Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках

Акимкин, Виталий Викторович

Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Акимкин, Виталий Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках»

Автореферат диссертации на тему "Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках"

На правах рукописи

Акимкин Виталий Викторович

Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках

01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 МАП 2013

005059973

Санкт-Петербург - 2013

005059973

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте астрономии Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, ВИБЕ Дмитрий Зигфридович

Официальные оппоненты: ГРИНИН Владимир Павлович,

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией звездообразования Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук

ЛАМЗИН Сергей Анатольевич,

доктор физико-математических наук, заместитель директора Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация:

Волгоградский государственный университет

Защита диссертации состоится <21» июня 2013 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук (ГАО РАН) по адресу:

196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом 65 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН Автореферат разослан «17» мая 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Актуальность исследований протопланетных дисков связана также с развитием наблюдательной базы. Значительная доля излучения протопланетных дисков приходится на инфракрасный (ИК) и радио- диапазоны. Мощные инструменты для наблюдений в этих диапазонах появились лишь в последнее время. Еще одной причиной интереса к исследованиям протопланетных дисков, которая никогда не потеряет своей актуальности, является мировоззренческий аспект проблемы. Понимание происхождения планетных систем и, в конечном счете, самой жизни невозможно без понимания феноме-па протопланетных дисков.

Фундамент теории газо-пылевых дисков как областей формирования планет был заложен еще й. Кантом и П. Лапласом в 18веке и существенно развит В. С. Сафроновым в 1960-х гг. [8]. Однако первые прямые свидетельства существования околозвездных дисков появились только в начале 1980-х гг. благодаря космическому телескопу IRAS, обнаружившему ИК-избытки в спектрах молодых звезд [9-11]. В начале 1990-х гг. с помощью космического телескопа им. Хаббла были получены первые прямые изображения пылевых дисков в области звездообразования в Орионе [12]. В этом исследовании пылевые диски были обнаружены более чем у половины молодых звезд, а оценки массы дисков удовлетворяли необхо-

димому условию образования в них планетных систем. Еще одним важным событием в становлении современной теории происхождения планетных систем стало открытие в 1995 г. первой планеты у звезды солнечного типа [13]. Существенные продвижения в наблюдательном изучении протопланетных дисков связаны с успехами космических ИК-телескопов — «Спитцер» и «Гершель», — благодаря которым получены оценки физических свойств газа и пыли в нескольких сотнях протопланетных дисков [14, 15]. Основные аспекты современных исследований формирования планетных систем детально представлены, например, в работах [16-19].

Наблюдения протопланетных дисков являются сложной задачей из-за их сравнительно небольших размеров и преимущественно низких температур, однако ряд базовых фактов об их эволюции и структуре к настоящему времени установлен вполне надежно [20]. В частности, изучение протопланетных дисков в среднем ИК-диапа-зоне позволило определить частоту встречаемости дисков и среднее время их жизни [21]. По наблюдениям в миллиметровом диапазоне определяются массы дисков [22]. Исследование функции светимости дисков в миллиметровом диапазоне в областях звездообразования различных возрастов [23] указывает, что за « 2 миллиона лет субмикронные пылинки успевают вырасти до сантиметровых и более крупных. Такая временная шкала эволюции согласуется с данными ближнего и среднего ИК-диалазонов [21, 24].

Интерферометрические наблюдения позволяют исследовать не только интегральные свойства дисков, но и их структуру [25]. Для получения информации о строении протопланетных дисков в ближайших областях звездообразования необходимо разрешение лучше 1", которое сейчас доступно на интерферометрах CARMA, IRAM PdBI, SMA и ALMA. На данный момент пространственно разрешенные наблюдения на длинах волн от оптического диапазона до радиодиапазона в линиях молекул и в континууме получены более чем для полутора сотен протопланетных дисков (см. http: //circumstellardisks. org/). Эти наблюдения позволяют накладывать более строгие ограничения на свойства пылинок, распределение плотности и общую структуру протопланетных дисков на ранних эволюционных стадиях [20]. Подобная информация является ключевой при поиске ответа на один из важнейших вопросов — даст ли конкретных диск начало новой планетной системе?

Мощной наблюдательной опорой как для определения характеристик конкретных протопланетных дисков [26, 27], так и для статистических исследований [28] стал ввод в строй интерферометра ALMA. Показательно, что первым объектом для наблюдений на ALMA — самом дорогостоящем наземном инструменте — стал именно протопланетный диск у звезды TW Нуа.

Несомненно, в ближайшем будущем объем данных о протопланетных дисках существенно вырастет. Интерпретация высококлассных наблюдений требует теоретического описания сопоставимого уровня. Таким образом, становится все более актуальной задача разработки комплексной модели протопланетного диска. Разработке и применению такой модели посвящена представленная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы состоит в

— исследовании влияния эволюции пыли на физико-химическую

структуру протопланетных дисков;

— разработке методики интерпретации наблюдений в (суб)милли-

метровом диапазоне с высоким пространственным разрешением;

— определении характеристик протопланетного диска СВ 26.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. разработка и программная реализация метода переноса излучения в континууме для произвольных оптических толщин;

2. разработка самосогласованной модели физико-химической структуры маломассивного диска вокруг одиночной звезды с учетом переноса излучения, эволюции пыли, теплового баланса

и химии газа;

3. разработка программных комплексов для построения синтетических изображений протопланетных дисков в инфракрасном и радио- диапазонах и поиска модели наилучшего соответствия для конкретных объектов на основе их пространственно разрешенных наблюдений;

4. исследование влияния ультрафиолетового (УФ) избытка в спектре родительской звезды на физическую и химическую структуру протопланетных дисков;

5. анализ проявления эволюции пыли в наблюдаемых параметрах диска, анализ связи между эволюцией пыли и молекулярным составом диска, выявление молекулярных индикаторов эволюции пыли;

6. апробация методики восстановления структуры протопланетных дисков и свойств пыли в них на основе наблюдений про-топланетного диска СВ 26.

Научная новизна

Следующие основные результаты были получены впервые:

1. Физико-химическая модель протопланетного диска, одновременно и согласованно учитывающая детальную эволюцию пыли (коагуляцию, фрагментацию, оседание), перенос излучения в континууме, тепловой баланс газа и нестационарную химию;

2. Расчет двумерной физико-химической структуры диска с учетом эволюции пыли;

3. Сравнение отклика физической и химической структуры дисков на различные УФ-избытки с учетом эволюции пыли;

4. Список молекул — индикаторов эволюционной стадии протопланетных дисков — содержание которых существенно меняется в процессе эволюции пыли: СОг, Н20, НСООН, НСИ, СО;

5. Определение характеристик протопланетного диска СВ 26 на основе наблюдений с интерферометров ОУТШ, БМА, Р<1В1 на трех частотах. Доказательство наличия центральной области без пыли, определение верхнего предела на размер пылинок в диске Отах ~ 0.02 см, указывающего на раннюю стадию эволюции;

6. Исследование проблемы вырождения между структурными и тепловыми параметрами протопланетного диска СВ 26.

Научная и практическая значимость

В ходе выполнения диссертационной работы сделан новый шаг к пониманию физики протопланетных дисков и их наблюдательных проявлений. Разработанный пакет программ представляют собой комплексный инструмент для интерпретации современных высококлассных наблюдений на (суб) миллиметровых интерферометрах ALMA, SMA, PdBI, CARMA. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в ведущих международных и российских научных изданиях и используются исследователями из России (ИНАСАН, СПбГУ) и других стран (Института астрономии им. М. Планка, Германия; Университет Вирджинии, США).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 142 страницы, включая 28 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 123 наименования.

Содержание работы

Во Введении обсуждается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов. Представлеп общий обзор исследований протопланетных дисков.

Глава 1 «Физико-химическое моделирование протопланетных дисков» посвящена описанию разработанной модели структуры протопланетных дисков, в которой впервые комплексно учитываются процессы переноса излучения, эволюции пылевого компонента, химической и тепловой эволюции газа.

зована эта модель. Детально описаны методы определения температуры и плотности пыли и газа, молекулярного состава, эволюции пыли, поля излучения. В параграфе 1.3 «Ускоренный алгоритм расчета тепловой структуры» описывается важная модификация модели, позволяющая существенно ускорить расчет тепловой структуры для ряда задач. Данный алгоритм эффективен при интерпретации изображений протопланетных дисков в пылевом континууме в дальнем инфракрасном и радио- диапазонах. В параграфе 1.4 «Тестирование алгоритмов» приводятся результаты верификации модели и комплекса ANDES, в частности, тестирование алгоритма переноса излучения для случаев, допускающих аналитическое решение. В параграфе 1.5 «Заключение» суммируются основные результаты главы и указываются соответствующие публикации автора, а также формулируются положения, выносимые на защиту по материалам главы.

В Главе 2 «Влияние эволюции пыли на структуру протопланетных дисков» представлено теоретическое исследование структуры протопланетных дисков на ранней стадии формирования планет. Моделирование физической и химической структуры проведено с помощью комплекса программ ANDES для случая протопла-нетного диска, подобного диску у звезды DM Таи. Изучение влияния эволюции пыли проводится на основе сравнения двух случаев: для пыли с параметрами, типичными для межзвездной среды, и для пыли, в течение двух миллионов лет подвергавшейся процессам роста и фрагментации в ходе столкновений пылинок, а также седиментации к центральной плоскости. Показано, что эволюция пыли существенно сказывается на физической и химической структуре диска, что может быть обнаружено в наблюдениях.

до нескольких тысяч Кельвинов, в основном, за счет фотоэффекта. Дефицит пыли в атмосфере проэволюционировавшего диска приводит к меньшей эффективности фотоэффекта на мелких пылинках и, соответственно, меньшим температурам газа (на 1000 К для внутренних областей диска).

Эволюция пыли существенно сказывается не только на физической, но и на химической структуре диска. В параграфе 2.2 «Химическая структура и молекулярные индикаторы эволюции пыли» детально описываются соответствующие изменения в молекулярном составе диска. Они связаны с двумя факторами — полем излучения и общей площадью пылинок, доступной для поверхностных химических реакций. Для большинства химических соединений обнаружен рост газофазных содержаний, который в некоторых случаях составляет 1-3 порядка. Важным результатом этого исследования является список молекулярных индикаторов эволюции пыли (С02, Н20, НСООН, НСЫ, СО). Параграф 2.3 «Влияние УФ-избытка на термо-химическую структуру диска» посвящен важному фактору, определяющему структуру протопланетных дисков — УФ-излученшо. Показано, что при моделировании структуры конкретного протопланетного диска важно корректно рассматривать УФ-избыток в спектре: разница в температуре пыли при различных возможных УФ-избытках может достигать 50%, а в скоростях фотодиссоциации молекул — нескольких порядков. Другим важным выводом главы является необходимость применения нестационарной химии к описанию молекулярной структуры периферийных областей диска, в особенности в приложении к самой распространенной молекуле — ІІ2 ■ Этот вывод обоснован в параграфе 2.4 «Структура диска с химической эволюцией». В параграфе 2.5 «Заключение» суммируются основные результаты главы, указываются соответствующие публикации автора и формулируются положеіпія, выносимые на защиту по материалам Главы 2.

В Главе 3 «Восстановление параметров протопланетных дисков по картам в (суб)миллиметровом диапазоне» описана методика определения структуры протопланетных дисков на основе изображений с высоким разрешением. Методика апробирована на прото-планетиом диске СВ 26, для которого имеются наблюдения с интерферометров ОУЇЮ, БМА, ГО.АМ РсІВІ на трех частотах — 110, 230 и 270 ГГц.

Разработанная методика основана на количественном сравнении модельных и реальных изображений нротопланетных дисков и алгоритме поиска модели наилучшего соответствия. В параграфах 3.1 «Построение синтетических изображений» и 3.2 «Поиск модели наилучшего соответствия» дается ее подробное описание. При интерпретации наблюдений в пылевом континууме, как правило, не требуется расчет молекулярного состава и тепловой структуры газа. В совокупности с ускоренным методом определения температуры пыли из параграфа 1.3, это позволяет создать численно эффективный алгоритм для поиска параметров дисков. Алгоритм применен для восстановления структуры молодого протопланетно-го диска СВ26, описанного в параграфе 3.3 «Наблюдения прото-планетного диска СВ 26». Результаты моделирования, включающие определение внутреннего и внешнего радиусов, наклона диска, размера пылинок приводятся в параграфе 3.4 «Физическая структура и эволюционный статус СВ 26». Все три наблюдательные карты свидетельствуют о наличии центральной области в диске размером около 40а.е., в которой нет пыли. Это может быть связано с динамической расчисткой звездным или планетным компаньоном центральной звезды. Установлен верхний предел на размер пылинок ашах и 0.02 см, что подтверждает молодой эволюционный статус СВ 26. Также в данном параграфе проанализирована проблема вырождения параметров диска, определяемых по пространственно разрешенным наблюдениям. В параграфе 3.5 «Заключение» суммируются основные результаты главы, указывается соответствующая публикация автора, а также формулируются положения, выносимые на защиту по материалам Главы 3.

В Заключении перечислены основные результаты и положения, выносимые на защиту, и приводится список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации.

В Приложении А «К решению уравнения переноса излучения» подробно рассматривается численная схема метода определения тепловой структуры и поля излучения, описанного в параграфе 1.2.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан и программно реализован метод расчета переноса

излучения и вертикальной структуры протопланетных дисков, специально предназначенный для расчетов химических процессов.

2. Разработан программный комплекс для моделирования протопланетных дисков с самосогласованным учетом эволюции пыли, процессов излучения, химии и теплового баланса.

3. Рассчитана физико-химическая структура типичного прото-планетного диска. Выявлены молекулы, особенно чувствительные к эволюции пыли: С02, Н20, НСООН, HCN, СО.

4. Показано, что в результате роста пылевых частиц структура диска становится чувствительнее к УФ-излучению, что проявляется в более сильной зависимости поверхностной температуры и скоростей химических реакций от формы спектра в УФ-диапазоне.

5. Разработан и реализован метод определения базовых параметров протопланетных дисков по наблюдательным картам в (суб)миллиметровом диапазоне.

6. Определены параметры протопланетного диска СВ 26. Доказано существование большой (радиусом около 40 а.е.) внутренней области, свободной от пыли. Показано, что диск СВ 26 находится на самой ранней стадии эволюции, и максимальный размер пылинок в нем не превышает 0.02 см.

Публикации по теме диссертации

Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, из них четыре статьи в рецензируемых журналах и два тезиса докладов:

1. Akimkin V. V., ZhukovskaS., SemenovD., PavlyuchenkovY. N., Wiebe D. S., Vasyunin A. I., Birnstiel Т., Henning Th. Proto-planetary disk structure with grain evolution: the ANDES model // The Astrophysical Journal. 2013. Vol. 766, 8, 24 pp.

2. Акимкин В. В., Павлюченков Я. Н., Лаунхардт Р., Бурке Т. Восстановление параметров протопланетного диска СВ 26 по

наблюдательным картам в миллиметровом диапазоне // Астрономический журнал. 2012. Т. 89. №12, с. 1008-1023.

3. Pavlyuchenkov Y. N., Wiebe D. S., Akimkin V. V., Khram-tsova M. S., Henning T. Stochastic grain heating and mid-infrared emission in protostellar cores // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2012. Vol. 421, pp. 2430-2441.

4. Акимкин В. В. Диагностика ранних фаз эволюнди прото-планетных дисков // Труды 41-й конференции «Физика космоса». Екатеринбург. 2012. с. 236.

5. Akimkin V. V., Pavlyuchenkov Y. N., Vasyunin A. I., Wiebe D. S., Kirsanova M. S., Henning T. UV-controlled physical and chemical structure of protoplanetaxy disks // Astrophysics and Space Science. 2011. Vol. 335, pp. 33-38.

6. Акимкин В. В., Павлюченков Я. Н., Вибе Д. 3. Моделироваг ние физико-химической структуры протопланетных дисков // Труды 40-й конференции «Физика космоса». Екатеринбург. 2011. с. 288.

Апробация работы

Основные результаты диссертации представлены в рамках 15 докладов (13 устных и двух постерных):

• на международных конференциях

- «JENAM» (Санкт-Петербург, июль 2011 г.);

- «Ultraviolet Universe» (Санкт-Петербург, июнь 2010 г.);

- Japanese-German Colloquium «From the early universe to the

evolution of life» (Heidelberg, декабрь 2011 г.);

• на всероссийских конференциях

- «Астрономия в эпоху информационного взрыва: результа-

ты и проблемы» (Москва, май 2012 г.);

- 40-й и 41-й конференциях «Физика космоса» (Екатеринбург,

февраль 2011 г., февраль 2012 г.);

— «Наблюдаемые проявления эволюции звезд» (Н.Архыз, ок-

тябрь 2012 г.);

— «Научная программа миссии Миллиметром» (Пущино, ап-

рель 2013 г.);

• на конференциях Института астрономии РАН

— конкурсах молодых ученых (Москва; ноябрь 2010 г., ноябрь

2011 г., ноябрь 2012 г.);

• на астрофизических семинарах

— Института астрономии РАН (Москва, октябрь 2012 г.);

— кафедры теоретической физики и волновых процессов Вол-

ГУ (Волгоград, август 2011 г., сентябрь 2012 г.);

— Института астрономии им. М.Планка (Heidelberg, февраль

2012 г.).

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Постановка задачи, обсуждение и подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Автором лично разработаны и реализованы методы расчета переноса излучения и вертикальной структуры диска, а также метод определения базовых параметров дисков по наблюдательным картам; автор внедрил данные методы в комплексную модель физико-химической структуры протоплапетного диска и проводил непосредственное моделирование.

Цитированная литература

1. BataihaN. М., Rowe J. F., Bryson S. Т. et al. Planetary Candidates Observed by Kepler. П1. Analysis of the First 16 Months of Data // Astrophys. J. Suppl. 2013. Vol. 204. P. 24.

2. Sumi Т., Karaiya K., Bennett D. P. et al. Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing // Nature. 2011. Vol. 473. Pp. 349-352.

3. Tenenbaum P., Jenkins J. M., Seader S. et al. Detection of Potential Transit Signals in the First Twelve Quarters of Kepler Mission Data // ArXiv e-prints. 2012. arXiv:astro-ph.EP/1212.2915.

4. Mayor M., Marmier M., Lovis C. et al. The HARPS search for southern extra-solar planets XXXIV. Occurrence, mass distribution and orbital properties of super-Earths and Neptune-mass planets // ArXiv e-prints. 2011. arXiv:astro-ph.EP/1109.2497.

5. Chiang E., Laughlin G. The Minimum-Mass Extrasolar Nebula: In--Situ Formation of Close-in Super-Earths // ArXiv e-prints. 2012. arXiv:astro-ph.EP/1211.1673.

6. Cassan A., Kubas D., Beaulieu J.-P. et al. One or more bound planets per Milky Way star from microlensing observations // Nature. 2012. Vol. 481. Pp. 167-169.

7. Figueira P., Marmier M., Воиё G. et al. Comparing HARPS and Kepler surveys. The alignment of multiple-planet systems // Astron. and Astrophys. 2012. Vol. 541. P. A139.

8. Сафронов В. С. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука, 1969. 244 с.

9. Smith В. A., Terrile R. J. A circumstellar disk around Beta Pic-toris // Science. 1984. Vol. 226. Pp. 1421-1424.

10. Beichman C. A. The infrared universe revealed by IRAS // Astro-physical Letters and Communications. 1988. Vol. 27. Pp. 67-88.

11. Rucinski S. M. IRAS observations of T Tauri and post-T Tauri stars // Astron. J. 1985. Vol. 90. Pp. 2321-2330.

12. O'dell C. R., Wen Z. Postrefurbishment mission Hubble Space Telescope images of the core of the Orion Nebula: Proplyds, Her-big-Haro objects, and measurements of a circumstellar disk // Astrophys. J. 1994. Vol. 436. Pp. 194-202.

13. Mayor M., Queloz D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star // Nature. 1995. Vol. 378. Pp. 355-359.

14. Furlan E., Hartmann L., Calvet N. et al. A Survey and Analysis of Spitzer Infrared Spectrograph Spectra of T Tauri Stars in Taurus // Astrophys. J. Suppl. 2006. Vol. 165. Pp. 568-605.

15. Pinte С., Woitke P., Ménard F. et al. The Herschel view of GAS in Protoplanetary Systems (GASPS). First comparisons with a large grid of models // Astron. and Astrophys. 2010. Vol. 518. P. L126.

16. Armitage P. J. Astrophysics of Planet Formation. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2009.

17. Зеленый JI. M., Захаров А. В., Ксанфомалити JL В. Исследования Солнечной системы: состояние и перспективы // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 10, С. 1118-1140.

18. Маров М., Колесниченко А., Макалкин А. От протосолиечного облака к планетной системе: Модель ранней эволюции газопылевого диска // Проблемы зарождения и эволюции биосферы / Ред. Галимова Э.М. М.: "Либроком", 2008. С. 223-275.

19. Montmerle T., Augereau J.-C., Chaussidon M. et al. From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Eaxth 3. Solar System Formation and Early Evolution: the First 100 Million Years // Earth Moon and Planets. 2006. Vol. 98. Pp. 39-95.

20. Williams J. P., Cieza L. A. Protoplanetary Disks and Their Evolution // An. Rev. Astron. Astrophys. 2011. Vol. 49. Pp. 67-117.

21. Mamajek E. E. Initial Conditions of Planet Formation: Lifetimes of Primordial Disks // American Institute of Physics Conference Series / Ed. by T. Usuda, M. Tamura, M. Ishii. Vol. 1158 of American Institute of Physics Conference Series. 2009. Pp. 3-10.

22. Mann R. K., Williams J. P. A Submillimeter Array Survey of Protoplanetary Disks in the Orion Nebula Cluster // Astrophys. J. 2010. Vol. 725. Pp. 430-442.

23. Williams J. P. Astronomical evidence for the rapid growth of millimeter-sized particles in protoplanetary disks // Meteoritics and Planetary Science. 2012. Vol. 47. Pp. 1915-1921.

24. Hernández J., Calvet N., Briceño C. et al. Spitzer Observations of the Orion OBI Association: Disk Census in the Low-Mass Stars // Astrophys. J. 2007. Vol. 671. Pp. 1784-1799.

25. Sauter J., Wolf S. Observing dust settling and coagulation in cir-cumstellar discs. Selected constraints from high resolution imaging // Astron. and Astrophys. 2011. Vol. 527. P. A27.

26. Kwon W., Looney L. W., Mundy L. G. Resolving the Circumstellar Disk of HL Tauri at Millimeter Wavelengths // Astrophys. J. 2011. Vol. 741. P. 3.

27. Madlener D., Wolf S., Dutrey A., Guilloteau S. The circumstellar disk of HH 30. Searching for signs of disk evolution with multi-wavelength modeling // Astron. and Astrophys. 2012. Vol. 543. P. A81.

28. Andrews S. M., Williams J. P. Circumstellar Dust Disks in Taurus-Auriga: The Submillimeter Perspective // Astrophys. J. 2005. Vol. 631. Pp. 1134-1160.

Подписано в печать:

06.05.2013

Заказ № 8452 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Акимкин, Виталий Викторович, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук

П4У1П ^ЧУ/'УУ

На правах рукописи

Акимкин Виталий Викторович

Перенос излучения и эволюция пыли в протопланетных дисках

01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д. ф.-м. н.

Вибе Дмитрий Зигфридович

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Введение ......................................................................4

Глава 1. Физико-химическое моделирование протопланетных дисков...................................15

1.1. Модели структуры протопланетных дисков ...........17

1.1.1. Выбор и обоснование принятых методик исследований . 20

1.2. Модель протопланетного диска ..................22

1.2.1. Определение температуры пыли и поля излучения ... 23

1.2.2. Определение температуры газа и его молекулярного состава .............................26

1.2.3. Моделирование эволюции пыли ..............28

1.2.4. Вертикальное распределение плотности..........29

1.2.5. Программный комплекс ANDES..............30

1.3. Ускоренный алгоритм расчета тепловой структуры .......32

1.3.1. Моментные уравнения переноса для ИК-излучения ... 34

1.3.2. Уравнение баланса энергии и функции нагрева .....35

1.3.3. Решение системы уравнений для тепловой структуры . . 37

1.4. Тестирование алгоритмов......................39

1.4.1. Тестирование алгоритма расчета переноса излучения . . 40

1.4.2. Тестирование алгоритма расчета вертикальной структуры 41

1.5. Заключение .............................44

Глава 2. Влияние эволюции пыли на структуру протопланетных дисков................................47

2.1. Тепловая структура диска на ранних стадиях формирования

планет ................................50

2.2. Химическая структура и молекулярные индикаторы эволюции

пыли .................................53

2.2.1. Внешние области диска...................54

2.2.2. Промежуточные области диска ..............58

2.2.3. Внутренние области диска .................60

2.3. Влияние УФ-избытка на термо-химическую структуру диска . 65

2.4. Структура диска с химической эволюцией ............69

2.5. Заключение .............................73

Глава 3. Восстановление параметров протопланетных дисков по картам в (суб)миллиметровом диапазоне ..........76

3.1. Построение синтетических изображений .............79

3.2. Поиск модели наилучшего соответствия .............81

3.3. Наблюдения протопланетного диска СВ 26............85

3.3.1. Наблюдения на интерферометре ОУШЭ..........86

3.3.2. Наблюдения на интерферометре 111АМ Рс1В1.......87

3.3.3. Наблюдения на интерферометре БМА...........88

3.4. Физическая структура и эволюционный статус СВ 26......89

3.4.1. Модели наилучшего соответствия для отдельных карт . 89

3.4.2. Обобщенная модель.....................96

3.4.3. Вырожденность моделей ..................98

3.4.4. Причины отличий на 110 ГГц ...............101

3.5. Заключение .............................103

Заключение .................................106

Литература .................................110

Приложение А. К решению уравнения переноса излучения . 125

Введение

Актуальность работы

Последние результаты поиска внесолнечных планет уверенно указывают, что планеты повсеместны в Галактике. Их обнаруживают как у звезд [1], так и изолированно от них [2]. Само наличие хотя бы одной планеты у звезды малой или промежуточной массы стало скорее правилом, чем исключением. К началу 2013 г. различными методиками открыто более 800 планет (см. http://exoplanet.eu), и более 18000 объектов находится в списке кандидатов в планеты по данным телескопа «Кеплер» [3]. Методы лучевых скоростей, затмений и микролинзирования независимо друг от друга указывают, что вероятность наличия хотя бы одной планеты у звезды солнечного типа превышает 50% [4-7]. Этот основополагающий вывод привел к всплеску активности и в смежных областях, особенно, в исследовании естественных предшественников планетных систем — протопланетных дисков. На Рис. 1 приведена публикационная активность по данным Astrophysics Data System (http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html) для трех ключевых слов — «протопланетный диск», «звездообразование» и «звезда». Характерное время удвоения количества статей для самой общей категории «звезда» составляет 15 лет, что в 2 раза медленнее, чем для тематики «протопланетный диск». Это говорит не только об абсолютном, но и об относительном росте важности исследований в данной области.

51 Peg Spitzer Herschel ALMA

star'

'star

formation"

protoplanetary disks"

Год

1987 1992 1997 2002 2007 2012

Рис. 1. Публикационная активность для трех ключевых слов — «протопланетный диск», «звездообразование» и «звезда» по данным ADS. На графике также приводятся характерные времена удвоения количества статей для каждой тематики и временные метки — открытие планеты возле звезды 51 Peg, начало работы телескопов «Спитцер», «Гершель»

ческий аспект проблемы. Понимание происхождения планетных систем и, в конечном счете, самой жизни невозможно без понимания феномена протопла-нетных дисков.

Фундамент теории газо-пылевых дисков как областей формирования планет был заложен еще И. Кантом и П. Лапласом в 18 веке и существенно развит В. С. Сафроновым в 1960-х гг. [8]. Однако первые прямые свидетельства существования околозвездных дисков появились только в начале 1980-х гг. благодаря космическому телескопу IRAS, обнаружившему ИК-избытки в спектрах молодых звезд [9-11]. В начале 1990-х гг. с помощью космического телескопа им. Хаббла были получены первые прямые изображения пылевых дисков в области звездообразования в Орионе [12]. В этом исследовании пылевые дис-

и ALMA.

ки были обнаружены более чем у половины молодых звезд, а оценки массы дисков удовлетворяли необходимому условию образования в них планетных систем. Еще одним важным событием в становлении современной теории происхождения планетных систем стало открытие в 1995 г. первой планеты у звезды солнечного типа [13]. Существенные продвижения в наблюдательном изучении протопланетных дисков связаны с успехами космических ИК-телескопов — «Спитцер» и «Гершель», — благодаря которым получены оценки физических свойств газа и пыли в нескольких сотнях протопланетных дисков [14,15]. Основные аспекты современных исследований формирования планетных систем детально представлены, например, в работах [16-19].

Наблюдения протопланетных дисков являются сложной задачей из-за их сравнительно небольших размеров и преимущественно низких температур, однако ряд базовых фактов об их эволюции и структуре к настоящему времени установлен вполне надежно [20]. В частности, изучение протопланетных дисков в среднем ИК-диапазоне позволило определить частоту встречаемости дисков и среднее время их жизни [21]. По наблюдениям в миллиметровом диапазоне определяются массы дисков [22]. Исследование функции светимости дисков в миллиметровом диапазоне в областях звездообразования различных возрастов [23] указывает, что за ~ 2 миллиона лет субмикронные пылинки успевают вырасти до сантиметровых и более крупных. Такая временная шкала эволюции согласуется с данными ближнего и среднего ИК-диапазонов [21, 24].

спектральный диапазон и разрешающая способность для ряда космических телескопов и наземных интерферометров. На данный момент пространственно разрешенные наблюдения на длинах волн от оптического диапазона до радиодиапазона в линиях молекул и в континууме получены более чем для полутора сотен протопланетных дисков (см. http://circumstellardisks.org/). Эти наблюдения позволяют накладывать более строгие ограничения на свойства пылинок, распределение плотности и общую структуру протопланетных дисков на ранних эволюционных стадиях [20]. Подобная информация является ключевой при поиске ответа на один из важнейших вопросов — даст ли конкретных диск начало новой планетной системе?

I I I—I I I м I I I I I I м 11 I I I I I I м |-1 I I—I I I м I

2015 2010 2005

d 2000

1995 1990 1985 1980

SOFIA

ACARI Spitzer

ISO

Herschel

_j_i_i_i_i i i i I i_i_i_i_■ ■ ■ ■ '

10z X[mkm]

CARMA PdBI

col

10°

10° S i 9

^ ®

10 & ro о.

■ i i i » i i

10"

Рис. 2. Инфракрасные телескопы в плоскости «доступный спектральный диапазон - годы работы». Цветом изображен дифракционный предел на разрешающую способность. Также отмечены наземные интерферометры CARMA, IRAM PdBI и ALMA.

Мощной наблюдательной опорой как для определения характеристик

конкретных протопланетных дисков [26, 27], так и для статистических исследований [28] стал ввод в строй интерферометра ALMA. Показательно, что первым объектом для наблюдений на ALMA — самом дорогостоящем наземном инструменте — стал именно протопланетный диск у звезды TW Нуа.

Несомненно, в ближайшем будущем объем данных о протопланетных дисках существенно вырастет. Интерпретация высококлассных наблюдений требует теоретического описания сопоставимого уровня. Таким образом, становится все более актуальной задача разработки комплексной модели прото-планетного диска. Разработке и применению такой модели посвящена представленная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы состоит в

- исследовании влияния эволюции пыли на физико-химическую структуру

протопланетных дисков;

- разработке методики интерпретации наблюдений в (суб) миллиметровом

диапазоне с высоким пространственным разрешением;

- определении характеристик протопланетного диска СВ 26.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

3. разработка программных комплексов для построения синтетических изображений протопланетных дисков в инфракрасном и радио- диапа-

зонах и поиска модели наилучшего соответствия для конкретных объектов на основе их пространственно разрешенных наблюдений;

4. исследование влияния ультрафиолетового (УФ) избытка в спектре родительской звезды на физическую и химическую структуру протопла-нетных дисков;

6. апробация методики восстановления структуры протопланетных дисков и свойств пыли в них на основе наблюдений протопланетного диска СВ 26.

Научная новизна

Следующие основные результаты были получены впервые:

2. Расчет двумерной физико-химической структуры диска с учетом эволюции пыли;

3. Сравнение отклика физической и химической структуры дисков на различные УФ-избытки с учетом эволюции пыли;

4. Список молекул — индикаторов эволюционной стадии протопланетных дисков — содержание которых существенно меняется в процессе эволюции пыли: С02, Н20, НСООН, НСН, СО;

5. Определение характеристик протопланетного диска СВ 26 на основе наблюдений с интерферометров OVRO, SMA, PdBI на трех частотах. Доказательство наличия центральной области без пыли, определение верхнего предела на размер пылинок в диске атах « 0.02 см, указывающего на раннюю стадию эволюции;

6. Исследование проблемы вырождения между структурными и тепловыми параметрами протопланетного диска СВ 26.

Научная и практическая значимость

В ходе выполнения диссертационной работы сделан новый шаг к пониманию физики протопланетных дисков и их наблюдательных проявлений. Разработанный пакет программ представляют собой комплексный инструмент для интерпретации современных высококлассных наблюдений на (суб) миллиметровых интерферометрах ALMA, SMA, PdBI, CARMA. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в ведущих международных и российских научных изданиях и используются исследователями из России (ИНА-САН, СПбГУ) и других стран (Института астрономии им. М. Планка, Германия; Университет Вирджинии, США).

Структура и объем диссертации

Содержание работы

Во Введении обсуждается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов. Представлен общий обзор исследований протопла-нетных дисков.

В параграфе 1.1. «Модели структуры протопланетных дисков» представлены обзор существующих моделей и обоснование принятых методик исследования. Параграф 1.2 «Модель протопланетного диска» содержит описание модели, позволяющей рассчитывать физическую и химическую структуру протопланетных дисков с учетом базовых процессов, влияющих на их наблюдательные проявления, и программного комплекса ANDES, в котором реализована эта модель. Детально описаны методы определения температуры и плотности пыли и газа, молекулярного состава, эволюции пыли, поля излучения. В параграфе 1.3 «Ускоренный алгоритм расчета тепловой структуры» описывается важная модификация модели, позволяющая существенно ускорить расчет тепловой структуры для ряда задач. Данный алгоритм эффективен при интерпретации изображений протопланетных дисков в пылевом континууме в дальнем инфракрасном и радио- диапазонах. В параграфе 1.4 «Тестирование алгоритмов» приводятся результаты верификации модели и комплекса ANDES, в частности, тестирование алгоритма переноса излучения для случаев, допускающих аналитическое решение. В параграфе 1.5 «Заключение» суммируются основные результаты главы и указываются соответствующие публикации автора, а также формулируются положения, выносимые

на защиту по материалам главы.

В Главе 2 «Влияние эволюции пыли на структуру протопланетных дисков» представлено теоретическое исследование структуры протопланетных дисков на ранней стадии формирования планет. Моделирование физической и химической структуры проведено с помощью комплекса программ ANDES для случая протопланетного диска, подобного диску у звезды DM Таи. Изучение влияния эволюции пыли проводится на основе сравнения двух случаев: для пыли с параметрами, типичными для межзвездной среды, и для пыли, в течение двух миллионов лет подвергавшейся процессам роста и фрагментации в ходе столкновений пылинок, а также седиментации к центральной плоскости. Показано, что эволюция пыли существенно сказывается на физической и химической структуре диска, что может быть обнаружено в наблюдениях.

Параграф 2.1 «Тепловая структура диска на ранней стадии формирования планет» содержит результаты численного моделирования распределения температуры газа и пыли для диска в двух упомянутых случаях. Обнаружено, что совместное влияние роста и седиментации пылинок может приводить к увеличению температуры пыли в атмосфере диска на 40%, и при этом мало сказывается на температуре глубоких затененных областей диска. Как для случая «стандартной», так и для случая проэволюционировавшей пыли температура большей части газа равна температуре пыли, однако в атмосфере диска газ заметно горячее пыли и нагревается до нескольких тысяч Кельвинов, в основном, за счет фотоэффекта. Дефицит пыли в атмосфере проэволю-ционировавшего диска приводит к меньшей эффективности фотоэффекта на мелких пылинках и, соответственно, меньшим температурам газа (на 1000 К для внутренних областей диска).

Эволюция пыли существенно сказывается не только на физической, но и на химической структуре диска. В параграфе 2.2 «Химическая структура и

молекулярные индикаторы эволюции пыли» детально описываются соответствующие изменения в молекулярном составе диска. Они связаны с двумя факторами — полем излучения и общей площадью пылинок, доступной для поверхностных химических реакций. Для больш�