Исследование областей звездообразования представляет особый интерес для науки, ибо для более полного понимания структуры и эволюции Вселенной важно понять, как происходит процесс формирования этих «космических атомов» и что за процессы его сопровождают. С возникновением и развитием в 20 веке радиоастрономии, одним из способов «косвенного» исследования областей, где идет процесс формирования звезд, является исследование мазерных источников, возникающих в результате этого процесса. Здесь существенным является тот факт, что именно радиоизлучение (наряду с инфракрасным) позволяет нам проникать в упомянутые области, спрятанные от нас в видимом диапазоне спектра газопылевой оболочкой — коконом, и что, благодаря особенным свойствам, мазерное излучение позволяет получать более детальную картину этих областей звездообразования.
Обнаружение в 1965 г. космического мазерного излучения было настолько неожиданно, что его приняли за новое вещество и назвали его «мистериум» [85]. Мощная эмиссионная линия гидроксила (ОН) была обнаружена в тех областях, где астрономы раньше не могли нечего видеть, и о физических условиях которых они только догадывались. Это были газопылевые облака, окружающие молодые звезды. Мазерное излучение дает исключительно важную информацию о плотных пылевых регионах, что делает его незаменимым орудием исследования космических объектов — от комет до активных галактических ядер, включая упомянутые области звездообразования и околозвездные оболочки. Некоторое время спустя после открытия первого мазера в космосе Чеунг и др. [4] открыли мазеры водяного пара (НгО) в линии 22 ГГц. Они оказались еще мощнее и компактнее, чем мазеры гидроксила и, как потом выяснилось, эти мазеры являются свидетельством раннего энергетического истока от молодых звезд. После этих открытий были обнаружены сотни космических мазеров на молекулах ОН, Н2О, СН3ОН, SiO, Н2СО и NH3, SiS и HCN [23, 34, 20, 52, 31, 54, 30, 16].
Молекулярные мазеры тесно связаны с процессом формирования звезд. Сильные мазеры ОН и Н2О были впервые обнаружены неподалеку от HII-областей, которые сопровождают процесс звездообразования. Близко расположеннаяк центру Галактики и являющаяся одной из ее основных областей формирования звезд — Sgr В2, ассоциируется с гигантским молекулярным облаком. Мазерное излучение водяного пара в линии 22 ГГц было обнаружено в Sgr В2 Вааком и Маером [83] и оказалось, что оно исходит от протяженной по склонению области. Структура источника Sgr В2 оказалась довольно сложной, состоящего из ряда областей, в состав которых входят также мазерные пятна водяного пара, излучающие в лийии 22 ГГц.- Именно эти мазеры и позволили нам изучать структуру и поведение области Sgr В2. Ниже будет подробнее изложено как об областях звездообразования, так и о космических мазерах.
Процесс звездообразования.
Один из важнейших! процессов, протекающих в космосе это, безусловно, процесс звездообразования. Звезды могут формироваться как по одиночке, так и группами. Последний случай имеет место особенно в отношении массивных звезд, которые рождаются преимущественно в составе больших групп — скоплений, ассоциаций, комплексов.
Процесс формирования таких звезд имеет место в гигантских молекулярных облаках (ГМО), массы и плотности которых находятся в области М ' = 105 — 107 М©и п = 105 — 106 см-3 [71]. В Галактике около 6000 таких облаков, в которых содержится 90% всего молекулярного газа [77]. Гигантские молекулярные облака принадлежат к плоской составляющей Галактики и, естественно, концентрируются к ее плоскости. Такие облака часто являются гравитационно-неустойчивыми. Джине впервые рассмотрел проблему образования звезд из конденсации межзвездного газа. Он показал, что при некоторых условиях волны плотности имеют растущую амплитуду, что приводит к разбиению газа на фрагменты и последующему сжатию протозвездных конденсаций. В оптическом диапазоне процесс звездообразования доступен только в последней стадии, после того как уже возникший комплекс звезд разрушил родительское Гигантское молекулярное облако.
Ранние стадии процесса образования звезд оптически недоступны из-за высокого поглощения света в коконе формирующейся звезды и в ГМО, содержащем этот кокон. Таким образом, исследования этих стадий звездной эволюции приходится проводить в инфракрасном и радио диапазонах, где. излучению удается пробираться сквозь все слои окружающей материи. Эти наблюдения показали, что вначале, в плотном ядре молекулярного облака, на месте протозвездной конденсации возникает мазер СН3ОН первого класса (источником возбуждения являются столкновения с последующим радиативным распадом), который и отмечает положение будущей звезды. Дальше возникают источники инфракрасного и радио излучений. Затем в звезде начинают идти ядерные реакции с последующим нагревом и частичной ионизацией газопылевого кокона, содержащего звезду. Образуется компактная область НИ (см. ниже).
На этой стадии вблизи конденсации зажигаются мазеры СН3ОН второго класса (источником возбуждения является дальнее инфракрасное излучение), мазер Н2О и затем ОН. Далее, если звезда не взрывается в виде сверхновой, область НН расширяется, иногда до десятков парсек. ГМО рассеивается и область НН становится видимой в виде диффузной туманности. Иногда, во время коллапса формирующейся звезды, из молекулярного ядра может образоваться массивный молекулярный диск с массой до несколько сотен масс Солнца. Из всего этого вещества только ~ 1% превратится в звезду, а остальная часть будет разбросана в окружающее звезду пространство. Во время существования диска, процесс аккреции вещества из него на звезду будет продолжаться. Диск можно наблюдать в молекулярных линиях. В дисках бывают локализованы мазерные источники Н2О, например, как в области Sgr В2, которые и изучаются в данной работе. Если новорожденная звезда обладает сильным звезДным ветром, диск может создавать анизотропию в истечении газа из звезды в виде двух противоположных направленных джетов — биполярное истечение. Биполярное истечение обнаруживается по наличию протяженных крыльев в молекулярных линиях вблизи звезды. Протяженность джетов (биполярного истечения) достигает нескольких парсек при очень высокой степени коллимации: угол расходимости джетов часто не больше 10° [71].
В Млечном Пути наибольшая интенсивность звездообразования наблюдается на расстояниях от 3.5 до 6.5 кпк от ее центра. Около 70% звезд формируется сейчас в спиральных рукавах, 10% — в межрукавном пространстве, 10% — в районе центра, в области диаметром около 1 кпк, и еще около 10% — в гало, над галактической плоскостью.
Исследуемая здесь область звездообразования, Sgr В2, относится к центральному району. Онаявляется одной из самых активных областей образования массивных звезд Галактики, в ней наблюдаются все выше упомянутые признаки звездообразования (см. гл. 3).
Существует несколько процессов, сопровождающих формирование звезд, которые являются хорошими индикаторами звездообразования. В первую очередь это массивные звезды и окружающие их эмиссионные туманности. Массивные звезды: живут недолго 3×106 лет) и имеют небольшие хаотические скорости (10 км/с), из-за чего они не успевают далеко уйти от места своего рождения (< 30 пк). По этому признаку нетрудно обнаруживать области звездообразования в соседних галактиках. Но в плоскости Галактики, где концентрируются темные ГМО, поглощение межзвездной средой (включая родной кокон звезды) не позволяет в видимом диапазоне обнаруживать даже массивные звезды на расстоянии более 3−5 кпк. В таком случае, хорошим косвенным индикатором звездообразования служит ИК излучение пыли, нагретой горячими звездами, а также радиорекомбинационное излучение компактных областей НН, окружающих массивные звезды внутри газопылевых коконов, и радиоизлучение молекул. К этим признакам надо добавить уже упомянутые биполярные истечения. Отдельное обсуждение требует космическое мазерное излучение молекул (см. раз. о космических мазерах), которое дает много полезной информации о структуре областей звездообразования и о процессах, идущих в них. Предположение о связи космических мазеров с процессом звездообразования было высказано И. О. Шкловским еще в 1966 г., сразу после открытия мазеров ОН.
Области НИ.
Области НН представляют собой объекты в межзвездном пространстве, где водород находится в ионизованном состоянии. Обычно это области, где горячие голубые ОВ-звезды испускают огромное количество ультрафиолетового излучения в окружающее их облако, из которого только что они сформировались. Эти звезды могут ионизовать весь водород вдоль десятков и даже сотен световых лет во всех направлениях. Ультрафиолетовое излучение отрывает электроны от атомов водорода, после чего, при рекомбинации с водородными ядрами, излучается ряд эмиссионных линии по мере лавинного падения электронов на другие энергетические уровни атома [7]. Концентрация тепловых радиоисточников, связанных с областями НИ, особенно высока в галактической плоскости, так как образующие их ОВ-звезды — молодые объекты, принадлежащие к плоской составляющей населения Галактики. Излучение областей НИ образует фон Галактики на коротких дециметровых и на сантиметровых волнах. К наиболее известным тепловым радиоисточникам, областям НН, относится источник Sgr В2.
71].
Многие тепловые радиоисточники связаны с областями активного звездообразования, в том числе компактные и ультракомпактные области НИ, которые непосредственно окружают недавно возникшие звезды спектральных классов Ои ранних В. Размеры компактных областей НН ~ 0.1 пк, а электронная плотность достигает 106 —107 см-3. Компактные области НИ проявляют себя в диапазоне сантиметровых волн в виде тепловых радиоисточников малых угловых размеров, иногда наложенных на более протяженный диффузный радиоконтинуум с меньшей мерой эмиссии [71].
Образование планетных систем.
Образование звезды может сопровождаться образованием собственной планетной системы из околозвездного газопылевого протопланетного диска, являющегося обязательным атрибутом протозвезд. Диск может, в свою очередь, разбиваться на кольцевые зоны и фрагменты с последующим образованием планет [То]. Эти представления подтверждаются, благодаря новым приборам и методам наблюдений с высоким разрешением, как в случае телескопа Хаббла, чье высокое разрешение позволило обнаружить многочисленные свидетельства протекания процесса звездообразования и получить изображения плотных сгустков вещества, глобул, и отдельных протозвезд с газопылевыми дисками вокруг них [75].
В результате исследований оказалось, что мазеры также связаны с различными этапами эволюции планетных систем. Мазеры метанола II класса и мазеры ОН возникают в периферийных остатках диска вокруг молодых горячих звезд большой массы (50 Ме) на расстоянии в несколько тысяч астрономических единиц от звезды. Возможно, эти мазеры излучаются протяженными атмосферами ледяных планет (гигантские кометы). С дисками вокруг протозвезд малой массы (0.1 М©-). еще пребывающих на стадии аккреции вещества, связаны некоторые мазеры Н2О (1С1396М). Размеры этих дисков невелики — порядка 20 а.е. [75]. Аналогичное явление, диски с источниками мазерного излучения, было обнаружено в более грандиозных масштабах в ядрах некоторых активных галактик, вокруг черных дыр с массой 106 — 109 М©- [75].
Космические мазерные источники.
Первый космический мазер был обнаружен в 1965 г. в области из газа ОН, неподалеку от молодой звезды, в туманности Ориона. С тех пор были открыты сотни космических мазеров на разных молекулах в ряде различных астрономических объектов — от близких к нам комет до удаленных галактик. Благодаря особым физическим условиям, преобладающим в межзвездном пространстве, мазерный эффект в космосе возникает с относительной легкостью.
Мазер — это явление усиления радиоволн за счет вынужденного излучения. Межзвездные мазеры представляют собой сверхкомпактные области в молекулярных облаках, где интенсивность некоторых молекулярных эмиссионных линий может быть значительно усилена (коэффициент усиления может иметь величину порядка Ю10) [25]. Обычно галактические мазеры занимают на небе не больше нескольких сотых долей угловых секунд, но они могут быть достаточно мощными, чтобы их обнаружить в других галактиках. Например, мазеры Н2О могут излучать столько, сколько одна болометрическая яркость солнца в линии шириной всего лишь 50 кГц [25]. Именно поэтому спектральная информация может быть использована, чтобы проверить физические условия довольно близко к их источникам возбуждения, таким как молодые звезды, проэволюционировавшие звезды или ядра активных галактик.
Обычно, для того, чтобы в космосе появилось мазерное излучение, необходимо, чтобы выполнялись следующие условия [25]:
1. Достаточно высокая плотность (п = 106 — 1011 см-3),.
2. Источник накачки для возбуждения линий (создание инверсии населенности уровней), такой как звезда (> ЮМ©-) или наличие столкновительного возбуждения, и.
3. Подходящий вид молекул (ОН, Н2О, 810, СН, СН3ОН и т. д.).
Такие условия чаще всего связаны с двумя космическими типами объектов — с областями звездообразования и со звездами поздних спектральных классов, испытывающими потерю массы. Поэтому можно.
разделить галактические мазерные источники на две группы, связанные с первым и со вторым типами объектов, соответственно. Другая классификация мазеров сделана на основе разных молекул, создающих мазерные эффекты. ;
Таблица 1: Молекулы, показывающие мазерную активность в космических источниках, (по [7]).
Молекула Название Частота (ГГц) Характеристики*.
ОН гидроксил 1.612 О, М и ' 1.667 О, М н 1.720 О.
Н2СО 4.829 О.
СНзОН метанол 12.178 О.
18.155 С.
Н20 вода 22.235 0, М.
Шз аммиак 23.870 О.
БЮ моноокись кремня 43.122 М, Б, О п 86.423 М, Б ней цианистый водород 89.087 С О означает, что мазерное излучение часто встречается в областях звездообразованияМ в М-звездахв в циркониевых звездахС в углеродных звездах.
В данной таблице показана только часть наблюдаемых мазерных линий.
Мазеры ОН и Н2О в областях звездообразования.
Межзвездная среда, в окрестностях областей звездообразования содержит богатые молекулами ОН, Н2О и СН3ОН плотные резервуары вещества. Яркие Оили В-звезды нагревают окружающие их газопылевые оболочки энергетическими фотонами. Затем пыль переизлучает поглощенную энергию в инфракрасном диапазоне, что в свою очередь возбуждает ОН и Н2О молекулы, создавая инверсию населенности (см. ниже о мазерном механизме). Внутри облака область мазерного излучения, не больше. 1011 км [25]. Как следовало ожидать, межзвездные мазеры также находятся неподалеку от компактных областей НН, окружающих горячие звезды, а также и от инфракрасных источников [7].
Мощность космического мазера определяется числом мазерных фотонов, излучаемых за одну секунду. Для типичных НгО мазеров в областях звездообразования, как в Орионе, их мощность составляет порядка 1046 с-1. Отметим, что мощность Н2О мазера, связанного с ?49, достигает 1049 с-1 [25], что делает его самым сильным мазером в Галактике.
Существуют наблюдательные свидетельства того, что когда в молодой звезде начинается ядерный синтез, ОН мазеры продолжают свое существование до тех пор, пока ионизованная область не расширится до диаметра ~ 0.1 пк, между тем как Н2О мазеры переживают зажигание звезды примерно на 105 лет. Вне этих пределов плотности и температуры, необходимые для поддержания мазеров, становятся невозможными [25, 7].
Линии гидроксила на 18 см, впервые зарегистрированные в эмиссии в 1965 г., исходили из окрестностей областей НН вокруг молодых горячих звезд. Профиль линий имел сложную многокомпонентную форму. Интерферометрические наблюдения показали, что каждый пик в профиле излучается отдельной мазерной конденсацией размером от 1 до 10 а.е. Потоки излучения мазерных эмиссионных деталей достигали тысяч Ян, при очень малой ширине профиля (0.6−3 кГц). Яркостная температура мазерных конденсаций доходила до 1012 К. Обнаруженное излучение имело круговую поляризацию, степень которого доходила вплоть до 100%. Области звездообразования излучали, в основном, в главных линиях 1665 и 1667 МГцсателлитные линии были гораздо слабее [71].
После открытия мазерного излучения молекул воды и гидроксила в областях формирования звезд, мазеры этих и других молекул были найдены в оболочках звезд поздних классов М, Б и С [7].
ОН и Н2О мазеры можно также найти в ядрах активных галактик (например, NGC 3079 или NGC 1068). Мощность таких внегалактических мазеров сильнее (в 106 и 103 раз для ОН и Н2О мазеров, соответственно), чем известные мазерные источники в нашей галактике [25]. Диски с источниками мазерного излучения были обнаружены в более грандиозных масштабах в ядрах некоторых активных галактик, вокруг черных дыр с массой 106 — 109М©- [75].
Помимо упомянутых выше мазеров, в областях звездообразования также встречаются мазеры СН3ОН, SiO, Н2СО и NH3 [23, 34, 20, 52, 31, 54, 30, 16].
В табл. 2 представлены некоторые свойства мазеров, связанных с областями звездообразования (по данным Эвретта [2] и Рейда и Морана [67]).
Мазеры Н20.
Первые мазеры во вращательной линии 6ie — 623 молекулы Н20 на волне Л = 1.35cm (v = 22 ГГц) были открыты в 1968 г. в направлении известных источников мазерного радиоизлучения ОН в областях звездообразования [71]. Эта линия обязана своим проявлением переходу между близко расположенными вращательными уровнями 6i6 и 523- Характеристики для этого перехода представлены в табл. 3 [2]. В отличие от молекулы ОН, где мазерный эффект имеет место в основном вращательном состоянии, в молекуле Н2О мазерные уровни расположены высоко над основным состояниемэнергия возбуждения соответствует температуре 644 К. Поэтому мазер Н2О — гораздо более энергоемкое явление, чем мазер ОН [71].
На рис. 1 показаны вращательные уровни энергии и наблюдаемый переход молекулы Н2О.
Обычно мазерное излучение Н20 является сильно переменнымпри этом яркостная температура у наиболее мощных источников в областях звездообразования достигает 1015 К. Рекорд принадлежит мазеру Н2О.
Величина н2о он SiO СН3ОН.
Число наблюдаемых .1 9 4 4 переходов.
Число известных объектов* ~ 200 ~ 100 1 1.
Ширина линии, км/с 0.5−2 0.1−1 2 0.5.
Ть К ** 100−1500 4−400 3500 150.
Число спектральных деталей 1−100 1−50 5 3.
Диапазон скоростей, км/с 1−300 1−30 25 4.
Поляризация, % Линейная Линейная Круговая Нет.
0−10) (0−100) Круговая (0−100) (0−20).
Время жизни деталей, с *** ю6 — ю7 107 — 108? ?
Размер пятен, см 1013 — 10й Ю14 — ю15 < 1016 < 1016.
ТВ, К ю13 — ю15 1012 — 1013 > 1013 > 103.
Размер группы источников, см ю16 — ю17 1016 -1017? 1017.
Мощность, эрг/с **** ю27 — ю33 ю27 — ю30 1029 1027 Данные этой таблицы относятся в основном к 1976 г. К сегодняшнему дню число обнаруженных космических мазеров, естественно, увеличилось. **В предположении, что нет сужения в крупномасштабных движений газа. ***Имеется несколько случаев, когда характерное время меньше. ****В предположении изотропного излучения.
Оп А, поток которого в течение длительного времени сохранялся на уровне 2 млн Ян (Тг> ~ 1017 К) [71]. Возможно, что сильные вспышки как та, которая наблюдалась в Орионе, могут оказаться обычными для источников со многими мазерными деталями ([16]). Мазеры Н20 характеризуются сложными спектрами с большим числом спектральных деталей (от одной вплоть до ста), для которых ширина линии ~ 0.4 — 0.7 км/с, а время жизни ~ 106 — 107 с. [2]. Дисперсия скоростей излучения отдельных мазерных источников НгО достигает.
Молекула Переход и, МГц Л, см Е/кс, см 1 Е/к, К, А с-1.
Н20 616 —> 5гз 22 235.080 1.35 447 644 1.91 • 10−9.
В данной таблице указаны частота и длина перехода, энергия по отношению к основному состоянию (в см-1 и в К) и коэффициент вероятности спонтанного перехода. Энергия в температурных единицах, Е/к, показывает, какой должна быть температура, чтобы населенность данного уровня стала заметной.
— 1400.
— 1200.
— 1000.
— 800.
— 600 ас ?
— 200.
Рис 1: Часть вращательных уровней энергии молекулы Н2О — асимметричного волчка. Микроволновой мазерный переход обязан своим проявлением случайной близости уровней 616 и 523 (из [2]). десятков и сотен км/с (в источнйке W49 — до 500 км/с) [71]. Согласно некоторым моделям ([24, 78]), мазеры НгО создаются и накачиваются взаимодействием между сильно сверхзвуковыми истечениями массы из молодой центральной звезды и сгустками или неоднородностями околозвездного облака. Мазеры имеют форму волокон с осями, перпендикулярными к направлению движения. Наиболее вероятный механизм накачки мазеров водяного пара — столкновительный в среде сТ~ 1000 К и n ~ 109 см-3 [71]. Некоторые мазеры Н2О, как в случае Sgr В2, показывают структуры, похожие на протопланетные кольца. [40, 43]. Отдельные конденсации в мазерах Н2О могут представлять собой легкие тела типа протопланетэто объясняет высокую дисперсию их скоростей, создаваемую при воздействии звездного ветра [71].
Помимо линии 22 ГГц, в космосе обнаружены и другие мазерные линии Н2О, но из-за сильного поглощения в атмосфере Земли их трудно наблюдать с земной поверхности. Среди таких линий встречаются следующие: 380 ГГц (переход 4i4 32Ь [60]), 183 ГГц (переход З13 220, [84, 37]), 321 ГГц (переход 1029 -" 936, [55]) и 325 ГГц (переход 515 422, [56]). Как показывают исследования Неуфелда и Мельника ([57, 58]), здесь соотношение мазерного излучения в разных линиях определяется главным образом температурой, что и следовало ожидать для насыщенного мазера со столкновительным механизмом накачки.
Мазеры как орудие исследования космоса.
Благодаря своим особенным свойствам, мазеры стали хорошим средством для исследования космических объектов. Мазерное излучение дает полезную информацию о физических условиях областей мазерного излучения, об их химическом составе, о скоростях и структуре магнитного поля. Таким образом, мазеры позволяют изучать молодые звезды, проэволюционировавшие звезды, области звездообразования, ядра активных галактик, кометы, остатки сверхновых [16, 67, 33, 71].
С одной стороны, мазерное излучение способно проявить себя через слои непрозрачного для видимого света вещества, делая возможным проводить исследования объектов, спрятанных в облаках, как в случае протозвезд. С другой стороны, космическое мазерное излучение, часто очень сильное, исходит от очень компактных областей и его можно наблюдать с помощью интерферометрических методов, как РСДБ, что дает высокое пространственное разрешение. Для ярких мазеров ОН и Н2О (Ori A, W 51, Sgr В2) методом РСДБ получены карты высокого разрешения с интервалом в несколько лет и даже несколько месяцев. Измеренные собственные движения (угловые перемещения) отдельных мазерных конденсаций (порядка нескольких миллисекунд дуги в год), подтверждают общую картину разлета от общего центра [71]. Исследования мазеров в областях звездообразования с высоким угловым разрешением дают материал не только для звездной, но и для планетной космогонии [71, 75].
С помощью мазерного излучения можно получить независимую оценку расстояния до источника. Так, например, для мазера Н2О Sgr В2 было получено D = 7.1 ± 1.5 кпк [68].
Космические мазеры также позволяют исследовать темп потери массы вещества (например, по «мазерным» оценкам, область вблизи источника IRC +10 011 теряет примерно 10~5М©в год) [25], магнитное поле в областях формирования звезд, вращение и магнитное поле Галактики, межзвездное рассеяние [68].
В приложении кратко изложены теоретические модели мазеров, включая механизмы накачки.
Постановка задачи. Цель, краткое содержание и научная ценность диссертации.
Постановка задачи.
Как было изложено выше, мазерное излучение Н2О в радиолинии 22 ГГц позволяет нам исследовать проявление активности протозвезд, скрытых от нас газопЫлевыми оболочками, и изучать явления, протекающие в активных областях. В связи с важностью правильного понимания процесса формирования звезд и структуры областей, где оно имеет место, нами была поставлена задача построения модели области В2, выявления временных закономерностей поведения мазерных пятен, как в. целом в каждом из источников (Ии М), так и для отдельных спектральных компонентов. Для этой цели были использованы спектры 23-летнего мониторинга (с 1982 по 2004 г.), полученные с помощью параболического радиотелескопа РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории. Средний интервал между наблюдениями составил 1.2 месяца. Спектры были исправлены за эффект поглощения в атмосфере Земли и других факторов, искажающих их истинный вид. Был проведен анализ интегрального потока от всего источника для всего мониторинга. То же самое было проделано для центроида скоростей. Также был проведен анализ отдельных спектральных деталей и их отождествление с соответствующим источником (М или 1М). Была построена модель области Sgr В2.
Цель диссертации.
Цели, поставленные в данной диссертации, были следующими:
1. Обработка данных 23-летнего мониторинга мазерного источника Н2О в Sgr В2 и построение каталога спектров.
2. Исследование переменности полного излучения мазера Н2О в В2. Выявление периодической переменности интегрального потока и центроида скоростей (средневзвешенной лучевой скорости).
3. Выделение отдельных спектральных компонентов и их отождествление с субисточниками в области Sgr В2, (Ы) и (М).
4. Анализ сильных вспышек (супервспышек) мазера Н20 в 19 861 987 гг. и 2004 г.
5. Интерпретация переменности излучения отдельных эмиссионных деталей и построение их моделей.
6. Построение модели мазера в области Sgr В2.
Краткое содержание диссертации.
Во введении описаны процессы звездообразования и мазерного излучения в космосе, их связь и состояние этой проблемы на данный момент.
В первой главе описывается параболический радиотелескоп, в частности РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории. Приведены основные характеристики антенны и радиометра, и режимы их работы.
Во второй главе изложены методы наведений, использованные при получении спектров источника Sgr В2. Приводятся также факторы, искажающие спектры и способ их устранения.
В третьей главе приводится картина области Sgr В2 и ее основные физические свойства, а также исторический очерк. Использованы спектры всего мониторинга, которые исправлены за поглощение в атмосфере Земли. Проводится анализ данных наблюдений. Проводится исследование переменности интегрального потока и центроида скоростей. Исследуются также отдельные спектральные детали и проведено их отождествление. Приведена модель области Sgr В2.
В приложении излагается теоретические модели мазеров, насыщенных и ненасыщенных, сферических и цилиндрических, а также механизмов накачки.
Научная новизна.
В данной диссертации впервые:
1. Проводится анализ спектров 23-летнего мониторинга источника Sgr В2 в мазерной линии 22 ГГц молекулы воды. Такой анализ включает интегральный поток и центроид скоростей, супервспышки 1986;1987 гг. и 2004 г., отдельные детали спектров и средние спектры (для интервалов 1982;1992 гг. и 1993;2003 гг.).
2. Найдены медленные вариации интегрального потока — для всего источника — с характерным временем больше времени мониторинга и с минимумом в 1992;1994 гг.
3. Обнаружены периодические вариации интегрального потока со средним периодом около 2 года.
4. Найдена медленная компонента изменений центроида скоростей с характерным временем более 22 лет, минимум которой приходится на 1996;1998 гг.
5. Обнаружена корреляция между 2-летними периодическим вариациями интегрального потока и центроида скоростей.
6. Проведен детальный анализ супервспышек 1986;1987 гг. и 2004 г. с разложением на отдельные компоненты, и проведено их отождествление.
7. Обнаружено чередование максимумов излучения источников N и.
М.
8. Найдена цикличность в активности мазерного источника М со средним периодом 3 года.
Практическая и научная ценность.
Прежде всего, приведенные здесь результаты дают хорошую картину временного и, отчасти, пространственного поведения мазерного излучения источника Sgr В2 (источники МиИ), включая медленные и быстрые вариации мазерного излучения.
С другой стороны, эти результаты представляют большой интерес для понимания структуры и поведения областей Sgr В2(Ы) и Sgr В2(М). В частности, они свидетельствуют о том, что в северном и в главном источниках мазерные пятна связаны с биполярными истечениями (вылетающими от формирующейся звезды) Обнаружено, что многие мазерные пятна образуют структуры типа цепочек.
В свою очередь, проведенный анализ представляет интерес для пополнения картины процесса звездообразования, поскольку исследованные мазерные пятна связаны с молодыми, формирующимися звездами (возможно, со скоплениями звезд) и, отчасти, их поведение связано с поведением самих звезд и коконами вокруг них.
Апробация результатов.
Результаты, приведенные в данной диссертации, были доложены на Ломоносовских чтениях (май 2004 г.), на ВАК 2004 (июнь 2004 г.) и на международном симпозиуме «Астрономия 2005». По теме диссертации опубликовано 4 статьи в Астрономическом журнале (см. 3.5). Имеются также две публикации в сборниках тезисов докладов.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования интегрального потока мазерного излучения в направлении источника Sgr В2. Найдены медленные вариации с минимумом в 1992;1994 гг., вариации с характерным временем больше 22-х лет и более быстрые периодические вариации с периодом 2 года.
2. Результаты анализа переменности центроида скоростей. Обнаружены медленные вариации с характерным временем больше 22 лет и минимум в 1996;1998 гг., и периодические вариации с периодом 2 года.
3. Результаты сопоставления кривых интегрального потока и центроида скоростей. Здесь было найдено, что 2-летние периодические вариации обеих кривых коррелируют между собой.
4. Результаты анализа супервспышек 1986;1987 гг. и 2004 г. Эти вспышки оказались разного характера и принадлежат разным источникам (К и М соответственно). Обе вспышки связаны со значительным повышением активности нескольких деталей и, видимо, связаны с молекулярными истечениями. Во вспышке 1986;1987 гг. имело место последовательное возбуждение мазерных пятен.
5. Результаты анализа средних спектров мазерного излучения. Были построены средние спектры для интервалов 1982;1992 гг. и 1993;2003 гг. Оказалось, что они обнаруживают неплохое подобие, как по амплитуде, так и по своей структуре.
6. Результаты анализа отдельных спектральных деталей. Были рассмотрены их основные характеристики: ширина линии, переменность потока, принадлежность к конкретному источнику (Ы или М), дрейф по лучевой скорости.
7. Модель источника построена после анализа всех результатов. Оказалось, что как в источнике И, так и в источнике М, мазерные пятна связаны с молекулярными истечениями и некоторые из них образуют структуры типа цепочки. Молекулярные истечения и приводят к всплескам излучения этих, компактно сгруппированных пятен.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора диссертации можно охарактеризовать следующим образом.
Глава 2.
— Участие в наблюдениях в период 2001;2005 гг. Реализация разработанного автором метода разделения излучения в тесном двойном источнике, Sgr В2(1*) и В2(М).
— Участие в составлении каталога спектров мазерного источника Н2О в области Sgr В2, полученных при выполнении 23-летнего мониторинга на радиотелескопе РТ-22 Пущинской радиоасторономической обсерватории (при этом были учтены многочисленные инструментальные эффекты и поглощение мазерного излучения в атмосфере Земли, проведенные непосредственно автором диссертационной работы).
Глава 3.
— Проведен детальный анализ данных 23-летнего мониторинга мазера Н2О в Sgr В2. Получены зависимости от времени интегрального потока и центроида скоростей для спектров Н2О в интервале лучевых скоростей 40−80 км/с. Получены средние спектры для разных эпох наблюдений. Проведено разделение спектров на отдельные компоненты и определены их основные параметры. •.
— Сделан ряд интересных научных выводов о структуре и эволюции источников мазерного излучения в области Sgr В2, в том числе: проведено отождествление эмиссионных деталей, определены параметры супервспышек мазерного излучения, построена модель области мазерного излучения Н2О в Sgr В2(М), а также модели некоторых эмиссионных деталей.
По теме диссертации опубликовано 3 статьи в Астрономическом журнале (в соавторстве) и 2 в сборниках тезисов докладов (1 в соавторстве). Список работ приведен в конце главы «Заключение» .
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
1. Лехт Е. Б., Рамирес Эрнандес О., Толмачев A.M., Берулис И. И. // «Мазерное излучение НгО в направлении Sagittarius В2: Результаты мониторинга 1982;1992 гг.». Астрон. журн. 2004, т. 81, No. 3, с. 195−208.
2. Лехт Е. Е., Рамирес Эрнандес О., Толмачев A.M. // «Некоторые результаты 22-летнего мониторинга источника Sagittarius В2 в линии 1.35 см». Астрон. журн. 2004, т. 81, No. 12, с. 1059−1073.
3. Рамирес Эрнандес О., Лехт Е. Е., Толмачев A.M. // «Сильная вспышка мазера Н2О в Sagittarius В2(М)». Астрон. журн. 2005, т. 81, No. 12, с. 874−880.
4. Рамирес Эрнандес О., Лехт Е. Е., Толмачев A.M. // «Результаты 22-летних наблюдений мазера Н2О в источнике Sgr В2». Тезисы докладов на ВАК-2004 «Горизонты Вселенной». Труды ГАИШ, 2004, Т. 75, С. 165.
5. Рамирес Эрнандес О. // Переменность отдельных компонентов водяного мазера в Sgr В2″. Тезисы докладов на «Астрономия-2005: Состояние и перспективы развития». Труды ГАИШ, 2005, Т. 78, С. 78.
6. Рамирес Эрнандес О., Лехт Е. Е., Толмачев A.M. // «Эволюция отдельных компонентов мазера НгО в Sgr В2». Астрон. журн. 2005 (в печати).
В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.ф.-м.н. Е. Е. Лехту за большую помощь, оказанную при выполнении данной работы и за педагогическую работу. Хочется также поблагодарить к.ф.-м.н. Г. М. Рудницкого за постоянную поддержку, полезные советы, а также член-корр. РАН, проф. А. М. Черепащука за оказание содействия в процессе моей учебы в аспирантуре, М. К. Абубекерову за полезные указания, беседы и моральную поддержку, сотрудникам радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН (Пущино) за большую помощь в проведении наблюдений на РТ-22 и Национальному Совету по Науке и Технологии Мексики (С (ЖА-СУТ) за полную финансовую поддержку при обучении в аспирантуре и для совершения данной диссертационной работы.
Заключение
.
Хотя к настоящему моменту накоплено относительно много данных по мазерам водяного пара в области Sgr В2, все-таки, в силу ее сложной структуры, потребуется еще длительное и тщательное исследование, чтобы уточнить проявление физических процессов, особенно мазерных, протекающих в этой области звездообразования. Тем не менее, в данной работе удалось частично разгадать поведение и структуру мазерных пятен водяного пара, построить модели отдельных пятен и источников, которые хорошо объясняют наблюдаемые изменения мазерного излучения в линии Н2О 22 ГГц.
Для достижения целей, поставленных в настоящей работе, важными оказались данные, полученные нами при выполнении 23-летнего мониторинге [40, 41, 64, 65]. Даже такой длительный мониторинг оказался недостаточным, чтобы выявить долгопериодическую составляющую переменности мазерного излучения и чтобы объяснить более детальное поведение мазеров в отдельных областях Sgr В2(М) и Sgr В2(Г*).
В любом случае результаты, полученные в настоящей работе, хорошо дополняют физическую картину эволюции мазерных пятен водяного пара в области Sgr В2 и, надеемся, они послужат хорошей основой для продолжения исследования таких мазеров, как и в этой области, так и в других областях звездообразования.
Перечислим наиболее важные результаты диссертационной работы.
1. Построен каталог спектров мазера НгО в линии 22 ГГц в области активного звездообразования Sgr В2 для периода 1982;2004 гг. со спектральным разрешением 0.101 км/с и со средним интервалом между последовательными наблюдениями около 1.2 мес.
2. Проведены исследования и интерпретация переменности интегрального потока и центроида скоростей мазерного источника Н2О в В2. Найдены два компонента переменности, как для интегрального потока, так и для центроида скоростей: коротковременные (вспышечные) и среднепериодические. Обнаружена также корреляция между среднепе-риодическими вариациями интегрального потока и центроида скоростей. Ярковыраженног долгопериодического компонента перемености не было обнаружено. Если он все-таки существует, то может быть с периодом >20 лет. Наблюдаемая картина эволюции мазерного излучения может быть следствием сложной структуры центров активности в области SgrB2.
3. Обнаружены и исследованы две супервспышки мазерного излучения в 1986;1987 гг. и в 2004 г. Вспышки сильно различались по характеру переменности излучения и были отождествлены с источниками Sgr В2(Ы) и Sgr В2(М), соответственно. Общим является их связь с молекулярными потоками.
4. Исследованы и отождествлены основные эмиссионные детали с отдельными скоплениями мазернырс пятен в субисточниках SgrB2, N и М, согласно интерферометрическим картам Кобаяши и др. [34].
5. Обнаружены структуры эмиссионных деталей (мазерных пятен) в виде цепочек и волокон, в которых имеется градиент лучевой скорости. Показано, что такие структуры проявляются в периоды вспышечной активности мазеров в SgrB2, которые в этом источнике происходят довольно часто, со средним периодом около 8 мес.
6. Построена возможная модель мазера водяного пара в области Sgr B2(N). i.
