Взаимодействие остатков вспышек сверхновых с межзвездной средой тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВШШЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

БЫЧКОВ КОНСТАНТИН ВЕНИАМИНОВИЧ

УДК 524. 35: 524.52

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСТАТКОВ ВСПЫШЕК СВЕРХНОВЫХ С МЕЖЗВЁЗДНОЙ СРЕДОЙ

Специальность 01. 03. 02 - Астрофизика. Радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.

Москва - 1991

Работа выполнена в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук

профессор Г'ОРБАЦКИЙ В.Г.

- доктор физико-математических наук

КОЛЕСНИК И.Г. '

- доктор физико-математических наук

ЛОЗИНСКАЯ Т.А. Ведушая организация - Ленинградский физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе.

Защита состоится /¿» 03 _1992 г. в час.

на заседании Специализированного совета Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова, шифр Д. 053.05.51. Адрес: 119899, Москва, В-234, Университетский проспект, 13. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного института им. П.К. Штернберга МГУ ( Москва, Университетский проспект, 13).

Автореферат разослан " Э к /¿._" 199/ г.

Учёный секретарь Специализированного совета канд. $из.- мат. наук

Л.Н. Боядаренко

ОБЩАЯ ХАРШЕРЙСТИКА РАБОТЫ

I. Тема исследования я актуальность проблемы. 1вгор поставил задачу выяснить наблюдательные проявления остатков сверхновых на рзных стадиях эволюции. Отличие предлагаемой работы' от других, выполненных на эту тему, заключается в юдробном анализе косвенных проявлений каждой теоретической ;тадш торможения: адиабатической, радиатявной и стадии с фотиводавлением. Как известно, пока скорость V ударной волны, зызЕанной разлётом туманности, превышает 250 км/сек, газ позади )ронта расширяется адиабатически, при Vе-180 км/сек начинается ¡ысвечивание, а при \т< 50 гал/сек наступает стадия с противо-(авленпем. Скорость фронта является основным параметром, по кото->ому проводится классификация остатков сверхновых.

Необходимость подхода, предложенного автором, определяется :евсзможностью'прямого измерения скорости разлёта. Отсутствие рямых сведений о нахождении остатка сверхновой на той или иной тадни торможения заставляет вести анализ совокупности косвенных энных, для интерпретации которых, з свою очередь, необходимо делать определённые предположения об эволюции наблюдаемых араметров. Иными словами, величина скорости разлёта, которую ы кладём в основание модели, сама является следствием модели целом.

С целью преодоления указанной трудности, автор решил пестреть эволюционную модель остатков сверхновых, в которой учитыва-ась бы по возможности полная совокупность наблюдений в радио-, этическом и рентгеновском диапазонах спектру, пространственная груктура излучения, его поляризация и другие характеристика, зализация этой программы и является основным содержанием работы.

■т

- г -

Количественная интерпретация наблюдений требует расчётов высвечивания разреженного газа позади фронта ударной волны с учёто всех основных факторов, определяющих пространственную структуру и спектр излучения разреженного газа: нестационарность нарушение теплового равновесия меледу атомно-ионной и электронной компонентами плазма внутри фронта, а также влияние электронной плотности на скорости ударной ионизации и охлаждения. Результаты расчётов применены автором к конкретным проблемам остатков сверхновых, но они имеют самостоятельное значение и могут быть использованы в любых задачах о нестационарном высвечивании разреженного атомно-ионного газа.

2. Основные цели работы.

Цель диссертации - построение модели остатков сверхновых о учётом реальной структуры межзвёздного газа на стадиях адиабатического торможения, торможения с высвечиванием и стадии с против одавлением.

Рассматриваются следующие задачи:

- модель остатка сверхновой на адиабатической стадии, удовлетворяющая совокупности рентгеновских, оптических и радионаблюдений;

- теория нестационарного высвечивания разреженного газа за фронтом ударной волны, движущейся со скоростью от 50 до 150 км/сек, и расчёт ударного свечения водорода при скоростях фронта до 300 км/сек;

- зависимость между диаметром остатка сверхновой и интенсивностью его натеплового радиоизлучения на адиабатической и радиативной стадиях разлёта;

- предсказание пространственной структуры а интенсивности оптического излучения остатков сверхновых на радиативной стадии и пространственной структуры их нетеплового радиоизлучения на стадии с противодавлением.

3. Научная новизна и практическая ценность.

Автором предложена новая модель разлёта атмосферы сверхновой в межзвёздной среде с учётом реальной многокомпонентной структуры межзвёздного газа - наличия: в нём разреженной фазы и плотных облаков. В рамки модели естественно укладываются наблюдения остатков сверхновых на адиабатической стадии тормояеши в радио-, рентгеновской и оптической областях спектра, она не сталкивается с трудностями моделей, в которых рассматривается эволюция только разреженной фазы. Подход и результаты исследования остатков сверхновых применимы и к другим проблемам динамики межзвёздного газа, так как облачная структура межзвёздного газа на разных масштабах является его неотъемлемым свойством.

Дет количественной интерпретация пространственной структура и спектра излучения остатков сверхновых на адиабатической стадии, 5 также .для предсказания их свойств на радиативной стадии автором троведены новые расчёты высвечивания ударных волн в диапазоне скоростей фронта от 50 до 150 т/сек. В отличие от других расчётов той же задачи учтены нарушения теплового равновесия внутри эронта медпу электронной и атомно-иокной компонентами газа. Пол-юта принимаемых во внимание физических процессов позволяет вести ;а счёты в широких диапазонах степени ионизации н ев озмуюё иного raía и содержания в нём химических элементов. Таким образом, можно :олучать теоретические результаты, пригодные для количественного

W3ÍÍ

сравнения с детальными наблюдениями. Получено количественное согласие двухкомпонентной модели с наблюдениями адиабатических остатков сверхновых. Результаты расчётов применимы к любым астрономическим объектам, где речь идё о движении ударных волн по разреженному газу в указанном диапазоне скоростей.

Представления об обжатии плотных облаков горячим разреженным газом впервые применены автором для объяснения пространственной структуры и зависимости "поверхностная яркость-диаметр" нетеплового радиоизлучения остатков сверхновых на адиабатической стадии торможения. Впервые предсказаны изменения свойств их радиоизлучения при переходе на радиативную стадию.

Впервые рассмотрены пространственная структура и интенсивность оптического излучения остатков сверхновых на радиативной стадии торможения, получен вывод о том, что оптическое излучение должно исходить из квазиоднородной оболочки, отсутствующей на адиабатической стадии, и волокон ( иной природы, чем на адиабатической стадии ), Впервые предложен метод определения скорости разлёта остатков сверхновых на радиативной стадии по допплеровс-ким сдйигам эмиссионных линий, излучаемых квазиоднсродной оболочкой.

Впервые поставлен вопрос о физических процессах на стадии с противодавлением. Предсказаны переход с радкативного на адиабатический режим и увеличение относительной толщины оболочки по мере торможения.

4. Апробация результатов.

Результаты, изложенные в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах ИКИ АН СССР, ПШ МГУ, ИТЭФ, теоретического

отдела ФИАН, на семинарах астрофизического отдела ЛФТИ, ЛГУ, на заседаниях рабочей группы по физике межзвёздной среда.

I

5.Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Модель остатков сверхновых на адиабатической стадии торможения с учётом двухкомпонентной структуры межзвёздной среды -присутствия в ней разреженного газа и плотных компактных облаков. В рентгеновском диапазоне и в широких крыльях линий зодорода излучает разреженный газ за фронтом передней ударной волны, вызванной общим разлётом остатка сверхновой, а оптическое излучение в узких ядрах водородных линий, в запрещённых ( не корональных ) линиях других химических элементов и оболочечная часть нетеплового радиоизлучения определяются облаками, обжатыми горячим газом.

2. Теория нестационарного высвечивания межзвёздного газа за фронтом ударной волны в диапазоне скоростей фронта от 50 до 150 км/сек, учитывающая нарушение теплового равновесия между электронной и атомно-ионной компонентами газа внутри фронта, доминирова-гае возбуждения дискретных уровней наиболее обильных химических элементов»в процессе радиационного охлаждения и влияние элекгрон-юй плотности на скорости ударной ионизации и охлаждения в разре-юнных переходах атомов и ионов с низколежащими мегастабильными 'ровнями.

3. Количественное сравнение модели двухкомпонентной струк-уры остатков сверхновых на адиабатической стадии с наблюдениями ространственной структуры и спектра оптического излучения наибо-ее изученных источников.

Ц.. Модель предполагаемой пространственной структуры оптичес-ого излучения остатков сверхновых на радиативной стадии торможе-

ния, предсказывающая присутствие квазиоднородной оболочки ( её нет на адиабатической стадии ), по которой можно измерить скорость разлёта остатка сверхновой; оболочка должна быть видна, пока скорость разлёта превышает 60 км/сек.

5. Модель нетеплового радиоизлучения остатков сверхновых, объясняющая их пространственную структуру и зависимость "поверхностная яркость-диаметр" на адиабатической стадииии предсказывающая изменение их морфологии и зависимости радиосветимости от диаметра при переходе на радиативную стадию.

6. Модель остатка сверхновой на стадии с противодавлением.

7. Гипотезу об увеличении относительной толщины оболочки в радиолучах по мере торможения оболочечного остатка сверхновой на стадии с противодавлением.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Работа состоит из вводной части, четырёх глав, заключения, общего списка цитируемой литературы и рисунков.

Первая глава "Структура остатков сверхновых на адиабатической стадии торможения" содержит изложение модели адиабатических остатков сверхновых. Эта модель снимает противоречие мевду низкими доп-плеровскими скоростями оптических волокон и высокой температурой газа, излучающего в рентгеновском диапазоне. Во введении к гл.1 сфррмулирована основная трудность в проблеме адиабатических остатков - невозможность прямого измерения скорости разлёта по имеющимся в литературе наблюдениям. Далее в первом разделе гл.1 изложены необходимые для модели наблюдения, во втором - собственно модель остатка сверхновой как совокупности облаков, обжатых горячим "газом. В третьем разделе предложенная модель применяется к проблеме нетешгового радиоизлучения оболочечных остатков сверхно-

вых. Показано, что пространственная структура и зависимость "поверхностная яркость-диаметр" объясняются совокупным излучением обжатых облаков.

Вторая глава - "Высвечивание разреженного газа за фронтом ударной волны". В ней изложены основные методические вопросы расчетов нестационарного высвечивания для диапазонов скоростей фронта от 50 до 150 км/сек и логарифма плотности числа частиц невозмущённого газа перед фронтом от (-1) до 4 - наиболее важных с точки зрения проблемы оптического излучения остатков сверхновых. Полнота принимаемых во внимание факторов позволяет вести моделирование спектра и пространственной структуры излучения. Во введении описаны основные свойства межзвёздных ударных волн с высвечиванием. В первом и втором разделах изложено современное состояние вопроса о нагреве ионов и электронов на вязком скачке. В третьем разделе обоснована система урашений для вязкого скачка, применённая в диссертации, а в четвёртом - обосновано приближение постоянного потока в применении к реальным волокнам в остатках сверхновых. В пятом разделе выписаны уравнения нестационарного нагрева и охлаждения двухтемпературней плазмы, в шестом - обоснован применённый в диссертации способ расчёта ионизующего излучения. В.седьмом разделе исследована зависимость скорости ударной ионизации от электронной плотности у ионов с ннзколежащими метастабильными уровнями, в восьмом - вклад возбуждения с метастабильных уровней в скорость охлаждения. В девятом разделе исследованы пределы применимости однотемпературного приближения, часто используемого в литературе, а в десятом - основные свойства ионизации линейчатым излучением. В заключении собраны основные методические результаты второй главы.

Третья глава. - "Оптическое излучение радиативных ударных волн". Б ней проведена количественная интерпретация известных в литературе наблюдений., выполненных с целью проверки модели облачной структуры адиабатических остатков сверхновых, а также предсказаны некоторые свойства оптического излучения остатков сверхновых на радиативной стадии торможения. ( Метод расчётов изложен во второй главе ). Главное внимание уделено пространственной структуре ( стратификации ) и спектру излучения наиболее исследованных туманностей: Петли Лебедя, 1С 443, £ 147 и некоторых других.

В первом разделе на примере волокон Пегли Лебедя рассчитан процесс последовательного формирования эмиссионных линий позади фронта ударной волны - процесс, приводящий к стратификации излучения: линии с разными потенциалами возбуждения, принадлежащие ионам с разными потенциалами ионизации, формируются через разные промежутки времени после момента пересечения фронта и, следовательно, на разных расстояниях от фронта.

Во втором разделе объясняется стратификация излучения, наблюдаемая у адиабатических остатков сверхновых в направлении движения передней ударной волны, а в третьем - наблюдаемое отсутствие корреляции мещ? интенсивностью и шириной линии Н^ в туманностях $ 147 и4a.U5.0I.

В четвёртом разделе рассмотрено образование широких крыльев, наблюдаемых у линий бальмеровской серии водорода в Петле Лебедя, 1С 443, £ СчхЫа и Тихо Браге, а в пятом - влияние давления магнитного поля и космических лучей на связь между плотностью газа перед фронтом п в области высвечивания.

Результаты первых четырёх разделов приводят к выводу, что модель обжатия облаков находится не только в качественном, но и

в количественном согласии с наблюдениями остатков сверхновых на адиабатической стадии торможения.

Логически следующим шагом должен быть анализ физических процессов в остатках сверхновых на радиативной стадии. Но здесь мы сталкиваемся с трудностью, о которой уже говорилось выше - с отсутствием в настоящее время прямого способа измерения скорости расширения заторможенных туманностей, периферийные слои которых не дают заметного рентгеновского излучения. Поэтому вначале необходимо построить теоретическую модель остатка сверхновой на радиативной стадии - модель, позволяющую находить скорость разлёта по лучевым скоростям эмиссионных линий. Такая модель предложена в шестом разделе.

• Четвёртая глава - "Эволюция и пространственная структура нетеплового радиоизлучения остатков сверхновых". В этой главе модель обжатия облаков применяется к проблеме оболочечной компоненты нетеплового радиоизлучения, присутствующей более, чем у 90$ известных остатков сверхновых. Рассмотрен также вопрос о возможном изменении пространственной структуры и темпа эволюции радиоизлучения во время перехода с адиабатической на радиативную стадию торможения и далее - на стадию с противодавлением. В предлагаемой автором модели передача энергии магнитному полю и космическим лучам происходит в процессе сжатия высвечивающихся облаков. Такое сжатие происходит заведомо во всех известных остатках сверхновых на адиабатической стадиипричём их оболочечная структура является естественным следствием модели.

В первом разделе изложены необходимые сведения о нетепловом радиоизлучении оболочечных остатков сверхновых, во втором - общие представления о них в модели обжатия облаков, в третьем - коли-

чественные оценки зависимости коэффициента синхротронного излучения от давления обжимающего газа, цроделанные для реальных

для адиабатических остатков сверхновых в рамках модели обжатия облаков и обсуждается возможная эволюция нетеплового радиоизлучения на адиабатической и радиативной стадиях: изменение пространственной структуры и наклона зависимости } С£>). В пятом

разделе рассмотрена изотропизация релятивистских электронов в процессе обжатия облака, в шестом - абсолютная светимость обжатых облаков, а в седьмом - связь теории с поляризационными наблюдениями. В восьмом разделе предложен новый способ исследования остатков сверхновых на стадии с противодавлением - по изменению относительной толщины оболочки.

В конце каадой главы резюмируются её основные выводы. В Заключении сформулированы важнейшие результаты, полученные в работе.

Список цитируемой литературы содержит ссылки на 166 работ.

Приводится список публикаций по основным результатам диссертации и указывается личный вклад автора в совместно написанные работы.

Ниже приводится список опубликованных научных статей, содержащих основные результаты, полученные з диссертации. В работах, написанных с соавторами, автор принимал равноправное участие. I. Бычков К.В. Физические условия в Кассиопее А.- Астрон. журн.,

1973, т. 50, с.907-913. '¿. Бычков К.В. Взаимодействие туманностей-остатков сверхновых с

,мекзй£здаой средой.- Астрон. курн., 1974, т.51, с.21-25. 3. Бычков К.В. Физические условия в Петле Лебедя.- Оообщ. Спец. астрофлз. обсерв., Г974, вып.10, с.3-14.

источников. В четвёртом разделе объясняется диаграмма

4. Бачков К.В. К свечению оптических волокон в Тихо.- Астрон. журн., 1974, г. 51, с. 317-320.

5. Бычков К.В., Пикельнер С.Б. Флуктуации плотности межзвёздной среды - причина различия "рентгеновских" и "допплеровских" скоростей остатков сверхновых.- Письма в Астрон. журн., 1975, т.1, с. 29-34.

6. Бычков К.З. Характер распространения космических лучей в Галактике.- Астрон. »урн., 1976, т,53, с. 501-510.

7. Бычков К.З. О возможном объяснении зависимости У остатков сверхновых.- Астрон. я^рн., 1978, т. 55, с.755-764.

8. Бычков К.В. О природе туманности возле # Суyni .- Астрон. журн., 1978, т. 55, с. 1222-1227.

9. Бычков К.В. Истечение из предсверхновнх - возможная причина тонковолокнистой структуры остатков.- Астрон. журн., 1979, т. 56, с. 781-792.

Ю. Bychkov K.V., Leoedev V.S. Оа the origin of high-velocity gas H -emission from the Cygnus Loop and 1С 44-3,-Astron. Astrophys., 1979i vol. 80, p. 167-169.

11. Балинская И.С., Бычков К.В. Излучение межзвёздных ударных волн I. Запрещённые линии лёгких элементов.- Сообщ. Спец. астрофяз. обсерв., Г979, #26, с. 51-60.

12. Балинская И.С., Бычков К.В. Излучение межзвёздных ударных волн П. Зависисмосгь коэффициентов ионизации и диэлектронной рекомбинации от плотности,- Сообщ. Спец. астрофкз. обсерз., 1981, JJ3I, с.49-95.

13. Балинская И.О., Бычков К.В. Излучение межзвёздных ударных волн. Ш. Радиационное охлазвдение на лёгких элементах.-Сообщ. Спец. астрофиз. обсерв., 1982, №35, с. 33-67.

14. Балинская И.С., Бычков К.З., Фёдорова О.В. Излучение межзвёздных ударных волн. IУ. Пределы применимости изотермического приближения.- Изв. Спец. астрофиз. обсерв., 1986,

т. 21, с. 39-48.

15. Бычков К.В. Стратификация излучения межзвёздных ударных волн. Изв. Сцец. астрофиз. обсерв., 1986, т. 21, с. 58-64.

16. Бычков К.В. Радиоизлучение остатков сверхновых на радаативной стадии разлёта.- Изв. Спец. астрофиз. обсерв., 1986, т. 21, с. 58-64.

17. Бычков К.В., Фёдорова О.В. Структура излучения ударных волн б межзвёздной среде.- Астрон. журн., 1987, т. 64, с. 509-519.

18. Бычков К.В., Ситник Т.Г., Фёдорова О.В. Стратификация оптического излучения в адиабатических остатках сверхновых.-Астрон. журн., 1986, т.63, с. 939-945.

19. Бычков К.В., Фёдорова О.В. Интенсивность и возможная структура оптического излучения остатков сверхновых на радаативной стадии разлёта.- Письма в Астрон. журн., 1985, т.П,

с. 9X1-915.

20. Бычков К.В. Остатки сверхновых на стадии с противодавлением: выход на адиабатический режим и увеличение относительной толщины оболочки,- Астрон. я^урн., 1991, г. 68, с. // <?/— II 2-3