Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://sai.msu.ru/dissovet/ramires.pdf Дата изменения: Fri Sep 28 16:47:20 2012 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:28:49 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга

На правах рукописи

УДК 524.387

РАМИРЕС ЭРНAНДЕС Оскар

ИССЛЕДОВАНИЕ МАЗЕРА ВОДЯНОГО ПАРА В SAGITTARIUS B2
Специальность 01.03.02 астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006


Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Лехт Евгений Евгеньевич (ГАИШ, Национальный институт астрофизики оптики и электроники, Тонанцинтла, Мексика)

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Слыш Вячеслав Иванович (АКЦ ФИАН) доктор физико-математических наук Чернин Артур Давидович (ГАИШ).

Ведущая организация:

Институт астрономии Российской академии наук

Защита состоится 15 июня 2006 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета по астрономии Д501.001.86 в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга МГУ по адресу: 119992, г. Москва, Университетский проспект, дом 13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАИШ МГУ Автореферат разослан 10 апреля 2006 г. Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук
2

АЛЕКСЕЕВ С.О.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
Первый космический мазер (явление усиления радиоволн за счет вынужденного излучения) был обнаружен в 1965 г [1], в области из газа OH, неподалеку от молодой звезды, в туманности Ориона. С тех пор были открыты сотни космических мазеров на разных молекулах в ряде различных астрономических объектов от близких комет до удаленных галактик. Первые мазеры во вращательной линии 616 -523 молекулы H2 O на волне = 1.35 ( = 22 ГГц) были открыты в направлении известных источников мазерного радиоизлучения OH в областях звездообразования [2]. Межзвездные мазеры представляют собой сверхкомпактные области в молекулярных облаках, где интенсивность некоторых молекулярных эмиссионных линий может быть значительно усилена [3]. Как потом выяснилось, эти мазеры являются свидетельством раннего этапа формирования молодых звезд. Предположение о связи космических мазеров с процессом звездообразования было высказано И.С. Шкловским еще в 1966 г., сразу после открытия мазеров ОН. Сильные мазеры OH и H2 O были впервые обнаружены неподалеку от HII-областей, которые сопровождают процесс звездообразования. Близко расположенная к центру Галактики и являющаяся одной из ее основных областей формирования звезд, Sgr B2, ассоциируется с гигантским молекулярным облаком. Мазерное излучение водяного пара в линии 22 ГГц было обнаружено в Sgr B2 Вааком и Маером [4]. Структура источника Sgr B2 оказалась довольно сложной [5, 6], состоящей из ряда областей, в состав которых входят также мазерные пятна водяного пара, излучающие в линии 22 ГГц. Исследование области Sgr B2, как и других областей, где формируются звезды, затруднен некоторыми факторами. В оптическом диапазоне процесс звездообразования доступен только в последней стадии, после того как уже возникший комплекс звезд разрушил родительское Гигантское молекулярное облако. Ранние стадии процесса образования звезд оптически недоступны из-за высокого поглощения света в коконе формирующейся звезды и в гигантском молекулярном облаке, содержащем этот кокон. Таким образом, исследования этих стадий звездной эволюции возможно проводить только в инфракрасном и радио диапазонах, где излучение проходит сквозь все слои
3


окружающей материи. Во время коллапса формирующейся звезды, из молекулярного ядра может образоваться массивный молекулярный диск с массой до нескольких сотен масс Солнца. В дисках локализованы мазерные источники H2 O, например, как в области Sgr B2. Новорожденная звезда обладает сильным звездным ветром, и на некоторой стадии ее эволюции истечение газа из звезды может происходить в виде двух противоположных направленных джетов биполярное истечение. Мазеры H2 O характеризуются сложными спектрами с большим числом спектральных деталей, для которых ширина линии 0.4 - 0.7 км/с, а время жизни 106 - 107 с [7]. Согласно некоторым моделям [8, 9], мазеры H2 O локально создаются и накачиваются взаимодействием между сверхзвуковыми истечениями массы из молодой центральной звезды и сгустками материи в околозвездном облаке. Наиболее вероятный механизм накачки мазеров водяного пара столкновительный в среде с T 600 K и n 109 см-3 [10]. Регулярные наблюдения в течение длительного времени (мониторинг) позволяют выявить долгопериодические процессы, связанные с эволюцией звезды на раннем этапе ее формирования. Поэтому весьма актуальными являются исследования переменности полного излучения H2 O в течение периода более 20 лет, а также поиск периодической активности вспышечного характера. В периоды вспышек, появляется возможность изучать структуры, как отдельных мазерных пятен, так и групп мазерных пятен, скоплений. Итоговым результатом исследования эволюции мазерного излучения является построение моделей мазерных источников определение вида структур, в которых располагаются мазерные пятна, размеры структур, периоды активности центральных объектов и т.п.

Цель диссертации
В работе преследовались следующие цели: 1. Обработка данных 23-летнего мониторинга мазерного источника H2 O в Sgr B2 и построение каталога спектров. 2. Исследование переменности полного излучения мазера H2 O в Sgr B2. Выявление периодической переменности интегрального потока и центроида скоростей (средневзвешенной лучевой скорости).
4


3. Выделение отдельных спектральных компонентов и их отождествление с субисточниками в области Sgr B2, (N)и(M). 4. Анализ сильных вспышек (супервспышек) мазера H2 O 19861987 гг. и 2004 г. 5. Интерпретация переменности излучения отдельных эмиссионных деталей и построение их моделей. 6. Построение модели мазера в области Sgr B2.

Научная новизна
В данной диссертации впервые: 1. Проводится анализ спектров 23-летнего мониторинга источника Sgr B2 в мазерной линии 22 ГГц молекулы воды. Такой анализ включает интегральный поток и центроид скоростей, супервспышки 19861987 гг. и 2004 г., отдельные детали спектров и средние спектры (для интервалов 19821992 гг. и 19932003 гг.). 2. Найдены медленные вариации интегрального потока для всего источника с характерным временем больше времени мониторинга и с минимумом в 19921994 гг. 3. Обнаружены периодические вариации интегрального потока со средним периодом около 2 года. 4. Найдена медленная компонента изменений центроида скоростей с характерным временем более 22 лет, минимум которой приходится на 19961998 гг. 5. Найдена корреляция между 2-летними периодическим вариациями интегрального потока и центроида скоростей. 6. Проведен детальный анализ супервспышек 19861987 гг. и 2004 г. с разложением на отдельные компоненты, и проведено их отождествление. 7. Обнаружено чередование максимумов излучения источников N и M. 9. Найдена циклическая активности источника M со средним периодом 3 года.

Практическая и научная ценность
Прежде всего, приведенные здесь результаты дают хорошую картину временного и, отчасти, пространственного поведения мазерного излучения источника Sgr B2 (источники M и N), включая медленные
5


и быстрые вариации мазерного излучения. С другой стороны, эти результаты представляют большой интерес для понимания структуры и поведения областей Sgr B2(N) и Sgr B2(M). В частности, они свидетельствуют о том, что в северном и в главном источниках мазерные пятна связаны с биполярными истечениями (вылетающие от формирующейся звезды). Обнаружено, что многие мазерные пятна образуют структуры типа цепочек. В свою очередь, проведенный анализ представляет интерес для пополнения картины процесса звездообразования, поскольку исследованные мазерные пятна связаны с молодой, формирующейся звездой и, отчасти, их поведение связано с поведением самой звезды и коконом вокруг нее.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Результаты исследования интегрального потока и центроида скоростей мазерного излучения в направлении источника Sgr B2. Для обоих найдены медленные вариации с минимумами в 19921994 гг. (для потока) и 19961998 гг. (для центроида скоростей), а также вариации с характерным временем больше 22-х лет и более быстрые вариации с периодом 2 года. Было найдено, что 2-летние периодические вариации обеих кривых коррелируют между собой. 2. Результаты анализа супервспышек 19861987 гг. и 2004 г. Эти вспышки оказались разного характера и принадлежат разным источникам (N и M соответственно). Обе вспышки связаны со значительным повышением активности нескольких деталей и, видимо, связаны с молекулярными истечениями. Во вспышке 19861987 гг. имело место последовательное возбуждение мазерных пятен. 3. Результаты анализа средних спектров мазерного излучения. Были построены средние спектры для интервалов 19821992 гг. и 19932003 гг. Оказалось, что они обнаруживают неплохое подобие, как по амплитуде, так и по своей структуре. 4. Результаты анализа отдельных спектральных деталей. Были рассмотрены их основные характеристики: ширина линии, переменность потока, принадлежность к конкретному источнику (N или M), дрейф по лучевой скорости. 5. Модель источника, построенная после анализа всех результатов.
6


Оказалось, что как в источнике N, так и в источнике M, мазерные пятна связаны с молекулярными истечениями и некоторые из них образуют структуры типа цепочки. Молекулярные истечения и приводят к всплескам излучения этих, компактно сгруппированных пятен.

Апробация результатов
Результаты, приведенные в данной диссертации, были доложены на Ломоносовских чтениях (май 2004 г.), на ВАК 2004 (июнь 2004 г.) и на международном симпозиуме "Астрономия 2005". По теме диссертации опубликовано 3 статьи в Астрономическом журнале. Имеются также две публикации в сборниках тезисов докладов.

Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, приложения, списков рисунок и таблиц, и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 125 страницы и содержит 34 рисунка и 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает 87 наименований.

Содержание диссертации
звездообразования, области HII и космические мазеры. Описана также связь между процессом звездообразования и мазерными источниками. Изложена роль космических мазеров, как орудия исследования областей звездообразования, и состояние этой проблемы на данный момент. Показана актуальность работы, изложена постановка задачи и показан личный вклад в результатах работы. В первой главе описывается параболический радиотелескоп, в частности, РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории. Приведены основные характеристики антенны, аппаратурного комплекса и режима их работы. Описаны также факторы, влияющие на работу радиотелескопа и способы улучшения его работы. Во второй главе изложены методы наблюдений, использованные при получении спектров источника Sgr B2: методы "ON-ON"и "ONOFF". Второй метод использовался во время сильной вспышечной активности мазера. Приводятся также факторы, искажающие спектры,
7

Во введении описаны области формирования звезд, процесс


и способы их устранения: корректировка за доплеровское смещение линий, исправление базовых линий, учет поглощения радиоизлучения в атмосфере. Учет поглощения очень важен, поскольку высота источника над горизонтом не превышала 6 - 7 . Так как область Sgr B2 состоит их двух основных субисточников, разделенных по углу всего лишь на 45 (ширина диаграммы антенны на 1.35 см составляет 2.6 ), был использован метод наблюдений в нескольких точках с интервалами между ними 45 . Это позволило провести отождествление эмиссионных деталей с соответствующими субисточниками. В третьей главе приведено описание области Sgr B2. Дана пространственная картина в целом, а также двух основных подобластей, Sgr B2(M) и Sgr B2(N), в которых находятся HII-области, биполярные истечения и мазерные пятна водяного пара. Приводятся их основные физические характеристики, а также основные признаки звездообразования, наблюдаемые в них. Представлены результаты обработки и анализа данных радионаблюдений мазерного излучения молекулы H2 O в линии 22 ГГц, полученных при мониторинге на параболическом радиотелескопе РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории в период 1982-2004 гг. Спектры, исправленные за поглощение в атмосфере Земли, охватывают лучевые скорости 40 - 80 км/с (с начала 2002 г. диапазон скоростей был расширен до VLSR 20 - 25 км/с). Анализ данных показал, что происходили сильные изменения структуры спектров, которые всегда состояли из большого числа компонентов (более 30). Ширина линии большинства эмиссионных деталей составляла 0.8 - 2 км/с при ошибках измерений от +0.01 до +0.02 км/с. Точность определения VLSR составляла +0.02 км/с для сильного излучения (> 300 Ян) и+0.03 км/с для более слабого излучения. Ввиду того, что основные группы исследуемых мазерных пятен, M и N, разнесены между собой по склонению на 45 , а диаграмма направленности РТ-22 превышает эту величину (2.6 ), они воспринимаются почти как один объект. Для отождествления основных спектральных компонентов мазерного излучения с источниками M и N были применены два метода. Наши данные сравнивались с данными других работ, например [5], для близких эпох наблюдений. Кроме того, в разные эпохи нами были проведены специальные наблюдения
8


в нескольких точках вдоль линии, соединяющей источники M и N. Для оценки активности мазеров H2 O в целом были проведены исследования вариаций интегрального потока и центроида скоростей. Найдена корреляция переменности данных параметров. Обнаружены три вида переменности: 1. медленные, которые превышают период мониторинга; 2. средние, имеющие период примерно 2 г.; 3. быстрые вариации. В течение 23-летнего мониторинга имели место две супервспышки (19861987 гг. и 2004 г), излучение в которых достигало почти 4000 Ян. Проведено отождествление компонентов вспышек. Первая вспышка принадлежит источнику N, а вторая источнику M. Обсуждается их природа, которая оказалась разной. Причиной этого может быть различие в структуре источников N и M. Общим является то, что скопления мазерных пятен каждого источника связаны с молекулярными потоками вещества. В данной главе проводится также анализ излучения основных спектральных деталей. Изучается эволюция во времени их потоков и лучевой скорости. Обнаружен разный характер дрейфа лучевых скоростей для разных деталей. Обсуждаются возможные причины наблюдаемого характера переменности лучевых скоростей. Получено, что некоторые спектральные детали (мазерные пятна) имеют структуру в виде неоднородных волокон или цепочек. Мазерные пятна могут образовывать отдельные, достаточно компактные скопления. В 1992-1993 гг. имел место минимум мазерного излучения. Для периодов до и после минимума были построены средние спектры. Они показали, что, несмотря на разные вариации излучения, оба спектра обнаруживают неплохое подобие, как по амплитуде, так и по своей структуре. Повторяемость компонентов в средних спектрах разных эпох может быть при существовании достаточно стабильных структурных образований в источниках. Обсуждается циклическая активность мазера. Обнаружено поочередное преобладание излучения северного (N), либо центрального (M) источника и найден период активности излучения для основного источника (M), который составляет около 3 лет. В главе также приводится модель для области Sgr B2. Для источника N построена двумерная картина, показывающая мазерные
9


пятна H2 O, биполярные истечения, акреционный диск и области HII. Обсуждаются возможные модели, объясняющие наблюдаемые профили линий и разнообразные характеры эволюции как отдельных эмиссионных деталей, так и групп деталей с близкими лучевыми скоростями. Для объяснения наблюдаемой переменности профилей (поток, лучевая скорость и ширина линии) предлагается модель, в которой мазерные пятна имеют вытянутую форму и в них присутствуют мелкомасштабные турбулентные движения вещества. Это приводит к уширению спектральной линии и в некоторых случаях к ее асимметрии. Вытянутые пятна могут распадаться на отдельные сгустки вещества, которые являются звеньями цепочек. В этом случае ударная волна, возникающая при взаимодействии распространяющегося от звезды (или скопления звезд) звездного ветра с плотной средой, последовательно проходит через элементы цепочки, возбуждая в них мазерное излучение. В других случаях, мазерные пятна имеют вытянутую форму (волокно) без заметной фрагментации на отдельные плотные сгустки материи. Кроме того, возможна модель пятна в виде сгустка вещества, которое под воздействием звездного ветра от звезды может ускоряться, а при его ослаблении может тормозиться околозвездной средой. В периоды вспышечной активности не наблюдались заметные задержки между максимумами потоков эмиссионных деталей с близкими лучевыми скоростями, что возможно в случае образования этими деталями компактных групп. В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации, и сделаны некоторые обобщения. В приложении излагаются теоретические модели мазеров, насыщенных и ненасыщенных, сферических и цилиндрических, а также механизмов накачки.

10


ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах: 1. Лехт Е.Е., Рамирес Эрнандес О., Толмачев А.М., Берулис И.И. "Мазерное излучение H2 O в направлении Sagittarius B2: Результаты мониторинга 19821992 гг."// Астрономический журнал, 2004, т. 81, No. 3, с. 195208. 2. Лехт Е.Е., Рамирес Эрнандес О., Толмачев А.М. "Некоторые результаты 22-летнего мониторинга источника Sagittarius B2 в линии 1.35 см". // Астрономический журнал, 2004., т. 81, No. 12, с. 10591073. 3. Рамирес Эрнандес О., Лехт Е.Е., Толмачев А.М. "Сильная вспышка мазера H2 O в Sagittarius B2(M)". // Астрономический журнал, 2005, т. 81, No. 12, с. 874880.

11


ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА В РАБОТАХ В СОАВТОРСТВЕ Статья 1.
Участие в составлении каталога спектров H2 O источника Sgr B2 периода 1982-1992 гг. - корректировка спектров за инструментальные эффекты и поглощение излучения в атмосфере Земли. Отождествление эмиссионных деталей супервспышки 1986-1987 гг. Построение модели мазера H2 O в Sgr B2(N).

Статья 2.
Участие в составлении каталога спектров периода 1993-2004 гг.(при этом автор принимал участие в наблюдениях 2001-2004 гг. и реализовал разработанный им метод разделения излучения в тесном двойном источнике, Sgr B2(N) и Sgr B2(M)). Обработка спектров по методике, аналогичной в статье 1. Отождествление спектральных компонентов на их принадлежность источникам Sgr B2(N) и Sgr B2(M). Анализ переменности интегрального потока и центроида скоростей.

Статья 3.
Участие в наблюдениях по программе мониторинга в 2004 г. Отождествление эмиссионных деталей (аналогично статье 2). Обнаружение и исследование циклической переменности излучения мазера H2 O в Sgr B2(M) со средним периодом 3 г.

12


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Weaver H., Williams D.R.W., Dieter N.H. & Lum W.T. // Observations of a Strong Unidentied Microwave Line and of Emission from the OH Molecule // Nature, 1965, 208, 29-31. [2] Cheung A.C., Rank D.M., Townes C.H., Thornton D.D. & Welch W.J. // Detection of water in interstellar regions by its microwave radiation // Nature, 1969, 221, 626. [3] Ghavamian P. // An Introduction to Astrophysical Masers // www.physics.rutgers.edu/ parviz/masers.html [4] Waak J.A. & Mayer C.H. // H2 O source in Sagittarius B2 // Ap. J., 1974, 189, 67. [5] Kobayashi H., Ishiguro M., Chikada Y., Ukita N., Moirita K., Okumura S., Kasuga T. and Kawabe R. // Distribution of the H2 O masers in the Sagittarius B2 core // Publ. Astron. Soc. Japan, 1989, 41, 141. [6] Gaume R.A., Claussen M.J., De Pree C. G., Gross W. M. and Meringer D. M. // The Sagittarius B2 star-forming region. I. Sensitive 1.3 centimeter continuum observations // Ap. J., 1995, 449, 663. [7] Эвретт Ю. // На переднем крае астрофизики, М.: Мир 1979, с. 405 458 (перевод с английского: Frontiers of astrophysics, E.H. Avrett, Harvard university press, 1976). [8] Genzel R. // Strong interstellar masers // in: Masers, molecules and mass outows in star forming regions, ed. A. D. Haschik, Westford, MA: Haytack Obs., 1986, p. 233. [9] Tarter J.C., Welch W.J. // A cloud collision model for water maser excitation // Ap. J., 1986, 305, 467. [10] Рудницкий Г.М. // Конспект лекций по курсу "Радиоастрономия", Нижный Архыз 2001.
13