Введение к работе
Актуальность темы
Химический состав космических объектов всех масштабов — от протозвездных облаков до скоплений галактик — является одним из основных источников информации об их происхождении и эволюции. Однако прямая интерпретация наблюдательных данных и их теоретическое истолкование затрудняется тем, что характер химической эволюции космических газовых и газо-звездных систем (ГЗС) тесно связан с их динамическим статусом и его изменениями.
В настоящее время предполагается, что элементы, которые не могли возникнуть в ходе первичного нуклеосинтеза ("тяжелые" элементы), образуются на различных стадиях звездной эволюции. Однако особенности распределения этих элементов доказывают, что химический состав данного объекта определяется не только локальными условиями образования атомов и молекул, но и последующим перераспределением вещества.
Наблюдения ионов некоторых тяжелых элементов в горячем разреженном межгалактическом газе свидетельствуют, что один или несколько механизмов выбрасывают обогащенное вещество из галактик. В пользу обмена веществом между галактиками и межгалактической средой (МГС) говорят н наблюдения пылевых частиц в скоплениях галактик.
В шаровых скоплениях на ранних этапах эволюции процессы обмена веществом с окружающим пространством протекают очень интенсивно. В зависимости от массы протошарового облака меняется доля продуктов сверхновых, выбрасываемых из скопления, причем эта доля различна для сверхновых, взрывающихся в центре облака и на его периферии. От характера расширения остатка зависит эффективность процесса самообогащения. Связь динамической и химической эволюции шаровых скоплений не является односторонней. Характер движений вещества зависит от эффективности процессов нагрева и охлаждения, которые определяют температурный режим газа и зависят в свою очередь от его химического состава.
Особенно заметно проявляется связь динамических и химических процессов в небольших протозвездных сгустках. Если в случае галактики и протошарового скопления можно считать, что фазы образования и перераспределения химических соединений разделены по времени, то в прото-звездном сгустке химический состав вещества и его динамический статус изменяются одновременно. Общее состояние облака определяется совокуп-
ностью взаимосвязанных процессов: химических, физических и динамических.
Таким образом, для исследования химической эволюции ГЗС необходимо знать не только параметры объектов, в которых образуются химические элементы и соединения, но и характер процессов, приводящих к их пространственному перераспределению. В свою очередь, при моделировании динамической эволюции некоторых объектов (например, молекулярных облаков) необходимо принимать во внимание одновременные изменения химического состава.
Цель работы
Исследование влияния динамических процессов на химическую эволюцию газозвездных систем на основе построения численных моделей ГЗС различных масштабов: спиральной галактики, шарового скопления и отдельного протозвездного облака — с учетом одновременного изменения динамических и химических параметров.
Научная новизна
В диссертации впервые исследована роль дисковых галактик в обогащении межгалактической среды тяжелыми элементами. Рассмотрено влияние горячего галактического ветра на химический состав дисковых галактик различных масс. Предложен новый механизм обмена тяжелыми элементами между дисковыми галактиками и МГС: выметание пылевых частиц давлением излучения звезд. С помощью этих механизмов воспроизведены зависимость "масса-металличность" для дисковых галактик, содержание тяжелых элементов в межгалактическом газе и его распределение в Галактике в зависимости от высоты над плоскостью диска.
Впервые проведено детальное численное моделирование процесса самообогащения шарового скопления в результате взрывов сверхновых в центре и на периферии протошарового облака. Показано, что процессы самообогащения значительно меняют химический состав типичного облака. Исследована временная эволюция химического состава шарового скопления в период активного звездообразования в нем.
Впервые построена самосогласованная модель динамической и химической эволюции протозвсздных облаков, основанная на одновременном решении уравнений газодинамики и химической кинетики. Исследована эволюция облаков, освещенных ультрафиолетовым излучением близких звезд.
Научная и практическая ценность
Модель дисковой галактики, разработанная в диссертации, применима для исследования галактик с различными историями звездообразования и различных морфологических типов. Модель химической эволюции протоша-рового скопления также необходима при изучении эволюции галактик: в иерархическом сценарии образования галактики с помощью этой модели можно исследовать эволюцию фрагментов до слияния их с диском.
Модель самосогласованной динамической и химической эволюции про-тозвездных сгустков необходима для исследования межзвездных облаков, подверженных воздействию различных факторов: УФ-излучения различной интенсивности, ударных волн, областей НИ и т.п., — а также для изучения различных режимов индуцированного звездообразования в Галактике и облегчения диагностики коллапсирующих облаков.
Апробация
Результаты работы докладывались на семинарах Института астрономии РАН, Астрономической обсерватории и кафедры астрономии и геодезии Уральского университета, сессии Отделения общей физики и астрономии РАН и на следующих конференциях и симпозиумах:
на XXI, XXIV и XXV Зимних студенческих конференциях "Физика космоса", проходивших в Киеве (февраль 1992) и на Астрономической обсерватории УрГУ (февраль 1995, февраль 1996);
на международной конференции "Joint European & National Astronomy Meeting - 95", проходившей в г. Катанья (Италия, сентябрь 1995);
на симпозиуме MAC N178 "Molecules in Astrophysics: Probes & Processes' проходившем в г. Лейдене (Нидерланды, июль 1996);
на конференции "The Astrophysical Implications of the Laboratory Study of Presolar Materials", проходившей в г. Сент-Луис (США, октябрь-ноябрь 1996);
на семинаре АКЦ ФИАН.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
-
Шустов Б.М., Вибе Д.З. Выметание пыли из Галактики // Астрон. журн. 1995. Т. 72. С. 650-659.
-
Shustov В.М., Wiebe D.S., Tutukov A.V. Evolution of disk galaxies and loss of heavy elements into the intracluster medium // Astron. and Astro-phys. 1997. V.317. P.397-404.
-
Wiebe D.S., Shustov B.M. Influence of supernova events on the globular cluster evolution I/ Межвузовский сборник "Астрономо-геодезические исследования". Отв. ред. А.Е. Василевский. Екатеринбург: изд-во УрГУ, 1996. С. 55-60.
-
Шустов Б.М., Вибе Д.З. Влияние взрывов сверхновых на динамическую и химическую эволюцию протошаровых скоплений // Сборник "Эруптивные звезды". Отв. ред. А.Г.Масевич. М: Издательство МИД РФ, 1996. С.31-46.
-
Вибе Д.З., Шематович В.И., Шустов Б.М. Химическая и динамическая эволюция протозвездных облаков. I. Начальные стадии коллапса // Астрон. журн. 1996. Т. 73. С.702-716.
-
Shematovich V.I., Shustov В.М., Wiebe D.S. Self-consistent numerical model of dynamical and chemical evolution of dense molecular clouds // IAU Symp. No 178 "Molecules in Astrophysics: Probes & Processes" abstract book. Eds. D.J.Jansen, M.R.Hagerheijde, E.F. van Dishoeck. Sterrewacht, Leiden. 1996. P.229-230.
-
Вибе Д.З. Спиральные галактики и химическое обогащение межгалактической среды // "Физика космоса". Тезисы докладов и сообщений 25-й студенческой научной конференции. Екатеринбург: УрГУ, 1996. С.18-19.
Все работы (за исключением последней) написаны в соавторстве. Вклад всех авторов примерно одинаков. Диссертантом проведены все численные расчеты. Он принимал активное участие в постановке задачи, обработке и интерпретации результатов и написании статей.
Структура работы