Гигантские молекулярные облака, области звездообразования и молекулярные мазеры

5.6. Гигантские молекулярные облака, области звездообразования и молекулярные мазеры

В 1970-е гг. были выполнены обзоры галактической плоскости в линии CO J = 1–0. Их результаты в целом согласуются со спиральной структурой Галактики, найденной по линии 21 см атомарного водорода. Однако были получены и принципиально новые данные. В ряде области обнаружена антикорреляция плотностей HI и CO: максимумы излучения совпадают с провалами в распределении HI. Как выяснилось, эти особенности связаны с присутствием в межзвездной среде плотных газовых облаков, где водород преимущественно находится в молекулярной форме (H₂). Массы и плотность таких облаков (M = 10⁵–10⁷ M¤, n = 10⁵–10⁶ см^–3) гораздо выше, чем соответствующие величины для облаков HI. Облака содержат также большое количество пыли. Экстинкция света в облаках достигает десятков звездных величин, поэтому облака могут наблюдаться только в виде темных туманностей ("угольных мешков") на фоне Млечного Пути. Из-за огромных значений массы вновь открытые объекты были названы гигантскими молекулярными облаками (ГМО). По оценкам, в Галактике около 6000 молекулярных облаков, в них содержится примерно половина межзвездного газа Галактики. Наиболее сложные молекулы наблюдались именно в ГМО, в особенности в облаках, связанных с тепловыми радиоисточниками Sgr B2 и Ori A (рис. 5.15).

По современным представлениям, ГМО – места образования звезд. Многие ГМО связаны с тепловыми радиоисточниками – зонами HII вокруг молодых массивных звезд классов OB и со звездными ассоциациями. Как популяция молодых объектов, живущих не более 10⁸ лет, ГМО принадлежат к плоской составляющей Галактики и концентрируются к ее плоскости.

Физические условия в областях звездообразования. Во многих случаях молекулярные облака гравитационно неустойчивы. Впервые проблема образования звезд путем конденсации межзвездного газа была рассмотрена Джинсом. Джинс показал, что волны плотности ("тяжелый звук", т.е. звуковые волны с учетом самогравитации газа) при некоторых условиях имеют растущую амплитуду, что приводит к разбиению газа на фрагменты и последующему сжатию в протозвездные конденсации. Критерий Джинса следует из дисперсионного уравнения для волн плотности с частотой w в однородной среде плотности r:

                             (5.50)

где v_зв– скорость звука, k = 2p/l – волновое число. Неустойчивы и коллапсируют возмущения плотности, характерный размер которых

            (5.51)

если принять, что газ молекулярный и имеет нормальные космические обилия элементов (показатель адиабаты g = 1.4, молекулярный вес m = 2.3). Критерий неустойчивости для массы газа:

(5.52)

Рекомендуемые материалы

M_J – джинсовская масса.

Рис. 5.15. Карта молекулярного облака Ori A в линии CO J=1–0 (l =2.6 мм).

Картографирование молекулярных облаков, например, в линии CO (рис. 5.15) показывает наличие множества конденсаций, многие из которых дадут начало протозвездам. Плотность газа в конденсациях до 10⁶ см^–3, температура иногда не превышает 10 K, хотя встречаются и горячие конденсации (до нескольких сот K, в которых уже пошел процесс звездообразования). Как правило, крупное молекулярное облако создает целую группу звезд, или звездную ассоциацию. Многие ассоциации OB-звезд пространственно коррелируют с ГМО. В конечном счете излучение горячих звезд, воздействие звездного ветра и вспышки наиболее массивных звезд как сверхновых приводят к диссоциации молекул, ионизации газа, образованию оболочечной структуры в межзвездном газе и разрушению родительского облака спустя ~10⁸ лет после начала коллапса первых протозвездных конденсаций. Впоследствии разбросанный газ облака собирается в другой области межзвездной среды, вновь конденсируется в ГМО, и процесс повторяется. ГМО и звездные ассоциации локализованы в спиральных рукавах Галактики, там, где плотность газа наибольшая. Согласно теории волн плотности спиральной структуры, при втекании межрукавного газа внутрь рукава образуется ударная волна, которая сжимает газ и создает более благоприятные условия для коллапса и звездообразования. Поэтому звездные ассоциации и другие молодые объекты (мазерные радиоисточники, зоны HII) концентрируются к краям спиральных рукавов: ведущим во внешней области Галактики (где скорость спиральной волны плотности больше скорости газа и волна догоняет газ) или отстающим во внутренней области (где газ догоняет волну). Смещение молодых объектов к краям рукавов относительно потенциального минимума рукава (и максимума плотности HI) подтверждается сравнением лучевых скоростей линий 21 см HI со скоростями зон HII (по рекомбинационным радиолиниям) и мазерных радиоисточников. Разности скоростей соответствуют смещениям к краям рукавов.

Процесс образования звезд доступен наблюдению в оптическом диапазоне только на заключительной стадии, когда звездная ассоциация уже возникла и разрушила родительское ГМО. Из-за высокой экстинкции света в ГМО ранние стадии звездообразования могут исследоваться только в ИК- и радиодиапазоне. Вначале на месте протозвездной конденсации, в плотном ядре молекулярного облака, возникает метанольный мазер I класса (см. следующий пункт), отмечающий положение будущей звезды. Затем образуется точечный источник ИК- и радиоизлучения. В звезде начинаются ядерные реакции, идет нагрев и частичная ионизация газопылевого кокона, содержащего звезду. Образуется компактная зона HII. На этой стадии вблизи конденсации зажигаются мазеры CH₃OH II класса, мазеры OH и H₂O. В дальнейшем (если звезда не вспыхнула как сверхновая) зона HII расширяется, достигая размера иногда в десятки парсек. ГМО рассеивается, зона HII становится видимой в виде диффузной туманности.

Рис. 5.16. Структура биполярного истечения из молодой звезды: 1 – звезда, 2 – околозвездный диск, 3 – поток ускоренного молекулярного газа, 4 – ударная волна.

На некотором этапе коллапса вокруг формирующейся звезды может образоваться из молекулярного ядра массивный молекулярный диск с массой до нескольких сотен масс Солнца. Лишь ~1% вещества диска превратится в звезду, остальная часть будет разбросана. Но пока диск существует, из него продолжается аккреция на звезду и он наблюдаем в молекулярных линиях, в особенности линиях молекул, которые легко возбуждаются при больших плотностях газа (CS, NH₃). В дисках бывают локализованы мазерные источники H₂O. Если возникшая звезда обладает сильным звездным ветром, диск может создавать анизотропию в истечении газа из звезды в виде двух противоположно направленных джетов ("биполярное истечение", рис. 5.16). Джеты обнаруживаются по наличию протяженных крыльев в молекулярных линиях вблизи звезды. Протяженность джетов достигает нескольких парсек при очень высокой степени коллимации: угол расходимости джетов часто не больше 10°. Явление биполярного истечения очень распространено среди астрофизических объектов разных масштабов с аккреционными дисками. Примеры: тесные двойные системы (SS 433), ядра радиогалактик и квазаров.

Мазеры OH и H₂O в областях звездообразования. Линии гидроксила 18 см впервые были зарегистрированы в эмиссии в 1965 г. Их свойства оказались столь необычны, что они заслужили название "мистериум". Излучение исходило из окрестностей зон HII вокруг молодых горячих звезд. Профиль линий имел сложную многокомпонентную форму. Интерферометрические наблюдения показали, что каждый пик в профиле излучается отдельным источником ("горячим пятном", мазерной конденсацией) размером от 1 до 10 а.е. (рис. 5.17). Потоки мазерных эмиссионных деталей достигали тысяч Ян при очень малой ширине профиля (0.6–3 кГц).

Рис. 5.17. Мазеры в области звездообразования W3.

Яркостная температура мазерных конденсаций доходила до 10¹² K. Отмечалась круговая поляризация излучения, степень поляризации до 100%. Области звездообразования излучали в основном главные линии 1665 и 1667 МГц, сателлитные линии были гораздо слабее. Затем последовало открытие мазеров OH в околозвездных оболочках красных гигантов – переменных звезд типа Миры Кита и полуправильных переменных, а также ИК-объектов, получивших название "OH/ИК-звезды". В звездных мазерах OH преобладает излучение в сателлитной линии 1612 МГц, главные линии, как правило, слабее (§6.1). В 1968 г. в межзвездных облаках было также найдено гораздо более слабое тепловое излучение OH.

Первые мазеры во вращательной линии H₂O 6₁₆–5₂₃ на волне 1.35 см (n = 22235.08 МГц, рис. 5.18) были открыты в 1968 г. в направлении известных источников мазерного радиоизлучения OH в областях звездообразования. В отличие от молекулы OH, где мазерный эффект имеет место в основном вращательном состоянии, в молекуле H₂O мазерные уровни расположены высоко над основным состоянием, энергия возбуждения соответствует температуре 644 K. Поэтому мазер H₂O – гораздо более энергоемкое явление, чем мазер OH. В дальнейшем мазерное излучение воды было найдено в оболочках звезд поздних классов. Излучение H₂O испытывает сильную переменность, яркостная температура у наиболее мощных источников в областях звездообразования достигает 10¹⁵ K. Рекорд принадлежит мазеру H₂O Ori A, поток которого в течение длительного времени сохранялся на уровне 2 млн. Ян (T_b ~ 10¹⁷ K). Дисперсия скоростей отдельных мазерных деталей H₂O достигает десятков и сотен км/с (в источнике W49 – до 500 км/с). По-видимому, имеет место ускорение мазерных конденсаций звездным ветром массивной молодой звезды. Наиболее вероятный механизм накачки мазеров H₂O – столкновительный в среде с T ~ 1000 K и n ~ 10⁹ см^–3.

Рис. 5.18. Схема уровней молекулы H₂O.

Отдельные конденсации в мазерах H₂O могут представлять собой легкие тела типа протопланет, это объясняет высокую дисперсию их скоростей, создаваемую при воздействии звездного ветра. Для ярких мазеров OH и H₂O (Ori A, W51, Sgr B2) методом РСДБ получены карты высокого разрешения с интервалом в несколько лет. Измерены собственные движения (угловые перемещения) отдельных мазерных конденсаций (порядка нескольких миллисекунд дуги в год), подтверждающие общую картину разлета от общего центра. В то же время из профиля линии известна дисперсия скоростей конденсаций вдоль луча зрения. В предположении сферически-симметричного расширения системы конденсаций это дает независимую оценку расстояния до источника. Для мазера H₂O Ori A таким способом получено D = 480 ± 80 пк, в согласии с оценками расстояний оптическими методами (500 пк). Особый интерес представляет величина D, найденная для источника Sgr B2 вблизи галактического центра: согласно этим данным, расстояние до центра Галактики R₀ = 7.1 ± 1.5 кпк, т.е. близко к найденному по первым обзорам 1950-х гг. в линии 21 см (8.2 кпк).

В некоторых мазерах H₂O (например, в Ori A) наблюдались структуры, похожие на протопланетные кольца. Таким образом, исследования мазеров в областях звездообразования с высоким угловым разрешением дают материал не только для звездной, но и для планетной космогонии.

Окись кремния (SiO). Мазеры SiO наблюдаются во внутренних областях околозвездных оболочек звезд-гигантов поздних классов (§6.1) во вращательных переходах J=1–0, (l = 7 мм), 2–1 (3.5 мм) и т.д. Отличительная особенность мазера SiO – то, что наблюдаются переходы в возбужденных колебательных состояниях v = 1, 2, 3 (рис. 6.4). Соответствующие переходы в состоянии v = 0 – немазерные. Единственный известный мазер SiO в области звездообразования находится в Туманности Ориона.

Метанол (CH₃OH). CH₃OH – очень распространенная в межзвездной среде молекула, вторая по обилию составляющая межзвездных пылинок (после H₂O). Молекула представляет собой почти симметричный волчок (с малым значением параметра асимметрии k). Имеет около 200 разрешенных переходов, доступных для радионаблюдений. К настоящему времени наблюдалось около 20 переходов. Существуют две разновидности CH₃OH – A и E. Они отличаются взаимной ориентацией спинов ядер водорода относительно оси вращения молекулы (фактически это две разные молекулы).

Метанольные мазеры известны с 1987 г. Они встречаются только в ядрах облаков или в областях звездообразования и никогда – в оболочках звезд поздних классов. Обнаруженные к настоящему времени мазеры CH₃OH делятся на два класса (см. таблицу 6). Различие классов отражает разные условия накачки в конденсациях, где формируются мазеры. Наиболее интенсивные вращательные переходы: A⁺-метанол – 6.6 ГГц (5₁–6₀), E-метанол – 12.2 ГГц (2₀–3_–1).

Светимости мазеров .Угловые размеры менее 20 мс дуги. Яркостная температура T_b достигает 10¹⁰ K. Иногда наблюдается переменность излучения, но довольно слабая, т.е. мазеры, скорее всего, насыщены. Часто мазерные конденсации расположены вдоль линий или дуг, сосредоточены вдоль джетов, ударных фронтов или протопланетных дисков, видимых с ребра.

Таблица 6

Классификация метанольных мазеров

Мазеры CH₃OH I класса локализованы в холодных молекулярных облаках: T_кин ~ 30 K, n(H₂) ~ 10⁵ см^–3, X(CH₃OH) ~ 10^–6. Метанольные мазеры II класса обычно находятся на границах компактных зон HII (вокруг массивных звезд с ), в химически неравновесной зоне с n(H₂) ~ 3×10⁶ см^–3; они тесно связаны с мазерами OH и H₂O.