Детальные исследования областей звездообразования на основе прецизионной молекулярной спектроскопии 01. 03. 02 астрофизика и радиоастрономия

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Измерения межзвездных молекулярных линий и их последующий анализ являются основным методом исследования областей звездообразования. Несмотря на колоссальный прогресс в оптических измерениях (особенно после запуска телескопа им. Хаббла), наблюдения в видимом диапазоне не позволяют достаточно глубоко заглянуть внутрь этих объектов и, тем более, измерять в них доплеровские движения газа. В то же время информация о поле скоростей газа и зависимости этих движений от радиуса может быть относительно легко получена из доплеровских смещений молекулярных линий с разной оптической толщиной и/или из анализа их асимметрии. Кроме того, из сравнения интенсивностей разных переходов одной и той же молекулы или линий разных молекул можно извлекать данные о распределении плотности, кинетической температуры, а также особенностях химического состава, что также невозможно получить в оптике. Несмотря на то, что с момента открытия линий CO в межзвездной среде прошло уже более 30 лет [1*] и накоплен большой объем наблюдательных данных, построение детальной картины звездообразования далеко не завершено, а количество возникающих вопросов ничуть не меньше, чем это было в начале. Наглядным подтверждением неослабевающего интереса к таким наблюдениям является строительство все более мощных радиотелескопов с упором на субмиллиметровый диапазон волн. Именно исследование процессов звездообразования является их главной задачей.

Основной целью данной работы являлся поиск и исследование характерных особенностей областей звездообразования как в направлении горячих облаков большой массы, так и темных маломассивных облаков по их излучению в линиях разных молекул. Все выполненные измерения были проведены при помощи лучших на сегодня инструментов, включающих CSO-10.4m (Гаваи), SEST-15m (Чили), OSO-20m (Швеция), IRAM-30m (Испания), MPIfR-100m (Германия). Часть измерений получена при помощи РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории, а также аналогичного телескопа ФИАН им. П.Н. Лебедева. На основе сделанных измерений и проведенных расчетов определены параметры исследованных объектов. Разработаны компьютерные программы, позволяющие решать уравнение переноса в линиях разных молекул и используемые в настоящее время исследователями как у нас, так и за рубежом. Характерные тонкие детали, обнаруженные на профилях линий излучения молекул HCN, полностью подтвердили ранее выполненные расчеты автора и явились главным стимулом для увеличения частотного разрешения на IRAM-30m и OSO-20m. В диссертации показано, что использование специальной методики восстановления изображений методом максимума энтропии позволяет существенно увеличить эффективное угловое разрешение при условии хорошего знания формы диаграммы направленности телескопа и при достаточном отношении сигнал/шум.

Поскольку молекулярные линии в темных облаках, связанных с областями образования звезд наподобие нашего Солнца, очень узки, их ширины нередко близки к тепловым (~100 м/с), а систематические движения могут быть еще меньше, то для сравнения измерений в линиях разных молекул необходима эквивалентная точность лабораторных частот переходов ~1 м/с. Такая точность нужна как при измерениях градиентов систематических скоростей, так и в тех случаях, когда одни частоты могут использоваться в качестве эталонных значений при измерениях частот других линий. К сожалению, типичная ошибка рекомендуемых частот переходов межзвездных молекул составляет 30–100 кГц [2*], что для 100 ГГц соответствует 90–300 м/с. В данной диссертации представлены результаты прецизионной лабораторной спектроскопии, полученные в соавторстве с разными группами исследователей для целого ряда астрофизически важных молекул. Рассчитанные автором диссертации спектры являются на сегодня одними из наиболее точных. Для двух лабораторно нестабильных молекул ошибки определения частот переходов существенно уменьшены исходя из радиоастрономических измерений. Выполненные исследования сверхтонкой структуры вращательных переходов ¹³CO и HN¹³C позволили значительно повысить точность констант сверхтонкого расщепления, что особенно важно для правильного анализа уширений наблюдаемых линий при низких температурах и оценки лучевых концентраций. Спектры ряда молекул, рассчитанные автором диссертации на основе лабораторных измерений, используются как наиболее точные стандарты при измерениях частот переходов других молекул в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин вол.

(1) Проведены детальные исследования центральных ядер молекулярных облаков, связанных с областями образования звезд большой массы. Из анализа полученных данных определены параметры источников; в некоторых из них выявлена вращающаяся дисковая структура; найдены характерные зависимости наблюдаемых линий от расстояния до центров ядер и от квантовых чисел вращательных переходов молекул. В результате обзора HII областей при помощи радиотелескопа РТ-22 КрАО обнаружено систематическое уменьшение относительного числа облаков с заметным излучением HCN по мере увеличения расстояния до центра Галактики. Для ряда источников на основе измеренных карт в линиях молекул и разработанных программ решения переноса излучения методом Монте-Карло построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных.

(2) Объяснен механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1–0 в темных облаках. С целью расчета отношений сверхтонких компонент составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий. Из последующих наблюдений темных облаков с высоким спектральным разрешением найдено, что характерные детали самообращения на асимметричных профилях HCN находятся в хорошем согласии с результатами выполненных расчетов. В результате обзора 50 темных облаков найдены объекты, уверенно ассоциирующиеся с коллапсирующими ядрами. Часть детально прокартированных источников является дифференциально вращающимися. В двух источниках характер асимметрии HCN линий соответствует ускоренному коллапсу в направлении ядра и расширению оболочки.

(3) На основе прецизионных лабораторных измерений рассчитаны вращательные спектры ряда астрофизически важных молекул с эквивалентной точностью в доплеровской шкале скоростей ≤1 м/с во всем диапазоне до 1 ТГц, доступном при радиоастрономических измерениях. Для многих вращательных переходов точности определения частот улучшены на один – два порядка.

(4) Из наблюдений в темных облаках линий лабораторно нестабильных молекул HN¹³C и H¹⁵NC определены частоты основного перехода J=1–0 и показана предпочтительность радиоастрономической спектроскопии.

(5) Экспериментально показано, что благодаря достигнутым точностям частот вращательных переходов измерения линий разных молекул позволяют определять как скорость движения вещества в областях звездообразования, так и градиенты движений в зависимости от радиуса.

(1) При исследовании плотных ядер в областях образования звезд большой массы использованы измерения нескольких переходов разных молекул, являющихся трассерами разных физических условий и позволяющих, по меткому замечанию Снелла и др. [3*], как бы слой за слоем “очищать молекулярное облако подобно луковице”.

(2) Для детального анализа пространственной структуры полученных карт разработана программа восстановления изображений, основанная на принципе максимальной энтропии. Использование данной программы для разных спектральных каналов позволило исследовать эффекты, связанные с вращением источников, а при малом отношении S/N – применить ее в качестве фильтра отсечки шумов на изображении.

(3) Для оценки физических условий по наблюдаемым линиям молекул написаны программы решения переноса излучения методом Соболева (методом LVG) и методом Монте-Карло. Программы включают перенос излучения в линиях CO, CS, HCN, HCO⁺, HC₃N, C₃H₂, а также в ряде их изотопомеров. Часть оценок выполнена в приближении ЛТР.

(4) С целью поиска и исследования коллапсирующих ядер в темных облаках использованы измерения профилей HCN с максимально возможным спектральным разрешением и сравнение наблюдаемой асимметрии с результатами детального моделирования.

(5) При определении поля систематических движений газа в областях звездообразования использованы одновременные измерения линий разных молекул, обладающих разной критической плотностью возбуждения переходов.

(6) Для достижения максимальной точности лабораторных спектров молекул разработаны алгоритмы аппроксимации профилей поглощения линий с провалом Лэмба.

(7) При спектроскопии лабораторно неустойчивых специй проведены их одновременные радиоастрономические измерения вместе с линиями других молекул, использованных в качестве эталонов частот. Показано, что в данном случае радиоастрономическая спектроскопия в сравнении с лабораторными методами является предпочтительной.

Во-первых, на основе выполненных измерений большого количества линий определены параметры областей образования звезд большой массы, получены характерные зависимости наблюдаемых линий от расстояния до центров ядер и от квантовых чисел вращательных переходов молекул, в ряде объектов выявлена вращающаяся дисковая структура. Для выбранных источников построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных. В результате большого количества наблюдений получен экспериментальный материал, который помог расширить знания о характерных особенностях образования звезд большой массы и был в последующем использован также в исследованиях других авторов. Написанная автором диссертации программа восстановления изображений методом максимума энтропии из зашумленных карт, сглаженных диаграммой телескопа, стала стандартным рабочим инструментом при анализе наблюдений, выполненных с шагом, не превышающим полуширины диаграммы направленности. Разработаны компьютерные программы, позволяющие решать уравнение переноса в линиях разных молекул и используемые в настоящее время исследователями как у нас, так и за рубежом [4*, 5*, 6*].

Во-вторых, удалось объяснить механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1–0 темных облаках, что оставалось долгое время не ясным. Показано, что рост турбулентности к краю облака является необходимым условием для превышения излучения в компоненте F = 0–1 в сравнении с остальными линиями. Составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий, как локального, так и нелокального характера, для любого соотношения между микротурбулентными и систематическими скоростями и при любой зависимости скорости сжатия от расстояния до центра облака. Данный алгоритм, предложенный автором диссертации, уже использован другими исследователями при расчетах интенсивностей сверхтонких компонент как в HCN [7*], так и в линиях других молекул [8*]. Тонкая структура асимметричных профилей HCN, сначала рассчитанных автором диссертации, а затем измеренных им же при помощи радиотелескопов IRAM-30m (Испания) и Onsala-20m (Швеция), явилась главным стимулом к улучшению в несколько раз частотного разрешения данных инструментов. При этом автор диссертации принял непосредственное участие в тестировании модифицированных спектрометров. На основе выполненного обзора свыше 50 темных облаков найдено, что молекула HCN является одним из наиболее эффективных зондов для поиска и исследования коллапсирующих ядер в областях звездообразования. Исследованные особенности формирования профилей HCN помогли выявить ряд характерных деталей (дифференциальное вращение и ускоренный коллапс в направлении на центр), существенно дополнивших представления об образовании звезд малой массы.

В третьих, на основе прецизионных лабораторных измерений, выполненных как с использованием субдоплеровской спектроскопии по провалу Лэмба, так и традиционными методами, рассчитаны вращательные спектры ряда астрофизически важных молекул, которые на сегодня являются одними из наиболее точных и используются в качестве вторичных стандартов при измерениях частот переходов других молекул как в межзвездной среде, так и в лаборатории.

1. 
   Результаты детальных исследований областей образования звезд большой массы, выполненных по наблюдениям большого числа переходов в линиях разных молекул.
   
2. 
   Выявленные закономерности в распределении интенсивностей и ширин наблюдаемых линий в областях образования звезд большой массы в зависимости от расстояния до центров источников и квантовых чисел вращательных переходов молекул.
   
3. 
   Предложенный механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент в переходе HCN J=1–0 в темных облаках.
   
4. 
   Предложенный метод решения уравнения переноса с учетом возможных перекрытий сверхтонких компонент спектра.
   
5. 
   Результаты поиска и детальных исследований коллапсирующих ядер в темных облаках, связанных с областями образования звезд малой массы.
   
6. 
   Результаты прецизионной лабораторной спектроскопии ряда астрофизически важных молекул, включающие вращательные спектры C¹⁸O, ¹³CO, HNCO и HCN и уточнение констант сверхтонкого расщепления для ¹³CO и HCN.
   
7. 
   Результаты радиоастрономической спектроскопии сверхтонкой структуры молекулы HN¹³C и частоты H¹⁵NC в переходе J=1–0.
   
8. 
   Предложенный метод измерения внутренних движений в областях звездообразования на основе одновременных измерений центров линий разных молекул.
   

Изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались на семинарах ИПФ РАН, семинарах Хельсинского университета (Финляндия), I Физического института университета г. Кельн и Института радиоастрономии им. М. Планка г. Бонн (Германия), радиоастрономической обсерватории Онсала (Швеция), на многих международных конференциях и симпозиумах, включая VIII Российско-финский симпозиум по радиоастрономии (Пулково, 1999), Симпозиум No. 197 Международного Астрономического Союза «Astrochemistry: From Molecular Clouds to Planetary Systems» (Согвипо, Южная Корея, 1999), на международной школе «The interaction of stars with their environment» (Вышеград, Венгрия, 1996), на 4-м международном симпозиуме «The Dense Interstellar Medium in Galaxies» (Церматт, Швейцария, 2003), на нескольких международных симпозиумах по спектроскопии, включая приглашенный доклад XV Международном симпозиуме по спектроскопии высокого разрешения (Н. Новгород – Казань – Н. Новгород, 2006). Кроме этого, изложенные в диссертации результаты были представлены в большом количестве докладов на всесоюзных и всероссийских астрономических конференциях (Харьков, 1983; Ереван, 1985, 1989; Таллин, 1987; Ашхабад, 1999; Пущино, 1993, 2002; Санкт-Петербург, 1995, 2001; Москва, 2004), семинарах проблемной группы «Физика межзвездной среды», а также в приглашенном докладе на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Н. Новгород, 2007).

Всего по теме диссертации опубликовано 78 работ. Из них 22 статьи – в рецензируемых журналах, в том числе 10 работ в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (Астрономический журнал, Письма в Астрономический журнал, Известия ВУЗов. Радиофизика), 11 публикаций в международных журналах (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Astronomy and Astrophysics Supplement, Journal of Molecular Spectroscopy и др.) и 11 работ в трудах всероссийских, всесоюзных и международных симпозиумов и конференций.

Все представленные в диссертации научные результаты получены автором либо лично, либо в итоге совместных исследований с ведущими коллективами как в России, так и за рубежом. Во многих совместных работах автору принадлежит как идея исследований, так и их проведение. Так, из указанных выше публикаций работы [1, 3] носят обзорный характер результатов, полученных в соавторстве с разными группами исследователей; работы [6, 9, 11, 16, 17, 33, 36] выполнены без соавторов. В работе [2] все радиоастрономические измерения, изучение имеющихся в литературе данных, анализ всех лабораторных частот переходов и написание статьи выполнены автором диссертации. В работе [4] роль автора диссертации заключалась в изучении имеющихся в литературе данных, написании программ обработки спектров, обработке полученных спектров и в совместном написании научной части статьи. В публикациях [7, 10] автору диссертации принадлежит основная идея и руководство расчетами.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем сотрудникам, оказавшим помощь при выполнении работ, заложивших основу для данной диссертации, а именно, сотрудникам ИФП РАН: А.Ф. Андриянову, А.Б. Бурову, В.Ф. Вдовину, В.Н. Воронову, И.В. Замятину, А.А. Красильникову, А.Г. Кислякову, А.В. Кузнецову, Э.П. Кукиной, И.В. Лапкину, П.Л. Никифорову, В.Н. Шанину, А.М. Штанюку, В.М. Юркову; сотрудникам РИ АН Украины: А.В. Антюфееву, Л.Б. Князькову, В.В. Мышенко, В.М. Шульге, а также персоналу РТ-22 КрАО, руководимому Н.С. Нестеровым, – за подготовку и проведение совместных радиоастрономических измерений; Й.Й. Берулису и А.М. Толмачеву за совместные измерения на РТ-22 ФИАН в г. Пущино; профессору К. Маттиле, К. Лехтинену, Й. Харью, М. Ювеле, М. Торисеве из Хельсинского университета за обсуждение, помощь и радушный прием при проведении измерений в Мецахови (Финляндия), а также на SEST (Чили). Особая благодарность выражается Л.Э.Б. Йохансону (Онсала, Швеция); П. Шильке и К. Хенкелю (Институт радиоастрономии им. М. Планка, Бонн, Германия), Р. Пенгу (CSO, Гаваи), Г. Поберу и К. Туму (IRAM) за неоднократную помощь при проведении наблюдений, составивших основной наблюдательный материал диссертации, а также Г. Каццоли, К. Пуццарини (Университет г. Болонья, Италия), Г.Ю. Голубятникову и В.Н. Маркову (ИПФ РАН) и А. Гварнери (Университет г. Киль, Германия) за помощь в спектроскопии астрофизически важных молекул; Н.Р. Троицкому и С.Н. Замоздре – за совместное моделирование L1544. Глубокая признательность за руководство диссертацией выражается д.ф.-м.н. И.И. Зинченко.

Все представленные исследования выполнены в соответствии с планом работ ИПФ РАН, в частности, при поддержке РФФИ: “Исследование физических условий в областях образования массивных звезд на основе радиоастрономических наблюдений на миллиметровых и субмиллиметровых волнах” (грант РФФИ 94-02-04861-а), “Физико-химическое состояние, структура и кинематика плотных газо-пылевых конденсаций в областях звездообразования” (грант РФФИ 96-02-16472-а), “Свойства и динамика плотного молекулярного газа в окрестностях молодых звездных объектов” (грант РФФИ 99-02-16556-а), “Строение и эволюция плотных газо-пылевых конденсаций в областях звездообразования” (грант РФФИ 03-02-16307-а), “Исследование спектров ряда молекул, имеющих важное значение для радиоастрономии и астрофизики, оптимизация спектрометров субмиллиметрового диапазона длин” (грант РФФИ-ННИО 04-02-04003-а), “Физико-химическая структура областей звездообразования” (грант РФФИ 06-02-16317-а). Работа была поддержана Программой фундаментальных исследований ОФН РАН “Протяженные объекты во Вселенной”, международными проектами “Dense cores in interstellar molecular clouds” (грант INTAS 93-2168), “Study of dynamical processes at early stages of stellar evolution using contemporary millimeter wave receiving technologies” (грант INTAS 99-1667), грантами ESO, DFG, CRDF, фондом Дж. Сороса.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех основных глав, заключения, списка работ автора, цитированной литературы и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 167 страниц, включая 27 таблиц, 55 рисунков и 334 библиографических наименования.