Исследование космического радиоизлучения метанола тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГб од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ иы. П. Н.ЛЕБЕДЕВА АСТРОКОСМИЧЕСКИИ ЦЕНТР

на правах рукописи

Каленский Сергей Владимирович ^

ИССЛЕДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА.

Специальность 01.03.02 - астрофизика,

радиоастрономия'

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993 г.

Работа выполнена в Астрокосмическ« Центре ФИАН им. П. Н. Лебедева.

Научный рукогодИтелъ

Доктор физико-математических наук В. И. Слыв

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Д. А. Варшалович

а кандидат физико-математических наук Г. И. Рудницкий

Ведущая организация

Институт астрономии Российской академии наук

Защита состоится '2ЛИ' ноября 1993 г. в {V час на заседании специализированного Совета Д002.39.01 при Физической института им. П. N. Лебедева Российской Академии наук по адресу: 117924, Москва В-333, Ленинская проспект, 53, ФИАН .

С КЗДОер?аЦКей-иожно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослав октября 1993 г. Ученый секретарь

Специализированного Совета Д002.39.01 доктор физико-математических наук

М. В. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Данная работа посвящена изучению маэернкх * тепловых радиоисточников метанола в космосе. Исследования космических мазеров - объектов, связанных с областями' ¡звездообразования и позволяющих получать ценную информацию о «ехзаоздаой среде,- является одной из важных задач современной радиоастрономии. Среди всех космических мазеров, известных в настояиое время, мазеры на метаноле являются вторыми по интенсивности после мазеров на водяном паре. Известно уже около двухсот ыега-нольных мазеров, однако причины их возникновения и природа источников не установлены, поэтому дальнейшее изучение згих объектов является актуальной научной задачей.

К настоящему времени лишь очень небольшое число объектов наблюдалось в тепловых линиях метанола. ГСсзтоиу лишь для немногих объектов известны значения лучевой концентрации и относительного содержания метанола. Меяду тем содержание метанола сильно влияет на молекулярный состав межзвездного газа, а так»? на возникновение мазеров. Кроме того, знание обилия метанола позволяет делать выводы о влиянии различных физико-химических процессов, происходящих в областях звездообразования, на молекулярный состав межзвездного газа. Поэтому изучение теплового радиоизлучения метанола также является актуальной научной задачей.

Таким образом, данная диссертационная работа является актуальным научным исследованием. Научная новизна работы.

1) Проведены наблюдения на частотах различных переходов мэтано-

- \ -

ла, что позволило составить обширный список объектов, наблюдавшихся сразу & нескольких линиях. Тахие многочастотные наблюдения важны для определения параметров мазерных источников. Обна-рухена линия ранее в космосе не наблюдавшаяся. Найдены

источник* на переходах ^-ОдА4", 70-61А+ и 4_1-30Е, не наблюдавшиеся в линиях метанола.

2) Разработана простая аналитическая схема возбуждения метанола, которая объясняет основные свойства мазеров I и II классов. Показано, что яркие мазеры могут возникать в поверхностных слоях плотных газо-пылевых облаков

3) На основании наблюдательных данных сделаны оценки температуры и плотности для ряда мазерных источников.

43 Показано, что полости, образуемые высокоскоростными потоками, способствует возникновение метанольных мазеров. Это являет-' ся дополнительным аргументом в пользу связи метанольных мазеров с высокоскоростными потоками.

$3) По данным наблидений в линии 10-00А+ определены значения обилия или верхнего предела обилия метанола в большом числе объектов. Обилие метанола в большинстве молекулярных облаков не превышает 3x10"®» однако в ряде областей образования массивных звезд оно выше, ЗхЮ"9- 10~8. Вероятно, это связано с "вкраплением" горячих ядер, для хоторых характерно обилие метанола Ю-е-Ю"7. Объекты о повышенным обилием метанола чаще встречаются в областях с высокоскоростными потоками. Научная а практическая ценность работы. Собранный наблюдательный материал весьма полезен как при решении различных проблем, связанных с радиоисточниками метанола, так и при решении более широкого круга вопросов,связанных со строением молекулярных облаков и областей звездообразования.

Проведенные наблюдения и теоретическое рассмотрение вопроса даст возможность оценивать параметры непосредственно в компактных областях мазерного излучения. Подобные оценки трудно или невозможно провести никакими иными методами, иэвйегивш в настоящее время.

Апробация. Основные результаты работы докладывались я обсуждались на Астрофизическом семинаре в ИКИ С1988); Астрофизической семинаре АКЦ ФИАН <1991, 1992, 1993); научных сесслях АКЦ 4WH С1991, 1992, 1993); XXIII и XXV конференциях по Галактической и внегалактической радиоастрономии (1991, 1993); на сеюшаре радиоастрономической обсерватории в Аресибо ССША, 1992); на семинаре обсерватории Хельсинкского университета (Финляндия, 1992); на III Хайстекской конференции по атомам, ионам и молекулам (США, 1990); на конференции по космическим мазерам в Арлингтона (США, 1992).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит из участия я постановке задач для наблюдений, участия в наблпдениях, обработке данных и их интерпретации. Автором лично разработаны схема возбуждения метанола и модель мазерного источника, а также проведены оценки параметров метанольньп мазеров. Кроме того, автором рассчитаны значения лучевой концентрации и обилия метанола по данным наблодений в линии 1q-0qA+. На защиту выносятся след-уюдие результаты:

1) Список новых источников метанола, из которых 30 найдено в линии 1q-0qA+, 3 - в линии 70-6|А+, 15 - в линии 4_^-3QE, 5 - в линии 80-7jA+ и 3 - в линии 9_2~8_jE.

2) Обнаружение радзкдалучения в линии 4(-)-3-1Е. На этом .переходе найдено 7 объектов.

3) Модель возбуждения метанола, которая позволяет объяснить основные свойства мазеров I И II классов.

47 Модель метанольных мазерных источников I класса с сильной инверсией в поверхностных слоях и, возможно, связанных с высокоскоростным истечением вещества.

5) Список мазерных источников, для которых проведены оценки плотности и температуры, а также список тепловых источнников, для которых определены значения лучевой концентрации и обилия метанола,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. ВВЕДЕНИЕ

Метанол в космосе был впервые обнаружен в направлении молекулярных облаков 8дг А и £аг В2 вблизи центра Галактики (переход 11А"-11А+, 834 МГц>. Затем в направлении туманности Клейнмана-Лоу в .Орионе была найдена серия линий метанола на часто-

те 25 ГГц, ¡лазерная природа которых доказана с помощью интерфе-рометрйческих наблюдений.

В дальнейшем были проведены обзоры в различных линиях метанола, котфые показали, что на переходах с ДК=+1 в областях звездообразования часто наблюдается узкие (<1 км с-1) мазерные детали, иногда наложенные на более широкие компоненты. Предложена классификация метанольных мазеров. Согласно этой классификации, к классу I относятся мазеры на переходах 7д-6^А+, 4_1-30Е, а также и некотоРкх других. Мазеры

класса I находятся в областях звездообразования, однако не совпадает пространственно с НИ-зонами, ОН и Н^О мазерами. Мазеры

- Ч -

класса 11, наоборот, пространственно совладает с компактные НП-зонами и гнездами мазерной активности ОК. К этому клаос? относятся мазеры на переходах 51~60А+, 2р-3_1Е, 7_-. -8.jE и не которых других. Мазеры как первого, так и второго классов, как правило, излучает сразу в нескольких линиях.

Вопрос о природе метанольньгх мазеров до настоящего кремони ш; решен. Поэтому группой радиоастрономов АКЦ ФИАН под руководством В. И. Слыша были предприняты наблюдения метанольнЫх мазеров в линиях 70-61А4", 4_1-30Е, 80-71А1', 9_2-8_1Е, 4,0-31Е, и

А~, относящихся к I классу. Необходимость шогочастстых наблюдений связана с тем, что большинство мазеро;, I класса наблюдалось только в одной линии Скак правило, 7()-61А+). Мэжду тем условия, при которых возбуждается различные мазерные линии, се полностью идентичны, и наблюдения каадого нового перехода да»г дополнительную информацию о мазерных источниках. Крохе того, были предприняты регулярные наблюдения ряда источников в лини.« 4_^-ЗфЕ, а также поиск новых мазеров.

Был также предпринят обширный обзор тепловых радиоисточяикоз метанола в линии Целью этого обзора являлось определо-

ние лучевой концентрации и относительного содержания метанола в большом количестве объектов. Определение этих параметров валено потому, что обилие метанола сильно влияет на процесс возникновения мазерного излучения. Кроме того, знание обилия метанола позволяет делать выводы о влиянии различных физико-химических процессов, происходящих в областях звездообразования, на молекулярный состав межзвездного газа.

II. МНОГОЧАСТОТНЬЕ НАБЛЮДЕНИЯ МЕТАНОЛЬНЫХ МАЗЕРОВ.

II. 1. Регулярные наблюдения источников метанола на 36 ГГц. Для подробного изучения ряда источников в линии 4_1-3QE на частоте 36,16924 ГГЦ (в частности, исследования переменности), в период с 1988 по 1990 годы на телескопе РТ-22 в г. Пущино была предпринята программа регулярных наблюдений ряда известных мазеров. С ЦеУй>ю поиска переменности неоднократно наблюдались источники Sgr A, Sgr В2,' DR 21 ОН и NGC 2264. Ни в одном из них переменность не найдена за время порядка года. Обнаружено излучение в линии 4_j-3q£ в облаке Gl.6-0.02S вблизи центра Галактики, найденное независимо Хашиком и Баалом (частное сообщение). Построены карты Ori-KL, SGR В2 и Gl.6-0.025.

11.2. Поиск метанольных мазеров в областях звездообразования

на переходе А*. С целью выявления возможной связи мазеров класса I с протозвеэдаыи и молодыми звездами различной массы и светимости мы провели поиск новых мазеров в линии 7q-6jA+ на частоте 44,06943 ГГц в направлении большого числа источников IRAS с цветовыми характеристиками, характерными для молодых звезд. Наблюдались объекты со светимость!) в диапазоне от нескольких L0 до десятков тысяч L0- В направлении трех ярких источник^ - GGD27 IRS2, L379 IRS3,a также IRAS 21391+5802- обнаружены новые мазеры, которые исследовались затем в линии 10-00А+ И в линии 4_j-3qE. В двух из них - GGD2? IRS2 и L379 IRS3 - найдены мазеры на 36 ГГц.

Интересно отметить, что все три объекта, в направлений который найдены мазеры, являются центрами высокоскоростных Потоков.

11.3. Поиск радиоисточников метанола на частоте 36 ГГц. Про-

грамма многочастотных наблюдений метанольных мазеров, проведенная нашей группой, начиналась с поисков источников излучения з линии 4_j-3qE в направлении известию! мазеров на переходе 7q-6j,4+, а также в направлении некоторых облаков, в которых ой-наружена линия поглощения 2q-3_jE. Проведено 4 цикла ка.бяюдеотй на радиотелескопе РТ-22 в Путино в 1991 - 1992 г. Кроме того, была продолжена работа по поиску меганольных мазеров в областях звездообразования и с этой целью проведены кабиодения на 36 И'ц. ряда холодных ярких объектов IRAS.

Всего исследовано 73 объекта, в том числе три источника, которые ранее уже наблюдались на 36 ГГц. Обнаружено 1S новых источников в линии 4_}-3q£. 12 новых объектов зарегистрировано ь направлении на метанольные мазеры в линии Vç-б^4"; одш - р направлении на молекулярное облако, в котором зарегистрирована линия поглощения 20~3_jC, шесть - в направлении на холодные? объекты IRAS, из них 2 ранее в линиях метанола не наблюдались. Некоторые новые источники принадлежат сразу к нескольким категориям объектов наблюдений. В спектрах пяти источников есть узкие CAV < 1 км c-i) мазерные детали. В спектрах остальных объектов зарегистрированы лишь широкие тепловые или кваэитепловне компоненты.

II. 4. Наблюдения источников метанола на частоте 10 ГГц. На основании столкновительно-радиативного механизма накачки можно ожидать инверсию в линии Э^-Э^Е С9,936229 ГГц), у которой верхний сигнальный уровень расположен ¡ta основной лесенке (см.

III.1). Также можно ожидать инверсию в мазерних источниках I класса на переходах (9,978732 ГГц) и А~(10,053304 ГГц), у которых сигнальные уровни расположены аналогично сиг-

кальным уровням переходов Jg-i^E. Наблюдения в этих линиях представляют интерес потому, что сигнальные уровни расположены высоко (сигнальные уровни линии 9_j-8_gE имеют температуру возбуждения -> 103 Ю и для накачки мазеров требуются большие значения температуры и плотности.

Наблюдения в линиях i^-^A* и А" делались и ранее,

однако результаты не опубликованы. Поэтому мы провели поиск этих линий в направлении 11 известных источников метанола с помощью 43-м телескопа обсерватории в Грин Банке, США. Так как переходы расположены очень близко по частоте, все три линии наблюдались одновременно.

Излучение на переходе 9_j-8_gE обнаружено в направлении трех источников - W33-Met, Ori-KL и Sgr В2. В Ori-Kt и Sgr В2 зарегистрированы тепловые линии, а в W33-Met - узкая (AV=0,4 км о"1) мазерна? деталь; лучевая скорость которой совпадает о лучевыми скоростями мазеров на 44 и 25 ГГд.

В линиях 43-5gA+ и А" надежно не зарегистрировано ни одного источника. В линии 4^-5^+ на пределе чувствительности, возможно, обнаружено излучение в направлении W33-Met, а в линии

~ в направлении Sgr В2, II. 5. Наблюдения метанольных мазеров на частоте 95 ГГц. Иазер-ноэ излучение на переходе 8q-7^A+ (93,169489 ГГц) было известно от Ori-KL, S235 и некоторых других областей звездообразования. Интерферометрические наблюдения Ori KL и DR 21 показали,' что яркостяая температура наиболее интенсивных мазеров превышает 5000 К.'

Нами был предпринят поиск мазеров на данном переходе от известных мазерных источников в линии 70-61А+. Наблюдения прово-

дились на 14-м антенне в Метсахови, Финляндия. Линии зарегистрированы в направлении 9 источников из И наблвдавыяхся; ц 5 из них - S231, S255, W75N, W5SC3) и NGC 7538 излучение на £5 ГГц обнаружено впервые. Значения спектральной плотности потока в максимумах линий на 95 ГГц примерно такие же, как «а 44 ГГц, или отличаются в 1.5-2 раза. Потоки, проинтегрированные по профилю линии, на 95 ГГц вше, чем на 44 ГГц во всех случаях, когда источники обнаружены.

Линии не найдены в направлении мазеров S140 и П14Г>, однако верхние пределы потоков, полученные нами ка 95 ГГц,- превосходят потоки на 44 ГГц.

II. 6. Обнаружение линии 4р-ЗдЕ на частоте £8 ГГц. * Резные механизмы возбуждения дают различные предсказания для этого перехода Сем. III. 3.2). В надежде определить механизм накачки мы предприняли наблюдения мазеров I и II классов на. частоте 28 ГГц. Наблюдения проводились на 43-м антенне в Грин Банке, США. Тепловое излучение обнаружено в направлении б объектов -Ori-KL, Sgr A-A, Sgr A-F, Sor A-G и Sor B2. В направления W3C0H) найдена линия поглощения.

III. ВОЗБУЖДЕНИЕ И СТРОЕНИЕ МЕТАНОЛЬНЫХ MA3EF0B.

Данная глава посвящена анализу и интерпретации результатов наблюдений. Для этой цели автором была разработана простая аналитическая модель возбуждения метанола, основанная на результатах анализа двухуровневой системы, которая объясняет основные свойства мазеров I и II классов.

III. 1. Возбуждение метаиольных мазеров. Рассмотрим возбуждение

метанольных мазеров на переходах, где какой-либо из сигнальных уровней расположен на лесенке, содержащей основной уровень С в дальнейшем - основная лесенка3. Наиболее сильные мазеры как первого, так и второго классов наблюдаются на подобных переходах. Для определенности проанализируем возбуждение А-метанола.

Радиатиыше времена гизни уровней, расположенных на основной лесенке, больше чем на порядок превышают радиативные времена жизни уровней на' боковых лесенках. Поэтому в некотором интервале плотности уровни на основной лесенке будут термализованы, а уровни на боковых лесенках недонаселены вследствие радиативной деактивации.

Рассмотрим три уровня А^-метанола - .1д, (.1-1) ^ и (- такие, что уровни и С-ЫЗ^А* являются сигнальными уровнями какого-либо ыазерного перехода I или II . класса. Пусть уровни вплоть до расположенные на основной лесенкэ, термализова-

ны столкновениями. В таком случае населенность сигнальных уровней ыазерного перехода можно выразить через населенность уровня и-2)дА+, кинетическую температуру газа Ткин и и Тех" - теыпе-ратуру возбуждения перехода СЛ-1)1-С1-2)0А'1'. Если уровень ^А* расположен выше уровня С.Г-1)^А+, как в случае перехода и других, относящихся к I классу, температура возбуждения ма-зерного перехода Гех приближенно определяется выражением: Тех% у/и"'Ткин'Тех"/СТех"-Ткин), которое показывает, что при Ткин > Тех" переход инвертирован, а при Ткин < Тех", наоборот, аномально охлажден.

В случае перехода 5^-6фА+ и других, относящихся ко II классу, уровень расположен вше уровня -1дА+. Температура воз-

буждения лазерного перехода Т приблизительно равна

- Ю-

^"•Ткии-Тех^^ин-Тех"3- ПРИ Ткин< Тех" пеРеХ0Я ювертиро-ван, а при Ткин > Тех"- аномально охлажден.

Температура возбуждения Тех" заключена в интервале между Ткин и Тр"-радиативной температурой на частоте перехода и-1)1-и-2)0Л+. Легко показать, что мазеры I класса всзникаш' при Ткин > Тр", а мазеры II класса - при Ткян < Тр". При этих же условиях инвертируются линия, относящиеся к I и II классу и в том случае, если плотность недостаточна для того, чтобы тер-мализовать переходы между уровнями на основной лесенке.

Рассмотрим изолированное облако, не подверженное дсКстияю какого-либо излучения, кроме реликтового. Если оптическая толща в линии С.1-1)^4.1-2)дА+ мала, то функция источников этого перехода Б^", а следовательно, и температура возбуждения Тох" примерно постоянна по всему объему облака. Мазерный переход инвертирован всему объему облака, однако оптическая толца ма-эерной линии мала, и заметного мазерного усиления излучения не происходит. В направлении подобных объектов должкн наблюдаться широкие квазитепловые линии.

Если оптическая толща в линии С Л-1) ^-С .1-2) 0А+ велика, то в глубине объекта за счет запирания фотонов функция источников и температура возбуждения Гех" возрастают, а степень инверсии уменьшается. Сильное мазерное излучение в направлении наблюдателя возникает вдоль внешнего края облака.

Термализация столкновениями большинства известных мазерных

7 -3

переходов А-метанола наступает при плотности порядка 10 см , Е-метанола - при плотности порядка 10й см"3. III. 2. Анализ данных наблюдений: перекоды с верхним сигнальным уровнем на основной лесенке

III.2.1. Сравнение спектров на 36 и 44 ГГц. Спектры большинства

- 11 -

объекте» на 44 ГГц состоят лишь из узких деталей; широкие компоненты присутствует довольно редко. На 36 ГГц спектры, как правило, состоят из широки* квазитепловых компонент, на которые узкие детали наложены лишь в некоторых случаях.

Естественно предположить, что широкие квазггешювые линии на переходе 4_^-3qE возникает в протяженных областях. Отсутствие или слабость широких компонент на 44 ГГц, вероятно, свидетельствует о том, что температура и/или плотность в этих областях недостаточно велика для эффективного возбуждения значительно выше расположенных сигнальных уровней перехода 7q-6jA+.

В областях, где возникают узкие линий на 44 ГГц, плотность, вероятно, гораздо выше. При этом она может, оказаться выше 10° см . то-есть достаточно высокой для того, чтобы термалиэо-вать переход 4_j-30E.

Если эта интерпретация верна, сравнение спектров на 44 и 36 ГГц позволяет грубо оценить плотность маэерных источников. Если узкие компоненты есть как на 3S, так и на 44 ГГц, то плотность должна быть меньше 10® см-3. Если они присутствуют лишь

R 7

на 44 ГГц, то плотность заключена в интервале 10°- 10 см . II1.2.2. Сравнение данных наблюдений на 36 и 12 ГГц

Нами проведены наблюдения в направлении 9 источников, в которых линия 2q-3_jE наблюдается в поглощении. Слабые линии зарегистрированы лишь в 2 из них СW33 и G34.26+0.16). Такую картину проще всего объяснить, предположив, что в большинстве источников на 12 ГГц наблюдается поглощение от очень холодного и/или разреженного газа, температура и/или плотность которого недостаточна, чтобы населить уровень 4_jE. Возможно, в W33 а 634.26+0.16 газ более горячий или плотный, чем в остальных семи

объектах.

Ill.2.3 Сравнение спектров на 95 и 44 ГГц. Сравнение спектров в линиях 8q-7jA+ и 7q-6jA+ показывает, что линии на 95 ГГц, как правило, шире, чем на 44 ГГц (см. II.S3. Спектры части объектов - S231, S25S, W75 - North на 44 ГГц состоят из узких CAV < 1 км с~*3 линий, а на 95 ГГц наломинапт спектры протяженных источников.

Для интерпретации результатов наблюдений была' рассчитана сетка моделей однородного облака радиусом 5x10^ ск. Примерно та-' jobs размеры имеют плотные области в VB3 и DR 21. Плотность менялась в предмаа 10® - 3x10® см~^, обилие метанола - в пределах 10"10 - Ю-7« кинетическая температур» - 20 - 100 К, Использовалась модель возбуждения метанола,- изложенная в IIIЛ.

Результаты расчетов можно резюмировать следующем образом:

1) При относительном обилии метанола 10"*®-10~® оптическая толща ь витогяя 8q-7jA+ и ?0-6jA* меньше или порядка единицы. Яркостная теиеература меняется от душей градуса Кельвина до десятков К. Интеистааость излечения на 95 ГГц в несколько раз выше, чем на 44 ГОц.

-я

2) При обилии метанола порядка нескольких единиц х 10 -

jj

10 во внешних слоях «сточников возникает сильная инверсия. Во внутренних частях инверсия ослабевает или исчезает совсем. При кинетической температуре 20 - 30 К сильное лазерное излучение наблюдается толыш на 44 ГГц, а при более высоко! температуре -как на 44, так и на 95 ГГц.

Изходя из этого» результаты наблюдений в линия 8q-7jA+ жшво интерпретировать следующим образом.

Вероятно, в какой-либо небольшой части плотного околозвеэдно-го диска возникает область с повышенны» обилием метанола. Такое может произойти, например, под воздействием высокоскоростного потока. Обилие метанола в остальных частях диска порядка Ю~9-10"*®. В поверхностных слоях области с повышенным обилием возникает сильное мазерное излучение на 44 ГГц. При кинетической температуре газа меньше или порядка 30 К сильного мазерного излучения на 95 ГГц не возникает, и наблюдаются лишь квазитепловые детали от протяженной компоненты Скоторые сильнее, чем квазитепловые детали на 44 ГГц). При кинетической температуре выше 30 К сильные мазеры возникают как на 44, так и на 93 ГГц. III.2.4. Мазерное излучение в линии 9_^~8_2Е. На этом переходе узкая мазерная линия обнаружена только в одном источнике из И наблюдавшихся, М33-Мэ1. Очевидно, лишь небольшая доля от общего числа метанольных мазеров обладает достаточно высокими значениями температуры и плотности, чтобы заселить уровень Э^Е, энергия возбуждения которого в температурных единицах равна 109 К. Объекты, в которых мы искали линию 9_^-8_2Е, наблюдались ранее на переходах ^-Л^Е.Среди всех источников, наблюдавшихся нами на 10 ГГц,только в \i33-Met и Бй 21С0Ю обнаружено мазерное излучение в линии 92-9^Е со сравнимой энергией возбуждения верхнего уровня (119 Ю. Для возбуждения уровня 9_]Е за счет столкновений требуется плотность порядка 106 см"3. Согласно III.2.1, плотность мазерного источника в 01? 21С0Ю, вероятно, меньше 106 см"3, так как в линии 4_^-30Е наблюдается узкая деталь. Напротив, в направлении И33-Ме1 на переходе 4_1-30Е обнаружена лишь широкая линия, и поэтому плотность мазерного источ-

В —Я '

ника, вероятно, выше 10 см .

III.3. Переходы с верхним сигнальным уровнем на боковой лесенке

Выше рассмотрены результаты наблюдений линий, у которых верхний сигнальный уровень расположен на основной лесенке. Однако расчеты показывают, что инверсия в источниках I класса может возникать также и на некоторых переходах с верхним сигнальным уровнем, расположенным на какой-либо из боковых лесенок. Мы наблюдали подобные переходы а также и

них неприменимы представления, изложенные в (III.1). III. 3.1. Линии ¿з-ЕьА"1' и д" Расположение сигнальных уровней переходов Ь^-^к* и А" на схеме энергетических уровней А-ыетанола аналогично расположению сигнальных уровней переходов Е-метанола Jg-.Ii • ^ем не менее- мазеры на переходах ^д^А* я А~ не были обнаружены (см. 11.43. Вероятно, это объясняется тем, что значения силы линий переходов Дд^А* и А" примерно в пять раз меньше, чем значения силы линий переходов Щ.3.2. Линия 40-31Е Для этого перехода различные механизма возбуждения дают разные предсказания. При накачке через торсионно возбужденные уровни с основного состояния будут заселяться уровни Е-метанола вследствие правила отбора ДК=±1 для переходов с изменением квантового числа у^. Следовательно, уровни .^Е окажутся перенаселенными по отношению к расположенным на соседних лесенках и переход 40-3^ будет аномально охлажден. Расчеты показывают, что столкновительно-радиатив-ный механизм возбуждения, наоборот приводит к инверсии в линии 40-^Е.

На переходе 4д-31Е линия найдена в 7 источниках из 63 наблюдавшихся. В направлении Оп-КЬ, К31 е1/е2, 5дг А-(А-б-Ю и 5дг В2 обнаружены широкие тепловые линии. Это говорит о том, что в

данных источниках метанол возбуждается столкновениями. В направлении N3 СОН) зарегистрирована линия поглощения, что находится -в соответствии с предсказаниями модели накачки через торсионно возбужденные уровни. Однако возможно и другое объяснение этого результата: излучение горячей НИ-зоны наблюдается сквозь облако более холодного термалиэованного газа.

Если механизм возбуждения мазеров I класса - столкновитель-ный, то возникает вопрос, почему линия 40-З^Е не обнаружена в большом количестве наблюдавшихся источников этого класса. Очевидно, при плотности ниже 106 см~3 сигнальные уровни слабо населены, а при плотности выше 10® см-3 переход термализуется.

III.4. Роль высокоскоростных потоков. Неоднократно отмечалась связь иетанольных (лазеров с высокоскоростными потоками. Предполагается, что эта связь вызвана повышением обилия метанола под воздействием высокоскоростных потоков.

Дополнительным фактором, способствующим возникновению мазеров в подобных объектах, может являться полость, образованная истечением вещества. Она дает возможность для выхода фотонов из среды, в частности, в линиях (.Ь1)0-(.1-2)1А+ в случае А-метанола или аналогичных в случае Е-метанола и тем способствует возникновению мазерного излучения Сем. III.1).

IV. НАБЛЮДЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА НА ЧАСТОТЕ 48 ГГц

Нами был предпринят обширный обзор молекулярных облаков Галактики в линии 1ф-О0А+. Так как эта линия немазерная, она пригодна для определения лучевой концентрации и обилия метанола. Наблюдения проводились на 14-м радиотелескопе Астрономического центра в Джебесе (Испания) в направлении ряда плотных ядер тем-

ных облаков, холодных источников IRAS, а также ряда известных областей звездообразования. Тепловое излучение обнаружено в направлении 30 новых источников.

IV.1. Определение лучевой концентрации. В том случае, когда принимается излучение оптически тонкой линии, лучевая концентрация молекул обычно рассчитывается в предположении, что энергетические уровни заселены в соответствии с формулой Больцмана. Однако, как было показано в III.1, при значениях температуры и плотности, характерных для молекулярных облаков Галактики, распределение населенностей уровней далеко от больцмановского. Поэтому для определения лучевой концентрации метанола использовалась методика, разработанная А. М. Соболевым, который рассчитал сетку моделей статических однородных облаков с различными значениями кинетической температуры и плотности. Так как плотность источников чаще всего плохо известна, для каждого значения температуры А. М. Соболевым были усреднены соотношения между T_K'AV и NCH30H в диапазоне значений плотности 103, 10* и 10т см"3, характерном для протяженных областей молекулярных облаков.

При кинетической температуре 10 К относительная погрешность определения Nqj^qjj по усредненным соотношениям приблизительно равна 20'/.. При температуре 30 К она составляет около 50%. Расчеты показывают, что при дальнейшем повышении температуры погрешность определения Nqpqjj значительно возрастает. Поэтому при значениях температуры выше 30 К пользоваться усредненными соотношениями нельзя, и для определения лучевой концентрации метанола по результатам наблюдений лиши 1q-0qA+ необходимо знать плотность газа.

Сравнение результатов, полученных по методике Соболева, с результатами расчетов в предположении больцмановского распределения населенностей уровней показывает, что в последнем случае оценка лучевой концентрации сильно завышена. Например, оценки при кинетической температуре источника 30 К различаются на порядок. При понижении кинетической температуры различие оценок уменьшается; при 10 К оно приблизительно равно трем. IV. 2. Относительное содержание метанола. Для анализа содержания метанола использовались наши наблюдательные данные, а также данные по другим источникам, наблюдавшихся , на 48 ГГц Случевая концентрация была пересчитана по методике Соболева). Обилие метанола во многих обнаруженных источниках заключено в интервале Ю-1®- Зх10~®. Примерно такие же значения имеют верхние пределы обилия в источниках, где линия не обнаружена. Поэтому можно

предположить, что типичное значение обилия метанола не превыша-

3 -9

ет 3x10 . Повышенное содержание метанола (больше 3x10 ) зарегистрировано в направлении S231, L379, NGC 2264, 0N 1, NGC 1333, S231, L1152 и W5S. Все эти источники, кроме L11S2, являются областями образования массивных звезд.

Исследования горячих ядер Ori-KL и некоторых других областей звездообразования показали, что для них характерно высокое от-

7

носительное содержание метанола, вплоть до 10 -10 . Вероятно, большинство подобных объектов имеет малые угловые размеры (даже в 0ri-KL, ближайшей к нам области образования массивных звезд, размеры горячего метанольного источника не превышают 30") и при наблюдениях с диаграммой 2 их излучение сильно ослаблено из-за дилюи'-'й. Кроме того, такие области, как правило, имеют кинетическую температуру 50-100 К и выше, что не позволяет использо-

- /<Р -

вать предложенную методику для определения лучевой концентрации

метанола. Однако представляется-возможным, что повышение усред-

-й

ненных по диаграмме значений обилия метанола до 10 в областях звездообразования полностью или частично вызвано "вкраплением" подобных объектов.

Мы попытались найти корреляцию обилия метанола с наличием высокоскоростных потоков. С этой целью все объекты были поделены на 3 группы: в группу I входят источники с обилием метанола ниже ЗхЮ-®; обилие метанола в группе II заключено в пределах от Зх10~9 до 10~8; в группе III - выше 10~8. Объекты с повышенным содержанием метанола чаще встречаются среди источников с высокоскоростными потоками. Отношение числа источников из группы I к числу источников из групп 2 и 3 для всех объектов равно 6,9. Для объектов с высокоскоростными потоками это отношение равно 1,7. Тот факт, что 10 источников с высокоскоростными потоками относятся к группе I, содержащей объекты с низким обилием метанола, скорее всего означает, что обилие бывает повышено лишь в небольших областях (например, в горячем газе за фронтом ударной волны). Этот вывод согласуется с результатами интерпретации данных наблюдений в линии Sq-7^4 (см. III. 2.3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ Основные результаты данной работы можно резюмировать следующим образом:

1) Найден ряд новых источников метанола, из них 30 - в линии 1q-0qA+, три- в линии 70-61А'*', 15 - в линии ^-ЗдЕ, 5 - в линии 8q-7jA+ и 3 - в линии 9_2~8_1Е.

2) Обнаружена линия 4q-3jE, ранее в космосе не наблюдавшаяся.

3) Разработана схема аозоуждения метанола, которая объясняет основные свойства мазеров I и II классов.

43 На основании анализа данных наблодений сделаны оценки параметров маэерных источников. Результаты наблюдений на 36 ГГц проце всего объяснить, предположив, что узкие детали возникают в объектах, плотность которых ниже 10® см-^. Сделаны оценки плотности ряда источников. Проведено моделирование метанольных мазеров на переходах.7q-6jA+ и 8q-7jA+. Показано, что яркие мазеры могут возникать в поверхностных слоях плотных газо-пылевых облаков, причем сильные мазеры на 95 ГГц возникают только при температуре газа выше или порядка 30 К. Полости, образуемые высокоскоростными потоками, способствуют возникновению метаноль-ных мазеров. Это является дополнительным аргументом в пользу связи метанольных мазеров с высокоскоростными потоками. 5) По данным наблюдений в линии 1q-OqA+ определены значения или верхние пределы относительного обилия метанола в большом числе объектов. Обилие метанола, усредненное по 2'-диаграмме направленности, в большинстве молекулярных облаков не превышает Зх10~®, однако в ряде областей образования массивных звезд оно

_q _о

выше, 3x10 - 10 . Вероятно, это связано с 'вкраплением горя-

—fi -7

чих ядер, для которых характерно обилие метанола 10" -10" . Объекты с повышенным содержанием метанола чаще встречаются в областях с высокоскоростными потоками, однако четкой корреляции между наличием высокоскоростных потоков и относительным обилием метанола не найдено.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: 1. Берулис, И. И,, Каленский С. В. , Яогвиненко, C.B. "Наблюдения метанола на частоте 36.163 ГГц ■ (J=4_j-30£) в молекулярных

облаках OMQ-l и DR 21С0Ю." 1990, Письма в Астрой. журнал, 16, 421-427.

2. Берулис, Й.И., Каленский С.В. , Соболев A.M. и Стрельницкий B.C. "Исследования молекулярных облаков по наблюдениям в радиолинии метанола 4_1~3qE. " 1991, XXIII конференция по галактической и внегалактической радиоастрономии, Тезисы, 150.

3. Берулис и др. CBerulis, I.I. , Kalenslcii, Sobolev, A.M., and Strel'nitski, V. S.) "Observations of the Methanol 4_j-30 E Line in Molecular Clouds". 1992, Astron. and Astrcphys. Transactions, 1, 231.

4. Каленский С.В. "Механизм возбуждения космических радиоисточников метанола". 1993а, XXV конференция по галактической и внегалактической радиоастрономии, тезисы.

5. Каленский С.В. "Модель метанольных мазеров I класса". 19936, XXV конференция по галактической и внегалактической радиоастрономии, тезисы.

6. Каленский, С.В. и Соболев, A.M. "Определение лучевой концентрации и относительного содержания метанола в молекулярных облаках по данным наблюдений в линии 1q-0qA+. " 1993, Письма в АЖ, в печати.

7. Каленский, С. В. , Бачиллер, Р., Берулис, И. И. , Вальтц, И. Е., Гсмез-Гонзалеэ, X. , Мартин-Пинтадо, X., Родригес-Франко, А., Слыш, В.И. "Поиски метанольных мазеров на 44 ГГц." 1992, Аотрон. журнал, 69, 1002.

8. Каленский и др. CKalenskii, S. V., Bachiller, R., Berulis, 1.1., Val 41s, I.E., Gcmez -Gonzales, J., Marlin-Pintado, J., Rodriguez-Franco, A. Slysh, V.S.) "A study of methanol masers at 36 and 44 GHz and 48 GHz thermal sisission around

them". 1993a, Conference on Astrophysical Hasers, Arlington, Virginia, USA, 1992, March 9-11, Proceedings. Eds. A.W.Clegg aiid G.E:Nedoluha, 191.

9. Каленский, С. В., Беру лис, И. И., Вальтц, И. Е., Дзвра, A.M., Слыш, В. И. "Обнаружение 13 новых источников метанола в линии 4_j-3q£. " 19936, Астрон. журнал, в печати.

10. Каленский, С. В., Лильестреы, Т., Вальтц, И. Е., Васильков, В.И., Слыш, В.И., Урпо, С. "Наблюдения метанола в линии 80-7lA+ с помощью 14-м антенны в Метсахови". 1993в, XXV конференция по галактической и внегалактической, радиоастрономии, тезисы.

11. Каленский и «р. CKalenskii, S. V., Liljestrom, Т., Val'tts, I.E., Vasil'kov V.I., Slysh, V.S. Urpo, S.) "Observations of methanol masers at 95 GHz". 1993д, Astron. Astrophys, in press.

12. Сльш и др. (Slysh, V. I., Kalenskii, S,V. , and Val'tts, I.E.). "The Detection of a New, Nonmasing Transition of Methanol at 28.3 GHz." 1992, Astrophys. Journal, 397, L43

13. Слыш и др. (Slysh, V.I.. Kalenskii, S.V., and Val'tts, •I.E.) "The Detection of a New Methanol Maser Transition at 9.9 GHz." 1993, Astrophys. Journal, in press

14. Слыш, В. И., Бачиллер, Р., Берулис, И. И., Вальтц, И. Е., Го-мез-Гонзалез, Каленский, С. В., Коломер, Ф., Мартин-Пинтадо, X. , Родригес-Франко, А. "Обнаружение теплового излучения метанола на 48 ГГц от 34 холодных и горячих молекулярных облаков." 1993, Астрон. журнал, в печати.