Локальная функция светимости и история звездообразования в диске галактики тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Российская академия наук Главная астрономическая обсерватория

На правах рукописи УДК 524.6

МАЛКОВ Олег Юрьевич

ЛОКАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ СВЕТИМОСТИ И ИСТОРИЯ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ В ДИСКЕ ГАЛАКТИКИ

(01.03.02, астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 1993

I -N

Работа выполнена в Институте астрономии Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат фиоико-математических наук

А.Э.Пискунов

Официальные оппоненты: доктор фиоико-математических наук

Ю.Н.Ефремов, ГАИШ МГУ

кандидат фиоико-математических наук П.Е.Захарова, АО УрГУ

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

физики при Ростовском государственном университете

Защита состоится "/У" Ы'ОМ 1993 г> в / УчасД^мин. на о ас еда нии специализированного совета К 002.92.01 в Главной астрономическо] обсерватории Российской Академии наук.

Адрес: 196140, Россия, Санкт-Петербург М-140, Пулково.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной астроно мической обсерватории Российской Академии наук.

Автореферат разослал <МС--А. 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совйга

кандидат физико-математических наук / // л У/ Ю.А.Наговицы

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема образования звеод является одной но ентральных в современной астрофизике. Ее актуальность в настоя-(ее время определяется как развитием новых наблюдательных методов, ак и успехами теоретических исследований в этой области. Важной арактеристпкой, описывающей процесс рождения звезд и определяю-[ей дальнейшую эволюцию диаграммы Герцшпрунга-Рессела, интеграль-ых звездных величин и других параметров звездной системы, является ункция звездообразования. Основным источником сведений о функции зездообразованпя служит анализ наблюдаемых распределений звезд по аз личным параметрам (массе, возрасту, спектру и др.); важнейшим из гнх источников — а в случае маломассивных звезд и единственным — :тается функция светимости. Вышеупомянутый анализ усложняется гобходимостыо учитывать эффекты эволюции звезд разных масс, пска-ающих начальные распределения; влияние скорости звездообразования, )торая, вообще говоря, зависит от времени; ряд других эффектов, спорных изменить вид начального или современного распределений звезд э различным параметрам.

Особенно интересным представляется весьма важный с точки зре-ая эволюции галактического вещества диапазон малых масс, где реше-ае указанных проблем осложняется рядом дополнительных трудностей, [аломассивные звезды, в силу их труднодоступности для наблюдений, с щой стороны, и большой продолжительности их времени жизни, с друга стороны, являются уникальными объектами в Галактике; и изучение 1К их интегральных характеристик, так и распределений их ансамбля э различным параметрам заслуживает отдельного рассмотрения. Ма-шассивные М-карлики интересны по многим причинам, как наблюда-зльным, так и теоретическим. Самые слабые М-карлики включают в :бя звезды, испытывающие гравитационное сжатие на главной после-эвательности; звезды на стадии горения водорода; а также звезды, не эладающие достаточной массой, чтобы поджечь водород, так называе-

мые коричневые карлики. Проблема актуальна еще и потому, что К- н карлики главной последовательности являются весьма распространен ми звездами и дают значительный вклад в общую массу окрестное! Солнца.

За почти сорокалетний период изучения начальной функции масс ( носительно надежные результаты достигнуты для звезд умеренной м сы (1 — 10 тд), и в настоящее время центр тяжести исследований смеси ся на края диапазона звездных масс — в область массивных (ш > 10 тг и маломассивных (тп < 1 т0) звезд, где вопрос о форме начальной фу] ции масс на сегодняшний день остается открытым.

Изучение методов восстановления истории звездообразования по ] блюдаемым распределениям звезд и исследование эффектов, способн повлиять на этот процесс, представляются актуальными и полезным!

Цель диссертации.

В работе преследовались следующие основные цели:

1. Решение вопроса о форме начальной функции масс маломасспвн звезд. Изучение влияния используемых в процессе получения начальв функции масс соотношений (шкала болометрических поправок, соот] шенпе масса-светимость) на ее наклон.

2. Численное моделирование визуальной, инфракрасной и боломет] ческой функций светпмостп слабых звезд с помощью эволюционных т] ков и сравнение их с наблюдениями. Оценка наблюдаемой поверхности плотности коричневых карликов и нижнего предела масс образующие звезд.

3. Восстановление соотношения масса-светимость на умеренном Д1 пазоне звездных масс пз теоретической начальной функции масс и з блюдаемой функции светимости. Объяснение появления локальных мш мумов на начальной функции масс недостаточным знанием соотношен масса-светимость и вспышечным характером звездообразования.

4. Изучение процесса получения функции светимости звезд по

е подверженности эффекту неразрешенных двойных систем. Исследо-ание ряда начальных и современных характеристик ансамбля двойных везд. Рассмотрение неразрешенных двойных систем в качестве резер-уара скрытой массы в окрестностях Солнца.

Научная новизна.

В работе впервые сделано следующее:

1. Количественно оценена степень искажения наблюдаемой функции ветимости фотометрически неразрешенными двойными системами.

2. Аналитически и численно получено начальное распределение пш-оких двойных пар по отношению масс компонентов в предположении езавпсимого образования компонентов и распределения их масс в соот-етствие с логнормальной или степенной функциями. Получено также овременное распределение.

3. Оценена степень влияния шкалы болометрических поправок и химического состава теоретических соотношений масса-светпмость на на-лон моделируемой начальной функции масс.

4. Для анализа тонкой структуры соотношения масса-светпмость компилирован каталог астрофизических параметров звезд, который со-ержит, в частности, массы и светимости наиболее хорошо изученных войных систем. Показано, что вторичный максимум на локальной функ-ип светимости может быть связан с особенностями поведения соотнесения масса-светимость.

5. Показала несостоятельность вспышечного характера звездообра-ования как механизма для объяснения всех минимумов на начальной ункции масс.

6. С помощью эволюционных треков сверхмаломассивных звезд смо-злированы болометрическая и инфракрасная функции светимости и оце-гно наблюдаемое количество коричневых карликов.

7. На основе моделирования функции светимости слабых звезд оцене-4 значение локальной скрытой массы и его изменение в процессе звез-

дообраэования.

8. Показано, что проблема скрытой массы в окрестностях Солни есть проблема определения начальной функции масс и нахождения нпя него предела масс образующихся звезд.

9. Предложен новый класс кандидатов в объекты, содержащие скрь тую массу в Галактике (неразрешенные двойные) и даны количественнк оценки.

Практическая и научная ценность.

Результаты, изложенные в данной диссертации, позволяют сделат выводы о начальной функции масс, знание которой необходимо для р( шения целого ряда астрофизических задач. Среди них такие, как не строение теории образования звезд, исследование эволюции Гклактикх моделирование звездных ансамблей, скоплений и галактик, и др. Прпм( нительно к маломассивным звездам (ш < тп0) главной последовательно сти результаты диссертации могут быть использованы также для оценк вероятности успешного поиска коричневых карликов. Результаты псслс дования маломасспвных звезд, кроме того, имеют большое значение дл теории химической эволюции Гклактики (связало с "выходом" тяжелы элементов), динамики Галактики (проблема локальной скрытой массы): теории образования звезд.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались п обсуждались н семинарах отделов "Центр астрономических данных" и "Физика и эволю ция звезд", а также астрофизическом семинаре Института астрономп: РАН; на семпнаре Страсбургского центра звездных данных; на зимне] астрономической школе (Свердловск, 1986 г.); на X европейской регио нальной конференции Международного астрономического союза "Эвq люцпя галактик" (Прага, 1987 г.); на коллоквиуме "Ошибки и неопредс ленности в астрономии" (Страсбург, 1989 г.).

Объем диссертации. Диссертация содержит 121 страницу, 39 рисун-в, 4 таблицы, список цитируемой литературы из 119 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Во Введении обосновывается актуальность решаемых в диссертации юблсм. Формулируются цели работы. Аргументируется новизна и нность полученных результатов. Кратко перечислены основные ре-льтаты и положения, которые выносятся на защиту.

Глава 1 диссертации посвящается обсуждению соотношения масса-етимость маломассивных звезд и его роли в процессе построения на-лъной функции масс.

Обзор теоретических соотношений масса-светпмость содержится в раграфе 1.1; в нем также представлены наблюдательные данные для (ломасспвных компонентов двойных звезд. Здесь же на примере дан-IX соотношений иллюстрируется процесс получения начальной функ-:п масс. Показано, что множество существующих теоретических соот-шений масса-светимость приводит к множеству принципиально разлп-ющихся начальных функций масс, правильный выбор между которыми елать невозможно, не имея аргументов в пользу того пли иного соот-шения масса-светпмость.

В параграфе 1.2 рассмотрено влияние начального содержания водо-|да, гелия и тяжелых элементов на соотношение масса-светимость и, едовательно, на начальную функцию масс. Полученные результаты по-оляют сделать вывод о том, что изменение химического состава (пока носительное содержание элементов остается в пределах, характерных я плоской составляющей) незначительно меняет вид начальной функ-и масс. По крайней мере, соотношения масса-светпмость различных торов при фиксированном химическом составе различаются сильнее, щако об эффекте вариации химического состава необходимо помнить, скольку мы имеем дело с реальными звездами, содержание элементов в

которых подвержено колебаниям, зависящим от возраста и места обрг зования этих звезд в Гклактике.

В параграфе 1.3 приводятся обзор и краткая характеристика сущс ствующих шкал болометрических поправок для холодных звезд главно последовательности. Сравнительный анализ показывает, что большив ство шкал болометрических поправок хорошо согласуются между собо£ Найдено также, что шкала болометрических поправок довольно сильн влияет на вид начальной функции масс. Этот эффект оказывается, п крайней мере, гораздо более существенным, чем влияние химическог состава.

Параграф 1.4 содержит основные выводы первой главы.

ГЪава 2 посвящена локальным минимумам на функции масс. В не: приводится информация о характеристиках основных минимумов и ука зываются возможные причины их возникновения.

В качестве одной из таких причин в параграфе 2.1 обсуждается непс стоянство скорости звездообразования оа время существования диска, 1 начальная функция масс моделируется в различных предположениях о истории звездообразования. Предположив, что наличие ряда мпнпмумо: на начальной функции масс является следствием переменности скорост: звездообразования, можно восстановить историю звездообразования,: наиболее предпочтительным для этой задачи является диапазон умерев ных и больших масс. Однако, далеко не все провалы на начальной функ ции масс можно объяснить переменностью скорости звездообразования

В параграфе 2.2 рассматривается влияние относительно неболышг вариаций соотношения масса-светимость на немонотонность начально: функции масс. Показано, что максимумы и минимумы на начально: функции масс могут не отражать реальной картины, а объясняться не достаточно точно определенным соотношением масса-светимость. Кро ме того, полученные результаты позволяют утверждать, что существу ет соотношение масса-светимость, не противоречащее наблюдательны} данным и преобразующее монотонную начальную функцию масс в нем

тонную наблюдательную функцию светимости. Основные выводы данной главы приведены в параграфе 2.3. В Diane 3 описаны процесс и результаты моделирования функции све-мостп слабых звезд (красных и коричневых карликов). Показано, что я этих объектов переход от современной к начальной функции масс [еет принципиально другой характер, чем для более ярких звезд. В параграфе 3.1 описан метод расчета и изложены основные входные отношения, используемые для моделирования функции светимости. Параграф 3.2 содержит результаты моделирования и сравнение с на-юдениями визуальной функции светимости. Здесь же исследуется влн-ие используемой для модели начальной функции масс, а также предложений о характере звездообразования в диске. Оценивается наблюда-ая поверхностная плотность на небе коричневых карликов. Найдено, о форма визуальной функции светимости для Му = 10т—20т определясь, в основном, поведением соотношения масса-светимость. Степенная чальная функция масс имеет при этом некоторое преимущество над ло-эрмальной, так как она лучше воспроизводит тонкие черты функции зтимости, кроме того, с ее помощью можно естественным образом ъяснить локальную скрытую массу. Обнаружена также зависимость нкции светимости от изменения со временем скорости звездообразо-яия.

В параграфах 3.3 и 3.4 моделируются и сравниваются с наблюдениями гсометрическая и инфракрасная функция светимости, соответственно, есь несколько лучшее согласие с наблюдениями достигается для логнор-льной начальной функции масс, однако бедность эмпирических данных позволяет сделать окончательных выводов. Параграф 3.5 содержит основные выводы данной главы. В Главе 4 описан эффект фотометрически неразрешенных двойных :тем, способный изменить вид функции светимости. В параграфе 4.1 обсуждается проблема кратности звезд и обосновы-тся актуальность изучения влияния неразрешенных двойных на функ-

цию светимости.

Параграф 4.2 содержит изложение метода расчета. Влияние нераорс шенных двойных исследуется (качественно и количественно) в различны предположениях о распределении систем по отношению масс компонш тов.

В параграфе 4.3 содержится качественный анализ влияния неразрс шенных двойных систем на функцию светимости. Здесь же приведет исходные данные, использованные для численных расчетов.

В параграфе 4.4 обсуждаются результаты численных расчетов. Пс казано, что функция светимости ярких (М < Зт) звезд не подвержен эффекту неразрешенных двойных. В районе слабых величин ситуаци радикально меняется: чем больше систем с малыми д, тем сильнее р< зультирующая функция светимости отличается от исходной.

Основные выводы данной главы приведены в параграфе 4.5.

Глава 5 посвящена вопросу образования двойных звезд. В ней иссл< дуется зависимость между начальной функцией масс звезд и распредел( нпем систем по отношению масс компонентов.

Параграф 5.1 содержит обзор наблюдательных данных о распредел< нип систем по отношению масс компонентов и ряда эффектов селекцих приводящих к различиям между современным и наблюдаемым распрс делениями. Показано, что это распределение различно для шпроких тесных систем, что косвенно подтверждает генетическое различие дву популяций двойных систем. Здесь же обсуждается связь между наблюд; емым распределением систем различных типов по отношению масс коь понентов и начальным распределением компонентов по массам.

В параграфе 5.2 представлены описание и геометрия метода для нп рокпх систем.

Параграфы 5.3 и 5.4 содержат аналитические решения для распредел< ння компонентов по д для степенной и логнормальной начальных функцп масс, соответственно.

Обсуждение результатов для широких систем приведено в парагр

)е 5.5. Здесь же исследуется зависимость полученных распределений от гаксимальной массы образующихся звезд, а также связь между началь-:ым и современным распределением. Оценки показывают, что различия гежду результирующими распределениями систем по отношению масс омпонентов лежат, в основном, в области малых д, наиболее труднодо-тупной для наблюдений.

Трудности, связанные с аналогичными расчетами для тесных систем бсуждаются в параграфе 5.6. Поскольку тесные системы образуются, о-видпмому, в ходе коллапса газопылевого ядра, можно предположить, то аналогично массам одиночных звезд будут распределены интеграль-ые массы таких систем. Однако, задача получения распределения двух еличин (массы компонентов) по распределениям их суммы и частного е решается в общем случае. Здесь же излагается ряд соображений о орме и связи этих соотношений.

Параграф 5.7 содержит основные выводы пятой главы.

В ГЪаве 6 обсуждается ряд вопросов, связанных со скрытой массой окрестностях Солнца. Приводится краткий обзор литературы по этой роблеме, обсуждается величина скрытой массы и возможные причины з существования.

В параграфе 6.1 обсуждается роль коричневых и красных карликов, 1я которых, как показано, вопрос скрытой массы тесно связал с презлом, до которого можно экстраполировать звездную функцию масс, цесь же приводятся оценки удельного количества тел планетных масс, также оценки и эволюция локальной скрытой массы из расчетов функ-ш светимости слабых звезд.

В параграфе 6.2 предлагается еще один вероятный кандидат в тела, ¡держащие скрытую массу — неразрешенные двойные. Показано, что ж разумных предположениях о характеристиках ансамбля этих объек-эв, они могут содержать значительную часть скрытой массы в окрест-)стях Солнца.

Основные выводы главы 6 содержатся в параграфе 6.3.

Таким образом, ряд вопросов, обсуждаемых в диссертации, касае' только маломассивных звезд (главы 1 и 3); другие относятся ко вс€ диапазону звездных масс (главы 2, 4, 5 и 6).

В Заключении суммированы основные результаты и выводы дпсс тацпи.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Теоретические начальные функции масс маломассивных (тп <тт звезд, построенные с использованием рассчитанных разными автора для ряда химических составов соотношений масса-светпмость; а так с использованием различных шкал болометрических поправок.

2. Теоретические соотношения масса-светимость звезд умеренн масс, построенные путем численного решения дифференциального ур; нения, и объяснение с их помощью немонотонности начальной функп масс и бимодальности функции светимости.

3. Теоретические функции светимости слабых звезд для ряда сп тральных диапазонов, построенные в различных предположениях о ] чальной функции масс и истории звездообразования; а также сделанн на их основе оценки количества коричневых карликов.

4. Метод исследования и результаты расчетов влияния фотомет! ческп неразрешенных двойных систем на функцию светимости, а так оценка скрытой массы, содержащейся в таких системах.

5. Метод получения и результаты моделирования распределения п роких систем по отношению масс компонентов при заданной начальн функции масс.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ра{ тах:

1. Малков О.Ю. О наклоне функции масс маломассивных звезд Астрофизика. 1987. т.26. с.477-487.

2. Малков О.Ю. Меняется лп наклон начальной функцнн масс для маломассивных звезд? // Научные информации Астрономического Совета. 1987. т.63. с.19-35.

3. Piskunov А.Е. and Malkov O.Yu. What is the IMF of faint stars? // Publ. Astron. Inst. Czech. Acad. Sei. 1987. v.69. p.87-90.

4. Малков О.Ю. Теоретическая болометрическая функция светимости слабых звезд// Астрон. циркуляр. 1988. No 1529. с.5-6.

5. Малков О.Ю. и Пискунов А.Э. Эволюция функции светимости слабых звезд // Астрофизика. 1988. т.29. с.504-512.

6. Малков О.Ю. и Пискунов А.Э. Влияние фотометрически неразрешенных двойных на функцию светимости // Научные информации Астрономического Совета. 1988. т.65. с.155-161.

7. Малков О.Ю. О локальных минимумах на начальной функции масс // Научные информации Астрономического Совета. 1989. т.67.

8. Malkov O.Yu. Popper's catalogue of astrophysical parameters // Bull. Inf. Centre de Donnees Stellaires. 1989. v.37. p.175-177.

9. Malkov O.Yu. Uncertainties in empirical mass-luminosity relation and local minima on the initial mass function of stars // Intern. Workshop. Errors, Bias and Uncertainties in Astronomy. Cambridge Univ. Press / Eds. C.Jaschek, F.Murtagh, Strasbourg, 1990. p.373-376.

10. Piskunov A.E. and Malkov O.Yu. Unresolved binaries and the stellar luminosity function // Astron. Astrophys. 1991. v.247. p.87-90.

11. Malkov O.Yu. Catalogue of astrophysical parameters of binary systems // Bull. Inf. Centre de Donnees Stellaires. 1993. v.42. p.27-29.

c.63-70.

С