Исследование областей звездообразования в радиолиниях метанола, метилацетилена, метилцианида, цианоацетилена и гидроксила

Актуальность работы. Изучение ранних стадий эволюции звёзд и планетных систем невозможно без знаний о параметрах молекулярных облаков, связанных с областями звёздообразования. Большинство молекулярных облаков (особенно наиболее плотные области, где происходит образование звёзд и планет) непрозрачны в оптическом диапазоне, поэтому наблюдения радиолиний молекул являются основным, а зачастую и единственным методом изучения этих объектов. В радиодиапазоне изучение межзвёздных молекул началось с 1963 г., когда американский радиоастроном А. Барретт с соавторами обнаружил на волне 18 см линии поглощения гидроксила (ОН) в направлении остатка сверхновой Cas А. (Впервые указал на возможность наблюдения этой молекулы и рассчитал частоты линий И. С. Шкловский). Вскоре на этой волне были обнаружены состоящие из отдельных компонент исключительно яркие линии излучения. Первоначально эти линии считались излучением некого элемента «мистериум», однако скоро стало понятно, что линии принадлежат гидроксилу, а необычные свойства объясняются мазерным усилением. В 1968 г. группой Ч. Таунса были обнаружены радиолинии аммиака (NH3) и водяного пара (Н2О) на волне 1.3 см, причем в линиях водяного пара были обнаружены мазеры еще более интенсивные, чем мазеры гидроксила. В настоящее время в космосе обнаружено более 100 молекул, как двух — трехатомные (Н2, С2, СО, CS и т. д.), так и более сложные (СН3ССН, СН3ОН, HCuN и др., см. таблицу 1). Молекулы наблюдаются в плотных холодных облаках газа — молекулярных облаках, а также в оболочках звёзд. Классификация молекулярных областей и примерные параметры газа даны в таблице 2. С помощью наблюдений молекулярных радиолиний удается определить многие важнейшие параметры межзвёздной среды — кинетическую температуру, плотность, обилие молекул, оценить массу облака и т. д. Это обстоятельство способствовало интенсивным исследованиям областей звёздообразования в линиях простых молекул, таких как СО, CS, NH3.

Но на момент начала данного цикла работ лишь немногие из этих областей были достаточно хорошо исследованы в линиях более сложных молекул типа метилацетилена (СН3ССН), метанола (СН3ОН), метилцианида (CH3CN). Дело в том, что сложные молекулы менее обильны, чем простые и их тепловые линии обычно слабее, что делает наблюдения более сложными. Однако существуют причины, по которым необходимо наблюдать разные молекулы, в том числе сложные. Во-первых, очевидно, что наблюдения различных молекул необходимы для изучения химии молекулярных облаков. Кроме того, сложные молекулы позволяют определять физические параметры молекулярных облаков (см. Главы I — III данной диссертации) — при этом тенденция к формированию в спектрах сложных молекул групп близко расположенных по частоте линий, которые могут наблюдаться одновременно с одним и тем же приемником, позволяет при анализе избежать влияния погрешностей калибровки.

Излучение молекулы гидроксила связано с активными процессами, с молодыми звездами. Мазерные конденсации располагаются предположительно в дисках вокруг этих звезд или на границах потоков молекулярного газа, источником энергии которых является звезда. Поэтому наблюдение мазеров гидроксила позволяет получить представление о процессах в околозвездной среде и ее структуре. Кроме того, излучение мазерных конденсаций чувствительно к изменению условий окружающей среды и его переменность является хорошим индикатором различных возмущений (изменения температуры, плотности газа, взаимодействие с ударными волнами и полем излучения).

Принимая это во внимание, мы в течении нескольких лет проводили исследования областей звёздообразования в линиях метанола (СН3ОН), метилцианида (CH3CN), метилацетилена (СН3ССН), цианоаце-тилена (HC3N), а также гидроксила (ОН).

Таблица 1. Молекулы, наблюдавшиеся в межзвёздной среде МЬр:/^тши8г.оЪзрт^г/йераг1етепЬ/йет1гт/изЬ-то1Мт1.

Я2 НО Н3+ Н2Б+ сн СН+ с2 сн2 С2Н *СЗ.

СНз С2Н2 СзН (Пп) с-СзН *СН4 с4.

С-Сзнг Н2ССС (Ип) с4н *с5 *С2Н4 С5Н.

Н2С4(Ип) *НС4Н СНЗС2Н С6Н *НС6Н Н2С6.

С7Н СНЗС4Н С8Н *С6Н6.

ОН СО СО+ Н20 нсо НСО+.

НОС+ С20 С02 н3о+ НОСО+ Н2СО.

С30 СН2СО НСООН н2сон+ СНз ОН СН2СНО.

СН2СНОН СНзСНСНО НС2СНО с5о СНзСНО с-С2Н40.

СНзОСНО сн2онсно СН3СООН СН3ОСН3 СН3СН2ОН СН3СН2СНО.

СН3)2СО носн2сн2он С2Н5ОСН3 (СН2ОН)2СО ын СИ Ы2 ин2 нем ные.

N2!!+ Ш3 НС]>Ш+ нет С3Ы.

СН2СК сн2ш HC2CN HC2NC ГШ2СК С3ГШ.

СНзСК СНзМС нс3гш+ C5N СН3Ш2.

СНгСНСИ нс5к СНзСзЫ CHзCH2CN НСгИ СН3С5Ы?

НС9К НСпК.

N0 нш N30 н]чсо ГШ2СНО.

ЭН СБ БО БО+ N8 эш.

SiN БЮ 818 НС1 *ЫаС1.

А1С1 *КС1 ОТ *А1Р *СР РЫ.

С23 БОз ОСЭ НСБ + с-ЭЮз.

81]МС *АШС.

НзСв НМСБ СзБ с-БЮз *8Ж4 *БЮ4.

СНзЭН РеО.

Таблица 2. Характеристики межзвёздных и околозвёздных молекулярных областей. Таблица взята из работы Бергмана (Бергман, 1992).

Области Плотность Температура Масса Размеры cm-3 (К) (М) (пк).

Диффузные облака 100−800 30−50 1−100 1−5.

Diffuse clouds).

Полупрозрачные облака 500−5000 15−50 3−100 0.5−5.

Translucent clouds).

Холодные тёмные облака.

Cold dark clouds) комплексы (complex) 102−103 > ю 103−104 6−20 облака (clouds) 102−104 > ю 10-Ю3 0.2−4 ядра (dense cores) 104−105 10 0.3−10 0.05−0.4.

Гигантские молекулярные облака комплексы (complex) 100−300 15−20 105−106 20−80 облака (clouds) 102−104 > 20 103−105 3−20 теплые облака (warm clouds) 104−107 25−70 1−1000 0.05−3 горячие ядра (hot cores) 106−109 > 100 10−1000 0.05−0.1.

Околозвёздные оболочки 102−1012 10−1000 < 1 0.01−1.

Circumstellar envelopes).

Цели и задачи диссертационной работы:

1) Исследование областей образования массивных звезд в спектральных радиолиниях метанола, метилацетилена, метилцианида и циа-ноацетилена для поиска новых источников излучения и определения физических параметров молекулярных облаков (температуры газа, плотности, массы и размеров облака, обилия молекул на луче зрения и т. п.), их химического состава и структуры.

2) Исследование вспышки мазерного излучения в линии гидроксила на длине волны 18 см в области звездообразования У75 К, в результате которой обнаружен самый сильный космический мазер ОН за всю историю наблюдений с момента их открытия.

Личный вклад автора в совместные работы. Все работы из списка публикаций по теме диссертации выполнены в соавторстве.

В работах, посвященных изучению областей звездообразования по тепловому излучению метилацетилена (1 глава диссертации), автор участвовал в подготовке и проведении наблюдений (около 50% наблюдательного времени в качестве дежурного наблюдателя), обработал наблюдательные данные, участвовал в построении карт источников, провел моделирование химической эволюции, а также участвовал в постановке задачи и обсуждении результатов. Основные результаты главы опубликованы в работах [4,7,8,9].

В работе, посвященной исследованию областей звездообразования в линиях метанола (глава 2 диссертации, основные результаты в работах [1,9] из списка публикаций) автором была проведена обработка данных. Кроме того автор участвовал в последующем анализе и обсуждении результатов.

В работе, посвященной исследованию областей звездообразования в линиях метилцианида (3 глава диссертации, результаты опубликованы в работах [2,3,7,9]) автор принимал участие в наблюдениях на частотах 110 и 92 ГГц, обработке и последующем анализе наблюдательных данных стандартным методом вращательных диаграмм, обсуждении результатов.

Наблюдения областей звездообразования в линиях цианоацетилена (3 глава диссертации, результаты опубликованы в работе [5]) — автор принимал участие в наблюдениях, провел обработку и анализ данных, принимал участие в обсуждение результатов.

В работе [6] (4 глава диссертации), об открытии и изучении вспышки мазерного излучения гидроксила в области ?75 N — автор принимал участие в наблюдениях на радиотелескопах в Нансэ (в качестве дежурного наблюдателя наравне с соавторами), и Калязине (подготовка и проведение наблюдений с соавторами), занимался подготовкой наблюдений на Европейской сети РСДБ (ЕШ). Принимал участие в обработке и анализе данных, а также в обсуждении результатов.

Научная новизна работы. Все результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми. Они отражают решения поставленных задач и сведены в разделе «Основные результаты, выносимые на защиту». В частности, оценки параметров базируются на новых наблюдениях, причем многие из источников в проведенных обзорах наблюдались в этих молекулярных линиях впервые. Приводятся новые результаты наблюдений молекулы гидроксила в области звездообразования У75 N на длине волны 18 см, приведшие к обнаружению вспышки мазерного излучения, ставшей, по-видимому, самой сильной за весь период наблюдений мазеров ОН в космосе.

Научная и практическая ценность работы. Результаты проведенных обзоров и анализа областей звездообразования в линиях метанола, метилацетилена, метилцианида и цианоацетилена могут быть использованы в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях межзвезной среды, изучении химического состава, структуры и физических условий в областях формирования массивных звезд. Полученные данные могут служить также базой для построения моделей химической и динамической эволюции молекулярных облаков.

Результаты наблюдений вспышки мазерного излучения ОН в области ?75 N представляют интерес для понимания процессов в среде, окружающей молодые массивные звезды. Наблюдаемые мощные сильнопеременные детали являются источником информации о возмущении параметров окружающей среды и возможной периодичности этих процессов, кроме того, их длительное наблюдение может выявить собственные движения мазерных конденсаций. Кроме того, V75N является хорошим объектом для изучения с помошью интерферометров, в том числе космического базирования, из-за большой плотности потока и компактности.

Апробация результатов. Все основные результаты и положения, выносимые на защиту, докладывались на следующих семинарах и конференциях:

1) Школа-семинар молодых радиоастрономов «Современные методы обработки радиоастрономических наблюдений», 19−21 марта 1996, Пущино.

2) IAU симпозиум № 178, «Molecules in Astrophysics: Probes &- Processes», 1−5 июля 1996, Лейден, Нидерланды.

3) Международная конференция памяти И. С. Шкловского, С.А. Кап-лана и С. Б. Пикельнера, 23 — 27 сентября 1996 г., Москва.

4) XXVII Радиоастрономическая конференция «50 лет отечественной радиоастрономии», 10−14 ноября 1997 г., С.-Петербург.

5) Школа-семинар молодых радиоастрономов «Радиоастрономия в космосе», 14−16 апреля 1998 г., Пущино.

6) Protostars and Planets IV, 6−11 июля 1998, Санта-Барбара, Калифорния, США.

7) XIII International Conference for Physics Students, Коимбра, Португалия, 1998.

8) Всероссийская конференция «Астрофизика на рубеже веков», 17−22 мая 1999 г., Пущино.

9) IAU симпозиум № 197, «Astrochemistry: From Molecular Clouds to Planetary Systems», 23−27 август 1999, Sogwipo, Cheju Island, Корея.

10) 33-й симпозиум ESLAB «Star formation from the Small to the Large Scale», 2−5 ноября, 1999, Noordwijk, Нидерланды.

11) JENАМ-2000(Joint European and National Astronomical Meeting): European Astronomy at the Turn of the Millenium, 29 мая — 3 июня 2000 г., Москва.

12) XXXII Young European Radio Astronomer’s Conference, YERAC 2000, 17—20 сентября 2000, Гранада, Испания.

13) Международный симпозиум «Астрономия 2005 — современное состояние и перспективы», 1−6 июня 2005, Москва.

14) Совещание «Звездообразование в Галактике и за ее пределами», 17 — 18 апреля 2006, Москва.

15) Отчетные сессии Астрокосмического центра ФИАН.

16) Семинары Астрокосмического центра ФИАН.

Публикации ПО теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых журналах:

1) Kalenskii S.V., Dzura A.M., Booth R.S., Winnberg V, Alakoz A.V.,.

Determination of molecular cloud parameters using thermal methanol lines.", Astronomy and Astrophysics, v.321, 1997, p.311−322.

2) Kalenskii S.V., Promislov V.G., Alakoz A., Winnberg A., Johansson L.E.B., «Probing the properties of methyl cyanide sources Astronomy and Astrophysics, v.354, 2000, p. 1036−1040.

3) C.B. Каленский, В. Г. Промыслов, А. В. Алакоз, А. Виннберг, JI.E.B. Юханссон, «Определение параметров молекулярного газа по линиям метилцианида Астрономический Журнал, том 77, No 11, 2000, стр.819−833.

4) А. В. Алакоз, С. В. Каленский, В. Г. Промыслов, JI.E.B. Юханссон, А. Виннберг, «Характеристики теплых молекулярных облаков по результатам наблюдений метилацетиленаАстрономический Журнал, том 79, No 7, 2002, стр.610−626.

5) А. В. Алакоз, С. В. Каленский, М. А. Воронков, В. И. Слыш, «Наблюдения источников цианоацетиленаАстрономический Журнал, том 80, No 1, 2003, с.83−87.

6) А. В. Алакоз, В. И. Слыш, М. В. Попов, И. Е. Вальтц, «Самый яркий мазер ОН на небе: вспышка излучения в W75NПисьма в Астрономический журнал, том 31, No 6, 2005, с.422−426.

Публикации в сборниках конференций:

7) S.V. Kalenskii, V.G. Promislov, A.V. Alakoz, A. Winnberg and L.E.B. Johansson, «Observations of Star-Forming Regions in Methyl Acetylene and Methyl Cyanide Lines», IAU Symposium 197, «Astrochemistry: Prom Molecular Clouds to Planetary Systems», Cheju Island, Korea August 23−27, 1999, Abstract Book, p 174−175.

8) A.V. Alakoz, S.V. Kalenskii, V.G. Promislov, A. Winnberg, L.E.B. Johansson, «Observations of Star-Forming Regions in the Lines of Methyl AcetyleneProceedings of the 33rd ESLAB symposium on star formation from the small to the large scale, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands: European Space Agency (ESA), Edited by F. Favata, A. Kaas, and A. Wilson, 2000. ESA SP 445., p.315−318.

9) Kalenskii Sergei V., Alakoz Alexei V., Promyslov Vitaly G., «A Study of Warm Clouds in the Lines of Complex MoleculesSFChem 2002: Chemistry as a Diagnostic of Star Formation, proceedings of the conference at University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1. Edited by Charles L. Curry and Michel Fich. NRC Press, Ottawa, Canada, 2003, p. 321−323.

Структура И объем диссертации

Работа состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Объем работы составляет 130 страниц, в том числе 25 рисунков и 21 таблица. Список цитируемой литературы содержит 155 наименований.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1) Проведены обработка и анализ полученных спектров 44 галактических областей звездообразования в линиях метилацетилена (СН3ССН) на частоте 102 ГГц и 25 областей на частоте 85 ГГц. Сделана оценка кинетической температуры и лучевой концентрации метилацетилена. Кинетическая температура оказалась порядка 20 — 60 К, что в пределах погрешностей совпадает с температурой, полученной для теплых облаков из наблюдений других молекул. В большинстве источников лучевая концентрация метилацетилена лежит в интервале (1 — 5) х 1014 см-2, а относительное содержание составляет порядка 10~9.

По изображениям объектов были сделаны оценки размеров, массы и плотности пяти источников. Размеры оказались порядка 0.1 — 1 пк, массы — порядка сотен и тысяч масс Солнца, и плотность — порядка 105 см" 3.

Результаты моделирования химической эволюции для N002264 показывают, что химический возраст облака, который соответствует наблюдаемому обилию метилацетилена, составляет порядка 6×104 лет.

2) Проведен анализ наблюдений 12 областей звездообразования в линиях метанола (СНзОН) на частоте 96 ГГц двумя независимыми методами. Полученные значения температуры, плотности газа и относительного содержания метанола согласуются между собой и лежат в пределах, соответственно, 15 — 50К, 0.3 — 5×106 см 3 и 4х Ю-10 — 1.7×10″ 7.

3) Проведен анализ наблюдений двадцати пяти источников в линиях метилцианида (СН3С]М) на частоте 110 ГГц, девятнадцати на 92 ГГц и трех на 147 ГГц. Определена лучевая концентрация и температура источников излучения. Наиболее сильное излучение СНзСМ обнаружено в направлении горячих ядер. Для теплых облаков получена оценка кинетической температуры (от 30 до 50 К) и относительного содержания метилцианида, которое оказалось порядка Ю-10.

Проведены наблюдения и обработка полученных спектров 17 галактических областей звездообразования в линии цианоацетилена (НСзЫ) 4 — 3 на частоте 36.4 ГГц. Определена лучевая концентрация НСзЫ, а для восьми из них (N002264, Ь379, У51Е1/Е2, БИ БИ, 21 (ОН), БИ, 21, Б140 и Сер А) оценено относительное содержание цианоацетилена. Обилие НСзК в этих объектах составляет около (1 — 70) х Ю-10.

4) В области звездообразования ?75 N открыта вспышка мазерного радиоизлучения в линии ОН на частоте 1665 МГц (18 см) с потоком около 1000 Ян. На момент наблюдений это был самый сильный мазер ОН за всю историю исследований со времени открытия космических мазеров ОН в 1965 г. Линейная поляризация излучения вспыхнувшей детали достигает 100%. В 2000 — 2001 гг. в этом источнике наблюдалась более слабая вспышка с потоком 145 Ян, которая, вероятно, являлась предвестником мощной вспышки. Интенсивность двух других спектральных деталей уменьшилась при появлении вспышки.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю диссертации C.B. Каленскому за бесценный научный опыт приобретенный за годы совместной работы, за огромное количество идей и советов, а также за терпение к автору в процессе написания диссертации. Отдельно хотелось бы поблагодарить В. И. Слыша за многочисленные полезные дискуссии, предложения и замечания, а также сотрудников отдела космической радиоастрономии И. Е. Вальтц, В. И. Василькова, Ю. А. Ковалева, Ю. Ю. Ковалева, М. В. Попова, В. А. Согласнова, В. И. Кондратьева и М. А. Воронкова за постоянное внимание и поддержку. Автор благодарен соавторам в совместных работах за плодотворные дискуссии и консультации. Автор благодарит коллективы обсерваторий Пущино, Онсалы, Нансэ, Калязина, сотрудников сети EVN, а также сотрудников АКЦ ФИАН и ПРАО АКЦ ФИАН Б. З. Каневского, А. И. Смирнова, В. И. Василькова, C.B. Логвиненко, В. В. Орешко, сотрудников Медонской обсерватории Жана Мишеля Мартэна и Эрика Жерара, Виктора Мигенеса (Университет Гуанохуато, Мексика) за помощь в проведении наблюдений, а также аналитиков данных НРАО за предоставление результатов наблюдений из архива. Автор благодарен Р. Терзиевой за предоставление программы для расчета химической эволюции молекулярных облаков и Л. Е. Пирогову за предоставленные данные наблюдений HC3N. Спасибо моим близким и друзьям, спасибо всем тем людям, которые помогали, советовали и поддерживали меня все это время.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты No 98−02−16 916, 01−216 902, 04−02−17 057), Радиоастрономического учебно-научного центра (проект 315) и грантов INTAS 97−11 451, CRDF (N RP1−2392-MO-U2), программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Протяженные объекты во Вселенной» и федеральной программы «Астрономия». Онсальская космическая обсерватория работает под управлением Чалмерсовского технологического университета (Гетеборг, Швеция) и финансируется Шведским исследовательским советом по естественным наукам и Шведской коллегией по техническому развитию. Наблюдения HC3N выполнены при финансовой поддержке Минпромнауки на установке «радиотелескоп РТ-22» (рег. N0 01−10), Наблюдения на 18 см выполнены в рамках подготовки программы наблюдений для космического интерферометра «Радиоастрон» .

Заключение

.