Введение к работе
Актуальность темы.
Ударные волны являются неотъемлемой частью многих явлений, связанных со сверхзвуковыми движениями сред. Они возникают, например, в процессах взрывного характера, сопровождающихся большим выбросом энергии за относительно короткий срок, при движении тел со скоростями, превышающими характерную скорость звука в среде, при взаимодействии струйных течений и т.д. Такого рода процессы наблюдаются, в том числе, и в межзвездной среде (МЗС). В значительной мере МЗС представляет собой разреженный газ или. если быть точнее, плазму с различной степенью ионизации, скорости движения которой обычно превосходят скорость звука. С точки зрения газодинамики это означает, что в такой среде могут возникать ударные волны. Они генерируются в широком диапазоне масштабов - от нескольких астрономических единиц до сотен и тысяч парсек, их распространение приводит к кардинальному изменению состояния межзвездного газа - увеличению его давления и плотности, изменению степени его ионизации и химического состава. Не вызывает сомнений, что ударные волны должны играть важную роль в физике МЗС. Поэтому изучение явлений, связанных с образованием и распространением ударных волн, является одним из важных направлений современных астрофизических исследований. Интерес представляют вопросы устойчивости ударных волн, их динамики и эволюции, а также смежные вопросы, такие как возникновение и развитие турбулентности.
Одним из основных источников ударных волн в МЗС являются вспышки сверхновых. Типичные скорости вещества в молодых остатках сверхновых (ОСН) составляют 5-10 тысяч километров в секунду, в то время как характерные значения скорости звука в невозмущенной среде - порядка 10 километров в секунду [1]. Следствием этого становится формирование ударной волны вокруг расширяющейся области с горячим корональным газом, когда масса нагребенного газа сравнивается с массой первичного вьібииіа. Раашивлясь- под действием
I БИБЛИОТЕКА і
3 J С.Петер«ург, 0 і
внутреннего давления, остаток может достигать размеров в десятки и даже сотни парсек. Если также учесть, что сверхновые вспыхивают относительно часто - по оценкам астрономов в Галактике интервал между отдельными вспышками составляет в среднем 15-25 лет, то практически весь объем МЗС в той или иной мере подвержен влиянию сверхновых [2].
Последствия распространения ударной волны от вспышки сверхновой весьма разнообразны. Среди них можно выделить, например, следующие: разрушение диффузных облаков как собственно ударной волной, так и вследствие их испарения в корональном газе; образование оболочки при уплотнении газа расширяющимся ОСН и последующая ее фрагментация на отдельные облака в результате действия комбинированной, тепловой и гравитационной, неустойчивости; уплотнение гигантских молекулярных облаков ударными волнами и последующая за этим волна звездообразования, за которой может последовать новая серия вспышек сверхновых; изменение химического состава МЗС в результате обогащения тяжелыми элементами, которые синтезируются на финальных стадиях жизни предсверхновых; ионизация МЗС жестким излучением, в том числе, еще до вспышки; турбулизация межзвездного газа, движущегося со сверхзвуковыми скоростями. Очевидно, можно с уверенностью говорить о высокой степени значимости сверхновых и их остатков в динамике МЗС их взаимной связи. Изучению этих объектов уделяется самое пристальное внимание, т.к. понимание закономерностей их эволюции является одним из ключевых моментов в понимании закономерностей МЗС в целом.
Главной сложностью на пути теоретического исследования остатков сверхновых является сложный комплекс физических процессов, который определяет свойства МЗС [3]. Традиционный аналитический подход к исследованию данной задачи применим лишь для весьма упрощенных моделей. В частности, затруднительным представляется детальный учет особенностей взаимодействия ОСН с неоднородностями МЗС типа диффузных облаков атомарного водорода. Однако, даже в ранних работах, посвященных этой проблеме, отмечалась важность облачной компоненты МЗС для эволюции остатков [2, 4-6]. Разумной и
эффективной альтернативой аналитическим методам сейчас являются численные методы высокой точности, которые благодаря развитию вычислительной техники позволяют справиться даже с задачами такой степени сложности.
Другим важным примером крупномасштабных процессов, связанных с появлением ударных волн, является взаимодействие газа МЗС со спиральными рукавами галактик. Спиральные рукава представляют собой так называемые волны плотности - спиралевидные возмущения гравитационного потенциала дисковых галактик, возникающие вследствие особенностей коллективного движения звезд. Протекание газа через потенциальную яму спирального рукава может происходить со сверхзвуковой скоростью, результатом чего может стать формирование так называемой галактической ударной волны (ГУВ), существование которой было предсказано в работах [7, 8].
Хотя теория спиральной структуры достаточно хорошо проработана, в ней имеется еще много нерешенных вопросов. Одним из них являются так называемые вереницы - практически прямые цепочки скоплений ярких звезд в спиральных рукавах. Число галактик, в которых наблюдаются такие полигональные структуры, достигает примерно двух сотен, т.е. примерно 6-8% от общего числа галактик с развитой спиральной структурой. При этом причина, по которой происходит выпрямление части спирального узора, далеко не ясна. Один из вариантов объяснения был предложен в работе [9], где отмечается возможность развития неустойчивости фронта ГУВ в искривленной потенциальной яме рукава, приводящей к его дроблению на плоские фрагменты.
Другой вопрос, а вернее сказать, круг вопросов связан со структурой ГУВ. Хотя возникновение ГУВ, безусловно, определяется динамикой газа вблизи плоскости галактического диска, есть основания считать, что масштабы данного явления выходят за пределы собственно диска - в гало Галактики. Наблюдениями [10, 11] подтверждается факт связи газового диска и гало посредством протяженных областей ионизованного водорода в галактиках с развитой спиральной структурой, в отличие от галактик ранних типов. Также установлен факт присутствия в гало высокоскоростных облаков [12]. Есть основания предполагать, что
именно галактические ударные волны могут оказаться подходящим механизмом, который поддерживает перенос вещества из диска в гало. Поэтому проблема вертикальной структуры газового диска, гало и связи их свойств с галактическими ударными волнами является весьма актуальной.
Цель работы.
-
исследовать динамику ударных волн, порождаемых взрывами сверхновых, в неоднородной межзвездной среде; установить характер взаимодействия ОСН с облаками и степень их влияния на его динамику;
-
исследовать устойчивость ГУВ в искривленной потенциальной яме и найти подтверждение возможной связи между полигональной структурой рукавов спиральных галактик с ГУВ;
-
исследовать течение межзвездного газа в окрестности спирального рукава и определить трехмерную структуру галактических ударных волн.
Научная новизна и практическая значимость работы состоят в том, что найден закон распространения ударной волны, генерируемой при взрыве сверхновой, в неоднородной многофазной среде; подтверждена гипотеза о газодинамической природе полигональной структуры спиральных рукавов; установлено, что релаксация газа за фронтом галактической ударной волны в направлении, перпендикулярном плоскости газового галактического диска, приводит к образованию вторичных ударных волн в атмосфере диска; разработана оригинальная методика выявления особеннбстей и разрывов в течениях, основанная на анализе деформаций среды.
Достоверность результатов диссертации определяется соответствием использованных моделей и данных наблюдений, применением при решении поставленных задач строгих математических методов, тестовыми проверками полученных в работе результатов на сетках с разными пространственными разре-
шениями, а также совпадением полученных результатов в частных и предельных случаях с известными ранее.
Апробация результатов
Материалы диссертации докладывались на XXVI международной студенческой научной конференции «Физика Космоса» (Свердловская обл., Коуровская АО, 1997), на XVIII конференции «Актуальные проблемы внегалактической астрономии» (Пущино, 2001), на всероссийской конференции «ВАК-2001» (Санкт-Петербург, 2001), на конференции «Физика межзвездной среды» (Москва, 2001), на международной конференции «Progress in Study of Astrophysical Disks' Collective and Stochastic Phenomena and Computational Tools» (Волгоград, 2003), на XXXIII международной студенческой научной конференции «Физика Космоса» (Свердловская обл., Коуровская АО, 2004), на международной конференции «Astrophysics and cosmology after Gamow — theory and observations» (Одесса, 2004), на научных семинарах ИКИ РАН и ИНАСАН (Москва, 2004), на региональных конференциях молодых ученых в Волгоградском госуниверситете в 1997-2003 гг.
Структура и объем диссертации.
