Поляриметрическое исследование неоднородностей околозвездной среды в объектах различных типов

Настоящая работа посвящена исследованию пространственных неоднородностей, формирующихся в околозвёздной среде у объектов различных типов. В работе используется поляриметрический метод, который, наряду со спектроскопией и фотометрией, оказывается не только эффективным средством для изучения структуры околозвёздной среды, но и имеет ряд преимуществ перед другими методами.

Как показывают результаты многочисленных исследований, газопылевые неоднородности возникают в околозвёздной среде уже с самого момента зарождения звезды, и их особенности отражают различные фазы активности объекта в ходе его эволюционного развития. Известно, что у объектов на ранних стадиях эволюции наблюдаются газопылевые диски, содержащие локальные неоднородные образования, среди которых встречаются пылевые сгустки, истекающие газовые джеты, быстро движущиеся конденсации (буллиты), азимутально ограниченные аккреционные потоки. При приближении звезды к главной последовательности происходит глобальная фрагментация околозвёздных оболочек, что может привести к возникновению планет в области, близкой к звезде, и маломассивных планетозималей в ее периферийной части.

Наиболее масштабно процесс формирования неоднородного пространственного распределения околозвёздного вещества протекает в тесных двойных системах, где эволюция компонентов системы идет по особому пути и связана с интенсивным обменом масс между компонентами. В ряде случаев образуются аккреционные диски, направленные потоки вещества, истекающие через точки Лагранжа, асимметричные газовые оболочки. Степень неоднородности в пространственном распределении околозвёздной среды здесь оказывается существенно выше, чем в случае одиночных звёзд с оболочками.

В настоящее время физические механизмы возникновения неоднородной пространственной структуры в газопылевых оболочках, а также ее связь с эволюционным процессом еще полностью не изучены. Поэтому поиск и исследование подобных околозвёздных образований, их систематизация и моделирование для объектов с различным эволюционным статусом, имеют особое значение как для физики околозвёздной среды, так и для развития эволюционной теории. Это определяет Актуальность темы представляемой диссертации.

Поляриметрический метод исследования. В основе поляриметрического метода лежит тот факт, что в околозвёздной газопылевой среде происходят процессы рассеяния звёздного излучения на пылевых частицах и в электронном газе. При неравномерном распределении рассеивающих частиц в околозвёздном пространстве должна наблюдаться линейная поляризация рассеянного излучения, параметры которой будут зависеть от степени асимметрии в распределении пыли и газа, а также от размера, формы и физических свойств пылинок.

Кроме того, орбитальное движение локальных неоднородно-стей, формирующихся в околозвёздной среде, должно приводить к фазовой модуляции параметров поляризации, которая будет наблюдаться как циклическая переменность с периодом, зависящим от периода вращения звезды с оболочкой, либо от орбитального периода двойной системы.

Не умаляя достоинств спектрального метода исследования околозвёздных неоднородностей, остающегося по сей день наиболее продуктивным в смысле объёма получаемой информации, следует отметить, что поляриметрический метод дает ряд дополнительных возможностей. Это касается не только исследования свойств околозвёздной пыли, где лидирующая роль поляриметрического метода бесспорна, но также и газовой оболочки, так как спектроскопия позволяет проводить диагностику только в локальных областях газовой среды, окружающей звезду, тогда как поляриметрия дает возможность исследовать ее интегральные характеристики.

В настоящей работе были использованы различные типы исследования, включающие:

1. Проведение программ поляриметрических наблюдений выбранных объектов с набором широкополосных фильтров. Предусматривалось получение плотных непрерывных и по возможности продолжительных рядов. Значительная часть этих программ осуществлялась параллельно с поляриметрией и фотометрией этих же объектов на других обсерваториях, а также с их спектральными наблюдениями, что позволило значительно повысить информативность полученных результатов.

2. Участие в обработке и интерпретации результатов поляриметрических наблюдений, полученных на других обсерваториях.

3. Модельный метод исследования азимутальных газовых неод-нородностей и связанных с ними локальных магнитных полей с учетом процесса рассеяния излучения звезды на свободных электронах и механизма фарадеевского поворота плоскости поляризации в присутствии магнитного поля. Метод был применен при интерпретации поляриметрического материала, полученного непосредственно автором диссертации, а также некоторых других данных, опубликованных в печати.

4. Модельные расчеты параметров пылевой составляющей комет с использованием полученных из наблюдений фазовых зависимостей параметров круговой и линейной поляризации.

Цель работы. Основной целью представляемой диссертации являлось исследование неоднородной околозвёздной среды у объектов различных типов, в качестве которых были выбраны:

• Двойные системы с рентгеновскими источниками: А0535+26, 2S0114+65 и Vela Х-1;

• Молодые звёзды промежуточных масс с газопылевыми оболочками (Ае/Ве звезды Хербига): классическая В9е звезда Хербига АВ Aur и две изолированные Ае звезды Хербига HD163296 и HD 36 112.

• Комета Галлея в период ее прохождения вблизи Солнца в 1985;1986 г. г.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые были получены достаточно длинные ряды поляриметрических наблюдений в пяти цветовых полосах UBVRI для двойных рентгеновстих систем А0535+26 и 2S0114+650, на основе которых удалось проанализировать различные компоненты поляризации излучения этих систем и определить параметры ориентации орбиты в пространстве (г и О) для 2S0114+650.

2. Проведена детальная обработка и интерпретация новых поляриметрических данных для систем Vela Х-1, охватывающих около 10 орбитальных периодов этой системы, что позволило выявить в дополнение к известным периодическим вариациям параметров поляризации, связанных с орбитальным движением, ещё три компоненты собственной поляризации с различной волновой зависимостью и временными характеристиками переменности.

3. На основе собственных наблюдений впервые получены данные о различных типах поляриметрической переменности В9е звезды Хербига АВ Aur и показано, что на временных масштабах от одного дня до нескольких лет за наблюдаемую переменность ответственна неселективная компонента поляризации.

4. В результате параллельных поляриметрических наблюдений в КрАО и CAO, а также спектральных наблюдений в КрАО в январе 1994 г. была обнаружена газовая струя, вращающаяся в оболочке ABAur. При анализе был использован модельный метод, разработанный автором диссертации.

5. С использованием этого же модельного метода удалось показать, что циклическая поляриметрическая переменность, наблюдавшаяся у АОе звезды Хербига HD 163 296 в июле 1995 г., может быть связана с вращением замагниченной газовой конденсации в околозвёздном диске на большом расстоянии от звезды.

6. Впервые получен большой поляриметрический материал для изолированной А8е звезды Хербига HD 36 112. Было выделено несколько компонент ее поляризации и показано, что крупная и мелкая пыль в оболочке этого объекта должна концентрироваться в двух ортогональных направлениях.

7. Было показано, что в оболочке HD 36 112 образуются локальные неоднородности различного типа.

Научная и практическая ценность:

1. Поляриметрические данные для трех известных двойных систем с рентгеновскими источниками (А0535+26, 2S0114+650 и Vela Х-1) могут использоваться для более детального исследования параметров их орбит и особенностей околозвёздной среды в окрестностях этих систем.

2. Результаты многоцветной поляриметрии двух Ае/Ве звёзд Хербига АВ Aur и HD 36 112 показали, что их линейная поляризация имеет многокомпонентную природу, связанную со сложной неоднородной структурой их околозвёздных оболочек. Эта информация будет использована в будущем для построения общей модели околозвёздной оболочки для молодой звезды промежуточной массы.

3. Модельный метод, предложенный для исследования локальных неоднородностей, образующихся в замагниченном околозвёздном газе, может быть использован для диагностики различных конфигураций магнитного поля в газовой оболочке и на самой звезде, которая имеет важное значение для понимания природы и эволюции звёздного магнетизма.

4. Результаты моделирования рассеяния света и возникновения линейной и круговой поляризации излучения кометы Галлея имеют большое значение как для физики комет, так и для развития общей теории взаимодействия звезды с кометными телами при их прохождении через периастр.

Результаты диссертации могут быть использованы во всех астрономических учреждениях, где занимаются проблемами физики околозвездной среды, а также процессами рассеяния и распространения поляризованного излучения. Среди них можно особо отметить КрАО, СПГУ, ГАИШ, ГАО РАН, CAO РАН.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка цитируемой литературы (175 наименований) и Приложения. Полный объем диссертации 137 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 2 таблицы и 9 страниц Приложения (4 таблицы). Суммарный объем диссертации 179 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертация представляет собой комплексное исследование неоднородностей газопылевой среды в объектах различного типа: двойных рентгеновских системах, молодых звёздах промежуточных масс и Солнечной системе. Она может служить иллюстрацией эффективности поляриметрического метода, использованного для решения поставленных задач. Конкретными предметами исследования были: а) анизотропия пространственного распределения газопылевой среды в окрестностях объектов изучения, б) стратификация околозвёздной пыли по типам рассеивающих частиц и в) типы локальных азимутальных неоднородностей, формирующихся в околозвёздной среде.

В ходе выполнения работы были использованы разнообразные конкретные методы исследования: а) многоцветные поляриметрические наблюдения, большая часть которых была выполнена самим автором диссертации, б) гармонический анализ полученных рядов наблюдений, в) модельные расчеты для замагниченной газовой среды с учетом процессов электронного рассеяния и фарадеевского поворота плоскости поляризации в присутствии магнитного поля, в) модельные расчеты для многокомпонентной пылевой среды, включающей пылинки различного типа.

Очень важным обстоятельством было то, что во многих случаях поляриметрическая программа сопровождалась параллельными спектральными и/или фотометрическими наблюдениями, что позволило значительно повысить информационную ценность полученного материала.

В итоге были получены следующие основные результаты. По Главе 1:

1. В течение 15 ночей в 1988 г. было получено более 100 поляриметрических оценок LSI+65 010 — оптического компонента рентгеновского источника 2S0114+650. Проведённый гармонический анализ параметров Стокса позволил: а) Выделить межзвёздную составляющую, вносящую основной вклад в нулевую гармонику Фурье разложенияб) По эллипсам первой и второй гармоники определить угол наклона орбиты i и угол, определяющий ориентацию орбиты в экваториальой системе, Q. в) Сделать вывод о наличии дополнительной компоненты собственной поляризации, показывающей иррегулярную переменность с характерным временем порядка месяца.

2. Был выполнен анализ поляризационныых наблюдений двойной рентгеновской системы Vela Х-1, проведённых в течение трёх месяцев в Боливийской экспедиции, позволивший: а) сравнить характеристики полученных фазовых зависимостей с аналогичными для наблюдений 1984 г. [29] и сделать вывод об изменении общего количества и распределения околозвёздного газа в системеб) выделить несколько дополнительных составляющих собственной поляризации и сделать выводы об их источниках, характерной спектральной зависимости и временных масштабах переменности.

3. В течение 60 ночей в 1983;1985 г. г. (с 1984 г. при участии автора) было получено примерно 270 поляриметрических и 50 фотометрических оценок оптического компонента двойной рентгеновской системы А0535+26, а также звёзд в его окрестности в пяти цветах (иВУШ). Анализ полученныз данных показал, что: а) При увеличении яркости объекта его излучение краснеет, что характерно для Ве звёзд, наблюдаемых с полюса. Однако сравнение с результатами других авторов показывает, что наряду с описанным иногда наблюдается и противоположных характер изменений цвета и блеска, что говорит о сложной структуре газовой оболочки звезды. б) Наряду с межзвёздной наблюдаемая поляризация содержит переменную собственную компоненту. Модель с постоянным в течение ночи позиционным углом собственной поляризации излучения этого объекта не согласуется с наблюдательными данными, что указывает на сложную и переменную структуру околозвёздной среды и обусловленную этим многокомпонентную природу собственной поляризации, показывающую переменность с характерным временем от дней до месяцев.

По Главе 2:

1. Был разработан модельный метод исследования локальных азимутальных неоднородностей, формирующихся в замагничен-ной газовой среде. Расчеты теоретических треков для простой модели вращающейся газовой струи с радиально направленным магнитным полем показали, что: а) При электронной плотности, характерной для газовых околозвёздных оболочек Ае/Ве звёзд Хербига, модуляция параметров линейной поляризации, связанная с орбитальным вращением струи и имеющая амплитуду порядка 0.1−0.2%, вполне может быть измерена методами современной поляриметрии. б) Эффект локального магнитного поля величиной уже 100 Гс оказывает заметное влияние на форму треков на плоскости (д, и). Этот эффект резко усиливается в длинноволной области спектра, и поэтому может быть обнаружен при исследовании быстрой периодической переменности параметров Стокса, полученной в нескольких цветовых полосах. Это позволяет проводить диагностику околозвездных магнитных полей методом многоцветной поляриметрии.

2. В течение 17 ночей в 1988 — 1994 гг. было выполнено около 190 измерений параметров линейной поляризации классической В9е звезды Хербига АВ Аиг. Анализ результатов наблюдений показал, что: а) Поляризация этого объекта имеет многокомпонентную структуру, причём именно неселективная компонента ответственна за поляриметрическую переменность, наблюдаемую на временном масштабе от одного дня до нескольких лет. Ее природа может быть связана с движением неоднородностей из газа или крупной пыли. б) В газовой оболочке АВ Аиг могут образовываться устойчивые струи с временем жизни в несколько суток, одна из которых была обнаружена в январе 1994 г. при параллельных спектральных и поляриметрических наблюдениях и с использованием модельного метода для исследования азимутальных газовых неоднородностей.

3. На основе модельного метода исследования азимутальных газовых неоднородностей была предложена интерпретация циклической поляриметрической переменности, наблюдаемая в полосах В ж I у изолированной АОе звезды Хербига НВ 163 296, которая хорошо объясняется в рамках модели замагниченной газовой конденсации, вращающейся с периодом 15 дней по круговой орбите, ось которой наклонена к лучу зрения под углом 78°. Эффективная величина магнитного поля внутри конденсации была оценена как 120 Гс.

4. В течение 15 ночей с декабря 1994 по январь 1996 гг. было выполнено около 230 поляриметрических измерений изолированной А8е звезды Хербига НБ 36 112. Как показал анализ полученного материала поляризация этого объекта имеет по крайней мере четыре компоненты: а) постоянную неселективную составляющую, связанную, повидимому, с крупной пылью, распределенной вдоль оси вращения звездыб) постоянную селективную составляющую с зависимостью степени поляризации Р (А) ос Л-1, которую дает мелкая пыль, сосредоточенная в плоскости экваторав) переменную неселективную составляющую, которая может быть связана с орбитальным вращением конденсаций из газа или крупной пыли в удаленных частях оболочкиг) быстропеременную составляющую, вызываемую вращением газовой струи, формирующейся вблизи поверхности звезды.

5. Получены первые результаты поляриметрии изолированной А2е-А3е звезды Хербига HD 31 648, обнаруживающие многокомпонентную структуру поляризации этого объекта, вестма сходную с HD 36 112. По Главе 3:

На основе модели кометной атмосферы, включающей ориентированные и сферические рэлеевские частицы, и некоторую долю крупных частиц, были рассчитаны фазовые зависимости степени линйной и круговой поляризации и позиционного угла плоскости поляризации излучения кометы Галлея, позволившие объяснить как полученную из наблюдений Н. Н. Киселёва и Г. П. Черновой интегральную поляризационно-фазовую зависимость кометы Галлея, так и постепенный поворот плоскости поляризации вблизи угла инверсии.

В заключение автор хотел бы выразить признательность своему научному руководителю, Ю. Н. Гнедину, за постановку задачи и поддержку на всех этапах работы. Н. М. Шаховской не только предоставил возможность проводить поляриметрические наблюдения на телескопе АЗТ-11 (КрАО), но и оказывал постоянную помощь в обработке и анализе данных, лежащих в основе диссертации, без чего она не могла бы состояться. Автор благодарен также Ю. С. Ефимову за ценные рекомендации и замечания. Автор выражает признательность всем своим соавторам, и в особенности М. А. Погодину, многолетнее плодотворное сотрудничество с которым и большую помощь при подготовке данной диссертации хотелось бы отметить отдельно. Автор благодарен своей семье за постоянную поддержку и помощь.