборки, рассчитана кривая вращения Галактики в интервале
галактоцентрических расстояний от 5 до 11.5 кпк.

Получены следующие значения фундаментальных кинематических характеристик: Ш₀ = 26 ± 2 км/с/кпк; А = 18.6 ± 0.7 км/с/кпк, инвариант AXR₀ = 132 ± 10 км/с, а также величина расстояния Солнца от центра Галактики, найденная по кинематике цефеид, R₀ = 7.1 ± 0.5 кпк. Показано наличие депрессии на кривой вращения за солнечным кругом. Сделан вывод о кинематической неоднородности выборки цефеид в зависимости от возраста.

7. Проведен кластерный анализ поля пространственных
скоростей ближайших звезд (включенных в каталог Глиэе, Ярейсса
(1991). Выделены 5-6 богатых движущихся скоплений с числом
членов, превышающим 25 - 30, заключающих всего около 160 - 210
звезд, т.е. 8 - 11 % всех звезд с пространственными скоростями.

Научная и практическая значимость. В первую очередь, наиболее ценными представляются полученные при выполнении диссертационной работы и опубликованные списки и каталоги индивидуальных высокоточных измерений лучевых скоростей звезд спектральных классов F5 - М5, которые могут быть использованы для изучения переменности лучевых скоростей, выявления и исследования спектрально-двойных звезд; изучения кинематики рассеянных и шаровых скоплений и диска Галактики; системы классических цефеид. Новая важная информация получена по кинематике звездных

скоплений. Средние скорости шаровых скоплений и оценки дисперсии
скоростей звезд использованы составителями каталогов

характеристик шаровых скоплений (Харрис, 1994; Приор, Мейлан, 1993). Индивидуальные измерения лучевых скоростей красных звезд в рассеянных скоплениях включены в базу данных Мермийо (1988).

Полученные в работе независимыми методами оценки расстояния до центра Галактики, а также кинематические характеристики системы цефеид, должны быть использованы для выведения согласованной системы фундаментальных постоянных Галактики. Кривая вращения Галактики, вычисленная на основе наиболее точных и строго отобранных наблюдательных данных, может быть использована для выбора оптимальной модели распределения масс в Галактике.

Многие результаты диссертации нашли отражение в читаемом на астрономическом отделении МГУ курсе лекций по галактической астрономии.

Апробация. Результаты, приведенные в диссертационной работе, в
разное время докладывались на Международных симпозиумах в Праге,
ЧССР (1984), Будапеште, ВНР (1979), Тарту (1992); были

представлены на коллоквиум MAC No.155, (Кейптаун, ЮАР, 1995); на Всесоюзных конференциях и совещаниях в Санкт-Петербурге и Свердловске (1988 - 1991 г.); часть результатов - на научных семинарах в Мичиганском, Иллинойсском университетах и НОАО (США) в 1987 г.; в ИНАСАН (Москва).

Все этапы работы обсуждались на заседаниях семинара по звездной астрономии ГАИШ МГУ. Обзорные доклады делались на заседаниях Ученого Совета ГАИШ МГУ и на Ломоносовских чтениях МГУ з 1991 и 1995 г.

Все основные результаты опубликованы в периодических астрономических изданиях и сборниках.

На защиту выносятся:

1. Результаты измерений высокоточных лучевых скоростей звезд
спектральных классов F5 - М5 с корреляционным спектрографом,
выполненных в 1987 - 1994 г.:

а) более 1100 звезд в 19 площадках Каптейна;

б) более 660 измерений лучевых скоростей 300 звезд высокой
светимости (сверхгигантов и ярких гигантов);

в) более 3000 измерений лучевых скоростей 107 северных цефеид.

г) 290 индивидуальных измерений лучевых скоростей 183 красных
гигантов в шаровых скоплениях М4, М5, НЮ, М12, М71.

2. Результаты определения средних лучевых скоростей 82 северных цефеид с точностью до 0.5 км/с и определения орбитальных элементов 6 спектрально - двойных цефеид, 3 из которых (MW CYG, VZ CYG, BY CAS) открыты по оригинальным данным.

3. Результаты изучения структуры центральных областей 11 шаровых скоплений (NGC 5024, 5272, 5904, 6205, 6218, 6254, 6341, 6402, 6712, 7078, 7089), полученные методом фотоэлектрического сканирования длинной узкой щелью (структурные параметры в рамках модели Кинга и обобщенно-изохронной модели).

4. Результаты определения средних скоростей, дисперсий скоростей, масс шаровых скоплений М4, М5, М10, М12, М71 и отношения массы к светимости в лучах V. Открытие вращения шарового скопления М5 с угловой скоростью порядка 0.25 км/с/пк относительно оси, почти совпадающей с малой осью видимого эллипса скопления.

5. Результаты определения или уточнения средних скоростей 29 рассеянных скоплений на основе измерения высокоточных лучевых скоростей красных гигантов и цефеид - членов скоплений.

6. Разработка метода учета наблюдательной селекции в пространственном распределении шаровых скоплений и оценка

расстояния до центра Галактики, равная R₀ = 7 ± 0.5 кпк.

7. Результаты определения кривой вращения и кинематических параметров по лучевым скоростям и собственным движениям выборки, состоящей из 280 цефеид Галактики. Получены значения Ш₀ = 26 ± 2 кн/с/кпк; Л =13.6+0.7 ки/с/кпк, а также величина R„ = 7.1 ± 0.5 кпк. Показано наличие депрессии на кривой вращения цефеид за солнечным кругом в хорошем соответствии с данными по HI и НИ.

8. Результаты анализа поля пространственных скоростей ближайших звезд (в пределах 25 пк от Солнца, включенных в каталог Глиэе). Методом иерархического скучивания выделены 5-6 богатых движущихся скоплений с числом членов, превышающим 25 - 30.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложения. Общий объем диссертации - 198 стрічнії, включая 21 рисунок, 13 таблиц, 34 страницы Приложения с кат; югами лучевых скоростей и сводкой наблюдательных данных о 288 цефеидах Галактики. Список литературы содержит 211 работ.