Исследование статистических характеристик турбулентности в гигантских молекулярных облаках тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524.5

ОГУЛЬЧАНСКИЙ Ярослав Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ГИГАНТСКИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОБЛАКАХ

01.03.02 — Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Киев 1992

Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории Академии наук Украины.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук,

профессор Колесник И.Г.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

профессор Петрухин Н.С. — кандидат физико-математических наук Мельник В.Н.

Ведущая организация — Санкт-Петербургский физико-технический

институт.

Защита состоится «04» июня рованного совета Д 016.14.01 при Академии наук Украины (252127 в 9 часов.

1992 года на заседании специадизи-Главной астрономической обсерватории г. Киев, Голосеево). Начало заседания

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной астрономической обсерватории АН Украины.

Автореферат разослан « / » мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

Н.Г.Гусева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Исследование областей звездообразования в гигантских молекулярных облаках (ГМО) и происходящих в них неравновесных процессов свидетельствует о наличии высокоскоростных неупорядоченных (турбулентных) движений газовых масс, которые во многом определяют эволюции ГМО, морфологию их. внутренних областей и характеристики среды. Турбулентные движения со сверхзвуковыми скоростями приводят к сжатию вещества, сильной неоднородности среды, образованию плотных, движущихся сгустков. Исследование среды ГМО в различных молекулярных линиях показало наличие статистических соотношений, связывающих размеры областей и дисперсии скоростей в них С 31, корреляций флуктуаций скорости и плотности [4], распределений характеристик облаков и сгустков - их масс и размеров [3,6].

Поэтому необходимыми являются исследования турбулентных движений, построение моделей эволюции турбулентности в ГМО, в которых присутствовали бы статистические характеристики турбулентности и параметры фрагментированной среды.

С учетом сильного отличия турбулентности в ГМО от турбулентности на Земле ее исследование будет способствовать более глубокому пониманию природы нелинейных, турбулентных явлений на Земле и в космосе.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию эволюции сверхзвуковой турбулентности в процессе формирования ГМО, статистическому описанию турбулентной среды в терминах корреляционных и спектральных функций, получению параметров флукту-аций плотности - объемного фактора заполнения сгустками среды, распределения сгустков по размерам, плотностям, массам.

Г

*

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Исследован процесс перехода от состояния турбулентности несжимаемой жидкости к сверхзвуковой турбулентности. Получены выражения, описывающие эволюцию спектральных функций скорости и плотности, определены характерные временные масштабы образования сгустков плотности.

2. Описана эволюция сверхзвуковой турбулентности на стадии образования и взаимодействия ударных волн. В рамках модели, описывающей турбулентность как статистический ансамбль взаимодействующих ударных волн, получено распределение сгустков по массам и плотностям, близкое к наблюдаемому.

3. Для турбулентности в ГМО должен существовать протяженный диапазон расстояний (от сотых долей парсека до порядка 1 пк), спектры турбулентных флуктуаций различных физических величин на которых являются автомодельными. В предположении автомодельности получены спектральные и корреляционные функции в инерционном интервале. Полученные спектры использованы для анализа наблюдательных данных по турбулентности в ГМО.

4. С помощью вероятностного подхода определены свойства распределений параметров сгустков и их зависимость от размерности и масштабов происходящих физических процессов.

Научная новизна работы состоит в:

- применении для описания начальной стадии эволюции аппарата спектральных функций с использованием неявного решения бесстол-кновительного уравнения движения в одномерном и трехмерно!» случае;

- описании эволюции сверхзвуковой турбулентности в изотермической среде как статистического взаимодействия ударных волн;

- получении спектральных характеристик сверхзвуковой турбулентности в изотермической среде с помощью групповых преобра-

зований уравнений для характеристического функционала турбулентности;

- использовании полученных спектров для определения наблюдаемых характеристик - корреляционной длины флуктуаций центроидов скоростей турбулентных движений;

- нахс||Ццении с помощью вероятностного подхода связи между макроскопическими характеристиками физического процесса размерности и масштабов и характеристиками сгустков, образующихся под воздействием этого процесса.

Практическая ценность. Результаты, полученные в данной )аботе, могут быть использованы для:

■ исследовании взаимодействия турбулентных пульсаций и гравитационных, тепловых, химических воздействий для изучения условий образования звезд в молекулярных облаках®

■ при построении моделей ГМО с учетом их сегментированной структуры®

• при интерпретации наблюдательных данных по строению молекулярных облаков.

На защиту выносится:

1. Образование сверхзвуковой турбулентности из дозвуковых 'урбулентных движений и начальная стадия эволюции сверхзвуковой ■урбулентности.

2. Стадия образования ударных волн, их эволюция с учетом (заимодействия друг сдругом и формирование фрагментированной :реды.

3. Автомодельные спектры турбулентности в инерционном :нтервале.

4. Статистические, характеристики сгустков. Вероятностный юдход.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в восьми аботах, из них две в соавторстве.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на астрофизических семинарах в ГАО АН Украины, на рабочем совещании по физике звезд и галактик СПущино,1987г.), всесоюзном совещании по физике межзвездной среды СТрускавец,1988г.), семинаре памяти С.А. Каплана (Торький, 1989г.), всесоюзном совещании по физике межзвездной среды и туманностей '¿Киев, 1989 г.), международном рабочем совещании "Физические процессы при фрагментации и звездообразовании" СМонтепорцио, Италия,1989г.), 147 симпозиуме MAC "Фрагментация молекулярных облаков и звездообразование" С Гренобль,1990г.).

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет страниц, включая 9 рисунков и 110 наименований библиографических источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность проблемы , сформулированы цели и задачи работы, основные результаты, выносимые на защиту, указаны их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен анализ теоретических и наблюдательных работ по изучению турбулентности в молекулярных облаках и в сжимаемой жидкости и выделены актуальные проблемы для исследования. Сделан обзор представлений о природе и характере сверхзвуковых движений в облаках. Отмечено наличие во многих наблюдаемых облаках сгустков с дисперсией внутренних скоростей, которые не являются гравитационно связанными, что подтверждает необходимость гидродинамического описания турбулентных движений и сгустков, образующихся вследствие сжимаемости вещества.

Во второй главе описана начальная стадия эволюции сверхзвуковой турбулентности в ГМО. На основании предположения Колесника [1) о превращении дозвуковых турбулентных движений в сверхзвуковые вследствие быстрого охлаждения вещества при выделении ГМО из сверхоблаков представлена модель, описывающая это превращение. В этой модели инерция начальных вихревых движений приводит к сжатию вещества, при этом на рассматриваемой стадии эффекты расширения сжатого газа и образования ударных волн не учитываются. Движение газа описывается трехмерным аналогом уравнения Бюргерса

^ + (^7)1? = ,

которое в пределе малой вязкости переходит в бесстолкновитель-ное уравнение. С использовавнием неявного решения этого уравнения получены выражения для эволюции спектров скорости и плотности. Получена оценка времени образования сгустков из вихрей разных масштабов, характерного времени диссипации.

В третьей главе исследуется дальнейшая эволюция турбулентной среды с учетом образования ударных волн, их взаимодействия со средой и друг с другом, а также образование сгустков за фронтами ударных волн. Среда в ГМО с учетом эффективного охлаждения считается изотермической. В изотермической среде результаты парных взаимодейстивий ударных волн можно представить простым образом. Столкновения ударных волн под углом приводят к уменьшении угла взаимодействия, так что через несколько характерных временных промежутков между столкновениями можно считать, что движения в среде представляют собою совокупность одномерных потоков с одномерными взаимодействиями. 2 учетом результатов этих взаимодействий для описания движений в газе предложено кинетическое уравнение для функции распреде-иения ударных волн по скоростям с учетом их взаимодействия со

средой и друг с другом. Полученное асимптотическое решени этого уравнения использовано для анализа параметров сгустков образующихся за фронтами ударных волн и определения и распределения по массам, которое близкое к наблюдаемому.

Четвертая глава посвящена преимущественно исследовани статистических характеристик стационарной турбулентности применении к гигантским молекулярным облакам. В перво параграфе для нахождения спектров турбулентности в изотерми ческой жидкости используется метод группового преобразовани, уравнения для характеристического функционала турбулентности предложенный Моисеевым и др.[21. Получены общие выражения дл; спектров флуктуаций гидродинамических величин, содержащи: произведения скорости и логарифма плотности в произвольно: степени.Во втором параграфе обсуждается возможность существо вания автомодельных спектров в замагниченных молекулярны: облаках с частично ионизованным газом и получен критерий, прз выполнении которого такие спектры возможны. В третьем параграф« полученные выражения для корреляционных функций используются для анализа статистических данных по турбулентности ] молекулярных облаках, приведенных в работе [43. Установлен« что комковатость среды приводит к значительному уменьшена длины наблюдаемых корреляций флуктуаций центроидов скорости п< сравнению с длиной корреляции флуктуаций скорости. Величин; наблюдаемой длины корреляции должна составлять около 0.1 пк. 1 четвертом параграфе для нахождения характеристик сгустков с умеренными флуктуациями плотности применяется вероятностны! подход. Определены зависимость распределения сгустков по размерам от размерности физического процесса, приводящего } образованию сгустков и связь объемного фактора заполнения сред1 с внутренним и внешним масштабом процесса.

В заключении перечислены основные результаты и выводы, полученные в настоящей работе.

ОСНОБНЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Наблюдаемую клочковатую структуру молекулярных облаков в значительной степени определяют нестационарные фрагменты, [то является следствием сверхзвуковой турбулентности.

2. Исследован процесс перехода от состояния турбулентности [есжимаемой жидкости к сверхзвуковой турбулентности. Получены »ыражения, описывашние эволюцию спектральных функций скорости и шотности, определены характерные временные масштабы >браэования сгустков плотности.

3. Описана эволюция сверхзвуковой турбулентности на стадии >бразования и взаимодействия ударных волн. В турбулентной среде : значительными числами Маха сгустки представляют собою [реимущественно вытянутые, волокнистые структуры.

4. В рамках модели взаимодействующих ударных волн получено »определение сгустков плотности по массам и плотностям, 5лизкое к наблюдаемому.

5. Для турбулентности в ГШ должен существовать протяженн-шй диапазон расстояний (от сотых долей парсека до порядка .пкЭ, спектры турбулентных флуктуаций различных физических 5еличин в котором являются автомодельными. В предположении 1ВТомодельности получены выражения для спектральных и корре-1яционных функций в инерционном интервале.

6. Фрагментированность среды приводит к уменьшению коррекции наблюдаемых флуктуаций центроидов скорости по сравнению с сорреляцией скорости на величину порядка квадрата числа Маха; 1аблюдаемая длина корреляции составляет около 0.1 пк.

7. С помощью вероятностного подхода рассмотрены свойтва »определений сгустков для не слишком больших флуктуаций ■шотности и установлена зависимость распределения по размерам эт размерности физического процесса, приводящего к образованию згустков. Для инерционного интервала произведена оценка збъемного фактора заполнения облака, который пропорционален

отношению максимального и минимального масштабов автомодель ности спектра.

По тематике диссертации опубликованы следующие работы:

1. Огульчанский Я.Ю. Эволюция сверхзвуковой турбулентности в гигантских молекулярных облаках.-Киев, 1987.-25 с СПрепринт/АН УССР. Ин-т теорет. физики; ИТФ-87-24Р).

2. Огульчанский Я.Ю. Начальная стадия развития сверхзвуковой турбулентности при образовании гигантских молекулярны облаков//Кинематика и физика небес. тел.-1988.-4,N5 -С. 3-12. • . "

3. Ohul'chansky Уа.Yu. Statistical characteristics о turbulence in giant molecular clouds.I. Spectra i inertial range.-Kiev, 1988.-21 P. СПрепринт/АН УССР. Ин-теорет. физики; ITP-88-167E),

4. Ohul'chansky Ya.Yu, Statistical characteristics turbulence in giant molecular clouds.II. CIurn properties//Ibid. -1988.-17 P. СПР-88-168Е).

5. Kolesnik I,G., Ohul'chansky Ya.Yu: Supersonic turbulen fragmentation of giant molecular clouds.- In: Physica Processes in Fragmentation and Star formation. R.Capuzzo Dolcetta et al.. (eds),-Dordrecht: Kluwer Academi Publishers, 1990.-P. 81-86.

-6. Kolesnik I.G., Ohul'chansky Ya.Yu. Hierarchical structur • of molecular clouds produced by supersonic turbulence.-In Fragmentation of Molecular Clouds & Star Fofmation E.Falgarone, E.Boulanger, G.Duvert (eds). IAU .symp.N 14 Proceedings.-Dordrecht: Kluwer Academic Publishes, 1991,-P. 119-125.

7. Ohul'chansky Ya.Yu. Model description of turbulence . i clumpy structure of molecular clouds as the interaction о shock waves.-Kiev, 1992. -20 P. (Препр1нт/АН Украии. Гол

астрон. обсерватор1я; МА0-92-1Ю.

8. Огульчанский Я. ¡0. Модель эволюции сверхзвуковых движений в молекулярных облаках и характеристики фрагментированной среды//Кинематика и физика небес, тел.-1992. 8,N3.-С.3-13.

1

Слисок цитируемой литературы:

1. Колесник И. Г. Образование гигантских молекулярных облаков в сверхоблаках и возникновение сверхзвуковой турбулентности//Кинематика и физика небес, тел.-1987. 3, Ш. -С. 50-61.

2. Моисеев С. С. , Тур А. В. , Яновский В. В. Спектры и способы возбуждения турбулентности' в сжимаемой жидкости//Журн. эксп.теор.физ. -1976. -71,N6(9).-С.1062-1069.

3. Dickey J. М. .Garwood R7W. The mass spectrum of interstellar cloudsz/Astrophys.J.-1989.- 341,N1. -P.201-207.

4. Kleiner S.C. , Dickman R.L. Small-scale structure of the Taurus molecular clouds: turbulence in Heiles' cloud 2// Astrophys. J. - 1987.- 312,N3. -P. 837-847.

5. Larson R. B. Turbulence and star formation in molecular clouds//Mon. Not. Roy. Astron. Soc. -1981. -194,N3. -P. 809-826.

6. Loren R.J. The cobwebs of Ophiuchus. Г.Strands of13C0: the mass distributionz/Astrophys.J.-1989. -338,КЗ. -P. 902-924. -