Детальные исследования областей звездообразования на основе прецизионной молекулярной спектроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛАСТЕЙ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРЕЦИЗИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

звездообразование молекула газ

ЛАПИНОВ Александр Владимирович

Нижний Новгород - 2009

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук*).

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Зинченко Игорь Иванович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

академик РАН, профессор Варшалович

Дмитрий Александрович;

доктор физико-математических наук,

профессор Разин Владимир Андреевич;

доктор физико-математических наук,

Вибе Дмитрий Зигфридович.

Ведущая организация: Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Защита состоится 26 мая 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Федерального агентства по науке и инновациям России (ФГНУ НИРФИ) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печёрская, 25/12a.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГНУ НИРФИ.

Автореферат разослан 11 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Караштин А. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация посвящена детальным исследованиям областей звездообразования, а также поиску данных объектов на основе радиоастрономических измерений межзвездных молекулярных линий. Кроме этого, существенная часть посвящена уточнению лабораторных частот и параметров сверхтонкого расщепления астрофизически важных молекул, без чего многие из полученных результатов были бы невозможны.

Актуальность темы и предмет исследования.

Измерения межзвездных молекулярных линий и их последующий анализ являются основным методом исследования областей звездообразования. Несмотря на колоссальный прогресс в оптических измерениях (особенно после запуска телескопа им. Хаббла), наблюдения в видимом диапазоне не позволяют достаточно глубоко заглянуть внутрь этих объектов и, тем более, измерять в них доплеровские движения газа. В то же время информация о поле скоростей газа и зависимости этих движений от радиуса может быть относительно легко получена из доплеровских смещений молекулярных линий с разной оптической толщиной и/или из анализа их асимметрии. Кроме того, из сравнения интенсивностей разных переходов одной и той же молекулы или линий разных молекул можно извлекать данные о распределении плотности, кинетической температуры, а также особенностях химического состава, что также невозможно получить в оптике. Несмотря на то, что с момента открытия линий CO в межзвездной среде прошло уже более 30 лет [1*] и накоплен большой объем наблюдательных данных, построение детальной картины звездообразования далеко не завершено, а количество возникающих вопросов ничуть не меньше, чем это было в начале. Наглядным подтверждением неослабевающего интереса к таким наблюдениям является строительство все более мощных радиотелескопов с упором на субмиллиметровый диапазон волн. Именно исследование процессов звездообразования является их главной задачей.

Основной целью данной работы являлся поиск и исследование характерных особенностей областей звездообразования как в направлении горячих облаков большой массы, так и темных маломассивных облаков по их излучению в линиях разных молекул. Все выполненные измерения были проведены при помощи лучших на сегодня инструментов, включающих CSO-10.4m (Гавайи), SEST-15m (Чили), OSO-20m (Швеция), IRAM-30m (Испания), MPIfR-100m (Германия). Часть измерений получена при помощи РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории, а также аналогичного телескопа ФИАН им. П.Н. Лебедева. На основе сделанных измерений и проведенных расчетов определены параметры исследованных объектов. Разработаны компьютерные программы, позволяющие решать уравнение переноса в линиях разных молекул и используемые в настоящее время исследователями как у нас, так и за рубежом. Характерные тонкие детали, обнаруженные на профилях линий излучения молекул HCN, полностью подтвердили ранее выполненные расчеты автора и явились главным стимулом для увеличения частотного разрешения на IRAM-30m и OSO-20m. В диссертации показано, что использование специальной методики восстановления изображений методом максимума энтропии позволяет существенно увеличить эффективное угловое разрешение при условии хорошего знания формы диаграммы направленности телескопа и при достаточном отношении сигнал/шум.

Поскольку молекулярные линии в темных облаках, связанных с областями образования звезд наподобие нашего Солнца, очень узки, их ширины нередко близки к тепловым (~100 м/с), а систематические движения могут быть еще меньше, то для сравнения измерений в линиях разных молекул необходима эквивалентная точность лабораторных частот переходов ~1 м/с. Такая точность нужна как при измерениях градиентов систематических скоростей, так и в тех случаях, когда одни частоты могут использоваться в качестве эталонных значений при измерениях частот других линий. К сожалению, типичная ошибка рекомендуемых частот переходов межзвездных молекул составляет 30-100 кГц [2*], что для 100 ГГц соответствует 90-300 м/с. В данной диссертации представлены результаты прецизионной лабораторной спектроскопии, полученные в соавторстве с разными группами исследователей для целого ряда астрофизически важных молекул. Рассчитанные автором диссертации спектры являются на сегодня одними из наиболее точных. Для двух лабораторно нестабильных молекул ошибки определения частот переходов существенно уменьшены исходя из радиоастрономических измерений. Выполненные исследования сверхтонкой структуры вращательных переходов 13CO и HN13C позволили значительно повысить точность констант сверхтонкого расщепления, что особенно важно для правильного анализа уширений наблюдаемых линий при низких температурах и оценки лучевых концентраций. Спектры ряда молекул, рассчитанные автором диссертации на основе лабораторных измерений, используются как наиболее точные стандарты при измерениях частот переходов других молекул в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Научная новизна работы заключается в следующем:

(1) Проведены детальные исследования центральных ядер молекулярных облаков, связанных с областями образования звезд большой массы. Из анализа полученных данных определены параметры источников; в некоторых из них выявлена вращающаяся дисковая структура; найдены характерные зависимости наблюдаемых линий от расстояния до центров ядер и от квантовых чисел вращательных переходов молекул. В результате обзора HII областей при помощи радиотелескопа РТ-22 КрАО обнаружено систематическое уменьшение относительного числа облаков с заметным излучением HCN по мере увеличения расстояния до центра Галактики. Для ряда источников на основе измеренных карт в линиях молекул и разработанных программ решения переноса излучения методом Монте-Карло построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных.

(2) Объяснен механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1-0 в темных облаках. С целью расчета отношений сверхтонких компонент составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий. Из последующих наблюдений темных облаков с высоким спектральным разрешением найдено, что характерные детали самообращения на асимметричных профилях HCN находятся в хорошем согласии с результатами выполненных расчетов. В результате обзора 50 темных облаков найдены объекты, уверенно ассоциирующиеся с коллапсирующими ядрами. Часть детально прокартированных источников является дифференциально вращающимися. В двух источниках характер асимметрии HCN линий соответствует ускоренному коллапсу в направлении ядра и расширению оболочки.

(3) На основе прецизионных лабораторных измерений рассчитаны вращательные спектры ряда астрофизически важных молекул с эквивалентной точностью в доплеровской шкале скоростей ?1 м/с во всем диапазоне до 1 ТГц, доступном при радиоастрономических измерениях. Для многих вращательных переходов точности определения частот улучшены на один - два порядка.

(4) Из наблюдений в темных облаках линий лабораторно нестабильных молекул HN13C и H15NC определены частоты основного перехода J=1-0 и показана предпочтительность радиоастрономической спектроскопии.

(5) Экспериментально показано, что благодаря достигнутым точностям частот вращательных переходов измерения линий разных молекул позволяют определять как скорость движения вещества в областях звездообразования, так и градиенты движений в зависимости от радиуса.

Методы и подходы, используемые в диссертации.

(1) При исследовании плотных ядер в областях образования звезд большой массы использованы измерения нескольких переходов разных молекул, являющихся трассерами разных физических условий и позволяющих, по меткому замечанию Снелла и др. [3*], как бы слой за слоем “очищать молекулярное облако подобно луковице”.

(2) Для детального анализа пространственной структуры полученных карт разработана программа восстановления изображений, основанная на принципе максимальной энтропии. Использование данной программы для разных спектральных каналов позволило исследовать эффекты, связанные с вращением источников, а при малом отношении S/N - применить ее в качестве фильтра отсечки шумов на изображении.

(3) Для оценки физических условий по наблюдаемым линиям молекул написаны программы решения переноса излучения методом Соболева (методом LVG) и методом Монте-Карло. Программы включают перенос излучения в линиях CO, CS, HCN, HCO+, HC3N, C3H2, а также в ряде их изотопомеров. Часть оценок выполнена в приближении ЛТР.

(4) С целью поиска и исследования коллапсирующих ядер в темных облаках использованы измерения профилей HCN с максимально возможным спектральным разрешением и сравнение наблюдаемой асимметрии с результатами детального моделирования.

(5) При определении поля систематических движений газа в областях звездообразования использованы одновременные измерения линий разных молекул, обладающих разной критической плотностью возбуждения переходов.

(6) Для достижения максимальной точности лабораторных спектров молекул разработаны алгоритмы аппроксимации профилей поглощения линий с провалом Лэмба.

(7) При спектроскопии лабораторно неустойчивых специй проведены их одновременные радиоастрономические измерения вместе с линиями других молекул, использованных в качестве эталонов частот. Показано, что в данном случае радиоастрономическая спектроскопия в сравнении с лабораторными методами является предпочтительной.

Научное и практическое значение проведенных исследований состоит в следующем.

Во-первых, на основе выполненных измерений большого количества линий определены параметры областей образования звезд большой массы, получены характерные зависимости наблюдаемых линий от расстояния до центров ядер и от квантовых чисел вращательных переходов молекул, в ряде объектов выявлена вращающаяся дисковая структура. Для выбранных источников построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных. В результате большого количества наблюдений получен экспериментальный материал, который помог расширить знания о характерных особенностях образования звезд большой массы и был в последующем использован также в исследованиях других авторов. Написанная автором диссертации программа восстановления изображений методом максимума энтропии из зашумленных карт, сглаженных диаграммой телескопа, стала стандартным рабочим инструментом при анализе наблюдений, выполненных с шагом, не превышающим полуширины диаграммы направленности. Разработаны компьютерные программы, позволяющие решать уравнение переноса в линиях разных молекул и используемые в настоящее время исследователями как у нас, так и за рубежом [4*, 5*, 6*].

Во-вторых, удалось объяснить механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1-0 в темных облаках, что оставалось долгое время не ясным. Показано, что рост турбулентности к краю облака является необходимым условием для превышения излучения в компоненте F = 0-1 в сравнении с остальными линиями. Составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий, как локального, так и нелокального характера, для любого соотношения между микротурбулентными и систематическими скоростями и при любой зависимости скорости сжатия от расстояния до центра облака. Данный алгоритм, предложенный автором диссертации, уже использован другими исследователями при расчетах интенсивностей сверхтонких компонент как в HCN [7*], так и в линиях других молекул [8*]. Тонкая структура асимметричных профилей HCN, сначала рассчитанных автором диссертации, а затем измеренных им же при помощи радиотелескопов IRAM-30m (Испания) и Onsala-20m (Швеция), явилась главным стимулом к улучшению в несколько раз частотного разрешения данных инструментов. При этом автор диссертации принял непосредственное участие в тестировании модифицированных спектрометров. На основе выполненного обзора свыше 50 темных облаков найдено, что молекула HCN является одним из наиболее эффективных зондов для поиска и исследования коллапсирующих ядер в областях звездообразования. Исследованные особенности формирования профилей HCN помогли выявить ряд характерных деталей (дифференциальное вращение и ускоренный коллапс в направлении на центр), существенно дополнивших представления об образовании звезд малой массы.

В третьих, на основе прецизионных лабораторных измерений, выполненных как с использованием субдоплеровской спектроскопии по провалу Лэмба, так и традиционными методами, рассчитаны вращательные спектры ряда астрофизически важных молекул, которые на сегодня являются одними из наиболее точных и используются в качестве вторичных стандартов при измерениях частот переходов других молекул как в межзвездной среде, так и в лаборатории.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты детальных исследований областей образования звезд большой массы, выполненных по наблюдениям большого числа переходов в линиях разных молекул.

2. Выявленные закономерности в распределении интенсивностей и ширин наблюдаемых линий в областях образования звезд большой массы в зависимости от расстояния до центров источников и квантовых чисел вращательных переходов молекул.

3. Предложенный механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент в переходе HCN J=1-0 в темных облаках.

4. Предложенный метод решения уравнения переноса с учетом возможных перекрытий сверхтонких компонент спектра.

5. Результаты поиска и детальных исследований коллапсирующих ядер в темных облаках, связанных с областями образования звезд малой массы.

6. Результаты прецизионной лабораторной спектроскопии ряда астрофизически важных молекул, включающие вращательные спектры C18O, 13CO, HNCO и HCN и уточнение констант сверхтонкого расщепления для 13CO и HCN.

7. Результаты радиоастрономической спектроскопии сверхтонкой структуры молекулы HN13C и частоты H15NC в переходе J=1-0.

8. Предложенный метод измерения внутренних движений в областях звездообразования на основе одновременных измерений центров линий разных молекул.

Апробация работы.

Изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались на семинарах ИПФ РАН, семинарах Хельсинского университета (Финляндия), I Физического института университета г. Кельн и Института радиоастрономии им. М. Планка г. Бонн (Германия), радиоастрономической обсерватории Онсала (Швеция), на многих международных конференциях и симпозиумах, включая VIII Российско-финский симпозиум по радиоастрономии (Пулково, 1999), Симпозиум No. 197 Международного Астрономического Союза «Astrochemistry: From Molecular Clouds to Planetary Systems» (Согвипо, Южная Корея, 1999), на международной школе «The interaction of stars with their environment» (Вышеград, Венгрия, 1996), на 4-м международном симпозиуме «The Dense Interstellar Medium in Galaxies» (Церматт, Швейцария, 2003), на нескольких международных симпозиумах по спектроскопии, включая приглашенный доклад XV Международном симпозиуме по спектроскопии высокого разрешения (Н. Новгород - Казань - Н. Новгород, 2006). Кроме этого, изложенные в диссертации результаты были представлены в большом количестве докладов на всесоюзных и всероссийских астрономических конференциях (Харьков, 1983; Ереван, 1985, 1989; Таллин, 1987; Ашхабад, 1999; Пущино, 1993, 2002; Санкт-Петербург, 1995, 2001; Москва, 2004), семинарах проблемной группы «Физика межзвездной среды», а также в приглашенном докладе на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Н. Новгород, 2007).

Публикации.

Всего по теме диссертации опубликовано 78 работ. Из них 22 статьи - в рецензируемых журналах, в том числе 10 работ в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов (Астрономический журнал, Письма в Астрономический журнал, Известия ВУЗов. Радиофизика), 11 публикаций в международных журналах (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Astronomy and Astrophysics Supplement, Journal of Molecular Spectroscopy и др.) и 11 работ в трудах всероссийских, всесоюзных и международных симпозиумов и конференций.

Личный вклад автора.

Все представленные в диссертации научные результаты получены автором либо лично, либо в итоге совместных исследований с ведущими коллективами как в России, так и за рубежом. Во многих совместных работах автору принадлежит как идея исследований, так и их проведение. Так, из указанных выше публикаций работы [1, 3] носят обзорный характер результатов, полученных в соавторстве с разными группами исследователей; работы [6, 9, 11, 16, 17, 33, 36] выполнены без соавторов. В работе [2] все радиоастрономические измерения, изучение имеющихся в литературе данных, анализ всех лабораторных частот переходов и написание статьи выполнены автором диссертации. В работе [4] роль автора диссертации заключалась в изучении имеющихся в литературе данных, написании программ обработки спектров, обработке полученных спектров и в совместном написании научной части статьи. В публикациях [7, 10] автору диссертации принадлежит основная идея и руководство расчетами.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем сотрудникам, оказавшим помощь при выполнении работ, заложивших основу для данной диссертации, а именно, сотрудникам ИФП РАН: А.Ф. Андриянову, А.Б. Бурову, В.Ф. Вдовину, В.Н. Воронову, И.В. Замятину, А.А. Красильникову, А.Г. Кислякову, А.В. Кузнецову, Э.П. Кукиной, И.В. Лапкину, П.Л. Никифорову, В.Н. Шанину, А.М. Штанюку, В.М. Юркову; сотрудникам РИ АН Украины: А.В. Антюфееву, Л.Б. Князькову, В.В. Мышенко, В.М. Шульге, а также персоналу РТ-22 КрАО, руководимому Н.С. Нестеровым, - за подготовку и проведение совместных радиоастрономических измерений; Й.Й. Берулису и А.М. Толмачеву за совместные измерения на РТ-22 ФИАН в г. Пущино; профессору К. Маттиле, К. Лехтинену, Й. Харью, М. Ювеле, М. Торисеве из Хельсинского университета за обсуждение, помощь и радушный прием при проведении измерений в Мецахови (Финляндия), а также на SEST (Чили). Особая благодарность выражается Л.Э.Б. Йохансону (Онсала, Швеция); П. Шильке и К. Хенкелю (Институт радиоастрономии им. М. Планка, Бонн, Германия), Р. Пенгу (CSO, Гавайи), Г. Поберу и К. Туму (IRAM) за неоднократную помощь при проведении наблюдений, составивших основной наблюдательный материал диссертации, а также Г. Каццоли, К. Пуццарини (Университет г. Болонья, Италия), Г.Ю. Голубятникову и В.Н. Маркову (ИПФ РАН) и А. Гварнери (Университет г. Киль, Германия) за помощь в спектроскопии астрофизически важных молекул; Н.Р. Троицкому и С.Н. Замоздре - за совместное моделирование L1544. Глубокая признательность за руководство диссертацией выражается д.ф.-м.н. И.И. Зинченко.

Все представленные исследования выполнены в соответствии с планом работ ИПФ РАН, в частности, при поддержке РФФИ: “Исследование физических условий в областях образования массивных звезд на основе радиоастрономических наблюдений на миллиметровых и субмиллиметровых волнах” (грант РФФИ 94-02-04861-а), “Физико-химическое состояние, структура и кинематика плотных газо-пылевых конденсаций в областях звездообразования” (грант РФФИ 96-02-16472-а), “Свойства и динамика плотного молекулярного газа в окрестностях молодых звездных объектов” (грант РФФИ 99-02-16556-а), “Строение и эволюция плотных газо-пылевых конденсаций в областях звездообразования” (грант РФФИ 03-02-16307-а), “Исследование спектров ряда молекул, имеющих важное значение для радиоастрономии и астрофизики, оптимизация спектрометров субмиллиметрового диапазона длин” (грант РФФИ-ННИО 04-02-04003-а), “Физико-химическая структура областей звездообразования” (грант РФФИ 06-02-16317-а). Работа была поддержана Программой фундаментальных исследований ОФН РАН “Протяженные объекты во Вселенной”, международными проектами “Dense cores in interstellar molecular clouds” (грант INTAS 93-2168), “Study of dynamical processes at early stages of stellar evolution using contemporary millimeter wave receiving technologies” (грант INTAS 99-1667), грантами ESO, DFG, CRDF, фондом Дж. Сороса.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех основных глав, заключения, списка работ автора, цитированной литературы и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 167 страниц, включая 27 таблиц, 52 рисунка и 246 библиографических наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении (Глава 1) показаны актуальность и цель выполненной работы, определен предмет исследования, кратко изложены основные результаты, представленные к защите, отмечена их новизна, а также научная и практическая значимость.

Глава 2 посвящена изложению результатов исследования плотных ядер в областях образования звезд большой массы, выполненных по наблюдениям большого количества линий молекул CS, C34S, CO и C18O при помощи радиотелескопов SEST-15m (Чили) и CSO-10.4m (Гавайи) [18, 30]. В результате анализа всего объема полученных данных, включающего подробные карты в линиях молекул, данные из литературы в континууме, мазерах H2O, OH, CH3OH, а также наблюдения в оптике, определены параметры исследованных источников, выявлены характерные особенности объектов данного типа и предложены их модели. Для анализа полученных карт источников использована написанная автором диссертации компьютерная программа восстановления изображений, основанная на принципе максимума энтропии (МЕМ) [22]. В ядрах двух объектов (G268.42-0.85 и G301.12-0.20) по линиям CS выявлены вращающиеся диски. В G268.42-0.85 дисковая структура обнаружена также в C18O J=1-0. Найдено, что для всех наблюдавшихся объектов восстановленный размер источников довольно резко уменьшается с ростом энергии верхнего уровня наблюдаемого перехода, а ширина линий CS уменьшается с удалением от центра источников. Несмотря на то, что уменьшение ширины линий с ростом расстояния до центра источников на первый взгляд противоречит известному ларсоновскому закону [9*], обнаруженный эффект вполне естественно объясняется высокой активностью внутренних ядер в областях звездообразования, когда дисперсия скоростей за счет внутренних движений максимальна именно в центре. По оптически тонким линиям C18O J=1-0 получена оценка лучевой концентрации молекул H2, оказавшаяся близкой к 1023 см-2, а из наблюдений C34S найдено, что относительные распространенности CS близки к 5·10-9.

В разделе 2.1 дается обоснование задачи, описываются преимущества выбранных молекул и вращательных переходов для определения физических условий в областях активного образования звезд большой массы, кратко описываются результаты предыдущих исследований. Несмотря на то, что основное содержание данной главы посвящено детальному изучению ряда источников южной полусферы, данные исследования являются продолжением большого цикла работ, проводившихся в ИПФ РАН на протяжении многих лет и направленных на поиск и изучение характерных особенностей подобного класса объектов. Так, благодаря разработке уникального автоматизированного комплекса для спектральных исследований в диапазоне длин волн 2-4 мм [40], были выполнены систематические исследования около 100 молекулярных облаков, связанных с областями HII Шарплеса, в линии HCN J=1-0 [37, 39] при помощи радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории. Благодаря высокой распространенности HCN и большому дипольному моменту, 2.985 D [10*], линия основного вращательного перехода J=1-0 на частоте 88.631 ГГц оказалась крайне удобным зондом для поиска и диагностики наиболее плотных центральных ядер в областях звездообразования. В результате анализа выполненных измерений обнаружено систематическое уменьшение относительного числа облаков с заметным излучением HCN по мере увеличения расстояния до центра Галактики [35, 38]. Проведенные исследования были существенно дополнены измерениями отдельных объектов в оптически тонких линиях H13CN J=1-0. Аналогичные исследования при помощи РТ-22 КрАО проведены в линиях HCO+ J=1-0 и H13CO+ J=1-0 [21, 23, 29, 34]. Несколько меньшая выборка молекулярных облаков исследована в линиях C3H2 [26, 28] и в нескольких переходах HC3N. При этом переход HC3N J=4-3 наблюдался при помощи радиоастрономической станции ФИАН им. П.Н. Лебедева. Для ряда источников, таких как G10.6-0.4 и G35.2-0.74, на основе измеренных карт в линиях многих молекул и разработанных автором диссертации программ решения переноса излучения методом Монте-Карло построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных [33]. Детальные исследования областей звездообразования северной полусферы по измерениям линии CS J=2-1 и HCN J=1-0 выполнены при помощи 14-м радиотелескопа Мецахови (Финляндия) [27].

Раздел 2.2 диссертации содержит краткое описание параметров использованной аппаратуры, включая шумовую температуру, угловое и частотное разрешение.

В разделе 2.3 описаны методы анализа выполненных изображений, проводившиеся тремя разными способами, в том числе и при помощи разработанной программы восстановления методом максимума энтропии (Приложение A). Для относительно высоких отношений S/N (?30) данный метод позволяет существенно повысить угловое разрешение в отсутствии каких либо априорных данных о форме источника при условии хорошего знания диаграммы направленности. Было найдено, что МЕМ восстановление безупречно работает для измерений на CSO (Гавайи). В то же время для данных SEST (Чили) обнаружено, что реальная ошибка в интенсивностях может в несколько превышать измеренную по базовой линии. Указаны возможные причины данного расхождения и предложена методика, в которой ошибки измерения могут оцениваться непосредственно в ходе деконволюции.

Раздел 2.4 содержит список наблюдавшихся областей, их морфологию, а также четыре подраздела, посвященные результатам измерений каждого из южных источников, включая сравнительный анализ с данными из литературы. В частности, на рис. 2.1 диссертации приведены одновременные карты G261.64-2.09 на 0.8 мм в линиях CS J=7-6 и CO J=3-2. Несмотря на одинаковое пространственное разрешение, изображения существенно различаются вследствие разной критической плотности переходов. Данный факт наглядно показывает, почему при исследованиях областей звездообразования мы не можем ограничиться лишь каким-то одним переходом или даже несколькими переходами, но какой-то одной молекулы. Здесь же приведено большое количество результатов для области звездообразования G268.42-0.85, для которой удалось уверенно обнаружить и исследовать вращающуюся дисковую структуру, перпендикулярную к биполярному истечению газа. Для всех четырех источников приведены детальные сравнения построенных карт с излучением в ближнем и дальнем ИК диапазоне, излучением областей HII, распределением и характеристиками мазеров H2O, OH, CH3OH и излучением в оптике. Для каждого из источников приведены наблюдаемые линии в направлении пространственных максимумов, а также таблицы с параметрами измеренных линий.

В разделе 2.5 выполнены оценки параметров областей с учетом распределений интенсивности, исправленных за сглаживание диаграммой направленности. Для всех источников приведены зависимости яркостной температуры и восстановленного размера в зависимости от квантового числа J наблюдаемых переходов в CS. Показано, что в результате активного звездообразования в ядрах выбранных областей, наблюдаемая ширина линий CS убывает с увеличением расстояния от центра. Определены оптические толщины и лучевые концентрации молекул CS, по найденным лучевым концентрациям молекул C18O определено содержание на луче молекул H2 и относительное содержание молекул CS к H2.

Раздел 2.6 содержит основные выводы данной главы.

Глава 3 посвящена исследованию темных маломассивных облаков, а именно - формированию профилей линий молекул HCN [36] и их наблюдениям [6, 11,16, 17, 20]. Интерес к физическим условиям в этих объектах и в том числе к динамике газа, определяемой из анализа профилей линий, объясняется в первую очередь их связью с областями образования звезд наподобие Солнца. На основе модельных расчетов объяснен механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1-0 темных облаках, что оставалось долгое время не ясным. Показано, что рост турбулентности к краю облака является необходимым условием для превышения излучения в компоненте F=0-1 в сравнении с остальными линиями. Составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий, как локального, так и нелокального характера, для любого соотношения между микротурбулентными и систематическими скоростями и при любой зависимости скорости сжатия от расстояния до центра облака. Приведены результаты обзора 50 темных облаков, выполненных с максимальным частотным разрешением при помощи радиотелескопов IRAM-30m и OSO-20m. Найдено, что характерные детали самообращения на асимметричных профилях HCN находятся в хорошем согласии с результатами выполненных расчетов. Экспериментально показано, что вследствие высокого содержания HCN в межзвездной среде, большого дипольного момента и возможности одновременных измерений нескольких компонент с разной оптической толщиной, данная молекула является одним из наиболее эффективных зондов для поиска и исследования коллапсирующих ядер в областях звездообразования. Найдено, что из 50 исследованных источников примерно половина обладает признаками внутренних систематических движений. При этом 17 объектов уверенно ассоциируются с коллапсирующими ядрами. Четыре из 11 детально прокартированных источников являются дифференциально вращающимися. В двух объектах характер асимметрии HCN линий соответствует ускоренному коллапсу в направлении ядра и расширению оболочки.

Раздел 3.1 описывает суть проблемы, структуру уровней и спектр HCN, наблюдения, предшествовавшие выполненным расчетам, а также метод решения переноса излучения, приведенный подробнее в Приложении B. В разделе 3.2 дана модель облака и диапазоны значений параметров. Результаты расчетов профилей линий HCN J=1-0 приведены в разделе 3.3. Показан разный характер асимметрии профилей в случае коллапса облака и при его расширении, зависимость глубины провала на линиях излучения от числа молекул на луче зрения. Несмотря на то, что рассчитанные особенности на профилях HCN на момент написания статьи [36] были далеко за пределами стандартных аппаратурных возможностей, был проведен подробный анализ влияния разреженной поглощающей оболочки модели облака на форму линий и приведены наиболее характерные профили. На последнем рисунке раздела (рис. 3.6) приведена серия рассчитанных профилей HCN с аномальной сверхтонкой структурой. В тексте показано, что рост турбулентности к краю облака является необходимым условием для превышения излучения в компоненте F=0-1 в сравнении с остальными линиями. В разделе 3.4 приведены результаты измерений HCN при помощи IRAM-30m и OSO-20m. На примере источников L1498 и L1512 с разной асимметрией линий показана критичность тонких деталей на профилях HCN к выбору частотного разрешения. Обнаружено уменьшение интегральной интенсивности HCN в направлении на центр темного облака L1498, согласующееся с вымораживанием на пыли для ряда других молекул. Для источников B217SW, L1544 и ряда других из изменения асимметрии линий выявлено дифференциальное вращение, доказанное в модельных расчетах [7,10]. В облаке B335 (а также L429-1) из разного вида асимметрии в разных сверхтонких компонентах выявлен ускоренный коллапс на центр облака, согласующийся с inside-out моделью Шу [11*], и расширение оболочки. Измерена тонкая структура аномальных профилей HCN с максимальной интенсивностью в F=0-1 для L260-NH3, L694-2, L1197 и TMC-1/HC3N. В первых трех источниках данные аномалии обнаружены впервые. В результате обзора 50 темных облаков найдено, что примерно половина объектов обладает признаками внутренних систематических движений. При этом 17 источников уверенно ассоциируются с коллапсирующими ядрами. Четыре объекта из 11 детально прокартированных источников являются дифференциально вращающимися. В разделе 3.5 кратко перечислены основные выводы.

Глава 4 содержит результаты прецизионной лабораторной спектроско-пии вращательных переходов основного колебательного состояния молекул C18O, 13CO, OCS, HNCO, HCN и радиоастрономической спектроскопии HN13C и H15NC в переходе J=1-0 [1, 3]. На основе лабораторных измерений, выполненных как с использованием субдоплеровской спектроскопии по провалу Лэмба, так и традиционными методами, разработанных алгоритмов аппроксимации профилей линий и измеренных спектров рассчитаны вращательные константы молекул. Для многих переходов точности определения частот улучшены на один - два порядка и в доплеровской шкале скоростей составили ?1 м/с во всем диапазоне до 1 ТГц, доступном при радиоастрономических измерениях. В результате одновременных наблюдений темных облаков в HN13C и в линии C18O J=2-1, выбранной как эталон частот для коррекции доплеровских смещений (раздел 4.1), на порядок улучшены точности измерений квадрупольного расщепления HN13C в переходе J=1-0; константа магнитного спин-вращательного взаимодействия CN определена впервые [16, 17]. В разделе 4.2 представлены результаты лабораторных исследований вращательного спектра молекулы C18O [13]. Благодаря прецизионным субдоплеровским измерениям с провалом Лэмба частот переходов J=1-0 и J=2-1 с точностью лучше 1 кГц (2у) и обработки имеющихся данных по другим переходам рассчитан вращательный спектр с точностью ?1 м/с для всех частот <2 ТГц. В отличие от основного изотопомера CO, межзвездные линии C18O значительно уже и нередко имеют гауссову форму профилей. Принимая во внимание относительно высокие интенсивности C18O J=1-0 и J=2-1 в межзвездной среде, новые лабораторные значения позволяют рассматривать данные линии в качестве одного из лучших стандартов частот при спектральных радиоастрономических измерениях. На примере радиоастрономических наблюдений туманностей L134A и L1512 в линиях нескольких переходов CO, 13CO и C18O показано, что благодаря высокой лабораторной точности переходов, такие измерения могут быть крайне эффективными для диагностики небольших движений газа со скоростями, существенно меньшими тепловых. Найден доплеровский сдвиг ядра в L134A относительно оболочки в красную область на величину, превышающую 100 м/c. Данный факт послужил независимым подтверждением правильности объяснения в разделе 4.1 причины ошибок в сверхтонкой структуре HNC, сделанной в [12*] по наблюдениям L134A. Раздел 4.3 посвящен исследованиям вращательного спектра молекулы 13CO [5]. В результате прецизионных субдоплеровских измерений сверхтонкой структуры переходов от J=1-0 до J=4-3 с точностью лучше 1 кГц и обработки имеющихся данных по другим переходам рассчитан вращательный спектр с эквивалентной точностью ?1 м/с для всех частот <2 ТГц. Экспериментально найдено, что константа магнитного спин-вращательного взаимодействия для 13C, определенная из измерений с провалом Лэмба, не зависит от квантового числа J, а ее значение находится в превосходном согласии с результатами молекулярных пучковых измерений для уровня J=1. Благодаря данным измерениям и разработанным алгоритмам аппроксимации профилей (Приложение С) точность определения константы CI оказалась на порядок выше аналогичных измерений в работе [13*]. Поскольку сверхтонкое расщепление в 13CO сравнимо с тепловой шириной линий при Tk=10 К, его учет крайне важен при анализе наблюдаемых профилей линий в темных облаках в отсутствие нетеплового уширения. Раздел 4.4 содержит результаты исследований вращательной структуры молекулы OCS [4]. Благодаря выполненным субдоплеровским измерениям в диапазоне 48-500 ГГц, традиционной доплеровской спектроскопии в диапазоне 0.89 -1.1 ТГц и данными других авторов рассчитан вращательный спектр OCS с точностью ?0.3 кГц (1у) для всех частот ниже 500 ГГц и лучше 3 кГц для частот в диапазоне 0.5-1 ТГц. Из-за отсутствия обнаружимого сдвига линий давлением, вследствие простой структуры спектра и высокой плотности вращательных переходов, следующих с периодом в 12 ГГц, измеренный спектр OCS является хорошим калибровочным эталоном частот при прецизионных лабораторных измерениях в линиях других молекул в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн. В разделе 4.5 представлены результаты исследований вращательного спектра молекулы HNCO в основном колебательном состоянии [2]. Из анализа измерений большого количества линий, выполненных в диапазоне 87-1100 ГГц, и всех других имеющихся в литературе данных в десятки раз повышена точность эффективных вращательных констант в сравнении с предыдущими результатами других авторов. Достигнутая точность для вращательных переходов внутри Ka=0, 1 состояний в пересчете к доплеровским скоростям составила ?1 м/с (1у) для частот <1.1 ТГц, что позволило проводить радиоастрономические измерения с погрешностью, сопоставимой с наиболее прецизионными наблюдениями по линиям других молекул. В разделе 4.6 представлены результаты определения частоты перехода H15NC J=1-0 [1, 3], полученные из анализа одновременных радиоастрономических измерений данной молекулы и перехода молекулы HNCO JKa,Kc=50,5-40,4, взятого в качестве эталона частот для учета доплеровских поправок. Т.к. по наблюдениям нескольких десятков темных облаков на IRAM-30m была выявлена корреляция между интенсивностями и ширинами линий данных молекул, это позволило в несколько раз улучшить точность частоты H15NC J=1-0 в сравнении с имеющимися лабораторными данными. Раздел 4.7 содержит результаты анализа измерений вращательного спектра HCN в основном колебательном состоянии, благодаря которому в несколько раз уменьшены ошибки расчета частот переходов с учетом сверхтонкого расщепления [1, 3]. Достигнутая точность в доплеровской шкале скоростей составила ?0.3 м/с (1у) для всех частот <700 ГГц и лучше 2 м/с для частот <1.7 ТГц. Обнаружены методические ошибки в анализе субдоплеровских измерений сверхтонкой структуры HCN спектра, допущенные в [14*]. Найдено, что полученные константы сверхтонкого расщепления eQq и CN находятся в хорошем согласии с данными электрического резонанса для молекулярных пучков при J=1 [10*] и, в отличие от выводов из работы [14*], не зависят от квантового числа J. Точные значения положений сверхтонких компонент HCN спектра крайне важны для правильного учета перекрытий линий, рассмотренных в Главе 3. В разделе 4.8 приведены примеры использования прецизионной спектроскопии для исследования внутренней динамики областей звездообразования, полученные на основе одновременных измерений линий разных молекул. Поскольку различные молекулы обладают разными дипольными моментами м0, разной энергией верхнего уровня Eup, разной критической плотностью n*, требуемой для возбуждения переходов, а наблюдаемые линии имеют разную оптическую толщину ф, то совместные измерения разных переходов различных молекул позволяют судить не только о плотности газа и лучевой концентрации, но и о характере и величине систематических движений разных областей друг относительно друга. Показано, что благодаря достигнутым точностям частот вращательных спектров молекул стало возможным измерять внутренние движения, намного меньшие тепловых скоростей даже для темных облаков с очень узкими линиями.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы

1. Проведены детальные исследования структуры и кинематики центральных ядер молекулярных облаков, связанных с областями образования звезд большой массы. Из анализа полученных данных определены параметры источников; в некоторых из них выявлена вращающаяся дисковая структура; найдены характерные зависимости наблюдаемых линий от расстояния до центров ядер и от квантовых чисел вращательных переходов молекул. Для ряда источников на основе измеренных карт в линиях молекул и разработанных программ решения переноса излучения построены детальные модели, описывающие всю совокупность полученных данных.

2. Объяснен механизм формирования аномальных отношений сверхтонких компонент перехода HCN J=1-0 в темных облаках. С целью количественного расчета отношений сверхтонких компонент составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу переноса излучения методом Монте-Карло для любого количества уровней с учетом всех возможных перекрытий линий, как локального, так и нелокального характера, для любого соотношения между микротурбулентными и систематическими скоростями и при любой зависимости скорости сжатия от расстояния до центра облака. Показано, что именно разное поглощение разреженной оболочки в разных линиях ответственно за данные аномалии. При этом рост турбулентности к краю облака является необходимым условием для превышения излучения в компоненте F=0-1 в сравнении с остальными линиями.

Из последующих наблюдений темных облаков с высоким спектральным разрешением найдено, что характерные детали самообращения на асимметричных профилях HCN находятся в хорошем согласии с результатами выполненных расчетов. Экспериментально показано, что вследствие высокого содержания HCN в межзвездной среде, большого дипольного момента и возможности одновременных измерений нескольких компонент с разной оптической толщиной, данная молекула является одним из наиболее эффективных зондов для поиска и исследования коллапсирующих ядер в областях звездообразования.

В результате обзора 50 темных облаков найдено, что примерно половина объектов обладает признаками внутренних систематических движений. При этом 17 источников уверенно ассоциируются с коллапсирующими ядрами. Четыре объекта из 11 детально прокартированных источников являются дифференциально вращающимися. В двух источниках характер асимметрии HCN линий соответствует ускоренному коллапсу в направлении ядра и расширению оболочки.

3. На основе прецизионных лабораторных измерений, выполненных как с использованием субдоплеровской спектроскопии по провалу Лэмба, так и традиционными методами, рассчитаны вращательные спектры молекул C18O, 13CO, HNCO и HCN в основном колебательном состоянии с эквивалентной точностью в доплеровской шкале скоростей ?1 м/с во всем диапазоне до 1 ТГц, доступном при радиоастрономических измерениях. Для многих вращательных переходов точности определения частот улучшены на один-два порядка.

? Принимая во внимание относительно высокие интенсивности C18O в межзвездной среде, малые ширины линий и гауссову форму профилей, новые лабораторные значения частот переходов позволяют рассматривать линии C18O в качестве одного из лучших стандартов частот при спектральных радиоастрономических измерениях.

? Благодаря прецизионным субдоплеровским измерениям сверхтонкой структуры переходов 13CO от J=1-0 до J=4-3 и разработанным алгоритмам аппроксимации профилей поглощения, показано, что константа магнитного спин-вращательного взаимодействия для 13C не зависит от квантового числа J, а ее значение находится в хорошем согласии с результатами молекулярных пучковых измерений для уровня J=1. Точное значение величины расщепления особенно важно при анализе наблюдаемых профилей линий при низких температурах в отсутствие турбулентного уширения и при оценке числа молекул на луче зрения.

? В результате исследований спектра HNCO достигнута точность частот для вращательных переходов внутри Ka=0, 1 состояний, позволяющая проводить радиоастрономические измерения с погрешностью, сопоставимой с наиболее прецизионными наблюдениями по линиям других молекул, и использовать данные частоты в качестве стандарта при измерениях других линий.

? В результате обработки всех прецизионных измерений частот HCN найдено, что полученные константы сверхтонкого расщепления eQq и CN находятся в хорошем согласии с данными электрического резонанса для молекулярных пучков при J=1 и не зависят от квантового числа J.

4. Благодаря использованию линий C18O J=2-1 и HNCO JKa,Kc=50,5-40,4 в качестве эталонов частот, из радиоастрономических измерений на порядок улучшены точности измерений квадрупольного расщепления HN13C в переходе J=1-0 и частоты H15NC J=1-0. Константа магнитного спин-вращательного взаимодействия CN для HN13C определена впервые. Поскольку данные молекулы являются крайне нестабильными при лабораторных условиях, показано, что их радиоастрономическая спектроскопия является предпочтительной.

5. Экспериментально показано, что благодаря достигнутым точностям частот вращательных переходов измерения линий разных молекул позволяют не только определять скорость движения вещества в областях звездообразования с точностью ~1 м/с, но и измерять градиенты движений в зависимости от радиуса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лапинов А. В. Прецизионная микроволновая спектроскопия астрофизически важных молекул // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 12 - 15 марта 2007, С.42 - 43 (приглашенный доклад).

2. Лапинов А. В., Голубятников Г. Ю., Марков В. Н., Гварнери А. Лабораторные исследования HNCO для прецизионной спектроскопии темных облаков // Письма в Астрон. журн., 2007, Т.33, С.143 - 152.

3. Lapinov A. V. Precise spectroscopy of astrophysically important species // Invited talk on the XV Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy (HighRus-2006), Proceedings of SPIE (Eds. Ponomarev Yu. N., Mikhailenko S. N., Sinitsa L. N.), 2006, V.6580, P.658001-1 - 658001-12.

4. Golubiatnikov G. Yu., Lapinov A. V., Guarnieri A., Knцchel R. Precise Lamb-dip measurements of millimeter and submillimeter wave rotational transitions of 16O12C34S // J. Mol. Spectrosc., 2005, V.234, P.190 - 194.

5. Cazzoli G., Puzzarini C., and Lapinov A. V. Precise laboratory frequencies for the J<J-1 (J=1, 2, 3, 4) rotational transitions of 13CO // Astrophys. J., 2004, V.611, P.615 - 620.

6. Лапинов А. В. Обзор темных молекулярных облаков в линиях большого числа молекул // Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 “Горизонты вселенной”, Труды ГАИШ МГУ, 2004, Т.LXXV, С.158.

7. Замоздра С. Н., Лапинов А. В., Троицкий Н. Р. Моделирование облака L1544 в линиях излучения HCO+ // Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 “Горизонты вселенной”, Труды ГАИШ МГУ, 2004, Т.LXXV, С.151 - 152.

8. Лапинов А. В., Cazzoli G., Puzzarini C. Прецизионная спектроскопия астрофизически важных молекул // Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 “Горизонты вселенной”, Труды ГАИШ МГУ, 2004, Т.LXXV, C.131.

9. Лапинов А. В. Детальные исследования радиотелескопа IRAM-30m для спектроскопии высокого разрешения // Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 “Горизонты вселенной”, Труды ГАИШ МГУ, 2004, Т.LXXV, С.35 - 36.

10. Троицкий Н. Р., Лапинов А. В., Замоздра С. Н. Моделирование переноса излучения в линиях HCO+ и H13CO+ облака L1544 // Изв. вузов. Радиофизика, 2004, Т.47, Вып.2, С.85 - 93.

11. Lapinov A. Multiline Study of Collapsing Dark Clouds // Abstracts of 4th Cologne-Bonn-Zermatt-Symposium: The Dense Interstellar Medium in Galaxies (Eds. Heithausen A. and Kramer C.), Zermatt, Switzerland, Sep.22 - 26, 2003, P.156.

12. Lapinov A. and Peng R. High-resolution multiline study of G268.42-0.85 // Abstracts of 4th Cologne-Bonn-Zermatt-Symposium: The Dense Interstellar Medium in Galaxies (Eds. Heithausen A. and Kramer C.), Zermatt, Switzerland, Sep.22 - 26, 2003, P.155.

13. Cazzoli G., Puzzarini C., and Lapinov A. V. Precise laboratory frequencies for the J=1-0 and J=2-1 rotational transitions of C18O // Astrophys. J., 2003, V.592, L95 - L98.

14. Лапинов А. В., Henkel C. Исследование характеристик 100-м радиотелескопа института радиоастрономии им. Макса Планка в диапазоне 20-50 ГГц // Тезисы докладов Российской конференции памяти А. А. Пистолькорса “Радиотелескопы РТ-2002, антенны, аппаратура, методы”, г. Пущино, 2002, 9 - 11 октября, С.74.

15. Henning Th., Lapinov A., Schreyer K., Stecklum B., and Zinchenko I. I. IRAS 12326-6245: Luminous very young stellar objects with a massive molecular outflow // Astronomy & Astrophys., 2000, V.364, P.613 - 624.

16. Lapinov A. V. HCN and HNC spectroscopy in dark clouds // Abstracts of IAU Symposium 197 “Astrochemistry: From Molecular Clouds to Planetary Systems”, Sogwipo, South Korea, 1999, August 23 - 27, P.99 - 100.

17. Lapinov A. V. High-resolution HCN and HNC spectroscopy in dark interstellar clouds // Proceedings of the VIII Russian-Finnish Symposium on Radioastronomy “Radioastronomical Researches” (Eds. Zaitsev V. V. & Stepanov A. V.), Pulkovo, Saint Petersburg, 1999, June 28 - July 3, P.81 - 86.

18. Lapinov A. V., Schilke P., Juvela M., and Zinchenko I. I. Studies of dense cores in regions of massive star formation VI. Multitransitional CS and CO observations of G261.64-2.09, G268.42-0.85, G270.26+0.83 and G301.12-0.20 // Astronomy & Astrophys., 1998, V.336, P.1007 - 1023.

19. Зинченко И. И., Барышев А. М., Вдовин В. Ф., Замятин И. В., Кошелец В. П., Лапинов А. В., Лапкин И. В., Мышенко В. В., Нестеров Н. С., Пирогов Л. Е., Шитов С. В., Шульга В. М. Спектральные радиоастрономические наблюдения на РТ-22 КрАО с СИС-приемником диапазона длин волн 3 мм // Письма в Астрон. журн., 1997, Т.23, С.145 - 148.