Поиск уникальных объектов в ближайших галактиках тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ РАН

На правах рукописи

5 '»М УДК 524-726

ШОЛУХОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

ПОИСК УНИКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖАЙШИХ ГАЛАКТИКАХ

Специальность: 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыо - 1997

Работа выполнена в Государственном научном центре Специальная Астрофизическая Обсерватория Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

С.Н. ФАБРИКА Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

A.C. ШАРОВ, ГАИШ кандидат физико-математических наук H.A. ТИХОНОВ, CAO РАН

Ведущая организация: Крымская Астрофизическая обсерватория.

нос. Научный.

Защита состоится " Л^ " аиЛ^-^ 1997 г. в_часов на заседании

специализированного совета Д 003.S5.01 при Специальной Астрофизической Обсерватории РАН по адресу:

357147, Карачаево-Черкесская республика, Зеленчукский район, пос. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНД CAO РАН. Автореферат разослан " -tcJ " _1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ- мат. наук

(JCqu-j

^ , Е.К. МАЙОРОВА

Исследование массивных -звезд тлятся одним из наиболее перспективных и быстр оразвивающгоеся направлений в современной астрофизике". Ввиду огромного эволюционного значения этих объектов их исследование всегда занимало большое место в наблюдательной астрофизике. В последпее десятилетие прогресс в этой области исследований был в основном обеспечен за счет новых детекторов излучения — ПЗС матриц и появления возможности наблюдений из космоса. Наиболее массивные звезды являются и наиболее редкими объектами. Поэтому настоящий прорыв в исследовании звезд верхней части диаграммы Герцшпрунга-Рессела стал возможен после начала их изучения в других галактиках.

Основпой проблемой, в рамках которой формулируется цель данной диссертационной работы, является эволюция и наблюдательные проявления массивных и очень массивных звезд и их исследование в других галактиках. В отличие от нашей Галактики, в близких галактиках мы можем изучать значительно большее количество подобных объектов. Поэтому там мы можем исследовать объекты па разных, в том числе быстропротекающих фазах эволюции. К объектам поиска и изучения относятся массивные тесные двойные системы типа SS433, в которых происходит сверхкритическая аккреция газа на релятивистскую звезду. Исследование таких объектов приведет к пониманию механизмов формирования черных дыр в двойных системах, сверхкритической аккреции, формирования релятивистских струй. Другой тип объектов — одиночные экстремально массивные звезды LBV (яркие голубые переменные). С помощью изучения таких объектов можно лучше понять механизмы рождения массивных звезд в областях звездообразования в галактиках с различной историей химической эволюции, оценить частоту их появления и распределение по галактике. Одним из важных результатов может стать решение проблемы формирования ветров у горячих и экстремально массивных звезд, понимание природы одних из интереснейших объектов — звезд LBV или переменных Хаббла-Сендейджа. Еще один тип исследуемых объектов — ярчайшие WR звезды типа WN9, 0fpe/WN9.

Все эти объекты отражают различные стадии эволюции наиболее массивных двойных или одиночных звезд. Короткая шкала эволюции звезд на этих стадиях приводит к крайне малой частоте встречаемости таких объектов, поэтому мы их объединили под пазванием уникальные.

Исследование массивных звезд на этих стадиях эволюции весьма важно, т.к. позволит связать различные этапы активности звезд, понять эволюцию звезд в целом. Все эти объекты являются молодыми одиночными или двойными звездами, ярчайшими в Галактике. По основным наблюдательным проявлениям в оптике — горячая звезда и сильные эмиссионные линии — такие звезды подобны уникальному объекту SS433, поэтому могут быть использованы единые критерии для их поиска. Из эволюционных расчетов следует, и это подтверждается наблюдениями, что объектов типа SS433 не более, чем несколько штук в массивной галактике типа пашей, объектов LBV несколько больше — один-полтора десятка. В Галактике эти звезды располагаются в диске, весьма блпз-ко к плоскости, в областях богатых газом и пылью, большинство из них скрыто от наблюдателя, т. к. как. испытывает значительное поглощение света. Например, поглощение до SS433 составляет Ау — 8Ш, подобные объекты, проецирующиеся на центральные части Галактики, будут иметь намного более значительное поглощение. В ближайших галактиках, такие звезды будут сравнимыми по яркости в оптическом диапазоне с аналогичными объектами нашей Галактики, а в ультрафиолете, возможно, даже более яркими.

1. Как выглядят объекты типа SS433 в других галактиках и на близких к SS433 стадиях эволюции? Каковы проявления сверхкритического аккреционного диска при других углах разворота на наблюдателя?

2. Каково количество LBV, Of, WN-звезд в галактиках с разным содержанием тяжелых элементов, т. е. разной историей химической эволюции?

3. Правильна ли эволюционная последовательность одиночных наиболее массивных звезд: ОВ-сверхгигант -—> LBV - > Ofpe/WN —> WN?

4. Как выглядит переход LBV <—> Ofpe/WN или ОВ-сверхгигант —> LBV? Что такое "спящая" LBV? Возможны ли "маломассивные" LBV?

Эти вопросы сейчас наиболее актуальны в исследованиях массивных звезд. Для ответа на них необходимо радикально пополнить список таких объектов. Наиболее перспективными для этой цели являются близкие массивные спиральные галактики МЗЗ, NGC2403 и М81, достаточно хорошо изученные, первые две содержат много молодых звезд (Шаров, 1988; Хемфри и Девидсон, 1994; Сендейдж, 1984а, б). Поэто-

му именно в этих галактиках нами был начат систематический поиск уникальных массивных объектов.

Цель работы.

Основная задача настоящей работы — увеличение количества известных звезд перечисленных тнпов путем их систематического поиска в ближайших галактиках. Она включает разработку критериев и методов поиска, составление списков кандидатов в уникальные объекты в ближайших галактиках, анализ этих списков, а также спектроскопию выделенных звезд.

Актуальность работы.

Актуальность поставленной задачи определяется возрастающим интересом к исследованиям массивных звезд в других галактиках: в связи с тем, что их изучение важтго не только для понимания процессов эволюции и образования релятивистских объектов, для восстановлепия яркой части функции светимости звезд, но и для понимания химической эволюции п истории звездообразования в разных галактиках.

Практическое значение работы

Приведенные в диссертации списки кандидатов могут быть использованы для дальнейшего исследования объектов этого типа. Несколько выделенных нами в МЗЗ объектов были исследованы в Государственном Астрономическом Институте пм. П.К. Штернберга на основе архивных материалов. В частности, объект На 19, в галактике МЗЗ после его выявления в данной работе, был исследован Шаровым и др. (1997) фотометрически н показал характеристики, подобпые SS433. Разработанные методы отбора кандидатов и учета фона для галактик МЗЗ, NGC2403 и М81 могут быть применены для других галактик. Результаты спектроскопии звезд могут быть использованы астрономами для более детального исследования этих объектов. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в ряде астрономических институтов России и заруб ежом.

Апробация работы

Основные результаты диссертации изложены в 8 печатных работах, докладывались на семинарах в Ростовском Государственном Университете, Крымской Астрофизической Обсерватории, на Всесоюзных школах молодых астрономов (Свердловск, Одесса, 1988; CAO, 1987), на международной научной конференции "Современные проблемы астрономии" (Одесса, ОГУ, 1996), на конференции "Актуальные проблемы астрофизики" (Москва, ГАИШ, 1996), на общих семинарах п конкурсах научных работ CAO РАН.

Личный вклад автора

Участие автора было равноправным с научным руководителем в разработке критериев отбора и определяющим в получении списков звезд-кандидатов. Фотометрия ОВ-звезд на На-изображениях M 33 проводилась совместно со студенткой Захаровой С.А. под руководством автора. Выделение объектов с На-эмиссией в галактике M 33 проводилось автором самостоятельно. Разделение по морфологическим признакам, исследование отобранных типов кандидатов и определение межзвездного поглощения в M 33 было совместным с научным руководителем. Наблюдения всех отобранных кандидатов на мулътиобъектном спектрографе выполнялись совместно с Афанасьевым B.JL, Додоновым С.Н., Власю-ком В.В., Буренковым А.Н. и Фабрикой С.Н. Обработка полученного материала велась самостоятельно с помощью пакетов программ Вла-сюка В.В. Критерии отбора объектов с собственной эмиссией в На и кандидатов в SS433, LBV и WR разрабатывались совместно с научным руководителем.

На оащиту выносятся:

1. Список 678 звезд-кандидатов в объекты типа SS 433 и LBV в галактике M 33. Обнаружение объекта Но: 19.

4

2. Классификация кандидатов по морфологическим признакам в фильтре На и выделение 154 новых диффузных туманностей, 180 оболо-чечных туманностей и 81 звезды с Наг-эмиссией в галактике M 33.

3. Определение межзвездного поглощения по ярким голубым звездам с эмиссией в На в M 33, Av - О^З ± 0^05. Выделение группы LBV-

подобных звезд в этой галактике.

4. Результаты спектроскопии 173 голубых звезд с На-эмиссией в галактике М 33 и 88 ярчайших звезд в галактиках М81 и NGC 2403. Список 57 звезд с широкими линиями Но: в галактике МЗЗ.

5. Выделение по результатам спектроскопии 3 кандидатов в объекты LBV и 2 кандидатов в WN-звезды в М 33. Выделение 9 кандидатов в объекты LBV в галактике М81 и 21 -— в NGC 2403. Обнаружение в М 33 объекта I 322, подобного по своим характеристикам объекту SS 433.

Научная иовиоиа

1. Впервые получен список из 171 звезды-кандидата в объекты типа SS 433 в галактике М 33, составленный по принципу: как бы выглядел этот объект в оптическом, радио л рентгеновском диапазоне, свободный от межзвездного поглощения в этой галактике. Найден объект На 19, который по свойствам фотометрической перемеппости, проведенной Шаровым и др. (1997), может быть назван объектом подобным или типа SS 433.

2. Впервые на основе фотометрии 2332 ОВ-звезд на Н «-изображениях галактики М 33 проведен систематический поиск голубых звездных объектов с На-омпссией. Получен список 549 таких объектов. По диаграммам "поток, поверхностная яркость — размер" в линии На среди них выделены объекты различных морфологических типов: 81 звезда, 154 диффузных туманностей, 180 оболочечных туманностей и 117 неразрешенных На-источников.

3. Найдено, что объекты выделенных морфологических групп в линии На групп в галактике МЗЗ различаются по целому ряду характеристик: светимости, цветам, размерам и распределению по радиусу в галактике. Приведены аргументы в пользу того, что диффузные туманности представляют собой HII-области с возбуждающей звездой, а оболочечные туманности, возможно, являются оболочками вокруг WR-звезд или остатками сверхновых.

4. Среди звезд с эмиссией в На выделена группа из 20 ярчайших, которые по своим средним характеристикам соответствуют параметрам звезд LBV. Звезды промежуточной светимости являются

сверхгигантами со средним спектральным классом Blla. Определено среднее межзвездное поглощение в МЗЗ по этим двум типам звезд Av = 0"?93 ± 0ТО5.

5. Проведена мультиобъектная спектроскопия 173 голубых звезд с На эмиссией в галактике МЗЗ. Выделено 57 объектов с широкой и 23 с возможно широкой линией. 19 звезд являются кандидатами в объекты LBV (3 из них наиболее надежные), 9 — кандидатами в WN звезды (наиболее падежных 2). Проанализирован спектр звезды 1322. Это первый объект в нашем исследовании, который удовлетворяет всем наблюдательным критериям подобия SS433, возможно, что это объект типа SS433.

6. По результатам спектроскопии найдено в галактике М 81:9 кандидатов в объекты LBV, 6 сверхгигантов (из них 4 объекта могут быть объектами типа SS433), 10 НП-областей, 9 кандидатов в остатки сверхновых, 2 скопления звезд, около 7 звезд поля (Галактики) и отождествлено 4 рентгеновских источника.

7. В галактике NGC2403 выделен 21 кандидат в звезды LBV и 9 сверхгигантов, из числа этих звезд указано 8, которые могут быть рассмотрены как кандидаты в объекты типа SS433. Кроме того выделено 8 кандидатов в остатки сверхновых, 10 HII-областсй, 2 вероятных скопления звезд и 4 звезды поля (Галактики).

Содержание диссертации

Представленная диссертация является результатом работ, выполненных автором в период .1992-96 гг., и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 156 страниц, включая 31 рисунок и 15 таблиц, библиография содержит 99 наименований.

Во Введении приводится обоснование актуальности проблемы, сформулирована цель работы и ее научная новизна. Приведены положения, выносимые на защиту, кратко представлено содержание диссертации.

В Первой главе описываются типы объектов звездной природы, которые можно назвать уникальными, разрабатываются критерии их поиска на основе подобия объекту SS 433, оценивается число подобных объектов в галактике МЗЗ. Разрабатываются методы поиска. Приводится первый список кандидатов. Он содержит 171 объект, отобранный на основе наличия у ОВ-звезд галактики М 33 следующих свойств: Нл-эмпсспя, присутствие в спектре эмиссионной линии Hell Л 4686, наличие радиотуманности вокруг звезды-кандидата, возможно рентгеновский источник, переменность блеска,.

Рассматривается объект На 19 в галактике М 33, который по результатам фотометрии, проведенной Шаровым и др. (1997) для нескольких кандидатов, выделенных в данной работе, показал характеристики, подобные SS433.

Во Второй главе описывается получение второго списка кандидатов — голубых звезд с На-5мисспей на основе систематической фотометрии голубых звезд из каталога Иванова и др. (1993) па На-изображениях галактики М 33, полученных Куртесом и др. (1987). Описываются процедуры отождествления и фотометрии ОВ-звезд па На-изображениях, методика отбора кандидатов. Было выделено 549 кандидатов для спектроскопии — звезд с эмиссией в На, по критерию превышения пх потока в На над другими объектами, имеющими такую же звездную величину в фильтре V.

Здесь же рассматриваются диаграммы "поток в линии На — размер объекта па II а-к ар те" и "поверхностная яркость в линии На — размер", на основании которых мы разделили кандидаты па 3 морфологических типа по пх изображениям в На: звезды, диффузные туманности и обо-лочечпые туманности типа остатков сверхновых.

Третья глава посвящена исследованию отобранных объектов в МЗЗ. Объекты изучались по выделенным в фильтре На морфологическим типам: 81 звезда, 154 диффузные туманности, 180 туманностей типа пузырь и 117 общих промежуточных объектов. Найдено, что объекты этих групп различаются по целому ряду характеристик: светимости, цветам, потоку и поверхностной яркости в линии На, размерам, и распределению по радиусу в галактике. Сделан вывод, что диффузные объекты представляют собой НН-области с возбуждающей звездой. Оболочечные туманности возможно являются оболочками вокруг

WR-звезд или остатками сверхновых.

Здесь же рассматривается диаграмма цвет-светимость для отобранных звезд с эмиссией в На. Среди звезд выделена группа из 20 самых ярких, которые по своим средним характеристикам хорошо соответствуют параметрам голубых сверх-сверхгпгантов или объектам типа LBV. Звезды промежуточной светимости полностью соответствуют классу ярчайших голубых сверхгигантов со средним спектральным классом Blla. Определено среднее межзвездное поглощение по этим двум типам звезд, которое оказалось равным А\ = 0Г.Г193 ± 0Г.П05. Наиболее слабые из изученных звезд < V < 19^5 представляют собой голубые сверхгиганты типа lb. Поглощение света до них Ау — 0?6. Сделан вывод, что они просматриваются не по всей толщине диска галактики, а только по ближней к наблюдателю части его поверхности, причем совокупность этих звезд селекционно ограничена предельной звездной величиной (V=19Ii15) использованного списка ОВ-звезд в МЗЗ.

В Четвертой главе приводятся результаты спектроскопии 173 голубых звезд с На-эмиссией в галактике МЗЗ, выполненной на мульти-объектном спектрографе б-м телескопа. Описываются последовательно наблюдения и редукция данных. Обсуждаются проблемы корректного учета фона. Приводятся спектры, параметры линий На п интенсивности линий [Nil] А 6584 и [SII] Л 6716 в единицах интенсивности линии На.

Обсуждаются критерии отбора объектов с широкой эмиссией в На т. е. тех, в спектрах которых эта эмиссия принадлежит звезде, а не окружающей ее туманности. Всего обнаружено 57 таких объекта. У 23 звезд было заподозрено, что их эмиссия На является широкой. Анализируются спектральные характеристики объектов разных морфологических типов. Найдено, что ширина и интенсивность эмиссии На в спектре звезд коррелирует с морфологическим типом На-тумаппости, связанной со звездой.

Всего в М 33 выделено 19 кандидатов в объекты LBV, 9 кандидатов в WN и 2 кандидата в объекты типа SS433 — На 19 и 1322. Подробно приводится описание спектров индивидуальных объектов: 3-х из 19 найдеиых кандидатов в объекты LBV, 2-х ранее известных WR-звезд и 2 кандидатов в WN-звезды в галактике МЗЗ. Звезда N5, отобранная в этой работе, она же МСА1-В, принадлежит к редкому классу Ofpe/WN9 звезд, была открыта Виллисом и др. (1992) случайно при ошибочном отождествлении во время спектрального обзора WC-звезд. Важно то,

что объект N 5 - МСА1-В появился в нашем списке не случайно, а был выделен как кандидат в уникальные объекты.

Проводится исследование интересного объекта 1322, расположенного в центре гигантской HII-области NGC 592, который удовлетворяет всем критериям подобия объекту SS433 (ОВ-звсзда, На-эмиссия, эмиссия Hell, остаток сверхновой в радиодиапаооне, рентгеновский источник). Возможно, что это объект типа SS433.

В Пятой главе приводятся результаты мультиобъектной спектроскопии 40 звезд в галактике М81. Приводятся спектры и параметры линий На, интенсивности [Nil] А 6584 и [Sil] Л 6716 в единицах интенсивности линии На. Рассматриваются критерии отождествления исследованных объектов — НП-областей, остатков сверхновых, сверхгигантов, кандидатов в LBV, в объекты типа SS433, а также звездных скоплений и звезд поля (принадлежащих нашей Галактике). Всего мы выделили 10 HII-областей, 9 кандидатов в остатки сверхповых, 6 кандидатов в сверхгиганты, 2 вероятных скопления звезд и 9 кандидатов в объекты LBV. 6 звезд оказались принадлежащими пашей Галактике, еще 2 звезды, возможно, являются звездами поля, по могут быть сверхгигантами в М 81. В качестве кандидатов в объекты типа SS 433 могут быть рассмотрены 4 объекта, в основном это голубые звезды из числа кандида,тов в LBV. Приводится отождествление 4-х рентгеновских источников. Х-2 и Х-3 — источники в скоплениях звезд, Х-6 — остаток сверхновой и Х-8 — Ме-карлпк поля. Остаток Х-6 имеет аномально высокую рентгеновскую светимость, возможно, он содержит в себе тесную двойную систему типа CygX-1 пли SS433. Обсуждается светимость ярчайших сверхгигантов, подтверждается вывод о подобии галактик М81 и М31.

В Шестой главе приводятся результаты спектроскопии 44 звезд в галактике NGC2403. Приводятся спектры и параметры липий На, интенсивности [Nil] А 6584 и [Sil] А 6716 в единицах интенсивности лпнип На. По критериям, аналогичным разработанпым для галактики М81, мы выделяем в NGC 2403 10 НП-областей, 8 кандидатов в остатки сверхновых, 9 кандидатов в сверхгиганты, 21 кандидат в объекты LBV, 2 вероятных скопления звезд. 4 звезды оказались принадлежащими нашей Галактике. 8 звезд в NGC 2403 могут быть рассмотрены как кандидаты в объекты типа SS433. Интересный случай представляет собой звезда

SR 195. Если ото не случайная проекция красного карлика Галактики па структурную НИ-область NGC2403, то этот объект является такой же яркой звездой как r¡ Car. Мы подтверждаем делавшийся ранее другими исследователями вывод, что в галактике NGC 2403 больше молодых массивных звезд, чем в галактике M 81. По количеству ярчайших звезд галактика NGC2403 подобна M 33.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

В Приложении к диссертации приводятся карты отождествления ряда отобранных кандидатов и снимок M 33, с нанесенными па нем полями, в которых проводилась мультиобъектная спектроскопия звезд.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. S. Fabrika and О. Sholukhova: "A search for unique objects in nearby galaxies" Astrophys. к Sp. Sei., 1995, 226, p. 229-244.

2. O.N. Sholukhova: " The search for SS433 objects: Ha photometry of blue stars in M33", Odessa Astronomical Publications, 1996, 9, p. 156-160.

3. C.H. Фабрика, О.II. Шолухова, C.A. Захарова: "Фотометрия OB звезд на На-изображениях галактики M33", Препринт N118/1, 1997, CAO РАН; Бюлл. Спец. Астрофпз. Обе., 1997, т. 43, принято к печати.

4. С.Н. Фабрика, О.Н. Шолухова: "Исследование голубых На-объектов в галактике M 33", Препринт N 118/2,1997, CAO РАН; Бхолл. Спец. Астрофиз. Обе., 1997, т. 43, принято к печати.

5. О.II. Шолухова, С.Н. Фабрика, В.В. Власюк, А.Н. Бурснков: "Спектроскопия голубых звезд с На-эмиссией в галактике M 33", Препринт N119/1, 1997, CAO РАБ; Письма в Астроп. Ж., 1997, принято к печати.

6. О.Н. Шолухова, С.Н. Фабрика, В.В. Власюк: Результаты спектроскопии голубых звезд с На-эмиссией в галактике M 33", Препринт N119/2, 1997, CAO РАН; Письма в Астроп. Ж., 1997, принято к печати.

7. О.Н. Шолухова, С.И. Фабрика, В.В. Власюк, С.II Додонов: "Спектроскопия звезд в галактике М81", Препринт N119/3, 1997, СЛО РАН; Письма в Лстрон. Ж., 1997, в печати.

8. О.Н. Шолухова, С.Н. Фабрика, В.В. Власюк: "Спектроскопия звезд в галактике NGC2403", Препринт N 119/4,1997, САО РАН; Письма в Астроп. Ж., 1997, в печати.

Литература

Виллис и др. (Willis A.J., Schid Н., Smith L.J.): Optical spectroscopy of WR stars in M33 and M31. II - The WO population and discovery of an Ofp/WN9 star in M33, Astron. Astrophys. 1992. V. 261. P. 419.

Иванов и др. (Ivanov G.R., Freedman W.L., Madore B.F.): A catalog of blue and red supernova in M33, Astrophys. J. Suppl. Ser. 1993. V. 89. P. 85-122.

Куртес и др. (Courtes G., Petit H., Sivan.J.-P., Dodonov S., Petit M.): H-alpha survey of M33 -with the six-meter telescope. Morphology of the general diffuse emission, evidence for a chaotic medium of bubbles and filaments, 1987. Astron. and Astrophys. V. 174. P. 28-56.

Сендейдж (Sandage A.): The brightest stars in nearby galaxies. Ill -color-magnitude diagram for the brightest red and blue stars in M81 and Holmberg IX, Astron. J. 1984a. V. 89. P. 621-629.

Сендейдж (Sandage A.): The brightest stars in nearby galaxies. IV - color-magnitude diagramfor the brightest red and blue stars in NGC2403, Astron. J. 19846. V. 89. P. 630-635.

Хемфри, Девпдсоп (Humpreys R.M., Davidson K.): The luinous blue variables: Astrophysical geysers, Publ. Astr. Soc. Рас. 1994. V. 106. P. 1025.

Шаров А.С. Спиральная галактика Мессьс 33. М.: Наука, 1988. с. 248^

Шаров А.С., Горанский В.П., ФабрикаС.Н.: Затменная система высокой светимости с быстроизменяющимся периодом в галактике МЗЗ, Письма в Астрон. Ж. 1997. Т. 23. N 1. В печати.

ОШлхл^

Ii