Введение к работе
Актуальность проблемы
Особое место в современной астрофизике занимает исследование струй, а также объектов, которые являются источниками струй. Класс объектов, у которых наблюдаются струи, весьма широк. Это — звезды в тесных двойных системах, в которых происходит аккреция газа на релятивистский компонент (белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру); активные ядра галактик; формирующиеся молодые звезды; ядра планетарных туманностей; яркие голубые переменные LBV. Проблема образования астрофизических струй сейчас далека от разрешения. В последние годы преобладает мнение, что источником струй у всех упомянутых объектов являются аккреционные диски (Ли-вио, 1996). Струи образуются в аккреционном диске либо при сверхкритическом режиме аккреции газа, либо при наличии дополнительного источника энергии у центрального объекта (например, вращение или термоядерное горение), либо при генерации магнитных полей во внутренних областях диска. Разница в масштабах перечисленных объектов — источников струи очень велика: от объектов примерно солнечной массы в случае звезд, до объектов массой ]06 — 109 М0, находящихся в ядрах галактик и квазаров. И тем не менее, механизмы, которые приводят к выбросу газа в струях, могут быть весьма близкими. Исследование объектов, формирующих струи, проводятся сейчас всеми доступными астрофизике методами: с помощью наблюдений во всех диапазонах электромагнитного спектра, теоретически, с помощью компьютерного моделирования. Наблюдения проводятся на крупнейших оптических телескопах, в частности, на 6-метровом телескопе САО. Эти программы являются приоритетными в работе Космического Телескопа.
В пионерской работе Шакуры и Сюняева (1973) была описана структура аккреционного диска и его наблюдательные проявления. Там же впервые была предложена модель сверхкритического аккреционного диска и было показано, что в диске формируется высокоскоростной отток вещества, направленный по оси. Эту модель блестяще подтвердило открытие в 1978 г. объекта SS433 — тесной двойной системы, в которой реали-
зуется режим сверхкритической аккреции. Это открытие инициировало многие работы по исследованию сверхкритическогс режима и формированию струйных выбросов. Изучению только одного этого объекта и явлений, с ним связанных, посвящено более тысячи публикаций. Такая активность объясняется тем, что SS433 не только обладает удивительными и необычными свойствами, но и представляет собой уникальную лабораторию релятивистской астрофизики. Главной особенностьк SS433, определяющей его свойства, является то, что оптическая массивная звезда в системе находится на быстрой стадии эволюции — интенсивной потери газа через критическую точк^ Лагранжа. Это обеспечивает образование сверхкритическогс аккреционного диска вокруг релятивистской звезды. В SS432 мы непосредственно наблюдаем важнейшие процессы: формирование аккреционного диска в двойной системе; проявление сверхкритического режима аккреции и образование ветра, ис текающего из диска; формирование, ускорение и коллимацик релятивистских струй; распространение этих струй в среде г проявление их как радиоструй. Наличие в SS 433 прецессии диска и струй, а также затмений диска и места выхода струй (канала или воронки) предоставляет нам уникальные возможности прямого исследования перечисленных выше явлений. Изучение SS433 очень важно для понимания активности ядер галактик Этот объект иногда называют "миниквазаром", и такая аналогия достаточно точна. Благодаря исследованию SS433, сталг. понятны или прояснились некоторые проблемы активных ядер галактик, например, проблема доставки релятивистских частиг на большие расстояния от источника, прецессии радиоструй j радиогапактик, формирования конусов коллимированного излучения и другие. Несмотря на значительные успехи в работах по следних лет, в этой области астрофизики нерешенных проблем больше, чем уже решенных. Поэтому детальное исследование самого объекта SS 433 является весьма актуальным.
Среди симбиотических систем, в которых аккреция газа про исходит на белый карлик, известны источники струй MWC56C и R Aqr. Скорость распространения струй у таких звезд близкг к параболической скорости для белого карлика (несколько тысяч км/с). Очень благоприятная ориентация струй MWC560 совпадающая с лучом зрения, делает возможным детальное из
учение струй симбиотических систем на примере этой звезды., SS433 и MWC560 — единственные известные в астрофизике объекты, струи которых могут быть исследованы прямыми, в частности, спектральными методами. По этой причине именно эти два объекта выбраны нами для детального исследования.
Важной проблемой является поиск объектов типа SS433 и исследование других типов объектов, в частности, тесных двойных звезд, в которых образуются струи. Изучение сходства и различий в них необходимо для понимания механизмов формирования и коллимации струй. При решении проблемы поиска объектов типа SS433 следует учитывать, что новые объекты могут быть не полностью похожи па известный оригинал или по-другому ориентированы по отношению к наблюдателю. Например, наблюдатель, находящийся близко к оси струй SS433, обнаружит очень яркий рентгеновский источник и будет иметь шанс непосредственно "увидеть" аккрецирующую газ черную дыру. Для понимания эволюционного статуса SS 433, кроме точного знания параметров орбиты системы, масс компонентов и темпов потери газа системой, важно сравнение с объектами, находящимися на близких стадиях эволюции. SS433 является массивной двойной системой и одной из самых ярких звезд в Галактике, но поглощение света SS 433 весьма велико. Подобные объекты в Галактике располагаются в диске или близко к центру (Павлинский и др., 1994), в областях, богатых газом и пылью. Они могут быть скрыты от наблюдателя из-за межзвездного поглощения света. В ближайших галактиках такие звезды будут еще вполне доступны наблюдениям в оптике или в ультрафиолете. Поэтому важной задачей становится поиск подобных объектов в ближайших галактиках. Интересным и редким типом звезд являются яркие голубые переменные (LBV). Это массивные молодые звезды, находящиеся на стадии интенсивной потери газа в тепловой шкале времени. В паре с релятивистской звездой такой объект вполне мог бы иметь свойства SS 433. Обсуждающейся в литературе эволюции массивной одиночной звезды: ОВ-сверхгигант —» LBV —+ WN можно сопоставить эволюцию такой же звезды, по в паре с образовавшимся релятивистским компонентом CygX-1 —> SS433 —> CygX-3. Для прояснения картины эволюции массивных звезд необходимо значительно увеличить количество известных звезд этих
типов. Приоритетность работы заключается в том, что в ней впервые реализуется идея массового систематического поиска в ближайших галактиках наиболее массивных звезд, находящихся на критических стадиях эволюции. Все это обеспечивает актуальность проблемы.
Цель работы
Основная цель работы заключалась в детальном исследовании системы SS433. Из наблюдений необходимо было определить параметры релятивистских струй, структуру аккреционного диска и потоков газа у этого объекта. Без этих данных невозможно выделить механизмы образования струй, их ускорения и коллимации, понять эволюционный статус этого объекта. В результате такого исследования может появиться модель сверхкритического аккреционного диска, и, что особенно важно, модель машины, образующей струи. Целью работы было также исследование других объектов, выбрасывающих струи, в частность, детальное изучение уникальной симбиотической звезды MWC560. На примере этой системы необходимо было изучить механизмы образования струй в аккреционном диске, где центральной звездой является белый карлик. Для понимания места SS 433 среди совокупности массивных звезд, условий его образования и частоты встречаемости необходимо исследование других объектов этого типа. Для этого был предпринят их систематический поиск в галактике М 33 и массовая спектроскопия кандидатов в уникальные объекты в этой галактике, а также в галактиках М81 и NGC2403.
Научная новизна
1. Впервые найдены точные геометрические и кинематические параметры струй SS 433 на основе наблюдений и моделирования профилей их линий. Переменность интенсивно стей и профилей линий, формирующихся в струях, была объяснена эффектом проекции в нутационном движении струй. Впервые на основе анализа интенсивностей водородных линий струй и сравнения их с расчетными были найдены физические характеристики газа в струях: плот-
ность, температура, оптическая толщина и размеры облаков. Был сделан вывод об иерархической структуре оптической струи: облака —> скопления облаков —» крупномасштабные неоднородности ("пули"). Было проведено исследование анизотропии излучения облаков газа в струе; сделаны выводы о динамическом нагреве газа, о просветлении облаков при выметании струями ветра аккреционного диска. Впервые на основе данных наблюдений была исследована эволюция газа в струе, указаны причины свечения струи в линиях и удержания облаков от расширения. Найден и объяснен профиль яркости линейчатого излучения вдоль струи. В струе были выделены зоны выметания и расширения. Была объяснен известная из наблюдений VLBI зона поярчения радиоизлучения в струях SS 433.
-
Открыта двухкомпонентная структура стационарных эмиссионных линий SS433. Выделены компоненты, формирующиеся в газовом потоке, направленном в диск; в горячих образованиях ("коконах Hell"), расположенных вокруг оснований релятивистских струй. Определены условия затмения, а также параметры газового потока и горячих коконов. Была обнаружена прецессионная переменность лучевых скоростей эмиссионных и абсорбционных линий SS433. Была найдена значительная переменность орбитальных кривых лучевых скоростей с фазой прецессии, без учета которой невозможно найти корректную функцию масс системы. Была найдена функция масс SS433 и получено доказательство того, что эта система является массивной.
-
Впервые было получено наблюдательное доказательство существования ветра, возникающего в сверхкритическом аккреционном диске. Найдено, что линии поглощения в спектре SS433 образуются в этом ветре. Определен профиль скорости ветра в диске SS433. Таким образом, была подтверждена картина строения сверхкритического диска, предложенная Шакурой и Сюняевым (1973). Найдено наблюдательное свидетельство существования шлейфа за оптической звездой в системе (области возмущения ветра).
Получено наблюдательное подтверждение модели "плавающих" аккреционных дисков (Шакура, 1972) и сделан вывод, что в SS433 реализуется эта модель прецессии.
-
Впервые были найдены периодичности в изменении лучевых скоростей эмиссионных линии SS433, которые являются кратными прецессионному периоду. Предложена интерпретация их как проявления спиральных ударных волн в аккреционном диске. Спиральные ударные волны до сих пор были обнаружены только в аккреционных дисках ката-клизмических переменных. Впервые было предсказано существование протяженного растекающегося диска вокруг системы SS 433 и определены его параметры. Существование этого диска позднее было подтверждено в наблюдениях рентгеновского спутника ASCA. Впервые построен спектр SS433 от УФ до ближнего ИК диапазона. Температура аккреционного диска SS433 впервые была определена с привлечением данных УФ наблюдений с Космического Тепе скопа. Впервые было найдено, что величина линейной поляризации излучения SS 433 резко возрастает в УФ области
-
В результате спектрального мониторинга уникальной сим биотической звезды со струями MWC560 была обнаруже на переменность оптического (БТА) и УФ (IUE) снектро] с характерным временем 1-3 часа. Впервые были най дены наблюдательные свидетельства удаляющейся струи расположенной за аккреционным диском. Были определеш геометрические параметры струй MWC 560 и физически* условия в них. Предложена интерпретация горячего источ ника MWC 560 как фотосферы мощного ветра, истекающе го из внутренних областей вокруг белого карлика. Впервы получены оценки параметров горячего источника, найдеї темп аккреции газа на белый карлик, темп потери газ в ветре и в струях. Впервые было проведено тестировани моделей и механизмов выброса газа как в струях MWC 56С так и в ветре. Сделан вывод о пропеллерном механизме вь: броса струй вращающимся магнитным полем белого карлЕ ка. На основе данных о темпе аккреции и скорости ист* чения газа в струях MWC560 предсказана величина маї
нитного поля на белом карлике и характерный период его вращения. Недавно болгарскими и польскими астрономами были открыты периодические изменения блеска этого объекта, найденный период оказался в интервале предсказанных периодов.
6. Впервые была поставлена задача систематического поиска объектов типа SS433 в других галактиках. Были разработаны критерии поиска и выделения звезд-кандидатов. Этим критериям удовлетворяют также объекты LBV. Были получены списки звезд-кандидатов в уникальные объекты в галактике М 33. Впервые проведено систематическое исследование голубых объектов с эмиссией На в галактике М 33. Было показано, что такое исследование и полученные списки имеют ценность не только при поиске кандидатов в объекты типа SS433, но и в выделении кандидатов в звезды LBV, гипергиганты, сверхгиганты и звезды типа WN. По морфологическим признакам выделено около 300 голубых звезд с областями НII и 80 звезд. Выделена группа из 20 ярчайших звезд с эмиссией На — кандидатов в гипергиганты и объекты LBV. На основе результатов проведенной на БТА первичной спектроскопии звезд в галактике М 33 получен список звезд-сверхгигантов, среди них выделены два кандидата в объекты типа SS 433: звезды На 19 и 1322. Впервые проведена массовая мупьтиобъектная спектроскопия звезд в галактиках М 81 и NGC 2403. В результате нашей спектроскопии количество звезд, у которых были получены спектры, увеличилось в галактике МЗЗ в 1.5-2 раза, а в галактиках М81 и NGC2403 примерно в 4 раза.
Практическое оначение работы
В работе проведено детальное исследование двух уникальных двойных звезд, источников струй SS 433 и MWC 560. Полученные данные о параметрах этих систем и строении их аккреционных дисков будут использованы другими исследователями при построении моделей ускорения и коллимации астрофизических струй. Механизмы выброса газа из дисков могут быть определены более точно как в случае сверхкритической дисковой
аккреции на релятивистскую звезду, так и при выбросе вращающимся магнитным полем. Накоплен большой спектральный и фотометрический наблюдательный материал. Особенную ценность представляют данные, полученные в рамках кооперативных программ. Весь наблюдательный материал опубликован и может быть использован при исследованию! этих объектов. Результаты исследования голубых звездных объектов с эмиссией в На в галактике М 33 могут быть испольоованы другими исследователями при анализе звездного населения этой галактики, истории звездообразования, распределения Н П-областей по галактике, интерпретации и отборе отдельных объектов. Результаты массовой спектроскопии объектов в галактиках МЗЗ, М81 и NGC2403 будут использоваться при более детальном анализе наиболее интересных объектов — кандидатов в звезды типа SS433, LBV, Ofpe/WN и WR. Результаты спектроскопии и списки объектов уже запрошены и получены группой Проф. Р. Кудрицкого (Мюнхен). В настоящее время это самая активная группа в мире, занимающаяся исследованием сверхгигантов в ближайших галактиках, она имеет наблюдательное время на 10-метровых телескопах Keck и резервированное время на строящихся 8-метровых телескопах VLT.
Апробация работы
Основные результаты диссертации изложены в 39 печатных работах и докладывались на семинарах САО РАН, ГА-ИІІІ, ИКЙ, Объединенном астрономическом семинаре (г. Москва), Г АО РАН, Физико-технического института им. Иоффе (г. Санкт-Петербург), Крымской астрофизической обсерватории, Южной Станции ГАИШ, Одесской обсерватории, обсерватории Варшавского университета, Центра Астрофизики им. Коперника (г. Варшава), Королевской Гринвичской обсерватории, Института Астрономии (г. Кембридж), Королевской Эдинбургской обсерватории (г. Эдинбург), Обсерватории Джодрелл Бэнк (г. Манчестер), Лейсестерского университета (г. Лейсестер, Англия); а также на Всесоюзных семинарах "Актуальные проблемы астрофизики" (октябрь 1983 г., октябрь 1986 г., Абрау-Дюрсо), Всесоюзных конференциях молодых ученых "Проблемы астрономии" (июнь 1984 г., апрель
1986 г., Одесса), Всесоюзном семинаре "Образование газовых потоков в ТДС" (октябрь 1985 г., Тыравере), совещании "Двойные звезды" (октябрь 1986 г., Пулково), симпозиуме КО СП АР "Физика компактных объектов" (июль 1987 г., София), международной рабочей группе "SS433" (июнь 1988 г., Двингелоо), совещании "Неустойчивые стадии звездной эволюции" (октябрь 1988 г., САО), 12-й Европейской региональной конференции MAC (октябрь 1990 г., Давос), Техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике (декабрь, 1990 г., Брайтон), конференции "Звездные струи и биполярные выбросы" (май 1991 г., Капри), "Рентгеновская астрономия, будуїцее и настоящее" (июнь 1991 г., Лондон), конференциях памяти В.Ф. Шварцмана (сентябрь 1988 г., октябрь 1991 г., САО), конференции "Современные проблемы астрономии" (сентябрь 1996 г., Одесса), конференции "Актуальные проблемы астрофизики" (октябрь 1996 г., Москва); конференции, посвященной 30-ти летию САО (октябрь 1996 г., САО).
Личный вклад автора
В работах, посвященных наблюдениям SS 433 на комплексе "Мания" и спектральным наблюдениям до 1986 г., вклад автора заключается в интерпретации результатов наблюдений; а также участии в спектральных наблюдениях на БТА и участии в обработке данных. В более поздних работах по спектральному исследованию SS433, а также в работах, посвященных исследованию струй SS433 и объекту MWC560 вклад заключается в постановке задачи, интерпретации и участии в наблюдениях. В наблюдениях по кооперативным программам — это участие в спектральных наблюдения и интерпретация данных, организация спектральных наблюдений и участие в организации фотометрических наблюдений. В работе по исследованию SS 433 в УФ автор принимал участие в интерпретации данных и в поляриметрических оптических наблюдениях. В работах по поиску уникальных объектов в ближайших галактиках вклад заключается в постановке задачи, интерпретации данных, участии в наблюдениях и помощи в обработке. В работе по исследованию объекта На-19 в галактике МЗЗ работа заключалась в спектральном исследовании этого объекта.
Структура и объем работа
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения; Она содержит 350 страниц, 89 рисунков и 21 таблицу. Список литературы включает 231 наименование.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования струй SS433:
Определены геометрические, кинематические и физические параметры струй. Сделан вывод о динамическом нагреве газа в струях за счет взаимодействия с ветром аккреционного диска. На этой основе объяснены наблюдаемые характеристики оптических струй и зоны поярчения радиозлучения.
2. Результаты исследования лучевых скоростей SS433:
На основании анализа лучевых скоростей эмиссионных и абсорбционных линий обнаружены и объяснены явления прецессионной и связанной с ней орбитальной переменности линий. В результате определена наиболее корректная функция масс системы. Обнаружен ряд эффектов нестационарности, которые могут быть проявлением движения спиральных ударных волн в аккреционном диске. Предсказано существование протяженного диска вокруг SS433.
3. Результаты исследования сверхкритического аккрецион
ного диска SS 433:
Получены обширные спектральные данные в рамках кооперативных наблюдательных программ. На основании детального анализа наблюдений обнаружен и исследован ветер, возникающий в аккреционном диске. Структура ветра подтверждает модель строения сверхкритического диска Шакуры и Сюняева (1973). Обнаружен газовый поток, направленный в аккреционный диск, и горячие коконы, расположенные у оснований релятивистских струй. Сделан вывод, что аккреционный диск SS 433 является "плавающим", т. е. эта система — пример реализации механизма ведомой прецессии аккреционных дисков.
4. Результаты исследования уникальной симбиотической
звезды MWC560:
В результате спектрального мониторинга MWC560 обнаружена струя газа, удаляющаяся от наблюдателя. Определены геоме-
трические и физические характеристики струй. Предложена интерпретация горячего излучения MWG 560 как излучения мощного ветра. Сделан вывод о пропеллерном механизме выброса газа в этой системе. Определены характеристики ветра, найдены темпы аккреции и истечения газа как в струях, так и в ветре.
5. Поиск объектов, подобных SS433: Применен новый подход к проблеме поиска звезд, подобных SS433. Получены критерии выделения кандидатов в объекты типа SS433, а также LBV в ближайших галактиках. В результате первичной мультиобъектной спектроскопии звезд в галактиках М 33, М 81 и NGC 2403 выделены два кандидата в объекты типа SS433 в галактике МЗЗ.
Краткое содержание глав