Влияние динамических процессов на химическую эволюцию газо-звездных систем тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

/

ВИБЕ

Д1 идович

УДК 524.4,524.5,524.6

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ХИМИЧЕСКУЮ ЭВОЛЮЦИЮ ГАЗО-ЗВЕЗДНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.03.02 — астрофизика, радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Институте астрономии РАН.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Б.М.Шустов.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук О.К.Сильченко.

доктор физ.-мат. наук В.Г.Курт.

Ведущая организация:

Уральский государственный университет им. А.М.Горького

Защита состоится 19 " _ 1997 года в 16-50 часов в

Физическом институте им. П.Н.Лебедева по адресу: 117294, ГСП, Москва, В-333, Ленинский просп., 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН им. П.Н.Лебедева.

Автореферат разослан АПРела_ 1997 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ю.А.Ковалев

Актуальность темы

Химический состав космических объектов всех масштабов — от прото-звездных облаков до скоплений галактик — является одним из основных источников информации об их происхождении и эволюции. Однако прямая интерпретация наблюдательных данных и их теоретическое истолкование затрудняется тем, что характер химической эволюции космических газовых и газо-звездных систем (ГЗС) тесно связан с их динамическим статусом и его изменениями.

В настоящее время предполагается, что элементы, которые не могли возникнуть в ходе первичного нуклеосинтеза ("тяжелые" элементы), образуются на различных стадиях звездной эволюции. Однако особенности распределения этих элементов доказывают, что химический состав данного объекта определяется не только локальными условиями образования атомов и молекул, но и последующим перераспределением вещества.

Наблюдения ионов некоторых тяжелых элементов в горячем разреженном межгалактическом газе свидетельствуют, что один или несколько механизмов выбрасывают обогащенное вещество из галактик. В пользу обмена веществом между галактиками и межгалактической средой (МГС) говорят и наблюдения пылевых частиц в скоплениях галактик.

В шаровых скоплениях на ранних этапах эволюции процессы обмена веществом с окружающим пространством протекают очень интенсивно. В зависимости от массы протошарового облака меняется доля продуктов сверхновых, выбрасываемых из скопления, причем эта доля различна для сверхновых, взрывающихся в центре облака и на его периферии. От характера расширения остатка зависит эффективность процесса самообогащения. Связь динамической и химической эволюции шаровых скоплений не является односторонней. Характер движений вещества зависит от эффективности процессов нагрева и охлаждения, которые определяют температурный режим газа и зависят в свою очередь от его химического состава.

Особенно заметно проявляется связь динамических и химических процессов в небольших протозвездных сгустках. Если в случае галактики и протошарового скопления можно считать, что фазы образования и перераспределения химических соединений разделены по времени, то в прото-звездном сгустке химический состав вещества и его динамический статус изменяются одновременно. Общее состояние облака определяется совокуп-

ностью взаимосвязанных процессов: химических, физических и динамических.

Таким образом, для исследования химической эволюции ГЗС необходимо знать не только параметры объектов, в которых образуются химические элементы и соединения, но и характер процессов, приводящих к их пространственному перераспределению. В свою очередь, при моделировании динамической эволюции некоторых объектов (например, молекулярных облаков) необходимо принимать во внимание одновременные изменения химического состава.

Цель работы

Исследование влияния динамических процессов на химическую эволюцию газозвездных систем на основе построения численных моделей ГЗС различных масштабов: спиральной галактики, шарового скопления и отдельного протозвездного облака — с учетом одновременного изменения динамических и химических параметров.

Научная новизна

В диссертации впервые исследована роль дисковых галактик в обогащении межгалактической среды тяжелыми элементами. Рассмотрено влияние горячего галактического ветра на химический состав дисковых галактик различных масс. Предложен новый механизм обмена тяжелыми элементами между дисковыми галактиками и МГС: выметание пылевых частиц давлением излучения звезд. С помощью этих механизмов воспроизведены зависимость "масса-металличность" для дисковых галактик, содержание тяжелых элементов в межгалактическом газе и его распределение в Галактике в зависимости от высоты над плоскостью диска.

Впервые проведено детальное численное моделирование процесса самообогащения шарового скопления в результате взрывов сверхновых в центре и на периферии протошарового облака. Показано, что процессы самообогащения значительно меняют химический состав типичного облака. Исследована временная эволюция химического состава шарового скопления в период активного звездообразования в нем.

Впервые построена самосогласованная модель динамической и химической эволюции протозвсздных облаков, основанная на одновременном решении уравнений газодинамики и химической кинетики. Исследована эволюция облаков, освещенных ультрафиолетовым излучением близких звезд.

Научная и практическая ценность

Модель дисковой галактики, разработанная в диссертации, применима для исследования галактик с различными историями звездообразования и различных морфологических типов. Модель химической эволюции протоша-рового скопления также необходима при изучении эволюции галактик: в иерархическом сценарии образования галактики с помощью этой модели можно исследовать эволюцию фрагментов до слияния их с диском.

Модель самосогласованной динамической и химической эволюции про-тозвездных сгустков необходима для исследования межзвездных облаков, подверженных воздействию различных факторов: УФ-излучения различной интенсивности, ударных волн, областей HII и т.п., — а также для изучения различных режимов индуцированного звездообразования в Галактике и облегчения диагностики коллапсирующих облаков.

Апробация

Результаты работы докладывались на семинарах Института астрономии РАН, Астрономической обсерватории и кафедры астрономии и геодезии Уральского университета, сессии Отделения общей физики и астрономии РАН и на следующих конференциях и симпозиумах:

• на XXI, XXIV и XXV Зимних студенческих конференциях "Физика космоса", проходивших в Киеве (февраль 1992) и на Астрономической обсерватории УрГУ (февраль 1995, февраль 1996);

• на международной конференции "Joint European & National Astronomy Meeting - 95", проходившей в г. Катанья (Италия, сентябрь 1995);

• на симпозиуме MAC N 178 "Molecules in Astrophysics: Probes & Processes1 проходившем в г. Лейдене (Нидерланды, июль 1996);

• на конференции "The Astrophysical Implications of the Laboratory Study of Presolar Materials", проходившей в г. Сент-Луис (США, октябрь-ноябрь 1996);

• на семинаре АКЦ ФИАН. Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шустов Б.М., Вибе Д.З. Выметание пыли из Галактики // Астрон. журн. 1995. Т. 72. С. 650-659.

2. Shustov В.М., Wiebe D.S., Tutukov A.V. Evolution of disk galaxies and loss of heavy elements into the intracluster medium // Astron. and Astro-phys. 1997. V.317. P.397-104.

3. Wiebe D.S., Shustov B.M. Influence of supernova events on the globular cluster evolution // Межвузовский сборник "Астрономо-геодезические исследования". Отв. ред. А.Е. Василевский. Екатеринбург: изд-во УрГУ, 1996. С. 55-60.

4. Шустов Б.М., Вибе Д.З. Влияние взрывов сверхновых на динамическую и химическую эволюцию протошаровых скоплений // Сборник "Эруптивные звезды". Отв. ред. А.Г.Масевич. М: Издательство МИД РФ, 1996. С.31-46.

5. Вибе Д.З., Шематович В.И., Шустов Б.М. Химическая и динамическая эволюция протозвездных облаков. I. Начальные стадии коллапса // Астрон. журн. 1996. Т. 73. С.702-716.

6. Shematovich V.I., Shustov В.М., Wiebe D.S. Self-consistent numerical model of dynamical and chemical evolution of dense molecular clouds // IAU Symp. No 178 "Molecules in Astrophysics: Probes & Processes" abstract book. Eds. D.J.Jansen, M.R.Hagerheijde, E.F. van Dishoeck. Sterrewacht, Leiden. 1996. P.229-230.

7. Вибе Д.З. Спиральные галактики и химическое обогащение межгалактической среды // "Физика космоса". Тезисы докладов и сообщений 25-й студенческой научной конференции. Екатеринбург: УрГУ, 1996. С.18-19.

Все работы (за исключением последней) написаны в соавторстве. Вклад всех авторов примерно одинаков. Диссертантом проведены все численные расчеты. Он принимал активное участие в постановке задачи, обработке и интерпретации результатов и написании статей.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 26 рисунков, библиографию из 183 наименований. Общий объем 111 страниц.

Краткое содержание диссертации

Во Введении обосновывается актуальность и формулируются основные цели исследований, приведенных в диссертации, показана научная новизна основных результатов диссертации и их научная и практическая ценность.

Глава I посвящена исследованию химической эволюции дисковых галактик различных масс, выбрасывающих в МГС вещество, обогащенное продуктами звездной эволюции. Химическая эволюция любой галактики определяется следующими основными процессами: звездная эволюция, аккреция газа и выброс вещества в МГС. В зависимости от учета процессов обмена веществом с МГС модели галактик разделяются на закрытые и открытые. В закрытых моделях предполагается, что галактика эволюционирует как замкнутая система. Эти модели успешно используются для исследования фотометрической эволюции спиральных галактик, однако не способны воспроизвести детали химического состава отдельной галактики (распределение звезд по металличности и радиальный градиент химического состава) и "глобальные" характеристики галактик, например, зависимость "масса-металличность", существующую в галактиках всех морфологических типов (Kennicutt [1]).

Зависимость металличности эллиптических галактик от их массы обычно объясняется существованием вспышки звездообразования и последующей фазы интенсивного галактического ветра. Ветер выметает из галактики почти весь оставшийся газ и практически полностью прекращает звездообразование. Таким образом, количество тяжелых элементов, накопленное в системе, зависит от времени начала фазы ветра, которое, в свою очередь, определяется гравитационным потенциалом системы. Обычно

считается, что фаза интенсивного ветра начинается, когда тепловая энергия, запасенная в системе из-за взрывов сверхновых, превышает гравитационную энергию связи галактики (Larson [2]).

В Главе I исследуется влияние динамических процессов на химическую эволюцию спиральных галактик и межгалактической среды. В качестве одного из основных механизмов выброса тяжелых элементов в МГС рассматривается, как и в случае эллиптических галактик, горячий галактический ветер. Источником энергии для возбуждения такого ветра являются многократные вспышки сверхновых в ОВ-ассоциациях. Средняя плотность газа в спиральной галактике превышает (из-за ее плоской формы) плотность газа в эллиптической галактике той же массы, и газ поэтому охлаждается эффективней, чем в эллиптической галактике. Необходимо выделение большого количества (тепловой) энергии в данном объеме, чтобы газ мог покинуть галактику. Это возможно только в случае взрывов многих сверхновых в молодых звездных скоплениях (Iguinentschev et al [3]). В результате фаза галактического ветра в спиральных галактиках более слаба по сравнению с эллиптическими галактиками, но длится дольше.

До сих пор при моделировании эволюции дисковых галактик горячим ветром пренебрегали, а для изучения его влияния на эволюцию карликовых галактик использовали различные параметризации (см. напр. Пилюгин [4]). В Главе I показано, что галактический ветер является важным фактором, сильно влияющим на общее содержание тяжелых элементов в дисковых галактиках и МГС. Содержание тяжелых элементов в ветре приблизительно в три раза превышает Z© (Heiles [5]). Общая потеря тяжелых элементов составляет около 0.01 М© в год (для нашей Галактики).

При вычислении эффективности потерь тяжелых элементов с галактическим ветром использованы как численные расчеты, так и аналитические оценки. Темп потерь напрямую зависит от других эволюционных параметров: текущего значения металличности и темпа вспышек сверхновых II типа. При его вычислении принимается во внимание зависимость от массы галактики.

В диссертации предложен новый механизм, приводящий к потере тяжелых элементов спиральными галактиками: выметание пылевых частиц давлением излучения звезд — с общим темпом потери массы 0.01 -0.04Ме. Два этих механизма (звездный ветер и выметание пыли) по-разному действуют в галактиках различных масс. С помощью модели химической эво-

люции дисковой галактики, основанной на модели Firmani & Tutukov [6], в диссертации впервые исследуется потеря тяжелых элементов спиральными галактиками в результате совокупного действия описанных выше механизмов. В Главе I показано, что спиральная галактика теряет за время порядка Ю10 лет массу тяжелых элементов, сравнимую с выбросами из эллиптических галактик. Различная эффективность потерь в массивных и маломассивных галактиках может приводить к возникновению наблюдаемой зависимости "масса-металличность".

В целом, эффективность выброса тяжелых элементов из спиральных галактик мала по сравнению с эллиптическими галактиками, кроме того, в большей части скоплений галактик они составляют лишь небольшую часть населения. Тем не менее, как показано в диссертации, спиральные галактики вносят существенный вклад в обогащение газа внутри скоплений.

В Главе II исследуются ранние этапы эволюции шаровых скоплений с целью определения эффективности процессов их самообогащения тяжелыми элементами. В настоящее время широко распространена гипотеза иерархического формирования галактического гало в результате слияния сравнительно небольших газозвездных фрагментов, до этого эволюционировавших как независимые системы (Searle &; Zinn [7]). По всей вероятности, остатки некоторых из этих фрагментов мы наблюдаем теперь в виде шаровых скоплений. Химическая эволюция таких фрагментов в значительной степени определяется горячим ветром, возникающим в результате взрывов сверхновых (Dekel к. Silk [8]). При исследовании химической эволюции карликовых галактик момент начала стадии галактического ветра и прекращения звездообразования определяется, как и в случае массивных галактик, сравнением тепловой энергии газа, нагретого вспышками сверхновых, с гравитационной энергией связи галактики. Для маломассивных систем, подобных шаровым скоплениям, такое упрощенное описание применять уже нельзя, поскольку эволюция остатка и, следовательно, поступление тепловой энергии в межзвездный газ, существенно зависят от места взрыва сверхновой.

В диссертации проблема химической эволюции протошаровых скоплений рассматривается с двух точек зрения.

1. С помощью приближения тонкого слоя оценивается критическая масса скопления А/крит относительно одиночного взрыва сверхновой. Если масса скопления превышает значение Мкрит, его гравитационное при-

тяжение остановит расширяющуюся оболочку сверхновой с продуктами выброса в пределах скопления. В этом случае в образовании следующих поколений звезд будет участвовать газ, обогащенный тяжелыми химическими элементами. В случае центрального взрыва задача о распространении ударного фронта в сферически симметричном протошаровом облаке решается достаточно просто. Разрушение облака происходит в случае, если оболочка, образующаяся в процессе разлета выброса, выходит за границы скопления со скоростью, превышающей скорость убегания в гравитационном поле протозвездных сгустков. Нами показано, что эта критическая масса не превышает типичной массы шарового скопления ~ 5 ■ 1O5ä/0. В случае взрыва сверхновой на периферии облака ситуация значительно сложнее, так как в этом случае выход оболочки за пределы скопления не означает его полного разрушения. Детали расширения остатка и его влияние на химическую эволюцию протошаровоги скоплении рассмотрены с помощью двумерного гидродинамического моделирования.

2. После оценки вклада периферийных сверхновых можно применить к описанию химической эволюции протошарового скопления формализм, принятый для эллиптических галактик. С его помощью в Главе II исследовано изменение химического состава протошаровых скоплений различной массы.

В Главе III описана самосогласованная модель динамической и химической эволюции протозвездного облака.

Процесс образования звезд из гравитационно неустойчивых (протозвездных) плотных молекулярных облаков — фрагментов, сгустков в крупных облаках, глобул — происходит на фоне сложных химических реакций. Химический состав облака и протекающие в нем реакции могут играть важную роль в динамике коллапса облаков и образования звезд. Кроме того, понимание взаимосвязи динамических и химических процессов может облегчить диагностику кандидатов в протозвезды. Присутствие или отсутствие определенных химических соединений в принципе может помочь детектированию отдельных стадий коллапса.

В настоящее время разработан целый ряд моделей молекулярного состава темных глобул и протекающих в них химических реакций с учетом различных предположений о физических условиях в облаке, о процессах,

определяющих температурный режим газа, и о крупномасштабных движениях вещества (см. напр. Bergin et al. [9]; Sternberg & Dalgarno [10]; Prasad et al. [11]; Shalabiea к Greenberg [12]). Однако до сих пор ни в одной модели не рассматривалась вся совокупность физических, химических и динамических процессов в плотных газовых сгустках.

В диссертации впервые построена численная модель, предназначенная для самосогласованного рассмотрения динамических, химических и энергетических процессов в межзвездной среде з двумерном приближении и с наиболее полным учетом химических превращений. В основу модели положен двумерный гидродинамический программный комплекс ZEUS, разработанный в Лаборатории вычислительной астрофизики университета штата Иллинойс (США) (Stone & Norman [13]). В этот комплекс включена программа решения уравнений химической кинетики и программа расчета энергетического баланса в облаке.

С помощью самосогласованной модели в диссертации исследована эволюция протозвездного облака, освещенного УФ-излучением близких звезд. Показано, что в таком облаке образуются две области с различным динамическим статусом: коллапсируюгцее ядро и разлетающаяся оболочка. На границе двух этих фаз возникает слой повышенной плотности, защищающий внутреннюю часть облака от УФ-излучения. Этим свойством обладают только модели с согласованным учетом динамических, химических и энергетических процессов. Из-за наличия пика плотности в таких моделях видимая экстинкцпя в ядре облака в три раза превышает значения Ау в стационарных моделях, что оказывает существенное влияние на химические процессы в ядре облака.

Волна сжатия, продвигающаяся к центру облака, существенно ускоряет коллапс, однако разогрев внешних слоев приводит к значительной потере массы. Судьба сгустка определяется балансом этих двух процессов. Если начальная масса сгустка не очень велика, разлет оболочки приводит к его полному разрушению. Окончательная судьба облака зависит от его массы и интенсивности УФ-излучения.

В Заключении приводятся основные результаты и выводы диссертации.

Основные результаты

1. Впервые построена модель эволюции дисковой галактики, активно вы-

брасывающей тяжелые элементы в межгалактическое пространство. Показано, что дисковые галактики могут вносить заметный вклад в обогащение межгалактической среды. Предложен новый механизм потери тяжелых элементов из дисковых галактик — выметание пыли давлением излучения звезд. Исследована зависимость эффективности потери тяжелых элементов от массы галактики. Показано, что галактический ветер и выметание пыли более эффективны в галактиках малой массы, что может приводить к появлению корреляции "масса-металличность", обнаруженной для галактик всех морфологических типов.

2. Впервые детально исследован процесс самообогащения протошаровых скоплений в результате взрывов сверхновых. Показано, что самообогащение должно было происходить во всех протошаровых облаках, ча исключением наименее массивных. Сравнивается относительная эффективность самообогащения, вызванного центральным и внецен-тральным взрывом сверхновой.

3. Впервые построена самосогласованная модель динамической и химической эволюции протозвездных облаков, включающая в себя основные химические реакции и физические процессы, определяющие (посредством функций нагрева и охлаждения) динамическое состояние облака. С помошью этой модели исследованы ранние стадии эволюции облака, освещенного обычным (межзвездным) и сильным УФ-излучением.

Результаты, выносимые на защиту

• Модель химической эволюции дисковой галактики с потерей вещества в МГС, воспроизводящая зависимость "масса-металличность" для дисковых галактик и химический состав МГС.

• Новый механизм обмена веществом между дисковыми галактиками и МГС — выметание пыли давлением излучения звезд.

• Модель химической эволюции протошаровых скоплений с учетом самообогащения в результате центральных и внецентральных взрывов сверхновых.

• Самосогласованная модель динамической и химической эволюции про-тозвездных облаков.

Литература

1. Kennicutt R.C. Assembling spiral galaxies // Proc IAU Symp. No 171 "New light on galaxy evolution". Eds Bender R., Davies R.L. Dordrecht: Kluwer, 1996. P.1H8.

2. Larson R.B. Effects of supernovae on the early evolution of galaxies // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 1974. V.169. P.229-245.

3. Igumentschev I.V., Shustov B.M., Tutukov A.V. Dynamics of the supershells: blow-out // Astron. and Astrophys. 1990. V.234. P.396-402.

4. Пилюгин JI.С. Влияние галактического ветра на химическую эволюцию неправильных галактик. Численное моделирование и аналитическое описание // Астрон. журн. 1994. Т.71. С.825-832.

о. Heiles С. Clustered supernovae versus the gaseous disk and halo // Astrophys. J. 1990. V.354. P.483-491.

6. Firmani C., Tutukov A. Evolutionary models for disk galaxies // Astron. and Astrophys. 1992. V.264. P.37-48.

7. Searle L., Zinn R. Composition of halo clusters and the formation of the galactic halo // Astrophys. J. 1978. V.225. P.357-379.

8. Dekel A., Silk J. The origin of dwarf galaxies, cold dark matter, and biased galaxy formation // Astrophys. J. 1986. V.303. P.39-55.

9. Bergin E.A., Langer W.D., Goldsmith P.F. Gas-phase chemistry in dense interstellar clouds including grain surface molecular depletion and desorption // Astrophys. J. 1995. V.441. P.222-243.

10. Sternberg A., Dalgarno A. Chemistry in dense photon-dominated regions // Astrophys. J. Suppl. Ser. 1995. V.99. P.565-607.

11. Prasad S.S., Heere K.R., Tarafdar S.P. Dynamical evolution and molecular abundances of interstellar clouds // Astrophys. J. 1991. V.373. P.123-136.

12. Shalabiea O.M., Greenberg J.M. Chemical evolution of free-fall collapsing interstellar clouds: pseudo and real time dependent models // Astron. and Astrophys. 1995. V.303. P.233-241.

13. Stone J.M, Norman M.L. ZEUS-2D: a radiation magnetohydrodynamics code for astrophysical flows in two space dimensions. I. The hydrodynamic algorithms and tests // Astrophys. J. Suppl. Ser. 1992. V.80. P.753-790.