Пылевые оболочки звезд типа UX Ori: моделирование и интерпретация наблюдательных данных тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

-1 'Ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Наталия Александров на КРИВОВА

Пылевые оболочки звезд типа иХ Огх: моделирование и интерпретация наблюдательных данных

Специальность 01.03.02 — астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук В.Б. Ильин Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.Н. Гнедин

доктор физико-математических наук Б.М. Шустов

Ведущая организация: Государственный Астрономический институт им. П.К. Штернберга

Защита диссертации состоится " 1998 г. на заседа-

нии Диссертационного Совета Д.063.57.39 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9, геологический факультет, ауд. 140. Начало в „ ¿£.30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

Автореферат разослан „ а-л/>е*'£~ Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 063.57.39 доктор физико-математических наук

" 1998 г. И.В. Петровская

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Исследования звезд, окруженных пылевыми дисками или оболочками — Солнца, звезд типа Беги и ¡3 Pic, Ае/Ве звезд Хербига и звезд типа Т Тельца — представляют большой интерес для решения проблемы образования планетных систем в процессе формирования и эволюции звезд. Ае/Ве звезды Хербига и родственные им объекты — звезды типа Т Тельца — входят в состав молодых скоплений и группировок звезд и на диаграммах Герцшпрунга-Рессела располагаются выше главной последовательности — в области эволюционных треков, соответствующих возрасту 105—5-106 лет и интервалам масс 0.5-2 MQ (звезды типа Т Тельца) и 1.5-6 М0 (Ае/Ве звезды Хербига). Таким образом, звезды указанных типов представляют собой ранние стадии эволюции звезд малых п промежуточных масс, чем и определяется их важное место в современной космогонии.

Расширение возможностей наземных наблюдений и интенсивное развитие внеатмосферных методов исследования в ультрафиолетовом, рентгеновском и особенно инфракрасном диапазонах привели к тому, что за последнее десятилетие собран богатый наблюдательный материал об околозвездных пылевых комплексах. В частности, появилась возможность проводить наблюдения оболочек с высоким угловым и спектральным разрешением как с Земли, так и с космических аппаратов. Все это делает проблему детальной интерпретации наблюдений Ае/Ве звезд Хербига и, в частности, звезд типа UX Ori весьма актуальной.

Тем не менее число работ, посвященных теоретическому моделированию пылевых оболочек вокруг молодых звезд, по-прежнему не-

велико. При этом многие данные никогда не интерпретировались совместно. Не удивительно поэтому, что до сих пор не найдено ответов на некоторые важные вопросы. В частности, пока мало что известно об околозвездных пылевых частицах, их внутренней структуре и оптических свойствах. Не определено пространственное распределение пыли, не ясно даже, формирует ли она протяженную оболочку или более компактный оптически толстый диск. Требует детального анализа также предполагаемое присутствие субмикронных пылинок в оболочках. Считается, что пыль поставляется во внутренние слои оболочек кометообразными телами, разрушающимися вблизи звезд [1,2]. Однако хорошо известно, что давление излучения звезд класса А должно довольно быстро выметать пылинки из оболочек. С другой стороны, затмения звезд кометообразными телами, по-видимому, наилучшим образом объясняют глубокие, алголеподоб-ные непериодические ослабления блеска, наблюдаемые примерно у четверти Ае/Ве звезд Хербига: 11Х Оп, Уи1 и других.

Ответить на указанные и многие другие вопросы, относящиеся к проблеме формирования звезд и планетных систем, невозможно без детального исследования свойств пылевых оболочек молодых звезд и интерпретации различных наблюдательных данных о них.

Целью работы является интерпретация наблюдательных данных для звезд типа 1ГХ Оп, принадлежащих к группе Ае/Ве звезд Хербига, определение параметров их оболочек и свойств околозвездных пылевых частиц. Решение этой задачи включает, во-первых, построение моделей пылевых оболочек вокруг Ае/Ве звезд Хербига, объясняющих имеющиеся наблюдательные данные, а именно: распределение энергии в спектре от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной

области, поведение показателей цвета в минимумах блеска, зависимость собственной поляризации от длины волны и ее изменения с блеском, и во-вторых, формулировку дополнительных наблюдательных тестов для проверки этих моделей и, в частности, расчет карт распределения интенсивности и поляризации для оболочек.

Научная новизна работы. В диссертации впервые одновременно интерпретируются инфракрасные (ИК) спектры и диаграммы "показатель цвета - звездная величина", наблюдаемые для Ае/Ве звезд Хербига с алголеподобными минимумами. Показано, что это позволяет оценивать как параметры оболочек, так и альбедо околозвездной пыли. Впервые проводится моделирование переноса поляризованного излучения в неоднородных пылевых оболочках молодых звезд и совместный анализ ИК спектров и поляризационных данных. При этом, в отличие от других работ, используются различные модели околозвездных пылинок. В частности, обсуждаются эффекты вероятной пористости пылевых частиц, ранее не рассматривавшейся для оболочек Ае/Ве звезд Хербига.

Научная и практическая ценность. В настоящей работе исследуются свойства пылевых оболочек вокруг Ае/Ве звезд Хербига с алголеподобными минимумами (11Х Оп и других). Однако полученные выводы должны быть справедливы для всех Ае/Ве звезд Хербига, поскольку считается, что звезды типа 11Х Оп отличаются от остальных звезд Хербига лишь ориентацией их оболочек — они видны почти с ребра.

Разработанные в ходе работы модели оболочек, а также методы моделирования и программные средства могут быть использованы и

при решении других задач. Например, при изучении пылевых оболочек вокруг гигантов и сверхгигантов поздних спектральных классов, так называемых протопланетарных туманностей и некоторых отражательных туманностей, а также при моделировании изменений блеска, показателей цвета и степени поляризации излучения затмен-ных двойных звезд, имеющих пылевую оболочку.

На защиту выносятся:

1. Модели оболочек семи Ае/Ве звезд Хербига с алголеподобны-ми минимумами (UX Ori, WW Vul, BF Ori, CQ Tau, NX Pup, VX Cas, V586 Ori), объясняющие наблюдаемые спектры, диаграммы "показатель цвета - звездная величина" и другие данные; оценки параметров оболочек этих звезд — оптических толщин, размеров, и т.д. — и среднего по ансамблю альбедо пылинок.

2. Выводы о влиянии параметров моделей оболочек со сферическим и сфероидальным распределением вещества на результаты расчетов ИК спектров, поведения показателей цвета и поляризации в минимумах, а также кривых околозвездного ослабления.

3. Карты распределения интенсивности и поляризации, построенные для моделей оболочек; анализ основных характеристик этих карт и выводы о возможности их использования для дальнейшего уточнения моделей и ограничения возможных значений параметров оболочек.

4. Результаты сравнительного анализа разных моделей околозвездных пылинок и выводы о влиянии пористости пылевых частиц на результаты моделирования.

5. Модификация и расширение (включая новые блоки, подпрограммы и дополнительные утилиты) комплексов программ, предназначенных для расчета переноса излучения в одномерных, квазидвумерных и двумерных пылевых оболочках.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на:

- семинарах кафедры астрофизики Санкт-Петербургского государственного Университета (ноябрь 1995 г., апрель 1997 г.);

- семинаре астрофизической лаборатории Астрономического Центра им. Н. Коперника (Торуяь, Польша, октябрь 1996 г.);

- семинаре проблемной группы по исследованию пыли в Солнечной системе Института Аэрономии им. М. Планка (Катленбург-Линдау, Германия, февраль 1997 г.);

- международном совещании "The Role of Dust in the Formation of Stars" (Южная Европейская Обсерватория, Гархинг, Германия, сентябрь 1995 г.);

- международной конференции "From Stardust to Planetesimals" (Санта-Клара, США, июнь 1996 г.);

- ХХШ-й Генеральной Ассамблее Международного Астрономического Союза (Киото, Япония, август 1997 г.);

- международном совещании "Zodiacal Cloud Sciences" (Кобе, Япония, сентябрь 1997 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Она изложена на 156 страницах (116 страниц основного текста, 14 страниц приложений и 26 страниц списка литературы), включает 3 таблицы и 33 рисунка. Список литературы содержит 320 наименований.

Содержание работы

Во Введении обсуждается место изучаемой проблемы в современной астрофизике и приводится общая характеристика работы.

Первая глава носит вводный характер. Дается краткий обзор основных наблюдательных проявлений газо-пылевых оболочек Ае/Ве звезд Хербига, особенностей звезд типа иХ Оп, а также существующих моделей пылевых оболочек вокруг этих звезд. Указана связь настоящего исследования с предшествующими работами.

В главе 2 обсуждаются рассматриваемые в работе модели пылевых оболочек и описываются методы и программы для моделирования переноса (поляризаванного) излучения в них. Моделирование проводилось для оболочек со сферически-симметричным и сфероидальным распределением вещества. Распределение энергии в ИК области спектра, поведение показателей цвета в алголеподобных минимумах звезд типа 11Х Оп, кривые околозвездного ослабления и карты распределения интенсивности в первом приближении могут быть интерпретированы в рамках сферической модели оболочки, описанной в разделе 2.1. При этом, как обычно, принимается степенной закон распределения вещества вдоль радиуса. Кроме того, считается, что в центре оболочки имеется свободная от пыли зона, образующаяся в результате сублимации пылевых частиц.

Наблюдаемая собственная поляризация Ае/Ве звезд Хербига свидетельствует о том, что их оболочки не являются сферически-симметричными. Поэтому в разделе 2.2 рассматривается также модель со сфероидальным распределением вещества

п(г) ос ^ + т2у + r2z~^j

где А и В — полуоси сфероида, гх, гу, г2 — декартовы координаты, а — постоянная.

Среди используемых моделей пылинок:

1) смесь графитовых и силикатных частиц со степенным распределением по размерам, обычно называемая "MRN смесью";

2) модель Mathis [3] с умеренно пористыми, неоднородными пылинками (агрегатами, включающими субчастицы из силиката, аморфного углерода и графита), имеющими следующее распределение по размерам:

п(а) ос а-Ч-Ь^ъ^+ъ*), где q, 7i, 72,73 — некоторые постоянные;

3) модель очень пористых частиц, предложенная Greenberg and Li [4], в которой агрегаты из субчастиц с силикатным ядром и оболочкой из органика экспоненциально распределены по размерам.

Оптические характеристики пылевых частиц рассчитывались по теории Ми для сферических частиц. Пористость и неоднородность частиц моделировалась в приближении эффективной диэлектрической проницаемости, рассчитываемой с использованием правила Бруггемана [5].

Глава 3 содержит результаты модельных расчетов. Как и в главе 2, отдельно обсуждаются случаи сферических и сфероидальных оболочек.

В разделе 3.1 проводится исследование проблемы в рамках сферически-симметричной модели. Выполнено одновременное моделирование ИК спектров, диаграмм "показатель цвета - звездная величина" и кривых околозвездной экстинкции, изучены основные особенности этих моделей и влияние модельных параметров на результаты. Показано, что такой подход позволяет оценивать основные характеристики околозвездных оболочек: показатель степени в законе распределения вещества вдоль радиуса, размер внутренней полости, размеры и массы оболочек, оптические толщины. При этом параметры пылевой смеси определить не удается. Исключение составляют усредненные по ансамблю значения альбедо пылевых частиц, находящихся во внутренних слоях оболочек, которые можно оценить. Подчеркивается, что эти оценки возможны только благодаря совместному рассмотрению ИК спектров и поведения цветов в глубоких минимумах.

В разделе 3.2 проводится совместное моделирование поляриметрических данных и поведения показателей цвета во время минимумов для оболочек со сфероидальным распределением вещества, исследуются эффекты сжатия и ориентации оболочек на результаты. Результаты анализируются и сравниваются с выводами для случая сферически-симметричной модели. Показано, что получаемые оценки параметров для сферической и сфероидальной моделей близки (с учетом очевидных поправок за форму). Кроме того, отмечено, что в рамках принятой модели оболочек со сфероидальным распределением вещества ни одна из рассмотренных моделей компактных пылинок не способна объяснить наблюдаемую степень поляризации исследуемых звезд.

Теоретические модели сравниваются с наблюдательными данными для звезд типа UX Ori в главе 4• В разделе 4.1 собраны наблюдательные данные для семи типичных Ае звезд Хербига с алголепо-добиыми минимумами: UX Ori, WW Vul, BF Ori, V586 Ori, VX Cas, CQ Tau и NX Pup. Интерпретации этих данных посвящен раздел 4.2. Здесь приводятся и обсуждаются полученные оценки параметров оболочек рассматриваемых звезд — внутреннего и внешнего радиусов, характера распределения вещества вдоль радиуса, оптических толщин, массы, — а также средних значений альбедо околозвездной пыли. Найденные значения альбедо (0.2-0.4 в полосах U, В, V) существенно отличаются от значений, характерных для межзвездных пылинок (0.6-0.7), и близки к значениям, полученным другими авторами для внутренних частей пылевых дисков вокруг звезд типа ß Pic и для пористых кометных частиц.

Эффекты возможной пористости частиц в оболочках звезд Хербига (такое предположение является довольно естественным, если основным поставщиком субмикронной пыли в оболочках действительно являются кометообразные тела) исследуются в разделе 4.3. Найдено, что модели с умеренной пористостью в среднем лучше согласуются с наблюдениями, но не позволяют достичь полного согласия теории и наблюдений. При этом делается вывод, что присутствие в оболочках (в заметном количестве) очень пористых пылинок представляется маловероятным. В разделе 4.4 критически обсуждаются основные предположения, использованные в данной работе, а также некоторые не включенные в модель факторы, которые могли бы повлиять на результаты моделирования и, соответственно, на оценки характеристик оболочек. Предложены возможные наблюдательные тесты для проверки построенных моделей. В частности, для некото-

рых из рассмотренных моделей оболочек построены карты распределения интенсивности и поляризации. Проанализированы и выявлены их основные характеристики. Показано, что наблюдения с высоким угловым разрешением близких окрестностей звезд могут наложить дополнительные ограничения на модели.

В Заключении формулируются основные выводы работы и перечислены результаты, выносимые автором на защиту. Предложены направления дальнейшего развития исследований.

В приложении А обсуждается аналитическая аппроксимация для распределения температуры пыли в оптически тонкой оболочке. В приложении Б сравниваются потоки излучения от оптически тонких оболочек со сферичеким и сфероидальным распределением вещества. В приложении В обсуждается связь распределения энергии в спектре источника (звезды) с температурой и интенсивностью излучения пыли, а также эффекты отклонения спектрального распределения излучения звезды от чернотельного. В приложении Г описывается разделение межзвездного и околозвездного компонентов наблюдаемой поляризации у звезд типа UX Ori.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V. Il'in, N. Krivova, A. Men'shchikov (1996). Modelling of the IR intensity maps for HAeBe stars with Algol-like minima. In "The Role of Dust in the Formation of Stars" (H.U. Käufl, R. Siebenmorgen, eds.), Springer, p. 183-186.

2. N. Krivova, V. Il'in (1996). Multi-wavelength study of HAeBe stars with Algol-like minima. In "The Role of Dust in the Formation of Stars" (H.U. Käufl, R. Siebenmorgen, eds.), Springer, p. 187-190.

3. N. A. Krivova, V. В. Il'in, О. Fischer (1996). Dust around Herbig Ae stars: additional constraints from their photometric and polarimetric variability. In "From Stardust to Planetesimals: Contributed papers." (M.E. Kress et al., eds.), NASA CP N 3343, p. 37-40.

4. H. А. Кривова (1997). Ae звезды Хербига с алголеподобными минимумами: моделирование распределения энергии в спектрах и поведения цветов в минимумах. Письма в АЖ, 23, с. 371-382.

5. Н. А. Кривова, В. Б. Ильин (1997). Пылевые оболочки вокруг Ае/Ве звезд Хербига с алголеподобными минимумами: моделирование данных фотометрических наблюдений. Письма в АЖ, 23, с. 908-917.

В работах 1-3 и 5, написанных в соавторстве с научным руководителем В.Б. Ильиным, ему принадлежит постановка задачи и участие в обсуждении результатов. Кроме того, в статье 1 он также выполнил предварительные расчеты и проанализировал зависимость результатов от модельных параметров. A. Men'shchikov и О. Fischer предоставили программные комплексы и консультировали диссертанта по их использованию. Остальная часть работы принадлежит диссертанту.

Список литературы

[1] Вощишшков, Н. В., Гринин, В. П. (1991). Пыль вокруг молодых звезд. Модель оболочки Ае звезды Хербига WW Лисички. Астрофизика, 34, 181-198.

[2] Grinin, V., Natta, A., and Tambovtseva, L. (1996). Evaporation of star-grazing bodies in the vicinity of UX Ori-type stars. Astron. Astrophys., 313, 857-865.

[3] Mathis, J. S. (1996). Dust models with tight abundance constraints. Astrophys. J., 472, 643-655.

[4] Gieenberg, J. M. and Li, A. (1997). Silicate core-organic refractory mantle particles as interstellar dust and as aggregated in comets and stellar disks. Advances in Space Research, 19, 981-990.

[5] Борен, К. Ф., Хафман, Д. Р. (1986). Поглощение и рассеяние света малыми частицами. Мир, Москва.