Газодинамическая модель формирования протяженных внегалактических радиоисточников типа FR-I тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

/1ЕНИНГРЛЛСКИИ ОРЛЕНЛ ЛЕНИНА К ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УЛК: 524.7-77-864:533.6.01

КОМИССАРОВ Сергей Сергеевич

ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ВНЕГАЛАКТИЧЕСКИХ РАДИОИСТОЧНИКОВ ТИПА пг-1.

01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Ленинград, 1990

Райота выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьской революции Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР.

Научный руководитель:

локтор Физико-математических наук,

старший научный сотрудник Конвков Ы. В.

Официальные оппоненте:

локтор Физико-математических наук,

профессор В.Г.ГорбаикиЯ,

доктор физико-математических наук старший научней сотрудник Б.В.Комберг

Ведущая организация: Радиоастрономический институт АН УССР

Защита диссертации состоится " 2£ * декабря 1990 г. а 15. часов 02 минут на заседании специализированного совета Л. 063.57.39 по защите диссертация на соискание ученой степени доктора Физико-математических наук при Ленинградском государственном университете (199034, г.Ленинград, Университетская набережная, д.7/9, геологический Факультет, аул. 88).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГУ.

Автореферат разослан

1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат Физико-математических наук

общая характеристика работы

Актуальность лробломм исследования. Формирование мойных нетепловых радноисточникоз является однии из наиболее известных проявлений активности ядер галактик. Его исследование било посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ. Из теоретических молелия наиболее плодотворной оказалась газодинамическая модель, продлоиенная Блэнлфордом н Рисом в 1974 голу для описания моачых радиогалактик типа Лебедь А. В этой модели предполагается, что протяженнные радиоисточники Формируется в результате взаимодействия с межзвездной или межгалактической средой ламинарных релятивистских гипорзвукових струй, истекавших из активного ядра галактики. Наблюдения на современных системах апертурного синтеза убедительно подтверядавт эту модель для внегалактических радиоисточннков типа Лебедь А, составлявших класс ге-1 I в классификации Фанароф<ра-Райли. С другой стороны, стало ясно, что радиоисточникн гораздо более многочисленного класса рк-1 имеют принципиально шшг морфологические свойства, но вписывазшиеся в рамки модели БлэндФорда и Риса, хоти струи также являются типичными элементами их структуры. Следовательно, необходимо дальнейшее развитие теории струйных истечений из ядер галактик, которое позволило бы объяснить в рамках единого подхода как пг-и так и радиоисточникн.

Цель лиссептаиионноя работы. В диссертации представлена попытка построения основ теории Формирования внегалактических радиоисточников типа .

Научная новизна вмносишх защиту результатов исслодова-

иш-

1) Для описания внегалактических радиоисточников класса п«-1 предложена оригинальная модель турбулентной трансзвуковой струи.

2) Впервые проведены численные исследования распространения турбулентных струй в типичных для радиогалактик условиях и сравнение свойств рассчитанных струй с наблюдаемыми свойствами струй и протяженных компонент пг-1 радиоисточников.

3) Впервые дата интерпретация особенностей распределения яркости струи гя-г радиоисточников на малых расстояниях от ядра на основе релятивистского допллер-эФФекта.

4> Впервые получены решения для динамически слабого регулярного магнитного поля, выносимого турбулентной струей.

Научное значение работы. Построена теоретическая модель, позволяющая объяснить основные наблюдаемые свойства целого класса внегалактических радиоисточников. Сделаны предсказания, позволявшие провести ее критическую проверку.

Личный вклад автора. За исключением работ по магнитному пол», где соавтор И.Л. Овчинников выполнил расчеты на ЭВМ,

все остальные раосты проведены лично автором от начала и до конца.

Аппобаиья работа. Основные результаты работа докладывались на семинарах по радиоастрономии и космической физике ФИАН, на совместных оабочих совещаниях ФИАН и ЛГУ "Физика скопления галактик и активность ядер галактик" (г.Пушно, 1Й85-1989 гг.), на xvx Всесоюзной конференции "Галактическая и внегалактическая радиоастрономия" (г.Таллин,1У87), на xxi н xxii Конференциях молодых европейских радиоастрононоз < г.нанчестер, Англия,1983 и г.Харьков,1989), на xi Европейской региональной конференции MAC < г.Да-Лагуна, Испания,1989).

Структура н обьон диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Обьем

диссертации - 101 страница, в том числе 63 рисунка, 4 таблицы, список литературы, содержащий 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко Формулируется проблема, рассматриваемая в диссертации и предлагаемый путь ее решения. Кратко представлено содержание остальных разделов диссертации.

В первой главе дан краткий обзор современного состояния физики внегалактических радиоисточников. Отдельно рассмотрены наиболее важные в контексте диссертации наблюдательные данные и доминирующие теоретические концепции в их интерпретации. Показано, что получившая широкое

распространение модель лакшаршя птерзвуковой струи не подходит для описания протяженных внегалактических радноисточников типа гк-х, а такие что пг-1 радмоисточкикн не могут быть "остатка)«" радногалактик типа гк-н. ¡¡а основе анализа лабораторных данных о свойствах турбулентных течоний предлагается модель трансзвуковой турбулентной струи для теоретического описания гк-1 радноисточников.

Во второй глзпе видвигаотся и обосновывается предположение о тормояшнин струй гк-1 радиоисточников от релятивистских скоростей на парсекових расстояниях от ядра галактики до неролятивистских скоростей на килопарсековых масатабах. В ранках этого предположения дается интерпретация "келэй", отделяющих струн радиоисточников от радиоядра, и значительного нарушения симметрии в распределении радиояркости струй вблизи щелей. С этой целью рассматривается кинематическая модель тормозящейся релятивистской струи и влияние релятивистского допплер-зффекта на ее излучение. Обсуидаются возможные пути критической наблюдательной проверки предложенной интерпретации.

'Тоетья глава посвящена детальной разработке модели нерелятивистскоя трансзвуковой турбулентнрй струи для описания струй пг-1 радиоисточников. вне областей с рассмотреннными в главе 2 особенностями ( на больших расстояниях от ядра ). Аргументируется необходимость рассматривать течения смеси газов с ультрарелятивистским и нерелятипистским уравнениями состояния. Выписываются уравнения Реянольдса для стационарного осредненного

турбулентного течения такой смеси,замкнутые в рамках модифицированной Феноменологической теории длины смешения Прандтля. Вводится свободный параметр эффективности ускорения релятивистских частиц. Летально обсуидавтся граничные условия при постановке задачи о распространении струя в пределах газовых корон эллиптических галактик ( от 5 до 25 кпк от ядра галактики >. При этом используются имевшиеся на сегодняшний день моделыю-зависимые ограничения на основныо Физические параметры < скорость, плотность, число Маха и т.д.> струй ?я-1 радионсточкиков и газовых корон гигантских эллиптических галактик. Приводятся результаты расчетов для 13 моделей, различающихся значениями исходных параметров струй и газовых корон галактик. С использованием предположений о сохранении числа релятивистских частиц и равнораспределении энергии между магнитным полем н турбулентными движениями проведены оценки поведения поверхностной яркости вдоль рассчитанных струи. На основе полученных результатов сделаны следующие выводы:

1) Рассчитанные модели не входят в противоречив с имеющимися наблюдательными данными об основные наблюдаемых свойствах струя рк-1 радиоисточников.

2> Несмотря на существенное замедление ' при распространении через межзвездную среду галактики, турбулентные струи могут переносить кинетическую энергии за еа пределы практически без потерь. Такое поведение обусловлено примерным равновесием между вязкой диссипацией и работой сил давления, стремящихся ускорить струю механизмом "сЬпла Лаваля". При этом замедление обусловлено увлечением в

течение значительных масс газа из внешней среды.

3) Гк>токи массы вдоль струя целиком определяются процессами увлечения газа мензвеэдноя струи. Поэтому, полученные тем или иным способом оценки потоков массы струй рк-1 радиоисточников могут рассматриваться лишь как верхние пределы на поток массы от "центральной машины" активного ядра галактики.

4) Низкие плотности тепловой плазмы рассчитанных струй, •х 10"°см~3, указывает на пренебрежимо малый Эффект зарадеевского вращения плоскости поляризации излучения внутри струп. Поэтому наблюдаемая деполяризация излучения струй рй-1 радноисточннкоз в раучах рассмотренной модели может быть вызвана только внешним по отношение к струе экраном. Этот вивол находится в соотвествии с последними детальными поляризационными набладониями ряда радмоисточин-ков.

5) Только модели с Эффективным подускореннем релятивистских частиц способны объяснить наблюдаемые медленный спад яркости вдоль струй рк-1 радиоисточников и высокий вклад релятивистских частиц в полное давление.

•6) Существует зависимость темпа спада яркости вдоль рассчитанных струя от величины градиента давления внешнего газа. Помимо способа проверки модели турбулентной струи данный Факт указывает на возможность исследовать межзвездиув среду эллиптических галактик косвенным путем по радионаблйдениям там, где невозможны прямые рентгеновские наблюдения.

7> Структура расчитакных струй такова, что можно

пилалить сверхзвуковое шсоко-скоростпое ядро, осуществлявшее основной перенос эноргки вдоль струн, н медленную трансзвуковую оболочку, осущестзлявацув основной перенос массы.

Глава 4 посвящена исследования поведения

крупномасштабного < среднего по ансамбли ) магнитного поля в турбулентных струях при учете конвекции и турбулентной диффузии. В ноя ставится задача поиска стационарных автомодельных резений для динамически несущественного осесиммотричного магнитного поля, выносимого турбулентной струей носкимаемиой жидкости. Показано, что эта задача сводится к задаче на поиск собственных значений и собственных Функция линейного дифференциального оператора. Найден дискретный спектр решения отдельно для тороидальной н полоидальнов составляющих поля. Анализ полученных ресоний показывает, что изменение характерного значения

напряженности регулярного магнитного поля вдоль струи сильно зависит от его структуры. Чем чаще происходит перемена знака поля в поперечном сечении струи, тем быстрее оно ослабевает вниз по течению вдоль ее оси. Указывается на некорректность получившей распространение практики оценки эволюции магнитного поля на основе соотношений типа сохранения магнитного потока при интерпретации наблюдений радиоисточников в рамках модели турбулентной струи. Сравнение полученных решения для крупномасштабного поля с ожидаемым поведением мелкомасштабного поля < в предположении равенства энергия мелкомасштабного ноля и турбулентных движения > показывает, что эволюция крупномасштабного поля,

выносимого турбулешной струей имеет характер быстрого затухания. Делается вывод о том, что для описания магнитных полей струй радиоисточников следует привлекать механизм турбулентного дикано. В этом случае приемлемую теоретическую оценку напрпженостн поля струп лг-г радиоисточников можно получить используя примерное рав(>истпо энергий поля и турбулентных движения.

ОШйЛ посвящена исследованию распространения турбулентных струя и условиях межгалактической среды, для которой характерны изменения плотности и лавлг.аня на значительно больших пространственных масштабах, чем в пределах галактики. Приводятся результата численнкх расчетов при различных вариантах внешних условии. Их анализ показывает, что выходя за пределы галактики, турбулентные струн формнрувт медленные дозвуковие течения, пригодные для списания протяаегашх компонент гк-1 радиоисточников. Эти недленные течения могут быть легко деформированы под влиянием обычных движений межгалактического газа или самих радиогалактик, что согласуется с наблюдаемыми искажениями структуры гк-: радноисточников. Турбулентная вязкость обеспечивает диссипацию кинетической энергии струя и тем самым возможный источник энергии для подускорения релятивистских частиц.

В заключении кратко перечислены основные выводи, полученные в диссертации.

Приложение содержит описание разностной схемы, построенной для численного решения системы уравнений Рийнольдса и методы тестирования гидродинамического кола.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложена модель трансзвуковой турбулентной струи для описания протяженных внегалактических радиоисточников, имевших в классификации Фанароффа-Райли класс I.

2. Дана интерпретация асимметрии в распределении яркости на начальных участках килопарсековнх струй радиоисточников и "щелей", отделяющих эти струи от радиоядер, на основе релятивистского допплер-ЭФФекта. Сделан вывод о торможеиии струй гк-1 радиоисточников от релятивистских скоростей на парсековых расстояниях от ядра до нерелятивистских скоростей на килопарсековнх расстояниях.

3. Построена система уравнений Реянольдса для стационарного осредненного осеснмметричного нерелятнвнст-ского течения смеси газов с ультрарелятивистским и нерелятивистским уравнениями состояния и разностная схема для его численного решения. Написан и отлажен пакет программ для расчетов на ЭВМ.

4. Получены численные решения для турбулентных струи, распространяющихся в пределах газовых корон эллиптических галактик. Показано, что в рамках модели турбулентной струи можно удовлетворить полученным из наблюдении ограничениям на плотность, скорость, число Маха, давление релятивистских частиц, тем спала радиояркости, поток энергии и темп уширения струй ралиоисточников.

5. Получены численные решения для турбулентных струй, выходящих за пределы галактики в межгалактическую среду.

Покапано, что в типичных ляп межгалактической срели условиях они нормируют медленные дозвуковые течения, пригодные для описания протяяошшх компонент рк-1 радиоисточниксв.

6. Получены автомодельные решения для крупномаситабного < сродного ) магнитного поля, выносимого турбулентной струей носнимаемой жидкости с учетом турбулентной диффузии. Показано, что изменения напряженности такого поля вдоль струи имеет характер быстрого затухания, темп которого сильно зависит от структуры поля. Сделан вывод о том, что наблвдаему» писокуп поляризацию радиоизлучения струй и протяженных компонент гк-1 раднонсточников нельзя объяснить наличием крупномасштабного магнитного поля, если оно просто выносится из окрестностей "центральной маиинн" активного ядра галактики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следувщих работах:

1. Комиссаров С. С. Ыодель дозвуковой турбулентной струи для

радиогалактик типа гк-х. Препринт 263. 1905. Москва. ФИАН. 22с.

2. Комиссаров С.С. Газодинамическая модель формирования

протяженных компонентов внегалактических радиоисточников типа РГг-1. Астрофизика. 1938. т. 28. вып. 2. с. 261-271.

3. Комиссаров С. С. Газодинамическая модель Формирования

протяженных компонентов внегалактических радиоисточников типа рк-1. I. Радиогалактика в центре богатого скопления галактик. Астрофизика. 1988. т.28. вып.3.

С. 518-Ь28,

4. Комиссаров С.С. Газодинамическая модель Формирования

протяженных компонентов внегалактических радиоисточников тина fr-i. и. Радиогалактики типа "голова-хвост". Астрофизика. 1088. т.29. вып.2. с.345-354.

5. KoiKlssorov S. S. Relativlstlc J©t Deceleration in Weak

Extraijal act! с radio Sources. Astrophys. Space Sc 1. 108a. v. га. p. 63-04.

6. Комиссаров С.С., Овчинников И.Л. Автомодельные решения

для тороидального магнитного поля в турбулентной струе. Астрой. X. 1989. Т. 66. с. 966-976.

7. Komissarov S.S. A TUeoret leal Modc-l of Fanaroi f-Riley X

Jets. X. Equations of Two-Fluid Approach ami Boundary Conditions. Astrophys. Space Sci. 1УУ0. v. )t>b. p. 3J Э-323.

8. Komissarov S.S. A Theoretical Model of Fanaroi f -Ri 1 ey I

Jets. XI. Results of Numerical Calculations. Astrophys. Space Sci. 1990. v. 165. p. 313-323.

9. Комиссаров С.С., Овчинников И. Л. Автомодельные решения

для полоидального магнитного поля в турбулентной струе. Письма в А*. 1990. т. 16. N.3. с. 279-286.

-