Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках Акимкин, Виталий Викторович

Введение к работе

Актуальность работы

Последние результаты поиска внесолнечных планет уверенно указывают, что планеты повсеместны в Галактике. Их обнаруживают как у звезд [1], так и изолированно от них [2]. Само наличие хотя бы одной планеты у звезды малой или промежуточной массы стало скорее правилом, чем исключением. К началу 2013 г. различными методиками открыто более 800 планет (см. ), и более 18000 объектов находится в списке кандидатов в планеты по данным телескопа «Кеплер» [3]. Методы лучевых скоростей, затмений и микролинзирования независимо друг от друга указывают, что вероятность наличия хотя бы одной планеты у звезды солнечного типа превышает 50% [4-7]. Этот основополагающий вывод привел к всплеску активности и в смежных областях, особенно, в исследовании естественных предшественников планетных систем — протопланетных дисков.

Актуальность исследований протопланетных дисков связана также с развитием наблюдательной базы. Значительная доля излучения протопланетных дисков приходится на инфракрасный (IIK) и радио- диапазоны. Мощные инструменты для наблюдений в этих диапазонах появились лишь в последнее время. Еще одной причиной интереса к исследованиям протопланетных дисков, которая никогда не потеряет своей актуальности, является мировоззренческий аспект проблемы. Понимание происхождения планетных систем и, в конечном счете, самой жизни невозможно без понимания феномена протопланетных дисков.

Фундамент теории газо-пылевых дисков как областей формирования планет был заложен еще И. Кантом и П. Лапласом в 18 веке и существенно развит В. С. Сафроновым в 1960-х гг. [8]. Однако первые прямые свидетельства существования околозвездных дисков появились только в начале 1980-х гг. благодаря космическому телескопу IRAS, обнаружившему ПК-избытки в спектрах молодых звезд [9-11]. В начале 1990-х гг. с помощью космического телескопа им. Хаббла были получены первые прямые изображения пылевых дисков в области звездообразования в Орионе [12]. В этом исследовании пылевые диски были обнаружены более чем у половины молодых звезд, а оценки массы дисков удовлетворяли необходимому условию образования в них планетных систем. Еще одним важным событием в становлении современной теории происхождения планетных систем стало открытие в 1995 г. первой планеты у звезды солнечного типа [13]. Существенные продвижения в наблюдательном изучении протопланетных дисков связаны с успехами космических ИК-телескопов — «Спитцер» и «Гершель», — благодаря которым получены оценки физических свойств газа и пыли в нескольких сотнях протопланетных дисков [14, 15]. Основные аспекты современных исследований формирования планетных систем детально представлены, например, в работах [16-19].

Наблюдения протопланетных дисков являются сложной задачей из-за их сравнительно небольших размеров и преимущественно низких температур, однако ряд базовых фактов об их эволюции и структуре к настоящему времени установлен вполне надежно [20]. В частности, изучение протопланетных дисков в среднем ИК-диапазоне позволило определить частоту встречаемости дисков и среднее время их жизни [21]. По наблюдениям в миллиметровом диапазоне определяются массы дисков [22]. Исследование функции светимости дисков в миллиметровом диапазоне в областях звездообразования различных возрастов [23] указывает, что за « 2 миллиона лет субмикронные пылинки успевают вырасти до сантиметровых и более крупных. Такая временная шкала эволюции согласуется с данными ближнего и среднего ИК-диапазонов [21, 24].

Интерферометрические наблюдения позволяют исследовать не только интегральные свойства дисков, но и их структуру [25]. Для получения информации о строении протопланетных дисков в ближайших областях звездообразования необходимо разрешение лучше 1", которое сейчас доступно па интерферометрах CARMA, IRAM PdBI, SMA и ALMA. На данный момент пространственно разрешенные наблюдения на длинах волн от оптического диапазона до радиодиапазона в линиях молекул и в континууме получены более чем для полутора сотен протопланетных дисков (см. http: //circumstellardisks.org/). Эти наблюдения позволяют накладывать более строгие ограничения на свойства пылинок, распределение плотности и общую структуру протопланетных дисков на ранних эволюционных стадиях [20]. Подобная информация является ключевой при поиске ответа на один из важнейших вопросов — даст ли конкретных диск начало новой планетной системе?

Мощной наблюдательной опорой как для определения характеристик конкретных протопланетных дисков [26, 27], так и для статистических исследований [28] стал ввод в строй интерферометра ALMA. Показательно, что первым объектом для наблюдений на ALMA — самом дорогостоящем наземном инструменте — стал именно протопланетный диск у звезды TW Нуа.

Несомненно, в ближайшем будущем объем данных о протопланетных дисках существенно вырастет. Интерпретация высококлассных наблюдений требует теоретического описания сопоставимого уровня. Таким образом, становится все более актуальной задача разработки комплексной модели протопланетного диска. Разработке и применению такой модели посвящена представленная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы состоит в

исследовании влияния эволюции пыли на физико-химическую

структуру протопланетных дисков;

разработке методики интерпретации наблюдений в (суб)милли-

метровом диапазоне с высоким пространственным разрешением;

определении характеристик протопланетного диска CB 26.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. 1. разработка и программная реализация метода переноса излучения в континууме для произвольных оптических толщин;

   2. разработка самосогласованной модели физико-химической структуры маломассивного диска вокруг одиночной звезды с учетом переноса излучения, эволюции пыли, теплового баланса

   и химии газа;

   1. 3. разработка программных комплексов для построения синтетических изображений протопланетных дисков в инфракрасном и радио- диапазонах и поиска модели наилучшего соответствия для конкретных объектов на основе их пространственно разрешенных наблюдений;

      4. исследование влияния ультрафиолетового (УФ) избытка в спектре родительской звезды на физическую и химическую структуру протопланетных дисков;

      5. анализ проявления эволюции пыли в наблюдаемых параметрах диска, анализ связи между эволюцией пыли и молекулярным составом диска, выявление молекулярных индикаторов эволюции пыли;

      6. апробация методики восстановления структуры протопланетных дисков и свойств пыли в них на основе наблюдений про- топланетного диска CB 26.

      Научная новизна

      Следующие основные результаты были получены впервые:

      1. 6. 1. Физико-химическая модель протопланетного диска, одновременно и согласованно учитывающая детальную эволюцию пыли (коагуляцию, фрагментацию, оседание), перенос излучения в континууме, тепловой баланс газа и нестационарную химию;

            2. Расчет двумерной физико-химической структуры диска с учетом эволюции пыли;

            3. Сравнение отклика физической и химической структуры дисков на различные УФ-избытки с учетом эволюции пыли;

            4. Список молекул — индикаторов эволюционной стадии протопланетных дисков — содержание которых существенно меняется в процессе эволюции пыли: СО2, H₂O, НСООН, HCN, СО;

            5. Определение характеристик протопланетного диска CB 26 на основе наблюдений с интерферометров OVRO, SMA, PdBI на трех частотах. Доказательство наличия центральной области без пыли, определение верхнего предела на размер пылинок в диске a_max « 0.02 см, указывающего па раннюю стадию эволюции;

            6. Исследование проблемы вырождения между структурными и тепловыми параметрами протопланетного диска CB 26.

            Научная и практическая значимость

            В ходе выполнения диссертационной работы сделан новый шаг к пониманию физики протопланетных дисков и их наблюдательных проявлений. Разработанный пакет программ представляют собой комплексный инструмент для интерпретации современных высококлассных наблюдений на (суб)миллиметровых интерферометрах ALMA, SMA, PdBI, CARMA. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в ведущих международных и российских научных изданиях и используются исследователями из России (ИНАСАН, СПбГУ) и других стран (Института астрономии им. М. Планка, Германия; Университет Вирджинии, США).

            Структура и объем диссертации

            Похожие диссертации на Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках

            

            Перенос излучения и динамика газово-пылевых оболочек звезд Окороков Валерий Анатольевич

            

            Эволюция корреляционных соотношений скоплений галактик. Неразрешенное излучение северного диска галактики М31Котов Олег Васильевич

            

            Эволюция пыли во внегалактических областях ионизованного водородаМурга Мария Сергеевна

            Перенос излучения при релятивистских скоростях выброса в сверхновых и гамма-всплескахТолстов Алексей Геннадьевич

            Статистические методы решения неаддитивных задач теории переноса излученийЛаппа, Александр Владимирович

            Перенос излучения и радиационное давление в плазменных оболочках магнитных вырожденных звездСербер, Александр Волькович

            Многомерные задачи переноса излучения в лазерной физике высоких интенсивностейГалкин, Андрей Леонидович

            Решение обратных задач переноса излучения методом Монте КарлоАнтюфеев, Виктор Степанович

            

            Методы Монте-Карло с вычислением производных для решения задач теории переноса излучения с учетом поляризацииЮрков Дмитрий Иванович

            

            Метод дискретных ординат и линейно-алгебраическая модель переноса излученияКнязихин, Юрий Ветсович