Мазерное и тепловое радиоизлучение молекул в окрестностях протозвезд на ранних этапах эволюции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, доктор физико-математических наук Каленский, Сергей Владимирович

• Каленский, Сергей Владимирович
• доктор физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Каленский, Сергей Владимирович

Глава 1. Введение

1.1 Общая характеристика областей звездообразования

1.2 Цели и задачи диссертационной работы.

1.3 Научная новизна работы.

1.4 Научная и практическая ценность работы.

1.5 Публикации по теме диссертации.

1.6 Личный вклад автора.

1.7 Структура и объём диссертации.

1.8 Апробация результатов.

Глава 2. Изучение метанольных мазеров I класса в областях образования звёзд большой массы

2.1 Постановка задачи.

2.2 Открытие новой мазерной линии метанола 61 — Ь$Е на частоте 132.9 ГГц.

2.2.1 Наблюдения.

2.2.2 Результаты.

2.2.3 Комментарии к отдельным источникам.

2.3 Обнаружение новой мазерной линии метанола 8х — 7оЕ на длине волны 1 мм.

2.3.1 Наблюдения.

2.3.2 Результаты.

2.3.3 Комментарии к отдельным источникам.

2.4 Обзоры в линиях 51 —40Е на частоте 84.5 ГГц и 8о — 1гА+ на частоте 95.2 ГГц

2.4.1 Наблюдения.

2.4.2 Результаты.

2.5 Обсуждение.

2.6 Результаты и выводы Главы 2.

Глава 3. Тепловые линии метанола и других молекул

3.1 Постановка задачи.

3.2 Наблюдения и анализ теплового радиоизлучения на частотах 157 и 133 ГГц.

3.2.1 Наблюдения линий </о — 3-\Е на частоте 157 ГГц

3.2.2 Определение температуры возбуждения мазерных линий.

3.3 Тепловое излучение, обнаруженное в результате наблюдений на Пико Велета.

3.3.1 Результаты и обсуждение.

3.3.2 Вращательные диаграммы.

3.4 Расчёты статистического равновесия.

3.5 Результаты и выводы Главы 3.

Глава 4. Спектральные обзоры областей звездообразования

4.1 Постановка задачи.

4.2 Спектральный обзор области ТМС-1 в диапазоне частот

4-6 ГГц.

4.2.1 Характеристика источника.

4.2.2 Наблюдения.

4.2.3 Результаты.

4.2.4 Вращательные диаграммы.

4.2.5 Другие обнаруженные молекулы.

4.2.6 Необнаруженные линии.

4.2.7 Резюме.

4.3 Спектральный обзор области звездообразования \¥51 е1 /е в 3-мм диапазоне длин волн.

4.3.1 Характеристика источника.

4.3.2 Наблюдения и обработка данных.

4.3.3 Результаты обзора.

4.3.4 Вращательные диаграммы.

4.3.5 Распределение по лучевым скоростям.

4.3.6 Новые линии.v

4.3.7 Составные спектры.

4.4 Спектральный обзор области звездообразования DR 21 (ОН) в 3-мм диапазоне длин волн.

4.4.1 Характеристика источника.

4.4.2 Результаты и обсуждение.

4.5 Результаты и выводы Главы 4.

Глава 5. Обнаружение метанольных мазеров I класса в областях образования звёзд малой массы

5.1 Поиск метанольных мазеров в областях образования звёзд малой массы

5.1.1 Обзор областей образования звёзд малой массы в 3-мм диапазоне длин волн.

5.1.2 Обзоры областей образования звёзд малой массы на частотах 44.1 и 36.2 ГГц.

5.2 Наблюдения метанольных мазеров I класса в L1157 с помощью VLA.

5.2.1 Наблюдения и обработка данных.

5.2.2 Результаты.

5.2.3 Обсуждение

5.3 Результаты и выводы Главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мазерное и тепловое радиоизлучение молекул в окрестностях протозвезд на ранних этапах эволюции»

радиоспектроскопических наблюдений является обнаружение сложных органических "предбиологических" молекул, которые могут играть важную роль в синтезе соединений, необходимых для возникновения жизни. Поэтому радиоспектроскопические наблюдения молекул касаются проблемы возникновения жизни, которая является одной из важнейших научных проблем современности. Таким образом, наблюдения молекулярных радиолиний не теряют свою актуальность, а постоянно улучшающиеся характеристики радиоастрономической аппаратуры позволяют решать такие задачи, которые ранее ставить было невозможно.

Полезную информацию дают наблюдения как тепловых, так и мазер-пых линий. В настоящее время обнаружено огромное количество тепловых линий более чем 140 молекул и их изотопических разновидностей. Эти линии характеризуются разнообразными значениями таких параметров, как частота, энергия уровней, коэффициенты Эйнштейна; как следствие, можно подобрать линию или группу линий, пригодную для наблюдений молекулярного газа практически с любыми параметрами, характерными для областей звездообразования в Галактике. Для решения некоторых задач может оказаться достаточно одной или нескольких линий одной и той же молекулы, но во многих случаях приходится использовать линии разных молекул.

К недостаткам тепловых линий относится их сравнительно небольшая яркость (яркостная температура известных тепловых линий не превышает величины « 100 К). Это не позволяет наблюдать их с использованием сверхдлиннобазовой интерферометрии, а во многих случаях и с использованием антенных решеток, сильно ограничивая достижимое угловое разрешение. На современных инструментах невозможно наблюдать тепловые линии с разрешением более высоким, чем 1", что при типичном расстоянии до областей образования звёзд большой массы порядка 2 кик соответствует пространственному разрешению ~ 0.01 пк. Такое разрешение недостаточно для того, чтобы изучать процессы, происходящие в ближайших окрестностях молодых звезд. В противоположность этому, наиболее сильные мазерные линии достигают яркостной температуры 1012 — 1015 К, что позволяет наблюдать эти линии с использованием сверхдлиннобазовой интерферометрии. Угловое разрешение, достигнутое при наблюдениях мазеров водяного пара на частоте 22.235 ГГц (длина волны 1.35 см) превышает 0.001", что соответствует пространственному разрешению лучше, чем 10 а.е. и позволяет, в частности, исследовать кинематику ближайших окрестностей протозвезд.

К недостаткам сильных мазерных линий относится их небогатый набор (это линии водяного пара на длине волны 1.35 см, гидроксила на длине волны 18 см и метанола на частотах 6.7 и 12 ГГц) и, соответственно, достаточно ограниченный набор источников, в которых существуют условия, подходящие для возникновения хоть какой-нибудь сильной ма-зериой линии. Другими словами, далеко не каждое молекулярное облако или плотное ядро, представляющее интерес, можно изучать с помощью мазеров просто потому, что не во всяком облаке они есть. Еще более существенным недостатком мазерных линий являются трудности, возникающие при интерпретации результатов наблюдений. К сожалению, до сих пор нет надёжно установленных моделей мазерных источников, наблюдаемых в межзвёздной среде, что затрудняет использование мазеров в качестве инструментов для исследования областей звездообразования. Например, после обнаружения линеек мазеров в линиях водяного пара и метанола их стали интерпретировать как видимые с ребра кеплеровские диски вокруг молодых звёзд и определять с их помощью кинематику дисков и массы звезд [40]. Однако в дальнейшем появились работы, согласно которым подобные линейки связаны с джетами, а не с дисками [41, 42]. В таком случае массы, определённые в рамках гипотезы о кеилеровских дисках не имеют никакого отношения к реальности. Этот пример показывает актуальность дальнейших исследований космических мазеров не только для установления природы этих объектов, но и для того, чтобы сделать мазеры более надёжным диагностическим инструментом.

По-видимому, наиболее информативными среди всех мазеров являются мазеры на молекуле метанола (СН3ОН), наиболее яркие из которых были обнаружены Ментеном [43] в линии 5х — 6оА+ на частоте 6.7 ГГц. Мазеры на частоте 6.7 ГГц наблюдаются исключительно в областях образования звёзд большой массы, причем они возникают на самых ранних стадиях образования звезд, раньше ультракомиактных зон НИ и, возможно, раньше мазеров Н2О (см. Эллингсен и др. [44]). Однако кроме мазеров на частоте 6.7 и 12 ГГц, достаточно интенсивные мазеры наблюдаются во многих других линиях метанола (более подробно см. Главу 2). Тот факт, что метанольные мазеры излучают сразу в нескольких линиях во-первых, позволяет рассчитывать на то, что рано пли поздно удастся понять природу и построить надёжные модели этих источников, а во-вторых, даёт возможность оценивать некоторые параметры газа даже не зная точно, что из себя представляют мазерные источники (см., например, взаимосвязь между набором мазерных линий, возникающих в источнике и параметрами газа, приведённую в работе [45]).

Резюмируя вышеизложенное, можно сказать, что области звездообразования имеют сложную структуру. Построение картины этих областей далеко от завершения и требует, в частности, дальнейших наблюдений молекулярных радиолиний—как тепловых, так и мазерных. В данной диссертации представлены полученные автором результаты радиоспектроскопических наблюдений плотных облаков и метанольных мазеров.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Каленский, Сергей Владимирович

6.1 Основные выводы работы

Диссертация посвящена изучению двух видов источников, наблюдающихся в областях звездообразования а именно, плотных ядер и мета-нольных мазеров I класса. Одним из главных направлений работы был поиск новых мазерных линий и новых мазерных источников метанола, а также новых тепловых линий, которые могли бы эффективно использоваться для исследования межзвёздного газа. Проанализировано возбуждение метанола в протяжённых источниках; определена температура возбуждения линий 6х — 5оЕ и 51 — 4оЕ. Показана принципиальная применимость моделей, согласно которым компактные мазерные пятна возникают в протяжённых источниках за счёт подходящего поля скоростей. С помощью ранее не наблюдавшихся серий линий метанола определены основные параметры большого числа плотных ядер молекулярных облаков. Выполнены спектральные обзоры трёх источников: тёмного облака ТМС-1, горячих ядер \¥51е1/е2 и плотного облака БИ, 21(ОН). Осуществлён поиск метанольных мазеров I класса в областях образования звёзд малой массы, где подобные мазеры раньше не наблюдались. Проведены интерферометрические наблюдения одного из обнаруженных мазеров. Предложены модели мазерных источников.

6.2 Результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Открыты метанольные мазеры I класса в линии 61 — 5оЕ. Ранее в этой линии мазеры не наблюдались.

2. Открыты метанольные мазеры I класса в линии 81 — 7оЕ. Эти мазеры являются наиболее высокочастотными мазерами, которые когда-либо наблюдались в линиях метанола.

3. Обнаружено тринадцать новых мазеров в линии метанола 5х — в областях образования звёзд большой массы.

4. Обнаружено тепловое радиоизлучение метанола в линиях </о — и 3\ — «/оЕ, ранее в космосе не наблюдавшихся; обнаружено множество новых тепловых источников в линиях метанола Оо — 1-1Е и 81 — 7оЕ. Найдены новые радиолинии молекул СН3ОСНО, БОг, СНзСМ и НОСОК в 2-мм диапазоне длин волн.

5. Определена температура возбуждения линий 51 —4оЕ и 61—5оЕ\ в результате оказалось, что даже широкие линии 51—4оЕ и 6х —5оЕ, как правило, инвертированы, хотя их оптическая толща недостаточно велика для формирования ярких и узких мазерных линий. Определены параметры молекулярных облаков по впервые обнаруженным тепловым линиям метанола при помощи вращательных диаграмм, а также расчётов статистического равновесия.

6. Осуществлён спектральный обзор тёмного облака ТМС-1 в диапазоне частот 4-6 ГГц, который на сегодняшний день является наиболее низкочастотным спектральным обзором молекулярного облака. В результате этого обзора и наблюдений на специально выбранных частотах в диапазоне частот 8-10 ГГц обнаружено 10 молекулярных радиолиний, ранее в космосе не наблюдавшихся. Показано, что наблюдения молекул на низких частотах могут оказаться информативными при изучении тёмных облаков, но для того, чтобы они оказались действительно эффективными, порог обнаружения линий должен быть порядка 5-10 мК или ниже. На сегодняшний день наблюдения на частотах порядка 10 ГГц кажутся более предпочтительными, чем наблюдения на более низких частотах.

7. В результате спектральных обзоров областей образования звёзд большой массы \¥51 е1/е2 и БЯ 21 (ОН) в диапазоне частот 84-115 ГГц определён молекулярный состав этих областей, а также обнаружено и отождествлено 58 молекулярных линий, ранее в космосе не наблюдавшихся.

8. Впервые обнаружены метанольные мазеры в областях образования звёзд малой массы. В результате наблюдений на антенной решетке УЬА измерены положения и яркость мазерных источников в области Ы157. Показано, что мазеры в этой области связаны с крыльями биполярного потока. Кроме того, удалось отождествить мазерные источники со сгустками газа размерами порядка 1016 см-2, которые наблюдаются в тепловых линиях метанола и других молекул.

6.3 Направления дальнейшей работы по теме диссертации

Исследования, описанные в диссертации, могут быть продолжены но разным направлениям. Предполагается продолжить попеки новых мазерных линий метанола и новых мазерных источников. В частности, представляет интерес проведение обзора в мазерной линии I класса 9о — 81Л+ на частоте 146.6 ГГц, а также поиск мазеров в линиях /о — (</ — 1)1Л+ на более высоких частотах. Результаты подобных обзоров представляют ценность с точки зрения моделирования метанольных мазеров, проводящегося в Уральском Государственном Университете. Кроме поиска новых мазеров, автор планирует дальше развивать аналитическую модель возбуждения метанола, приведённую в диссертации.

Автор предполагает продолжить изучение молекулярных облаков с помощью тепловых радиолиний метанола. С этой целью будут использоваться разные методы, описанные в диссертации—как вращательные диаграммы, так и расчёты статистического равновесия. В первую очередь будут исследоваться крылья биполярных потоков в областях образования звёзд как малой, так и большой массы.

Будут использоваться данные, полученные в результате спектральных обзоров, представленных в диссертации. Автор собирается использовать полученные спектры источников для перманентно проводимого поиска новых молекул. В каталогах молекулярных радиолиний (Л?Ь и Кельнском каталоге), а также в литературе регулярно появляются спектральные данные по новым молекулам. Спектры, полученные в результате обзоров, описанных в диссертации будут регулярно сопоставляться с такими данными с целью поиска новых молекул.

Если представится возможность, автор хотел бы подтвердить или опровергнуть существование ненадёжно обнаруженных в области "\¥51 е1/е2 молекул А/^СМ, ШСЫ и СР+. Для этого необходимо провести наблюдения линий этих молекул, частоты которых выходят за пределы диапазона частот спектрального обзора, описанного в диссертации.

Планируется продолжить изучение метанольных мазеров I класса в областях образования звёзд малой массы. Упор будет сделан на исследование сгустков ВОа и В 1а в облаке Ы157, в которых были обнаружены метанольные мазеры. Кроме того, будут проведены интерферометриче-ские наблюдения других кандидатов в мазеры в областях образования звёзд малой массы. Целью этих исследований будет построение надёжно обоснованных моделей метанольных мазерных источников I класса.

6.4 Благодарности

Работа стала возможной благодаря неоценимой помощи помощи многих людей, которым автор вырал<ает свою искреннюю благодарность. Это, в первую очередь, научный консультант

В.И. Слыш и коллеги, с которыми были выполнены работы, которые вошли в основу диссертации: И.Е. Вальтц, В.И. Васильков, A.B. Алакоз, В.Г. Промыслов, Г.М. Ларионов (Астрокосмический Центр ФИАН), Л.Е.Б. Юханссон, А. Виннберг,

П. Бергман (Онсальская Космическая Обсерватория), С. Куртц (Центр

Радиоастрономии и Астрофизики Мексиканского Государственного Университета), П. Хофнер, К. Мид (Национальная Радиоастрономическая Обсерватория), С.М. Уолмсли (Обсерватория Арчетри), Т. Лильестрем (Обсерватория Хельсинкского Университета), С. Урпо (Хельсинкский Технологический Университет).

При наблюдениях большую помощь неоднократно оказывали сотрудники Онсальской Космической Обсерватории, в первую очередь, Р. Хам-маргрён; сотрудники Национальной Радиоастрономической Обсерватории Ф. Джуэлл, М. Катнер и др.,' сотрудники обсерватории Пико Ве-лета Г. Побер и др.; сотрудники обсерватории Аресибо Джефф Хаген, Майк Нолан, Фил Перилла, Крис Салтер и Арун Венкатараман; сотрудники антенной решетки VLA. Автор благодарен A.M. Соболеву (Уральский Государственный Университет., г. Екатеринбург), И.И. Зинченко, A.B. Лаиинову, Л.Е. Пирогову (Институт Прикладной Физики, г. Нижний Новгород), Д.З. Вибе (Институт Астрономии, г. Москва), М.А. Во-ронкову (АКЦ ФИАН)1 за полезные дискуссии.

При обработке данных использовался пакет CLASS, а большая часть рисунков выполнена с помощью пакета GREG. Оба пакета входят в состав более общего пакета GILDAS (http://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS) Результаты наблюдений на 12-м радиотелескопе Китт Пик были обработаны с помощью пакета UNIPOPS, разработанного Р. Маддаленой (НРАО) Результаты наблюдений на VLA были обработаны при помощи пакета •программ AIPS, разработанного в НРАО (http://www.aips.nrao.edu/).

При работе активно использовалась библиографическая база данных HACA "Astrophysics Data System Bibliographic Services". Регулярно использовались каталоги молекулярных радиолиний: JPL [135] и Кельнский каталог [136].

При расчётах статистического равновесия использовалась программа для моделирования источников метанола методом LVG, любезно предоставленная автору проф. С.М. Уолмсли, а также имеющийся в свободном доступе пакет RADEX [171] и молекулярная база данных LAMDA [266].

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фуннастоящее время—CSIRO (Австралия). даментальных Исследований (гранты 95-02-05826, 98-02-16916, 01-02-16912, 04-02-17057, 07-02-00248), Фонда Сороса (грант МШЗОО), ИНТАС (грант 97-11451), Научной программы Российской Академии Наук "Протяженные Объекты во Вселенной", и Программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН "Активные процессы и стохастические структуры во Вселенной". Поездка автора в Аресибо была осуществлена при частичной финансовой поддержке директорского фонда Национального центра астрономических и ионосферных исследований (МАЮ) США. Всем перечисленным организациям автор выражает глубокую признательность.