Структура и кинематика газа в областях звездообразования галактик IC1613 и IC10: действие сверхновых и звездного ветра

1.1 Действие сверхновых и звездного ветра на межзвездную среду.

Изучение сверхновых и звездного ветра важно для многих разделов современной астрофизики, таких как внутреннее строение и эволюция звезд, нейтронные звезды и черные дыры, физика межзвездной среды, происхождение космических лучей, звездообразование, химический состав вещества в галактиках и в межгалактической среде.

Из широкого круга проблем, связанных со сверхновыми и звездным ветром, можно выделить один важный аспект — их взаимодействие с межзвездной средой. Вспышка излучения и разлет оболочки сверхновой, равно как и медленное истечение вещества звезды в форме ветра, ионизуют, греют и ускоряют окружающий газ, меняют его плотность и химический состав, причем это «возмущение» охватывает не только близкую окрестность, но и всю галактику в целом.

Перечисленные свойства межзвездной среды определяют физику всего комплекса явлений, сопутствзчощих разлету выброшенного звездой вещества. В конечном счете эти свойства определяют и процесс образования самих звезд.

Теория взаимодействия сверхновых и звездного ветра с межзвездной средой давно и хорошо разработана и широко описана в литературе (например, [21, 25, 43]). Наблюдения остатков вспышек сверхновых и выметенных ветром оболочек не представляют собой принципиальных трудностей, поскольку существуют сравнительно близкие и достаточно яркие объекты.

Но большие вопросы порой вызывает интерпретация наблюдений. Соответствующие трудности обусловлены сложностью и неоднозначностью процесса взаимодействия звезды с окружающей средой. До того, как взорваться в виде сверхновой, массивная звезда активно влияет на окружающую межзвездную среду. Ионизующая радиация создает НИ область, расширяющуюся со скоростью звука. В форме звездного ветра за все время жизни звезды в окружающую среду поставляется кинетическая энергия, сопоставимая с энергией взрыва СИ. Это медленное впрыскивание энергии меняет физику околозвездного газа практически так же, как и мгновенный выброс при взрыве сверхновой.

В результате действия радиации и звездного ветра еще до вспышки сверхновой звезда оказывается окруженной многослойными оболочками, что существенно меняет физику остатка вспышки сверхновой. Оболочка сверхновой разлетается не в однородную межзвездную среду, а в среду, уже возмущенную звездным ветром.

В связи с этим, изучая влияние сверхновых на межзвездную среду, нельзя адекватно анализировать природу даже самых старых остатков вспышек сверхновых, не учитывая действие ветра звезды-предшественника сверхновой иа окружающий газ. Кроме того, сравнительно недавно был осознан второй подход в вопросу действия сверхновых и звездного ветра на окружающий газ. Массивные звезды рождаются в гигантских молекулярных облаках в составе ОВ ассоциаций и скоплений и за время жизни не уходят далеко от места рождения. Совместное действие ветра всех массивных звезд ранних спектральных классов и всех СИ образует вокруг родительских ассоциаций сверхоболочку. Расширение сверхоболочки инициирует новую волну звездообразования в остатках гигантского молекулярного облака. Таким образом, чтобы понять физику индивидуального остатка вспышки сверхновой или выметенной ветром оболочки, нужно учитывать всю историю взаимодействия звезд и межзвездной среды в родительском гигантском молекулярном облаке.

Согласно современным представлениям, оптимальными для исследования взаимодействия сверхновых и звездного ветра с окружающим газом являются иррегулярные (Irr) галактики. Вспышки сверхновых и звездного ветра являются основными факторами, определяющими структуру и кинематику межзвездной среды в Irr галактиках. Цикл взаимодействия звезд и газа в них не прерывается спиральными волнами, толщина газового слоя больше, а плотность газа, меньше, чем в спиральных галактиках. В Irr галактиках сверхновые и звездный ветер регулируют физику газовой среды галактики в целом, и поэтому взаимодействие звезд и газа в них наблюдается на огромных пространственных и временных масштабах, вплоть до формирования миогооболочечных комплексов, сопоставимых по размеру с размером галактики.

В данной работе представлены результаты исследований таких комплексов в двух галактиках по наблюдениям на 6-метровом телескопе САО с прибором SCORPIO (прямые снимки в линиях На', [OIIIJ и [SII], спектроскопия с длинной щелью, со сканирующим интерферометром Фабри-Перо) и с панорамным спектрографом MPFS. Использованы также архивные данные наблюдений в линии 21 см на VLA и архивные данные HST.

1.1.1 Галактика IC1613.

Гигантский комплекс множественных ионизованных оболочек [29] в северо-восточном секторе IC1613 — самая заметная структура на узкополосных изображениях в линиях На, [OIII] и [SIX] этой карликовой неправильной галактики Местной Группы, расположенной на расстоянии 725−730 кпк.

К этом}' комплексу принадлежит большинство ярких НИ областей [6, 29, 34, 39] и единственный известный в галактике остаток вспышки сверхновой [23] (рисунок 1).

Звездное население комплекса представлено двумя десятками молодых звездных ассоциаций и скоплений [8, 38].

Этот комплекс множественных оболочек и богатая звездная группировка представляют единственный очаг современного звездообразования в галактике. Вероятно эту область бурного звездообразования в IC1613 можно рассматривать как очень молодую и небольшую сверхассоциацию [22].

Современные наблюдения комплекса в радио линии 21 ем показали, что с множественными ионизованными оболочками связаны протяженные оболочки нейтрального газа («сверхоболочки» в общепринятой терминологии) [21−22].

Скорости ионизованного газа в области впервые измерены Миберном и др. но пяти спектрограммам, перекрывающим яркую часть комплекса с большой скважностью, были найдены характерные скорости расширения оболочек НИ около 30 км/с. Валдес-Гутиеррсс и др. построили поле лучевых скоростей ионизованного газа в линиях На и [SII] и оценили скорости расширения оболочек по расщеплению профиля линии, проинтегрированного, но каждому нз объектов.

Оболочки HI и НИ смыкаются и частично перекрываются в картинной плоскости, и, если принять, что их размеры вдоль луча зрения и в картинной плоскости сопоставимы, можно предположить, что они находятся в физическом контакте друг с другом. (Галакгика ориентирована под углом 30 градусов к плоскости неба, толщина газового диска составляет 500−700 нк, но оценке Афанасьева и др. [1] и сопоставима с размерами мпогооболочечного комплекса. Поэтому случайная проекция физически не связанных оболочек, находящихся на разных расстояниях, маловероятна.).

Глубокие узкополосные изображения в линии На выявили цепочку ярких компактных эмиссионных объектов непосредственно на границе двух смыкающихся оболочек комплекса. Спектральные наблюдения показали, что компактные объекты являются звездами — гигантами и сверхгигантами ранних спектральных классов [22].

Характерная морфология иоиизованного и нейтрального газа свидетельствует о физическом взаимодействии оболочек HI и IIII в области звездной цепочки.

Таким образом, в комплексе звездообразования наблюдается ряд фактов, указывающих на возможное столкновение расширяющихся ионизованных и нейтральных оболочек, взаимодействие ионизованных оболочек с окружающими оболочками HI и т. п. Эти факты свидетельствуют, что здесь вероятно зарождение звезд нового поколения, инициированное столкновением оболочек. Это делаег актуальным детальное исследование структуры и кинематики ионизованного и нейтрального газа в многообол очечном комплексе.

Кинематика нейтрального газа в комплексе звездообразования еще никем не исследована.

В работе Лозинской, Сильченко, Гельфанда и Госса [23] приводятся результаты наблюдений галактики в рентгеновском диапазоне, полученные с борта обсерватории ROSAT. Одним из результатов этих наблюдений стало отождествление ярчайшего в этой галактике источника рентгеновского излучения с остатком вспышки сверхновой S8. Яркое рентгеновское излучение остатка вспышки сверхновой, как правило, возникает на ранних стадиях эволюции остатков — стадии свободного разлета или адиабатического расширения оболочки и ее взаимодействия с межзвездной средой (Шкловский, 1976, Лозинская, 1986). В то же время в работе [23] приводятся результаты наблюдений осгатка в оптическом диапазоне с помощью мультизрачкового спектрографа на 6-метровом телескопе САО РАН, которые свидетельствуют о более поздней стадии эволюции остатка, так называемой сгадии высвечивания. Для объяснения несочетаемых признаков старого и молодого остатка, а именно высокой яркости остатка одновременно в оптическом и в рентгеновском диапазоне в работе [23] была предложена модель вспышки сверхновой внутри каверны, окруженной плотной оболочкой, и столкновение расширяющегося остатка сверхновой со сгенкой эгой оболочки. В этом случае яркое оптическое излучение может быть обусловлено ударной волной, распространяющейся в плотном веществе этой оболочки, а яркое излучение в рентгене — излучением еще не остывшей горячей плазмы во внутренней области остатка. В работе Росадо и др. [32] эта модель подвергалась сомнению из-за отсутствия наблюдательных признаков взаимодействия остатка со стенкой оболочки. Кроме того, в этой же работе было высказано предположение, что половина остатка является недоступной для наблюдений из-за пыли. С целью проверки гиногезы, предложенной в работе [23], проведены дополнительные исследования кинематики остатка вспышки сверхновой по наблюдениям в линиях На и [OIII] с MPFS 6-метрового телескопа, поиски возможных признаков протяженной плотной оболочки или плотного слоя ионизованного газа по наблюдениям с интерферометром Фабри-Перо па 6-метровом телескопе и такие же поиски по результатам наблюдений нейтрального газа галактики в линии 21 см на радиоинтерферометре VLA.

Начиная с 2001 г. в распоряжении автора находились все результаты наблюдений галактики IC1613 в оптическом диапазоне с интерферометром Фабри-Перо (ИФП) и с мультизрачковым волоконным спектрографом (MPFS) на 6 м телескопе САО РАН, а также результаты наблюдений в радиолинии 21 см на VLA. В наблюдениях с ИФП автор принимал непосредственное участие, остальные данные обрабатывал.

Основные направления работы, но галактике IC1613: исследование кинематики ионизованного и нейтрального газа в комплексе звездообразования, исследование крупномасштабной структуры и кинематики нейтрального газа в галактике IC1613 и детальное исследование кинематики пекулярного остатка вспышки сверхновой S8.

1.1.2 Галактика IC10.

Карликовая иррегулярная галактика 1С 10 широко используется для исследований структуры, кинематики и спектра свечения межзвездной среды в областях бурного звездообразования. Здесь наблюдаются множественные ионизованные и нейтральные оболочки и сверхоболочки, дуговые и кольцевые структуры размером от 50 пк до 800 — 1000 пк (Зуккер, 2000 [13], Вилкотс, Миллер, 1998 [7], Лерой и др., 2006 [17]), диффузная компонента ионизованного газа (Хантер, 2001 [37]- Чизи и др., 2003 [42]). Звездное население галактики свидетельствует о недавней вспышке звездообразования (t=4−10 млн. лет) и о более старой (t>350 млн. лет) [13, 27, 37].

Два момента выделяют галактику 1С 10 среди других карликовых галактик с бурным звездообразованием и делают ее исследования особенно интересными.

Первый — аномально большое число звезд WR, в 20 раз больше, чем в БМО. Пространственная плотность WR достигает 11 WR на квадратный кик (см. Масси и др., 2002 [26], Масси и др., 2007 [27], Краутер и др. 2003 [15] и ссылки в этих работах). Это самая высокая плотность WR среди карликовых галактик, сопоставимая с массивными спиральными галактиками. При нормальной IMF столь высокая плотность звезд WR говорит о практически «одновременной» вспышке современного звездообразования, охватившей большую часть галактики.

Второй интригующий момент — так называемая «сиихротронная сверхоболочка», открытая Янгом и Скиллманом еще в 1993 году [44] и до сих пор не получившая исчерпывающего обьяснения. Авторы связали этот протяженный источник нетеплового радиоизлучения со вспышкой десятка сверхновых. Учитывая характерное время обнаружимоети сннхротронного радиоизлучения остатка сверхновой около 105 лет, эти вспышки также должны были произойти практически одновременно.

Синхротронная природа радиоизлучения подтверждается высокой степенью поляризации в области сверхоболочки, выявленной в работе [42]. На рисунке 2 указанной работы хорошо видно, что вектор поляризации направлен параллельно наблюдаемому здесь плотному слою пыли.

Отметим, что на самом деле оболочечпую структуру этого радиоисточника наблюдения Янга и Скиллмана не выявляют, так что термин «сверхоболочка» был введен авторами на основании предполагаемой ими природы объекта.

Более поздние оценки кинематических параметров ионизованного газа в области нетеплового радиоисточника (Буйехос, Росадо, 2002 [4]- Туроу и Вплкотс, 2005 [35]) по мнению этих авторов также подтверждают гипотезу множественных вспышек сверхновых.

В работе Лозинская, Моисеев (2007) было предложено альтернативное объяснение природы этой уникальной синхротронной сверхоболочки: вспышка Гииерновой. Для проверки этой гипотезы главной целью настоящей работы было детальное исследование кинематики нейтрального и ионизованного газа в области этого уникального объекта.

В работе использовались наблюдения галактики IC10 в оптическом диапазоне с интерферометром Фабри-Перо (ИФП), в прямых снимках и с длинной щелью на 6 м телескопе САО РАН, а также результаты наблюдений в радиолинии 21 см на VLA.

Опубликованные оценки показателей цвета и расстояния до галактики 1С 10 сильно варьируются из-за низкой галактической широты объекта (Ь=3.3 град.), см. Демерс и др. [11]. В настоящей работе использованы уточненные Вакка и др. (2007) [5] значения E (B-V)=0.95m, (т-М)0 = 24.48 ±-0.08т, что соответствует расстоянию до 1С 10 г=790 кик и угловому масштабу — 4 пк/" .

Все значения лучевых скоростей в данной работе являются гелиоцентрическпми.

1.2 Содержание работы Цель работы.

Главная задача настоящей работы — исследование структуры и кинематики нейтрального и ионизованного газа в областях звездообразования галактик IC1613 и IC10 с целью поиска признаков влияния сверхновых и звездного ветра на межзвездную среду в этих галактиках.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Содержит 50 рисунков и библиографию из 38-ми наименований. Общий объем диссертации составляет 97 страниц, включая рисунки.

Основные результаты, полученные в данной работе, приведены ниже.

1) В результате детального исследования кинематики нейтрального газа в единственном в галактике IC1613 комплексе звездообразования выделены три протяженные (300 — 350 пк) нейтральные оболочки, с которыми связаны наиболее яркие ионизованные оболочки в галактике. Обнаружен эффект расширения двух оболочек HI со скоростью 15 — 18 км/с.

2) Проведено детальное исследование кинематики ионизованного газа в единственном в галактике IC1613 комплексе звездообразования. Значительно увеличены измеренные ранее скорости расширения большинства ионизованных оболочек вIC1613.

3) В галактике 1С 1613 найдены «сверхгигантские» арки и кольцевые образования, размер которых сопоставим с толщиной газового диска. Было проведено исследование крупномасштабной кинематики нейтрального газа во всей галактике IC1613. Ни одна гигантская структура нейтрального газа не выявила признаков расширения, что является признаком образования этих структур действием предшествующих вспышек звездообразования в галактике.

4) Впервые измерена скорость расширения яркой туманности S8 — единственного остатка вспышки сверхновой в галактике IC1613.

5) Выявлена оболочка HI, на внутренней границе которой расположен остаток. Это подтверждает сценарий вспышки сверхновой внутри каверны, окруженной плотной оболочкой, и взаимодействия остатка со стенкой оболочки.

6) Проведено детальное исследование кинематики ионизованного и нейтрального газа в окрестностях звезд Вольфа-Райе в галактике IC10, в результате которого были выявлены признаки влияния их ветра на межзвездную среду.

7) GoK-азано, что мощность ветра, необходимая для формирования наблюдаемых структур, при найденной скорости расширения составляет порядка ~ (0.01 — 0.84) ¦ 1038 эрг в среде с невозмущенной плотностью от 1 до 10 см-3.

8) Обнаружен эффект расширения нейтрального и ионизованного газа в области уникальной синхротронной сверхоболочки в галактике 1С 10,.

9) По измеренной скорости и плотности газа получено подтверждение механизма образования уникальной синхротронной сверхоболочки в галактике IC10 при вспышке Гиперновой.

Благодарности.

В заключении автор хотел бы выразить бесконечную благодарность своему научному руководителю, Татьяне Александровне Лозинской, без которой данной работы просто не было бы. Автор благодарит Алексея Валерьевича Моисеева за ценное руководство во время поездок в САО РАН и помощь при выполнении данной работы. Отдельное спасибо хочется сказать Константину Александровичу Постнову, Ольге Касьяновне Силь-ченко, Елене Вячеславовне Глушковой, Анатолию Владимировичу Засову и, конечно же, своему первому преподавателю астрономии Владимиру Васильевичу Чичмарю.

За ценные советы и моральную поддержку при подготовке данной работы автор хотел бы поблагодарить своих старших товарищей — Александрину Смирнову, Артема Тунцова, Даниила Смирнова, Вячеслава Журавлева, Игоря Чилингаряна и Вячеслава Игнатьева. Автор благодарит всех, с кем ему довелось учиться в студенческие годы на астрономическом отделении физфака МГУ. Особую благодарность хочется выразить своим одногруппникам, в частности, Василию Витрищаку, с которым постоянно обсуждались процессы обучения в аспирантуре, а также написания и защиты кандидатской диссертации, и Дмитрию Клочкову, который первым из выпускников ГАИШ 2005 года получил ученую степень и впоследствии поделился своим ценным приобретенным опытом.

6 Заключение.

В диссертации проведено детальное исследование кинематики нейтрального и ионизованного газа в Irr галактиках IC1613 и IC10. Впервые сопоставлена кинематика HI и НИ в гигантских комплексах звездообразования этих галактик.