Введение к работе
Актуальность темы
Одной из интереснейших и наиболее актуальных задач современной астрофизики является исследование околозвездных дисков/оболочек молодых звезд. Известно, что все звезды на начальных фазах эволюции проходят через стадию аккреции вещества из протозвездной оболочки. Изучение физических процессов, происходящих в звездах на этом этапе развития необходимо, поскольку именно они определяют один из важнейших эволюционных параметров - начальную функцию масс. Исследование околозвездных дисков также важно для изучения физических проблем космогонии, поскольку с течением времени в их наиболее плотных частях могут формироваться планеты. Кроме того, такие молодые звездные объекты интересны и с наблюдательной точки зрения, поскольку их диски/оболочки наблюдаются в различных диапазонах спектра на телескопах наземного и космического базирования.
Из наблюдений известно, что многие молодые звезды представляют собой двойные и кратные системы. Изучение двойных звезд представляет собой более сложную задачу по сравнению с исследованием одиночных объектов. Структура течения вещества в диске молодой двойной системы значительно усложняется, поскольку наличие гравитационно-связанного спутника существенно изменяет процессы переноса вещества из околозвездного диска на систему, а несферичность гравитационного потенциала приводит к изменению структуры течения вещества в диске.
Из всех молодых звезд наиболее хорошо изучены звезды типа Т Тельца (ТТ), которые представляют собой маломассивные звезды предглав-ной последовательности (0.2 — ЗМ0). Выделяют два типа ТТ звезд - с
сильными (т.н., классические) и со слабыми эмиссионными линиями. В работе основное внимание уделено классическим ТТ звездам, так как они окружены протяженными дискообразными оболочками (^нескольких сотен астрономических единиц), состоящими из остатков протозвездного облака. Наибольший интерес представляют части диска, локализованные в сравнительно компактной области (^нескольких межкомпонентных расстояний) вокруг двойной системы, так как именно здесь идут процессы аккреции вещества диска на компоненты системы. Изучение этих областей затруднено сложной газодинамической картиной течения. Так, например, вокруг компонентов системы формируются околозвездные аккреционные диски, взаимодействие потоков газа приводит к образованию системы ударных волн и т.д. Сложность задачи требует привлечения для ее решения современных методов расчетов газодинамики вещества и развития соответствующих численных моделей.
Таким образом, численное исследование газодинамики вещества в двойных звездах типа Т Тельца является актуальной задачей, так как только с его помощью становится возможным провести детальную интерпретацию имеющихся наблюдательных данных, и, следовательно, получить информацию о физических процессах, протекающих в протопланетных и околозвездных дисках этих звезд, сведения о механизмах образования планет, а также уточнить эволюционные модели двойных звезд.
Цель диссертации
Численные расчеты процессов газовой аккреции в молодых двойных звездах проводились ранее несколькими группами авторов. В ходе моделирования и сравнения результатов с наблюдениями были получены сведения о целом ряде газодинамических деталей течения. Однако многие обнаруженные эффекты не получили четкого объяснения или оно является достаточно спорным. Например, требует уточнения механизм формирования
разреженной области («гэпа») во внутренних частях протопланетного диска. Долгие годы общепринятой теорией образования «гэпа» считалась модель Арцимовича и Любова [1], согласно которой причиной формирования разреженной области является воздействие линдбладовских резонансов на диск. Однако оценки размеров «гэпов», предсказываемых этой моделью, оказываются систематически меньше наблюдаемых значений. Возможное объяснение этого факта состоит в том, что данная теория учитывает не все газодинамические эффекты. Также до сих пор нет окончательного ответа на принципиальный для эволюции звезд вопрос: на какой из компонентов системы, более массивный или менее массивный, будет аккрециро-ваться больше вещества. Расчеты с использованием модели на основе метода гидродинамики сглаженных частиц (Smoothed Particle Hydrodinamic, SPH [2,3]) показывают, что маломассивный компонент является главным аккретором в системе, в то время как модели на основе TVD схем (Total Variation Diminishing, [3]) дают противоположный результат.
Расчеты на основе более точных сеточных методов с использованием TVD схем проводились начиная с 2005 года несколькими группами авторов [4-6]. Поскольку данные схемы позволяют корректно описывать газодинамические разрывы в этих работах был получен ряд принципиально важных результатов, в том числе показывающих, что в разреженных частях оболочек молодых двойных систем формируется сложная система ударных волн. Несомненно, это направление требует дальнейшего развития.
Диссертационная работа посвящена исследованию морфологии течения вещества во внутренних частях околозвездных оболочек вокруг классических двойных звезд типа Т Тельца с использованием численной TVD-схемы Роу-Ошера-Эйнфельдта.
При работе над диссертацией были поставлены следующие цели:
Разработать численную модель для двумерных и трехмерных расчетов на основе TVD схемы, позволяющую исследовать с высоким
пространственным разрешением картину течения в протопланетных дисках молодых двойных систем с различными эксцентриситетами орбит.
Провести расчеты структуры течения в протопланетных дисках для наиболее изученных двойных звезд Т Тельца. Отождествить основные элементы картины течения, включая газовые потоки и ударные волны.
Исследовать влияние газодинамических эффектов на форму и размер «гэпа». По результатам двумерного и трехмерного моделирования определить размеры «гэпа» для пяти типичных двойных звезд Т Тельца, наблюдательные размеры разреженных областей которых известны. Провести сравнение результатов моделирования с наблюдениями.
Используя преимущество TVD схемы, позволяющей корректно описывать структуру ударных волн и, следовательно, перераспределение углового момента в системе, определить основные потоки от прото-планетного диска к компонентам системы. Провести расчеты с высоким пространственным разрешением и проанализировать перераспределение вещества между компонентами системы. Для моделируемых систем определить какой из компонентов системы аккрецирует больше вещества.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые были получены следующие результаты:
1. Разработана численная модель на основе TVD схемы Роу-Ошера-Эйнфельдта для расчета газодинамики в протопланетных дисках мо-
лодых двойных звезд с круговыми и эллиптическими орбитами. Модель позволяет использовать, как равномерные, так и неравномерные пространственные сетки.
Установлено, что для типичных классических двойных систем Т Тельца течение во внутренних частях протопланетного диска является некеплеровским и его структура определяется, главным образом, отошедшими ударным волнами, образующимися при сверхзвуковом движении компонентов системы в газе диска.
Выявлено, что размер разреженной центральной области протопла-нетной оболочки («гэпа») определяется исключительно параметрами отошедших ударных волн. Сравнение с наблюдениями подтвердило, что для систем и с круговыми и с эллиптическими орбитами рассчитанные размеры «гэпа» хорошо согласуются с экспериментальными данными.
По результатам моделирования показано, что перераспределение углового момента в оболочке, обусловленное наличием отошедших ударных волн, приводит к появлению двух спиралевидных потоков вещества, распространяющихся от внутреннего края протопланетного диска (границы «гэпа») к компонентам системы. Выявлено, что спиралевидный поток вещества вдоль волны, связанной с маломассивным компонентом превышает аналогичный поток вдоль волны массивного компонента. Это объясняется тем, что маломассивный компонент движется с большей скоростью и находится ближе к внутренней границе протопланетного диска, где плотность вещества выше.
Установлено, что хотя поток вещества из протопланетного диска больше на маломассивный компонент, перераспределение вещества между околозвездными аккреционными дисками приводит к возник-
новению системы ударных волн, и, в конечном итоге, к росту темпа аккреции на более массивную звезду.
Практическая и научная значимость
Основные результаты данной диссертации, определяющие ее практическую и научную значимость, опубликованы в авторитетных научных изданиях и используются в работах российскими и зарубежными учеными. Существенный отклик получила идея о газодинамической природе «гэпа» в протопланетных дисках молодых двойных звезд, и объяснение механизма перераспределения аккрецируемого вещества между компонентами системы в пользу более массивной звезды. Результаты диссертации могут использоваться при интерпретации наблюдательных данных.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях молодых ученых Учреждения Российской Академии Наук Института астрономии РАН. Результаты работы были также представлены на международных конференциях: "Ultraviolet Universe-2010"(Санкт-Петербург, 2010г), "3rd Black Seas School and Workshop on Space Plasma Physics"(Болгария, Китен, 2010 г.), IAU-282 "From Interacting Binaries to Exoplanets"(Словакия, Татранска Ломница, 2011г.), Jenam-2011 (Санкт-Петербург, 2011г), Astroniim-2011 (Испания, Валенсия, 2011), а также на ежегодных международных студенческих конференциях «Физика Космоса» (г. Екатеринбург).
Объем и структура диссертации
