Влияние звездообразования на крупномасштабные процессы в галактиках

Введение
Проблема звездообразования по-прежнему остается одной из важнейших и астрономии. В последнее время был достигнут очевидный прогросс в понимании как образуются отдельные звезды: начиная со стадии перехода гравитационно устойчивого облака и джинсовски неустойчивую протозвезднуго конденсацию (1, 2. 3] и заканчивая стадией образования звезды или двойной системы из холодною (~ ЮЛ') и плотного (~ 10“18 гм гм3) протозвездного об.така (4, 5].
Согласно многочисленным наблюдениям молодые звезды в основном встречаются группами Это указывает на то, что и образоваться они могли только вместе, хотя и не обязательно одновременно. Неизменное соседство групп молодых звезд с облаками молекулярного водорода, очевидно, означает, что исходным материалом дчя звезд служат холодные молекулярные облака. Группы и скопления молодых звезд входят, как правило, и состав гигантских звездных и звездно-газовых комплексов, порожденных гигантскими молекулярными облаками. Вполне ВОЗМОЖНО, что звездные комплексы существуют длительное время п содержат рекуррентно действующие очаги звездообразования, вновь и вновь порождающие 01*-ассоциации взамен распавшихся вследствие ухода из них газа иод действием ультрафиолетового излучения молодых звезд п взрывов сверхновых. Таким образом, наряду с пониманием локальной природы звездообразования, важным становится понимание глобальных звездообразующих процессов о галактиках. Одним из проявлений крупномасштабной природы зиездообразующкх процессов являются вспышки звездообразования, когда темп рождения звезд в галактике в целом или в ее части многократно увеличивается по сравнению с фоновым значением.
Вспышки звездообразования в галактиках являются довольно распространенным явлением. Считается, что взаимодействие галактик является основной причиной вспышек. Так Тумре и Тумре [6), используя численный метод многих частиц, показали, что приливное взаимодействие галактик может приводить к существенному перераспределению материи. Они предположили, что поступление нового вещества может приводить к развитию зенышек звездообразования. Наблюдения с пространственным разрешением взаимодействующих галактик
2
покачали более высокий теми звездообразования п центральных областях по сравнению с галактическим диском [7]. Таким образом, в то время как взаимодействие стремится увеличить темп звездообразования во всей галактике, эффект проявляется сильнее в облает галактического ядра. Эти наблюдения согласуются с результатами численною моделирования взаимодействующих галактик [8].
Активное звездообразование в околоядерных областях может быть вызвано и не только приливным взаимодействием с другой галактикой. Наблюдения показывают [9], чю активное звездообразование в галактических ядрах сильно коррелированно с присутствиях! перемычек в этих галактиках. Впервые это было замечено О|хліком и Пасторизой [10], показавшими, что 24% ближайших БВа галактик обладают яркими околоядернмми областями, так называемыми "горячими пятнами1', позднее ассоциированными с: областями НИ и звездными комплексами. Было также замечено, что пгорячие пятна“ в основном находятся в галактиках раннего типа с перемычками. Более того, в этих галактиках наблюдаются более мощные вспышки звездообразования, чем в галактиках позднею типа с перемычками. Эю связано с тем. что массивные перемычки в галактиках раннего типа более эффективны в процессе переноса газа из диска в центральные области по сравнению со слабыми перемычками галактик позднего типа [11]. Все это согласуется с общей картиной, в которой темп звездообразования в галактических ядрах определяется в основном темпом поступления газа в окшоядерную область галактик.
Из вышесказанного можно предположить, что не существует универсальною механизма, вызывающего вспышки в галактиках. Интенсивные вспышки пямдообразоиання с интегральной светимостью в инфракрасном диапазоне £гя > встречаются в 70 %-95 % случаев во взаимодействующих галак-
гиках [12]. Умеренные вспышки звездообразования с Ьщ < 101<>£© встречаются значительно реже во взаимодействующих галактиках (20 %-30 % случаев), что свидетельствует в пользу внутренних механизмов генерации вспышек. Таким механизмом іенерации могут быть перемычки, инициирующие приток іаза в центральные области с последующим активным звездообразованием.
Причина вспышек звездообразования и галактиках может лежать и в самой
3
нелинейной природе процессов, происходящих в звездно-газовых галактических комплексах. Как известно, нелинейные системы имеют фундаментальное оиоПегво - способность к самоорганизации во времени и пространстве. Поэтому естественно ожидать проявления пространственно-временной организации в галактиках. в частности возникновения самоорганизующихся нелинейных колебаний темпа звездообразования, проявляющихся как вспышки звездообразования. Одним из важнейших процессов, ответственных за возникновение нелинейных колебаний темпа звездообразования, является индуцированное звездообразование, что подтверждено результатами численного моделирования в работах Водифи и де Лура [13]. Шо [14]. Щекинова |15] и Корчагина и др. [16]. Природа индуцированного звездообразования заключается в воздействии уже имеющихся звезд на межзвездную среду, приводящем к образованию новых звезд. Впервые идея индуцированного звездообразования была высказана в работе Олика [17]. в которой в качестве механизма индуцирования звездообразования предлагалось влияние вспышек сверхновой на окружающую межзвездную среду. Кребс и Хиллебрандт [18] в рамках двухмерной гидродинамической модели покачали, что ударная волна от сверхновой, взаимодействующей с облаком, может приводить, в зависимости от условий в облаке, или к его испарению или к звездообразованию в кем. Звездообразование начинается, если масса облака не слишком далека от джинсовского предела устойчивости и эффективно работают механизмы охлаждения.
В дальнейшем были предложены другие механизмы воздействия звезд на молекулярные облака, приводящие к увеличению темпа звездообразования. Так в работе Элмст рниа и Лады [19! рассматривалось влияние на молекулярные облака звездного вегра от погруженных в них ОВ-звезд. Расширяющиеся облает НИ вокруг молодых массивных звезд, например КЧЗС 2024 в туманности Ориона [20], также могут индуцировать дальнейшее звездообразование в родительском молекулярном облаке. Недавние трехмерные численные расчеты Фукуды и др. [21] показали возможность последовательного образования групп звезд в неоднородном молекулярном облаке в результате динамического воздействия расширяющейся зоны НИ. Важным механизмом индуцирования звездообразования в плотных облаках является их обжатие ультрафиолетовым излучением
4
близлежащих ()В шезд. Высокая эффективность этого процесса подтверждена как наблюдениями, так и численным моделированием. Так, в работе Кляйна и др. [22] показано, что ударная волна вызванная давлением излучения двух О звезд может привести к тысячекратному сжатию холодного облака массой 84 .\/,э. Приблизительно половина облака испарится, оставшиеся же плотные неоднородности могут образовать звезды. Наблюдательным подтверждением эффективности данного процесса индуцирования звездообразования являются так называемые ВКСобьекты или облака с яркими краями. Яркие к|>ая в таких облаках представляют собой ионизационные фронты, созданные улотрафииче-говым излучением близлежащего кластера ОН звезд. Наблюдения Сугнтнни и ,ф. [23] показали, что эти облака в большинстве случаев включают в себя кластеры звезд типа Т-Тельца. Причем отчетливо заметно пространственно-временное упорядочение звезд в кластр|>е, когда самые мсхподые звезды типа Т-Тельца наиболее удалены от ОВ кластера. Наиболее же удаленными объск-тами от ОВ кластера являются точечные источники инфракрасного излучения (IRAS объекты), представляющие собой, по-видимому, гравитационно сжимающиеся протозвезды. В данном примере ярки проявляется одна из важнейших особенностей индуцированного звездообразования - его распространяющийся характер.
Вышеупомянутые процессы индуцирования звездообразования представляют собой пример положительной образной связи в звездообразующих комплексах (positive feedback), когда звезды своим воздействием вызывают дальнейшее звездообразование и. следовательно, увеличение массы звезд в целом- Однако воздействие звезд может приводить и к прекращению звездообразования. Ультрафиолетовое излучение и звездный ветер от новорожденных звезд разрушают родичх'льгкое молекулярное облако. Подавление звездообразования за счет прогрева и турбулкзации межзвездной среды возможно, по-внднмому, и в масштабе всей галактики. Эти процессы представляют пример отрицательной обратной связи (negative feedback) в звездообразующих комплексах. Таким образом, изучение пространственного и временного поведения галактик невозможно без учета нелинейного взаимодействия звезд и межзвездной среды, а построение моделей звездообразования, включающих механизмы нелинейных
5
обратных связей, является актуальной астрофизической задачей.
Существует, однако, принципиально иной механизм обратной связи, приводящий к возникновению периодических незатухающих осцилляций уже в сравнительно простых системах - немгновенность протекания процессов. Возникновение периодических нелинейных осцилляций при достаточно большом времени запаздывания хорошо известно в экологических задачах |21|. Применительно к звеэдообрязующим системам на важность зффекюн запаздывания обращалось в работе (И). Однако наличие процессов с запаздыванием в системе не всегда приводит к осцилляторному поведению, и в каждом случае требуется отдельное исследование.
В работе Корчагина и др. [16] исследовалась потеря устойчивости динамическою положения равновесия и. соответственно, возникновение незатухающих нелинейных осцилляций, связанных с учетом н|х*мсни прев]>Я1цения выброшенного звездами горячего газа в облака. Детальное исследование ршш процессов запаздывания в звездообразован и и показало, что незатухающие периодические колебания темпа рождения звезд возникают при выполнении двух условий: достаточно большой длительности запаздывания и преобладающем вкладе индуцированного рождения звезд над спонтанным. В работе [1Г>| также рассмотрены различные сценарии возникновения незатухающих нелинейных осцилляций. Во всех случаях качественная картина поведения системы, в частности период и амплитуда колебаний, нечувствительна к начальным условиям. Нечувствительность установившегося режима колебаний к начальным условиям позволяет рассматривать их как временную самооранизацик». Таким образом, вспышки звездообразования дают яркий пример временной самоорганизации в галактиках. Интересно отметить, что когерентные осцилляции темпа звездообразования, полущенные в работе [25]: также обусловлены процессами запаздывания -конечным временем превращения ’'неактивного'' газа в "активный".
Точка зрения, что звездообразующне системы могут быть неустойчивыми и испытывать периодические вспышки звездообразования не является общепринятой. Парра на но и др. [26], исследуя самоорганизующиеся вспышки звездообразования, нашли, что осцилляции » звездообраэующих системах маловероятны. Согласно П&рравано и др. [26], основным механизмом, подавляющим
6
процесс звездообразования в галактиках, является испарение облаков вызванное ультрафиолетовым излучением массивных звезд. Учет этого механизма регулирования звездообразования приводит к быстрому подавлению колебаний тейпа звездообразования.
Следует отметить, что Иарранаио и др. [26] учли не все циклические процессы перераспределения вещества в галактиках. Они учли только процесс превращения выброшенного массивными звездами горячего газа в теплый атомарный газ и связанное с эти процессом время запаздывания. Однако активное звездообразование в гигантских молекулярных облаках приводит к испарению большей части этих облаков за счет ультрафиолетового излучения массивных звезд и взрывов сверхновых. Согласно недавним исследованиям [27), вспышка одной сверхновой приводит к испарению около 600 Л/© окружающего сверхновую холодного газа. Этот горячий {Т as 105-106К) газ, смешиваясь с остатками вспышки сверхновой, выбрасывается в гало, где затем остывает и падает назад на галактический диск [27, 28]. В главе I данной диссертации и [29] показано, что учет этого циклического процесса перераспределения вещества между диском и гало в звездообразующих системах с регулированием звездообразования приводит к развитию периодических вспышек звездообразования для широкого спектра параметров системы. Выявлены условия, определяющие возникновение незатухающих колебаний темпа звездообразования и показано, что саморегулирование звездообразования, предложенное Парравано и др. (26;. не является универсальным механизмом, подавляющим вспышки звездообразования в зкпзднооблачно-газовых системах. Исследование колебаний темпа звездообразования может быть использовано для объяснения темпа рождения звезд в галактиках позднего типа, обсуждавшегося в работе Кенникатта и др. [74].
Как уже отмечалось, нелинейные системы имеют способность к самоорганизации как во времени, так и в пространстве. Наличие нелинейных обратных связей в ли-зд но газовых подсистемах галактик дезтег возможной такую про странсгвенную самоорганизацию, как еамораспросграняющаяся волна индуцированного звездообразования. Блаау [30: были представлены первые убедительные свидетельства распространения звездообразования внутри ассоциаций. Мм было показано, что звезды н ассоциациях образуют подгруппы с различпы-
7
ми возрастами, упорядоченными в пространстве от более старых к молодым. Это явным образом свидетельствует о распространяющемся характере звездообразования внутри ОВ-ассоцнацнй. Пространственно-временное упорядочение звезд типа Т-Тельца в облаках с яркими краями также представляет собой пример распространяющегося звездообразования в гигантских молекулярных облаках [23].
Волны индуцированного звездообразования наблюдаются также и в других галактиках. Одним из наиболее исследованных примеров являются области распространяющегося звездообразования в Большом Магеллановом Облаке. При детальном изучении области І..МС4 и связанного с нею звездного скопления Шеплн III выяснилось, что звездообразование в этой области БМО началось приблизительно 15 млн. лет назад и распространяется от центра к периферии с постоянной скоростью 36 км/сск [31]. Таким образом, феномен Шеплн III демонстрирует яркий пример волны звездообразования.
Другими интересными объектами, которые, ио-видимому, связаны с волнами распространяющегося звездообразования, являются кольцевые галактики. Оказывается, что в кильцах многих из них теми 3 вездообразо ваі і и я в десятки раз превышает темп звездообразования в нашей галактике. Так во внешнем колъцр галактики "Тележное Колесо” наблюдаемый темп звездообразования составляет 67 Л/,3 в год. Кольцевые галактики привлекли пристальное внимание астрономов и начале 70-х годов, когда Фримап и Вокулер [32] сделали первую попытку объяснения происхождения кольцевой структуры как результат столкновения боїатой газом спиральной галактики с внегалакіическим облаком. Однако егце в 1073 г. Теус и Шпигель [34] заметили, что спутники кольцевых галак-тнк часто лежат на проекции малой оси кольца. После этого Линде и Тумре [34] представили модель, объясняющую морфологию замечательной двойной кольцевой галактики ПН/Л. Они продемонстрировали, что кольцевые структуры могут быть результатом специфического столкновения двух галактик, при котором менее массивная галактика проходит через центр более массивной вдоль оси вращения последней. Результирующее гравитационное возмущение в диске галактики-мишепи приводит к дифференциальным радиальным осцилляциям звезд и газа, проявляющим себя в виде распространяющихся радиально коль-
8
цевых волн плотности. Предполагается, что в месте своего нахождения волна плотности инициируй* активное звездообразование н соответствии с законом Шмидта, если поверхностная плотность газа превосходит пороговое значение, определяемое критерием Тумре. Наблюдения Теуса и Шпигеля [33] подтвердили. что большинство кольцевых галактик имеют маломассивные спутники на расстоянии ь несколько галактических радиусов, лежащие вблизи проекции малой оси кольцевой галактики.
Позднее Фыо и Мадоре [35) провели анализ 69 кольцевых галактик и выделили два основных класса: О-тлпа и П-типа. Согласно этой классификации, галактики О-типа состоят из центрального ядра и кольца, правильной и гладкой формы, в то время как галактики П-типа содержат смещенное относительно галактического центра ядро и узловатое кольцо. Легальное исследование спутников этих кольцевых галактик показало, что галактики П-типа являются, скорее всего, результатом недавнего столкновения. Происхождение же большинства галактик О-типа не может быть объяснено в |>амках сголкновительной теории из-за отсутствия спутников - очевидных кандидатов на роль "детонатора'.
У выше представленной "кинематической* модели образования кольцевых галактик распространяющейся радиально кольцевой волной плотности существуют определенные трудности. Дэйвис и Мортон [.%] заметили, что масса спутника кольцевой галактики А0035-335 "Тележное Колесо", предположительно ответственного за генерацию колец, составляет около 5 - 10% от массы самой галактики и недостаточна для генерации заметной кольцевой структуры. Недавние наблюдения атомарного водорода 111 Хигдоном [37) подтвердили, что масса каждого из трех спутников составляет не более 6% от массы галактики "Тележное Колесо". Атанасула и др. [35], используя численный метод многих частиц, последовали вопрос формирования кольцевых структур п галактических дисках при столкновении с маломассивными спутниках***. Они нашли, что минимальная масса спутника, необходимая для моделирования наблюдаемых колец и спиц в галактике "Тележное Колесо”, составляет ‘20% от массы этой галактики. К таких* же результатам пришли Тсучиа и др. [39), моделируя образование газовых рукавов соединяющих кольцевые галактики со своими спутниками.
9
К другим трудностям у вышеупомянутой модели волны плотности относятся н недавние наблюдения Хигдона [40). Они показали почти полное отсутствие атомарного водорода во внутреннем кольце и спицах галактики ’Тележное Колесо", что находится и противоречии с предсказаниями данной модели.
Вместе с тем. наблюдения указывают на вероятный факт столкновения в недавнем прошлом галактики "Тележное Колесо" и У1іг\»-466 с другими менее массивными галактиками. Так Хигдон -10] для случая "Тележного Колеса” и ЭнплтОн и др. [42] для случая \TJZw46fi обнаружили рукава нейтрального водорода, соединяющие эти іалакшки с одним из предполагаемых спутников. Теор<-гическое модели|)Ованис подтверждает возможность образования газовых рукавов, соединяющих кольцевые галактики со своими спутниками после столкновении [39].
Таким образом, наблюдения указывают на столкновительную модель образования кольцевых галактик. В то же время некоторые результаты кинематической теории не согласуются с наблюдениями.
В главе И и [431 применена другая модель образования кольцевых галактик, согласно которой окодоценгральное столкновение более массивной галактики с мемее массивной играет роль "детонатора", приводящею к образованию и распространению самоорганизующейся волны звездообразования, подобной так называемой волне "огня в лесу" [25]. В данной модели столкновение приводит к вспышке звездообразования в центре богатой газом галактики и генерирует самораспростраияюшуюси наружу кольцевую волну индуцированного звездообразования. которая и представляет собой наблюдаемые кольцевые структуры. Эффекты, связанные с массивными звездами, контролируют распространение такой волны. Впервые эта идея была предложена Дэйвисом и Моргоном [36], как возможное решение проблемы недостаточносги массы спутника "Тележное Колесо". Теория таких волн подробно разработана Корчагиным [44]. применена к очагам звездообразования Корчаг иным и др. [46], к нахождению градиентов тяжелых элементов |4б] н объяснению наблюдаемых цветов галактики "Тележное Колесо” (47).
На основе модели распространения индуцированного звездообразования в звездно-газовой среде (4-І) выполнено численное моделирование образования
10
кольцевых галактик самораснрострвняющейся кольцевой волной индуцированного звездообразования, порожденной окотоцентральным столкновением галактик, и посчитаны теоретические радиальные профили поверхностных яркостей в линии На и полосе R галактики "Тележное Колесо”, используя программу популяционного синтеза Майа [48. 49). Наилучшее согласование теории с наблюдениями найдено дли скорости полны индуцированного звездообразования v 90 км/сек.
Теоретическое моделирование воспроизводит наблюдаемый в ряде кольцевых галактик сдвиг между максимумами поверхностных яркостей в паюсе К и линии На [41). Максимум в На систематически опережает максимум в К, причем величина смещения растет с увеличением скорости раснросграиення ватны индуцированною -звездообразования Показано, что максимум излучения в полосе К не отслеживает патоженис волны плотности звезд, как предпатагается в кинематической модели образоиання кольцевых галактик (41), а скорее пред-ставляет собой стареющие звезды за фронтом распространяющейся радиально волны звездообразования.
Наблюдаемые радиальные профили поверхностных яркостей в На и R іа-лактики "Тележное Колесо” могут быть объяснены также и моделью волны плотности. Таким ибразом, затруднительно определить какой механизм образования кольцевых структур задействован в случае галактики "Тележное Катс-со". Возможно, оба механизма дополняют друг друга к обеспечивают наблюдаемый высокий теми звездообразовании но внешнем кольце. В виду вышеупомя-нугых трудностей модели волны плотности для іалактики "Тележное К ил его”, механизмы индуцирования звездообразования новорожденными звездами .могут играть важную рать в динамике іаза и, следовательно, в формировании катьцевых структур.
Характерной особенностью образования катьцевых галактик является наличие распространяющейся радиально егг галактического центра кольцевой волны звездообразования. Такая ваша оставляет за собой стареющее звездное население. Наиболее молодые звезды очерчивают текущее положение волны, которое и представ, і я із собой видимое в оптическом диапазоне яркое галактическое кольцо. Таким образом, возраст звездного населения обратно пропорционален
11