2
Оглавление
Введение 5
Актуальность работы............................................................ 5
Содержание работы.............................................................. G
Основные результаты, выносимые на защиту'..................................... 10
1 Наблюдения и обработка данных 15
1.1 Объекты исследования................................................ 15
1.2 Наблюдения на 6-м телескопе CAO РАН................................. 16
1.2.1 SCORPIO: изображения в эмиссионных линиях.......................... 16
1.2.2 SCORPIO в режиме щелевой спектроскопии............................. 18
1.2.3 SCORPIO в режиме интерферометра Фабри-Перо......................... 20
1.2.4 Панорамный мультизрачковый волоконный спектрограф MPFS .... 23
1.3 Использованные архивные данные наблюдений в линии 21 см на VLA и.космической ИК-обсерватории SPITZER 25
1.4 Заключение к главе 1................................................ 26
2 Исследование межзвездного газа в карликовой иррегулярной галактике 1C 10 27
2.1 Irr галактика 1C 10: общие сведения................................. 27
2.2 Структура и кинематика ионизованного и нейтрального газа в области бурного
звездообразования................................................... 30
2.2.1 Кинематика ионизованного газа...................................... 31
2.2.2 Кинематика нейтрального газа....................................... 37
2.2.3 Структура туманности HL111......................................... 42
2.2.4 Структура туманности НІЛ06......................................... 46
2.2.5 Общая структура области интенсивного звездообразования............. 48
2.2.6 Результаты исследования кинематики газа в 1C 10.................... 48
2.3 Спектр свечения газа в галактике 1C 10......................................................................... 49
2.3.1 Спектр свечения ионизованного газа................................. 50
2.3.2 Анализ использованных методов оценки обилия химических элементов 57
3
2.3.3 Оценка относительного содержания кислорода, азота и серы в НИ областях галактики 1C 10...................................................... 61
2.3.4 Сравнение полученных диагностических диаграмм относительных интенсивностей линий с теоретическими фотоиопизацноппыми моделями 68
2.3.5 Определение параметров ионизующих скоплений........................... 78
2.3.6 Результаты исследования спектра свечения газа в 1C 10................. 84
2.4 Заключение к главе 2........................................................ 86
3 Исследование межзвездного газа BCD галактики VII Zw 403 (UGC 6456) 87
3.1 Галактика VII Zw 403: общие сведения........................................ 87
3.2 Структура и кинематика межзвездной среды в области звездообразования . . 88
3.2.1 Общая структура области звездообразования в галактике................. 88
3.2.2 Кинематика ионизованного газа в области звездообразования............. 92
3.2.3 Обсуждение полученных результатов..................................... 09
3.2.4 Результаты исследования структуры и кинематики межзвездной среды
в VII Zw 403 ........................................................ 102
3.3 Спектр свечения газа в области звездообразования галактики VII Zw 403 . . . 103
3.3.1 Относительные интенсивностей эмиссионных линий....................... 103
3.3.2 Параметры комплексов H1I............................................. 108
3.3.3 Определение относительного содержания кислорода, азота и серы в комплексах НИ в VII Zw 403 ................................................... 110
3.3.4 Обсуждение полученных результатов.................................... 112
3.3.5 Результаты исследования спектра свечения комплекса звездообразования в VII Zw 403 .......................................................... 115
3.4 Заключение к главе 3....................................................... 116
4 Пылевая составляющая межзвездной среды галактик 1C 10 и VII Zw 403 118
4.1 Постановка задачи.......................................................... 118
4.2 Определение параметров пылевой составляющей МЗС и оценка массовой доли полицикличсских ароматических углеводородов (РАИ) в галактиках 1C 10 и
VII Zw 403 ................................................................ 120
4.3 Поиск корреляции массовой доли РАН с высокоскоростными движениями газа галактики 1C 10................................................................. 125
4
4.4 Поиск корреляции массовой доли РАН с локализацией атомарного и молекулярного газа ...................................................... 129
4.5 Поиск корреляции массовой доли РАН с металл и чностыо газа.......... 132
4.С Заключение к главе 4................................................ 134
Заключение 135
Литература
140
Введение
Актуальность работы
Исследования межзвездной среды в комплексах, бурного звездообразования галактик — одна из актуальных задач современной астрофизики. В таких комплексах наиболее отчетливо проявляется эффект суммарного действия ионизующей радиации, звездного ветра и вспышек сверхповых па окружающую межзвездную среду. Эти множественные источники излучения и механической энергии определяют физическое состояние, структуру и кинематику ионизованного и нейтрального газа, а также пыли в их протяженных окрестностях. Расширение оболочек и сверхоболочек, сформировавшихся под действием звездного ветра и сверхновых, инициирует новую волну звездообразования в остатках родительского гигантского молекулярного облака. Потеря вещества звезд в форме звездного ветра и при взрывах сверхновых обогащает газовую среду тяжелыми элементами. Согласно современным представлениям, действие сверхновых и звездного ветра в конечном счете определяет структуру, кинематику и химический состав галактики в целом, а также межгалактической среды.
Карликовые иррегулярные (dlrr) галактики и карликовые голубые компактные (BCD) галактики представляют собой оптимальные объекты для исследования взаимодействия звезд и межзвездной среды в комплексах бурного звездообразования. Цикл этого взаимодействия не прерывается здесь спиральными волнами плотности, толщина газового слоя больше, а плотность газа в dlrr галактиках меньше, чем в спиральных галактиках. Поэтому взаимодействие звезд и газа в них наблюдается на больших пространственных и временных масштабах, вплоть до формирования многооболочечпых комплексов, сопоставимых по размеру с размером галактики.
В диссертации представлены результаты детальных исследований гигантских комплексов звездообразования в двух карликовых галактиках: BCD галактике VII Z\v 403 и в dlrr галактике 1C 10. Оба объекта характеризуются вспышкой современного звездообразования: BCD галактики являются таковыми по определению, d 1C 10 наблюдаются четкие признаки бурного звездообразования, охватившего бблыную часть галактики.
В основе работы лежит материал, полученный на 6-метровом телескопе CAO РАН в рамках нескольких наблюдательных программ с панорамным мультизрачновым спектрогра-
с
фом MPFS н с фокальным редуктором SCORPIO, работающем в режимах прямых синмков в узкополосных фильтрах (в линиях Н„, [S1I] и [OUI)), длинпощелевой спектроскопии и сканирующего интерферометра Фабри-Перо (ИФП). В работе использованы также архивные данные наблюдений па VLA в линии 21 см и космического телескопа “Spitzer’ в ИК диапазоне.
Цели работы
Основными задачами работы являлись:
• Поиск кинематических и спектральных признаков действия ударных волн, инициированных процессами звездообразования, на газовую среду карликовых галактик 1C 10 и VII Zw 403;
• Определение относительного содержания кислорода, азота и серы в отдельных ШІ-областях обеих галактик. Сопоставление результатов наших спектральных наблюдений с современными теоретическими фотоионизациоипыми моделями для анализа физических условий в комплексах звездообразования;
• Определение массовой доли полициклических ароматических углеводородов (РАН) в пылевой среде галактик. Анализ возможных механизмов образования и разрушения молекул РАН в межзвездной среде.
Содержание работы
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 44 рисунка и список литературы из 117 наименований.
Структура диссертации
Во введении отмечена актуальность работы; перечислены основные задачи проведенных исследований; представлены основные результаты, выносимые на защиту; указан личный вклад автора; приведены списки опубликованных статей, содержащих основные результаты работы, и конференций, па которых эти результаты докладывались.
В первой главе приведены общие сведения об исследованных галактиках. Здесь же дано описание проведенных наблюдений обеих галактик на 6-мотровом телескопе CAO РАН
7
с панорамным мультизрачновым волоконным спектрографом MPFS и с фокальным редуктором SCORPIO, работавшем в 3-х режимах — прямых снимков в эмиссионных линиях, щелевой спектроскопии и сканирующего интерферометра Фабри-Перо. Описаны особенности наблюдений с каждым прибором и методы обработки полученных данных. В конце главы приведено описание использованных архшшых данных наблюдений на VLA в линии 21 см и на космической И К обсерватории “Spitzer”.
Во второй главе представлены результаты исследования межзвездной среды в комплексе современного звездообразования Irr галактики 1C 10. Первая часть этой главы посвящена кинематике ионизованного и нейтрального газа по данным наших наблюдений на 6-м телескопе с ИФП и по архивным данным наблюдений на VLA.
Была получена серия так называемых Р-V диаграмм (диаграмм позиция - скорость) в линиях На, (SIIJA6717A и III 21 см через всю область современного звездообразования. В наиболее интересных местах построены профили линий На и [SII]A6717Ä; профили линий были аппроксимированы функцией Фойгта. В результате впервые обнаружены высокоскоростные компоненты линий (на уровне до 12% на скоростях 50 — 120 км/с от максимума линии) в каверне внутри наиболее яркой в комплексе звездообразования оболочечной туманности HL111 (по номинации каталога Ходжа и Ли [109]). Эти высокоскоростпые движения свидетельствуют об излучении газа за фронтом ударной волны. Слабые высокоскоростные детали в крыльях линии выделены также в юго-западной части комплекса звездообразования.
Исследование распределения и кинематики нейтрального водорода в этой области позволило впервые выделить две внешние оболочки размером 20" — 30" (70 - 110 пк), окружающие яркие ионизованные туманности HL111 и HL106. Выявлен эффект расширения этих нейтральных оболочек со скоростями 10—15 км/с и 15 — 20 км/с соответственно. Удалось обнаружить локальные “возмущения” скорости нейтрального газа на востоке и западе комплекса современного звездообразования в диапазоне от +30 км/с до —30 км/с.
На основании изучения кинематики ионизованного и нейтрального газа в туманности HL111, а также распределения избытка цвета Е(В — V) о области, были рассмотрены две возможные пространственные схемы взаимодействия тесной группы четырех звезд WR с окружающей межзвездной средой.
Проведено детальное исследование ионизованной оболочечной туманности HL106, которая наблюдается в направлении самого плотного молекулярного облака СО в галактике. Показано, что облако физически связано с оптической туманностью: оболочка HL10G могла быть образована в результате фотодиссоциацин молекулярного газа па границе этого облака под действием излучения звезд WR н двух скоплений.
8
Во второй части второй главы представлены результаты спектральных наблюдений галактики 1C 10 со спектрографом с длинной щелыо и с панорамным спектрографом MPFS. По этим данным получены оценки электронной плотности пг и избытка цвета Е(В — V) для отдельных областей НИ галактики. Обнаружены вариации избытка цвета от 0.8Ш до 1.1ш впутрн галактики.
В разделе 2.3.2 приведено описание трех использованных нами методов определения относительного содержания кислорода, азота и серы в областях ІІІІ по диагностическим отношениям интенсивностей спектральных линий. Рассмотрены 7^-метод из работы Изотопа и др. [37], P-метод, предложенный Пилюгиным и Туаном [77J, и 03N2-mctoa из работы Петтиии и Псйджсла [76].
Используя эти методы, мы оценили металличиости 23-х областей НИ 1C 10. Ранее было известно относительное содержание кислорода только для трех ярчайших областей НИ и для галактики в среднем (Леке и др. [48], Гарнетт [22]). Одновременно с нами оценку химсостава получили Магршш и Гонсалвес [57] для 9 планетарных туманностей и 15 областей НИ. Для трех общих в нашей и их работах областей HII результаты хорошо согласуются. Полученное нами среднее значение содержания кислорода в галактике 12 + log(0/H) = 8.30 ±0.31 согласуется с оценками других авторов. Мы обнаружили вариации относительного содержания кислорода в разных областях НИ в пределах 12 4- log(0/H) = 8.1 — 8.5.
Полученные по нашим спектральным наблюдениям относительные интенсивности диагностических линий сопоставлены с современными теоретическими фотоионизационными моделями из работ Допита и др. [30], Сид Фсрпапдсс и др. [92] и Азари и др. [1], Чарлот и Лонгетти [110], Левеске и др. [47] и Мартин-Маи жоп и др. [61]. Показано, что паши наблюдения лучше всего согласуются с модельными расчетами Мартии-Манжоп и др. [61]. Проведенные в этой работе расчеты использованы для анализа физических условий в областях НИ, для оценки параметра ионизации, массы (от 0.2 х 105 до 105 М0) и возраста (2.5-5 млн. лет) ионизующих скоплений. Основываясь на измеренной Н^светимости туманности HL111 мы показали, что для ее ионизации необходимо около 60 звезд 05V.
Третья глава посвящена исследованию структуры, кинематики и спектра свечения газа в BCD галактике VII Z\v 403 по результатам наблюдений на 6-м телескопе CAO РАН. В первой части этой главы приведены результаты наблюдений галактики: исследования кинематики с ИФП и прямые снимки в эмиссионных линиях. Обнаружено множество слабых диффузных областей, неизвестных ранее. Выявлена “тонкая структура” так называемого “гигантского кольца”, которое впервые обнаружили Силич и др. [93]. За его пределами нами впервые найдены следы “внешней дуги”. Эти эмиссионные детали могут быть сопоставле-
9
ны с более старым звездным населением последней вспышки звездообразования в галактике (10 млн. лет, согласно (50]).
Наша оценка светимости галактики Ьна — (1-49 — 1.86) х 1039 эрг/с не подтвердила результаты, полученные Силичем и др. [93], по согласуется с более ранними оценками Линде и др. [50| и Мартин [60]. Соответствующий найденной На-свстимости темп звездообразования составляет 5РЛ = 0.012 — 0.015М©/год.
Проведен поиск высокоскоростных движений в газовой среде области звездообразования галактики VII 2\у 403 по наблюдениям с ИФП и со спектрографом с длинной щелыо. В самом ярком комплексе НИ №1 впервые обнаружены высокоскоростные компоненты в крыльях линии [ОІІІ] (до -200 - -300 км/с относительно центра линии) н слабая подложка в линии На с Г\УНМ = 630 км/с, что соответствует дисперсии скоростей до 270 км/с. Упомянутые в работе Линде и др. [50] скорости расширения ярких комплексов НІІ, равные 50 — 70 км/с, нами не подтверждены. По нашим оценкам их скорость расширения составляет порядка 15 — 20 км/с, что соответствует возрасту 3 — 4 млн. лет и полностью согласуется с возрастом иопизующих ОВ ассоциаций.
Во второй части третьей главы но проведенным спсктральпым наблюдениям получены оценки относительного содержания кислорода, азота и серы в отдельных комплексах НІІ галактики VII Ъ\\ 403. При этом использовались три метода, описанные о главе 2. До нашей работы была известна лишь средняя но галактике мсталличность. Сравнение полученных значений содержания кислорода и азота с теоретическими зависимостями Ланфранчи и Маттеучи [46) дает хорошее согласие с моделью для четырех вспышек звездообразования в галактике и эффективностью звездообразования и « 0.2 — 0.3 млрд.лет-1.
По наблюдениям с МРГБ выявлено изменение относительных интенсивностей линий от центра к краю ярких комплексов НИ. Этот эффект мы объяснили тем, что в центре комплекса НИ вблизи компактной ОВ ассоциации газ находится в более высокой стадии ионизации, чем на границе.
В четвертой главе представлены результаты исследования пылевой составляющей межзвездной среды галактик ІС 10 и VII Ъ\ч 403 по архивным данным наблюдений космического ИК-телескопа“Брегет”. Особое внимание уделено излучению молекул полициклических ароматических углеводородов (РАН), механизмы образования и разрушения которых пока окончательно не известны. Следуя методике, предложенной в работе Дрейпа и Ли [31), мы оцепили массовую долю РАН [ярли) и исследованных галактиках. В ІС 10 найдены вариации Ярая от 1% до 4%, среднее значение для VII 7,\\г 403 оказалось меньше 0.5%. Высокое значение массовой доли РАН и ее вариации в галактике ІС 10 объяснены недавней вспышкой звездо-
10
образования, в результате которой эти молекулы были образованы, и успели разрушиться только в непосредственной близости к источникам УФ-излучения.
С целью прояснения механизма образования и разрушения молекул РАН, мы провели поиски корреляции массовой доли РАН с пространственным распределением молекулярного, атомарного и ионизованного газа, источников УФ-излучения, высокоскоростных движений газа иод действием ударных волн, а также с мствлличностыо газа в галактиках. В работе Саидстром и др. (89) была выявлена корреляция qpAii с отношением потоков в линиях Р&р/Я24м* ® связи с этим мы использовали в качестве индикатора Qpah указанное отношение. На основании проведенного анализа мы показали, что наблюдаемое распределение РАН лучше всего объясняется гипотезой их образования в плотных молекулярных облаках и разрушения под действием УФ радиации. Достоверных свидетельств разрушения РАИ иод действием ударных воли нам обнаружить не удалось.
По наблюдениям галактики 1C 10 заподозрена корреляция между массовой долей РАН и металличностыо на уровне отдельных областей НИ (рапсе такая корреляция наблюдалась лишь при сравнении средних значений но разным галактикам). Если эта зависимость действительно имеет место, то она может отражать процессы образовании РАН, а не дальнейшей эволюции. Исследования в этом направлении предполагается продолжить.
Б Заключении суммируются основные выводы, представленные в работе.
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Измерены относительные обилия кислорода, азота и серы в 28-х областях НИ галактики 1C 10 и в 5 ярких комплексах H1I галактики VII Z\v 403. Найдспиые средние по галактике содержания кислорода составляют 12 ■+■ log (О/Н) = 8.30 ± 0.31 для 1C 10 и 12 + !og(0/H) = 7.67 db 0.03 для VII Z\v 403. Обнаружены вариации 12 -Ь log (О/Н) = 8.1 — 8.5 между различными областями НИ в 1C 10.
2. Детально изучена кинематика и структура ионизованного газа в областях звездообразования галактик 1C 10 и VII Z\v 403. Обнаружены псизвестпыс ранее слабые волокнистые и диффузные ионизованные области в галактике VII Zvr 403, которые мы сопоставили с более старым (10 млп. лет) населением последней вспышки звездообразования. Полученные новые, более точные значения скоростей расширения ярких оболочек в VII Zw 403 (15 — 20 км/с) не подтверждают оценки Линде и др. [50] (50 — 70 км/с). В крыльях эмиссионных линий ряда областей найдены высокоскоростные движения со скоростями относительно максимума этих линий до 100 — 120 км/с в 1C 10 и до
11
200 — 300 км/с D VT І Zw 403. Такие скорости свидетельствуют об излучении газа за фронтом ударной волны.
Впервые обнаружены две оболочки нейтрального газа, размером 20 — 30" (70—110 пк), вокруг ярчайших областей НИ галактики 1C 10. Определены скорости расширения этих нейтральных оболочек, составляющие 10 — 20 км/с.
3. В результате сопоставления с имеющимися теоретическими фотоионизационными моделями показано, что наши наблюдения галактики 1C 10 лучше всего согласуются с моделями Мартип-Манжона и др. (01). На основе этих ионизационных моделей по спектру областей I-III галактики 1C 10 определены параметр ионизации, возраст и масса ионизующих скоплений. Найденный возраст скоплений заключен в пределах 2.5 — 5 млн. лет, а их массы — в пределах от 0.2 х 105 до 105 М©.
4. Найдена корреляция распределения массовой доли полицикли чес ких ароматических углеводородов (РАН) с атомарным водородом и с облаками СО d галактике 1C 10. Массовая доля РАН падает лишь в окрестностях ярких областей НИ и звезд WR. Анализ распределения РАН в галактике VII Zw 403 не противоречит этим результатам. Найденная корреляция качественно согласуется с предположением об образовании молекул РАН в молекулярных облаках и их разрушении под действием УФ-излучення и ударных волн. Обнаруженные вариации массовой доли РАН от 1% до 4.5% в 1C 10 могут бить объяснены недавней вспышкой звездообразования.
5. Заподозрено существование корреляции между содержанием РАН и металличностыо газа не только па уровне разных галактик в целом (это было известно ранее), но и локально, на уровне отдельных зон НИ. Сделан вывод, что эта зависимость может проявляться до того, как начинается эффективное разрушение молекул РАН ультрафи- . олстобым излучением, и отражает особенности их формирования, а не последующей эволюции.
Личный вклад «автора
В ходе выполнения работы авгор:
• принимал участие в наблюдениях на 6-метровом телескопе CAO РАН с фокальным редуктором SCORPIO и панорамным спектрографом MPFS;
• провел обработку наблюдений на 6-метровом телескопе и архивных данных наблюдений в линии 21 см на VLA и наблюдений космического ИК-телескоиа “Spitzer”,
12
используя как готовое программное обеспечение, так и свои собственные процедуры, написанные на языке IDL;
• участвовал в обсуждении результатов наблюдений и выводов, которые из них следуют.
Научная новизна работы
Все {результаты, выносимые на защиту, являются новыми.
Оценки металлнчностп для отдельных HI 1-областей обеих исследованных галактик получены нами впервые. В 1C 10 определена мсталличпость для 23-х туманностей (до пашей работы были известны мсталличиости лишь трех ярчайших туманностей и среднее но галактике значение); в VII Zw 403 ранее была известна только средняя по галактике мстал-лнчпость.
Детальное исследование кинематики ионизованного газа комплекса звездообразования галактики 1C 10 впервые позволило выделить области, в которых наблюдаются высокоскоростные крылья спектральных линий, свидетельствующие об излучении газа за фронтом ударной волны. Обнаружены две новые оболочки нейтрального газа, окружающие яркие ионизованные оболочки; измерены скорости их расширения.
Впервые обнаружены высокоскоростные движения в НП-комплсксе ЛН галактики VII Zw 403.
Ранее детальное исследование распределения полнцикличсских ароматических углеводородов (РАИ) в галактиках на уровне отдельных НИ-областей было проведено только для Малого Магеллапового Облака. В данной работе представлены результаты такого анализа в галактике 1C 10. Впервые заподозрена корреляция мсталличиости газа и массовой доли РАН на уровне отдельных НН-областсн в одной галактике (ранее такая корреляция наблюдалась лишь при сравнении средних значении по разным галактикам).
Публикации основных результатов диссертации
Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в следующих статьях:
1. Лозинская Т.А., Моисеев А.В., Авдеев В.Ю., Егоров О.В. “Структура и кинематика межзвездной среды области звездообразования в BCD галактике VII Zw 403 (UGC 6456)”, Письма в Астрономический журнач, т.32, jV> 6, с.403-418, 2006.
2. Лозинская Т.А., Моисеев А.В., Авдеев В.Ю., Егоров О.В., Подорвшгюк Н.Ю. “Структура и кинематика межзвездной среды в област ях звездообразования неправильных и
- Київ+380960830922