Актуальность темы
.
Изучение массивных звезд является одной из наиболее актуальных задач современной астрофизики. Влияние массивных звезд на эволюцию галактик значительно. Ультрафиолетовое излучение массивных звезд нагревает пыль, при вспышках сверхновых и ветрами таких звезд в галактику поставляется механическая энергия, тяжелые элементы, которые определяют химическую эволюцию галактик.
Стадия Голубых Ярких Переменных (Luminous Blue Variables, LBV) в эволюции массивных звезд наименее изучена, но наиболее важна и интересна [35]. Звезды LBV характеризуются высокой болометрической светимостью (их светимость близка или превышает критическую или эддингтоновскую светимость), неправильной переменностью блеска и гигантскими извержениями. Прототипами звезд класса LBV являются Г] Саг и Р Cyg в нашей Галактике. В 1600 — 1655 годах звезда Р Cyg резко увеличила свой блеск в видимом диапазоне, испытав гигантское извержение и выбросив в межзвездную среду до 10 М©вещества. В начале XIX века аналогичное поведение наблюдалось у звезды ?/ Саг, которая в результате подобных извержений образовала вокруг себя знаменитую туманность Homunculus. Предполагается, что г/ Саг находится на такой стадии, что в обозримое время может взорватся как сверхновая.
Однако, большинство звезд LBV-класса пока не показывали гигантских извержений. Во время визуального минимума блеска таких звезд («горячие LBV») максимум излучения смещается в ультрафиолетовую область. А во время визуального максимума блеска («холодные LBV»), когда максимум излучения находится в видимом диапазоне, наблюдается резкое повышение темпа потери массы, скорость ветра уменьшается до 100−200 км/с. В относительно спокойном состоянии-(«спящие LBV») эти звезды могут быть подобны звездам WNL и не показывать значительных изменений блеска, трудно доказать, что данные звезды принадлежат классу LBV. Например, классические LBV-звезды PCyg и 77 Саг сейчас находятся в спокойном состоянии и при современных обзорах в нашей Галактике, скорее всего, они не были бы заподозрены в принадлежности классу LBV-звезд. Более того, если бы они находились в близких галактиках М31 или МЗЗ, они вообще не были бы обнаружены.
За 40 лет наблюдений Э. Хаббл и А. Сендидж открыли в галактиках М 31 и МЗЗ всего пять LBV-звезд [33], изучив их неправильную переменность. Сейчас в нашей Галактике и всей Местной Группе галактик известно не более 20 подтвержденных LBV-звезд, кроме этого к кандидатам в LBV-звезды отнесены около 70 объектов [46, 71]. Однако, доказать принадлежность кандидата к классу LBV достаточно непростая задача. Только гигантские извержения на этих звездах или изменения их блеска более чем на О^б, совместно со спектром «типичной LBV», могут стать стопроцентным доказательством.
Галактики Местной Группы, разрешаемые на отдельные звезды, являются замечательными лабораториями для исследования массивного звездного населения в них. Так как металличности галактик в Местной Группе изменяются от 0.3 Z0 до 4 ZQ, то можно изучать влияние металличности и морфологического типа галактики на эволюцию массивных звезд.
При поиске статистических закономерностей и исследовании эволюции массивных звезд по диаграмме температура — светимость для LBV-звезд нашей Галактики существует большая неопределенность в светимости, которая связана с неопределенностью в расстоянии. Кроме того, значительную неопределенность вызывают неточное знание величин межзвездного поглощения света в пыли Галактики. Для звезд в галактиках Местной Группы, расстояние до которых хорошо определено, а величина поглощения в направлении на данную галактику также хорошо измерена, положение на диаграмме температура — светимость фиксируется существенно более точно. По этой причине исследования массивных звезд в галактиках Местной Группы могут быть чрезвычайно плодотворными.
В поиске LBV-звезд в галактиках Местной Группы в последнее время наметились определенные сдвиги. Многочисленные попытки найти эмиссионные объекты типа SS433 [5, 20], поиск ультрафиолетовых источников [45], а также полные фотометрические обзоры всего звездного населения галактик Местной Группы [47] выявили большое количество кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции. Только кардинальное расширение выборки LBV-звезд и кандидатов в LBV-звезды позволит понять статистические свойства объектов этого класса, а также эволюцию массивных звезд в целом. Пусть даже некоторые из вновь найденных объектов впоследствии будут исключены из LBV-класса.
В Галактике массивные звезды на финальных стадиях эволюции можно обнаружить по оболочкам вокруг звезд на инфракрасных изображениях [27]. Таким образом в Галактике недавно были открыты новая LBV-звезда [28] и две звезды Wolf-Rayet редкого типа WN8−9h и WN7h [29, 30].
Современные обзоры галактик Местной Группы в инфракрасном диапазоне с высоким пространственным, разрешением (орбитальная обсерватория Spitzer) позволяют более детально изучать спектральные распределения энергий для вновь отобранных кандидатов, выявляя наличие околозвездной оболочки, следы недавних выбросов вещества в межзвездную среду и даже переменность объектов в этом диапазоне. Многочисленные программы по поиску переменных звезд в разных галактиках с использованием широкоформатных ПЗС-матриц или мозаик из них, с возможностью фиксировать изменения звездной величины с амплитудой менее 07*1, дают уникальную возможность выявлять даже «спящие» LBV. Расширение списка известных LBV-звезд, их изучение и попытки понять физическую природу LBV-феномена становится возможным на современном этапе развития наблюдательной и теоретической базы. Все это обеспечивает актуальность темы диссертации.
Цель работы.
Целью предпринимаемого в диссертации исследования является:
• на основе фотометрических изображений, полученных в рамках проекта «Исследование звездного населения в разрешаемых на отдельные звезды галактиках Местной Группы» [47], отобрать эмиссионные объекты — кандидаты в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике М 33;
• провести кросс-идентификацию выбранных кандидатов с объектами из других крупных обзоров галактики М 33;
• провести спектроскопию кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции с целью подтверждения их эмиссионной природы, а также изучить спектры наиболее интересных объектов;
• на инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer, выполнить фотометрические измерения для наиболее интересных кандидатов, с целью выявления их пылевой активности;
• изучить однородным методом все ранее известные LBV-звезды, а также вновь найденные кандидаты в LBV в галактике М 33. По спектрам этих объектов оценить величину межзвездного поглощения. По спектральному распределению энергии при известном значении межзвездного поглощения определить температуру и светимость звезд и их пылевых компонент. По диаграмме температура — светимость, используя модельные расчеты эволюции звезд разных масс, определить массы звезд;
• провести детальную спектроскопию звезд в нашей Галактике, выделенных на основе поиска объектов с круговыми оболочками на инфракрасных изображениях Spitzer, с целью классификации этих звезд. Выполнить фотометрические измерения для этих звезд на инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer.
Научная новизна работы.
Все основные результаты работы являются новыми и состоят в следующем:
1. На основе ПЗС-изображений галактики МЗЗ проведен поиск звезд с Да-эмиссией с пределом до V<18m5. В результате впервые был составлен наиболее полный каталог кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции, поскольку даже с учетом возможного. межзвездного покраснения он содержит все сверхгиганты классов светимости lab и ярче, а также наиболее горячие сверхгиганты класса светимости lb (со спектрами ВО и ранее). Каталог содержит 185 голубых и 25 покраснённых объектов, предположительно испытывающих заметное межзвездное покраснение;
2. В результате кросс-идентификации нашего каталога с каталогами рентгеновских, ультрафиолетовых, переменных объектов в галактике М 33 было показано, что 29% являются переменными и 15% — ультрафиолетовыми источниками;
3. Проведена спектроскопия 49 голубых и 17 покраснённых объектов на.
6-м телескопе БТА;
4. В результате спектроскопии обнаружены новая LBV-звезда и два новых LВV-кандидата в галактике МЗЗ. Детально изучены спектры этих объектов;
5. На инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer, выполнены фотометрические измерения для всех классических LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух LBV-кандидатов в галактике МЗЗ;
6. Впервые для LBV-звезд применен метод оценки межзвездного поглощения по бальмеровскому декременту окружающих звезды Н П-областей;
Т. На основе спектральных распределений энергии определены фундаментальные параметры всех классических LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух LBV-капдидатов в галактике М 33. Найдены температуры, светимости, массы, радиусы звезд, а также температуры и светимости окружающих их пылевых компонент. Сделан вывод о спорадической природе пылевой активности, которая возникает, вероятно, вследствие мощных выбросов вещества;
8. Проведена оптическая спектроскопия двух звезд Галактики, выделенных на основе поиска объектов с круговыми оболочками на инфракрасных изображениях Spitzer. Обнаружено, что они являются объектами редкого класса WNL. Изучены спектры этих звезд, на основе моделирования определены фундаментальные параметры этих звезд;
9. На инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer, выполнены фотометрические измерения для двух новых WNLзвезд Галактики. Построено спектральное распределение энергии в широком диапазоне длин волн (3000А — 70мкм).
Теоретическая и практическая значимость.
Результаты диссертации имеют как практическую, так и теоретическую ценность. В главе 1 проведен отбор кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции. Составлен новый каталог, который является на текущий момент самым полным, включающим все сверхгиганты галактики МЗЗ. Изучение спектров этих объектов позволит изучить массивное звездное население во всей галактике МЗЗ.
Обнаруженные новая LBV-звезда (седьмая в М 33) и два LBV-кандидата, спектры и переменность которых описываются в главе 2, расширяют список известных LBV-звезд, более подробное изучение которых в будущем позволит понять природу LBV-феномена.
Определенные в главе 3 единым методом фундаментальные параметры LBV-звезд галактике МЗЗ (светимости, температуры, массы, радиусы и величины межзвездного поглощения, параметры пылевых оболочек) позволяют оценить влияние металличпости и окружения на LBV-феномен. Однако, на данный момент малое количество подобных объектов, известных в астрофизике, еще не позволяет уверенно делать выводы об эволюции массивных звезд.
Обнаружение и спектральное исследование двух звезд редкого класса WNL, описанное в главе 4, определение металличности их ветров, содержание водорода позволит понять связь между WNL и LBV.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Список звезд с эмиссией в линии На — кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике МЗЗ. Список содержит 185 голубых и 25 покраснённых объектов, предположительно испытывающих межзвездное поглощение света в галактике М 33;
2. Открытие новой LBV-звезды из нашего списка голубых объектов и двух кандидатов в LBV-звезды из списка покраснённых объектов в галактике М 33;
3. Определение фундаментальных параметров всех известных классических LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух новых кандидатов в LBV-звезды в галактике МЗЗ. Определены температуры, светимости, массы, радиусы и величины межзвездного поглощения этих звезд, а также температуры и светимости окружающих их пылевых оболочек;
4. Результаты оптической спектроскопии и инфракрасной фотометрии двух новых WNL-звезд в нашей Галактике, отобранных на основе инфракрасных изображений космического телескопа Spitzer.
Апробация работы.
Результаты работ обсуждались на семинарах Специальной астрофизической обсерватории РАН, на кафедре астрономии университета г. Оулу (Финляндия) и на кафедре астрономии Казанского (Приволжского) Федерального Университета. Результаты докладывались на следующих конференциях:
1. «Астрономия и астрофизика начала XXI века» — Москва, 1−6 июля 2008 г.
2. «Star Formation from Spitzer (Lyman) to Spitzer (Telescope) and Beyond» — Vienna, Austria, 10−12 сентября 2008 г.
3. «The Third NEON Archive Observing school» — ESO, Garching, Germany, 27 августа — 6 сентабря 2008 г.
4. «The multi-wavelength view of Hot, Massive Stars» — Liege, Belgium, 12−16 июля 2010 г.
Публикации по теме диссертации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях общим объемом 45 страниц. Все статьи опубликованы в рецензируемых журналах.
1. A. F. Valeev, О. Sholukhova, S. Fabrika- «A new luminous variable in M 33» — Monthly Notices of the Royal Astronomical Society- 2009, v. 396, p. L21.
2. V. V. Gvaramadze, S. Fabrika, W.-R. Hamann, O. Sholukhova, A. F. Valeev, V. P. Goranskij, A. M. Cherepashchuk, D. J. Bomans, L. M. Oskinova- «Discovery of a new Wolf-Rayet star and its ring nebula in Cygnus» — Monthly Notices of the Royal Astronomical Society- 2009, v. 400, p. 524.
3. А. Ф. Валеев, О. H. Шолухова, С. Н. Фабрика- «Поиск LBV кандидатов в галактике МЗЗ» — Астрофизический бюллетень, 2010, v. 65, р. 140 (arXiv:1007.5383).
4. V. V. Gvaramadze, A. Y. Kniazev, W.-R. Hamann, L. N. Berdnikov, S. Fabrika, A. F. Valeev- «New Wolf-Rayet star and its circumstellar nebula in Aquila» — Monthly Notices of the Royal Astronomical Society- 2010, v. 403, p. 760.
5. А. Ф. Валеев, О. H. Шолухова, С. Н. Фабрика- «Два новых LBV-кандидата в галактике МЗЗ» — Астрофизический бюллетень, 2010, принята к печати (arXiv:1009.1165).
Личный вклад автора.
Во всех работах спектральные данные на телескопе БТА были получены автором. Автором были проведены фотометрические измерения на оптических изображениях, полученных на 4 м телескопах NOAO и СТЮ, и на инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer. В работах [1,3,5] автор внес равный вклад в обсуждение результатов всей работы. В работах [2,4] автором измерены инфракрасные потоки и получены спектральные распределения энергии.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитированной литературы из 75 наименований, содержит 120 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 9 таблиц.
Выводы.
В данной главе представлены результаты исследования двух новых WR-звезд в Галактике (WR138a и WR121b), обнаруженных в результате поиска оболочек вокруг звезд на изображениях космического телескопа Spitzer в полосе 24мкм.
На 6-м телескопе САО РАН и 3.5-м телескопе Calar Alto были получены спектры объектов. Измерены интенсивности, ширины и радиальные скорости основных линий. Выполнена детальная классификация обоих объектов: звезда WR138a принадлежит классу WN8−9h, WR121b — классу WN7h. На инфракрасных изображениях, полученных на телескопе Spitzer, измерены потоки от объктов и построено спектральное распределение энергии (SED) для обеих звезд в широком диапазоне длин волн (3000−700 000А). На основе моделирования оптических спектров были найдены фундаментальные параметры для WR138a и WR121b. log x [A].
I I’illIIIIII!!II I I 1 1.
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5.
W 1 rXl.
Рис. 4.5. Наблюдаемые распределения энергии в спектрах WR138a (сверху) и WR121b (внизу). Модельное распределение приведено сплошной линией (в энергетических единицах), оно исправлено за межзвездное поглощение и нормировано к принятому до объекта расстоянию (см. табл. 4.2). Наложены калиброванный спектр звезды и фотометрические измерения. Модели получены проф. В. Р. Хаманном.
Заключение
.
В данной работе представлены поиск и исследование массивных звезд на финальных стадиях эволюции в галактиках МЗЗ и Млечный Путь. Еще раз перечислим основные результаты работы:
• На ПЗС-изображепиях галактики МЗЗ были проведены фотометрические измерения для 2304 звезд с V<185 в 4 широких UBVR и узком Ла-фильтрах. Был составлен каталог звезд с эмиссией в линии На, в который вошли 185 голубых ((В — У)<(Г35) и 25 красных (0?135<(В -/)<1ш2) звезд — кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции. С учетом модуля расстояния до галактики МЗЗ, равного 24™9, и возможного межзвездного поглощения (Ау-Л^О) было найдено, что каталог содержит все яркие сверхгиганты классов светимости lab и ярче, и наиболее горячие сверхгиганты (со спектрами ВО и ранее) класса lb. Таким образом в первой главе представлен наиболее полный список кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике МЗЗ.
• При кросскорреляции координат с другими каталогами объектов в М 33 было получено, что 12% объектов отождествляются с ультрафиолетовыми источниками, 29% - с переменными звездами. А сравнение с каталогами эмиссионных объектов [46] и [23] выявляет 62% и 27% совпадений соответственно.
• На 6-м телескопе БТА были получены спектры объекта N93351 (J013352.39+303 909.56). Бьтл проведен детальный анализ спектров, измерены эквивалентные ширины большинства линий. Наличие широких компонент в профилях линий На (800 км/с) и Hf3 (950 км/с), а также наличие линий [Сап] АА7291,7323 указывают на наличие пылевой.
101 оболочки вокруг этого объекта. По бальмеровскому декременту линий туманности, окружающей звезду, была определена величина межзвездного поглощения Ау=0.75−1.0. По спектральному распределению энергии в диапазоне 3000 — 80 000 АА показано наличие инфракрасного избытка и в чернотельном приближении определены параметры звезды и пылевых оболочек (Т* та 16 000 К, Ттепл. ~00 К, Тхол. та 420 К, IgL/L© та 6.27, суммарный вклад пыли в болометрическую светимость составляет ~4%). По архивным данным построена кривая переменности блеска звезды, из которой сделан вывод об амплитуде неправильной переменности ~0714. Обобщая все данные об этом объекте, сделан вывод, что он принадлежит классу LBV-звезд.
На 6-м телескопе БТА были получены спектры объектов N45901 и N125093. Межзвездное поглощение, определенное по бальмеровскому декременту линий туманности, Ау~2.3−2.7, подтверждает наше предположение о наличии дополнительного покраснения этих звезд в самой галактике М 33. Мы исследовали спектральные распределения энергии для этих объектов, которые указывают на высокую болометрическую светимость объектов. Данные объекты были отнесены к LBV-кандида-там.
Единным методом были определены величины межзвездного покраснения, температуры и светимости звезд и пылевых оболочек для 6 известных LBV-звезд в галактике М 33. Было подтверждено наличие большого инфракрасного избытка у Var, А в МЗЗ.
Поскольку максимальный разброс светимостей для LBV-звезд в галактике М 33 составляет 1 dex, а разброс суммарной светимости пылевых компонент составляет 2 dex, делается вывод, что о спорадической природе вспышечной активности LBV-звезд.
• Исследованы спектры двух новых WR-звезд редкого подкласса WNL в нашей Галактике, обнаруженных в результате поиска оболочек вокруг звезд на изображениях Spitzer в полосе 24 мкм. На 6-м телескопе САО РАН и 3.5-м телескопе Calar Alto (Испания) были получены спектры этих объектов. На спектрах выявлены многочисленные детали, свойственные WR-звездам. Были измерены интенсивности и полуширины основных линий в спектрах обеих звезд. По отношению интенсивностей линий в спектрах была проведена спектральная классификация звезд — объект J201708.12-f410727.0 был классифицирован как WN8−9h, а объект J184927.34−10 420.8 — как WN7h. Были измерены потоки от объектов в инфракрасном диапазоне (полосы 3.6, 4.5, 5.8, 8.0, 24.0 и 70.0 мкм), на основе которых с привлечением данных из каталога 2MASS-o63opa и оптических измерений были построены спектральные распределения о о энергии в диапазоне от 3000−700 000 АА. Было выполнено детальное моделирование обоих спектров и определены фундаментальные параметры звезд.
В заключении хотелось бы поблагодарить С. Н. Фабрику за интересную тему и руководство работой, О. Н. Шолухову за всестороннюю помощь в работе, А. В. Моисееву за обучение методике наблюдений на телескопе БТА и на приборе SCORPIO, сотрудникам Лаборатории Физики Звезд за многочисленные обсуждения, многочисленным друзьям за моральную поддержку на протяжение всей работы и Р. И. Уклеину за внимательное прочтение рукописи диссертации.
