1.2 Теоретические модели

В настоящее время для объяснения происхождения расширяющихся сверхоболочек нейтрального водорода привлекаются два различных механизма.

1. Оболочки -- продукт эволюции OB-ассоциаций. Впервые этот механизм был предложен Брувейлером [8] и Томисакой и Икеучи [66]. В их модели первоначальный ``пузырь'' (bubble) в газовом диске выдувается звездным ветром самых массивных звезд молодой ОВ-ассоциации -- звезд класса О. Эволюция оболочки может быть описана на этой стадии решением Уивера и др. [72]. Затем, когда О-звезды заканчивают свою эволюцию, включается новый источник энергии -- повторяющиеся вспышки сверхновых все меньших и меньших масс. На этой стадии для описания эволюции оболочки Брувейлер [8] использовал только законы сохранения массы и импульса:

   
   

   			(1.1)
   			(1.2)

   
   

   и не учитывал давления горячего ионизированного газа, находящегося внутри оболочки. Поэтому полученные им размеры и скорости расширения оболочек недооценены. Томисака и Икеучи [66] провели численные расчеты для сферических оболочек уже с учетом внутреннего давления горячего газа. Сверхновые в их модели вспыхивали по одной, с интервалом от до  лет. Считалось, что оболочка прекращает свою эволюцию распадаясь на отдельные фрагменты, когда ее скорость сравнивается со скоростью звука в окружающем газе  км/с.

2. Столкновения с плотным газовым диском галактики высокоскоростных компактных облаков нейтрального водорода. Скорости таких облаков достигают 400 км/с. Тенорио-Таглэ и др. [65] показали, что при таком механизме для образования наибольших наблюдаемых оболочек (с  эрг) необходимы столкновения с газовым галактическим диском очень плотных (с поверхностной плотностью  см) и массивных (с массой ) облаков (при скорости падения 100 км/с). А это типичные параметры гигантских молекулярных облаков (ГМО), которые являются центрами звездообразования.

Из этих двух механизмов более привлекательным представляется первый.

Маккрэй и Кафатос [45] показали, что при расчетах эволюции оболочек дискретные вспышки сверхновых можно заменить квазинепрерывным источником энергии, причем для типичных ОВ-ассоциаций мощность такого источника в течении большей части жизни оболочки остается практически неизменной. Численно она может быть оценена как [45]:

(1.3)

где -- число звезд в ассоциации массивнее , -- полная энергия, выделяющаяся при одной вспышке сверхновой (в единицах  эрг). Типичная ОВ-ассоциация содержит 20 - 40 звезд класса ранее В3 в области с размерами, меньшими 100 пс, однако встречаются ассоциации, содержащие до сотен таких звезд [45]. Звезды класса О существуют около 5 млн. лет, класса В3 -- 50 млн. лет. Отсюда следует, что на ранних стадиях эволюции самым мощным источником энергии является звездный ветер от О-звезд, а в последующие 30 - 50 млн. лет -- последовательные вспышки сверхновых.

Размеры самых крупных оболочек превышают 1 кпc, что значительно больше масштаба неоднородности газового диска Галактики ( 100 - 300 пc). Также необходим учет -компоненты гравитационного поля Галактики. Очевидно, что для построения более правдоподобных моделей эволюции оболочек необходимы двумерные алгоритмы.

Отдельно роли неоднородности газа по -координате и дифференциальности вращения галактического диска рассматривались ранее многими авторами [67,64,40,42,41,32,52,65,83]. Первые полные двумерные расчеты эволюции оболочек в среде, неоднородной по -координате, провели Томисака и Икеучи [67]. Они рассматривали равновесный ( К) газовый слой с распределением плотности:

(1.4)

и гравитационным потенциалом звездного диска

(1.5)

где дисперсии скоростей межоблачной среды и облаков равны соответственно км/с и  км/с, а характерный масштаб неоднородности  пс. Предполагалось, что вспышки сверхновых обеспечивают постоянный приток энергии в полость с мощностью  эрг/с. Мак Лоу и Маккрэй [40] для решения аналогичной задачи использовали приближение тонкого слоя. Мак Лоу и др. [42,41] провели полные двумерные расчеты эволюции оболочек в стратифицированной среде. Полученные решения с высокой точностью следуют аналитическим уравнениям Уивера и др. [72]. Они также очень хорошо согласуются с результатами Мак Лоу и Маккрэя [40], полученными в приближении тонкого слоя. Таким образом, данное приближение может с успехом использоваться при расчетах движения ударных волн в неоднородных средах.

Расчеты показывают, что оболочки, расширяющиеся в неоднородной по -координате среде, с течением времени сильно вытягиваются. Особенно это становится заметным при больших градиентах плотности окружающего газа. При чисто гауссовом распределении газа по -координате верхняя часть оболочки может ускоряться и в конечном счете разрушаться под действием неустойчивости Рэлея-Тейлора [41,32]. Игуменщев и др. [32] показали, что в гауссовой атмосфере со шкалой высот  пс эволюционирующая сверхоболочка прорывает газовый диск при мощности центрального источника энергии  эрг/с. Такое упрощенное описание вертикального распределения плотности газа позволяет учесть лишь одну компоненту межзвездной среды -- холодные плотные облачка. Однако определяющую роль для эффекта прорыва атмосферы могут играть другие компоненты -- теплый нейтральный и ионизированный газ, горячий газ гало. Силич и Фомин [95] показали, что точечный взрыв при экспоненциальном распределении плотности газа с асимптотической ``подложкой'' не приводит к эффекту прорыва атмосферы даже при малых значениях параметра . Роль такой ``подложки'' могут играть компоненты межзвездной среды с большими характерными полутолщинами. Кокс [14] указал, что при учете теплого межзвездного газа со шкалой высот  пс, а также давления космических лучей и магнитного поля, эффект галактических фонтанов получить намного сложнее.

Значительная часть наблюдаемых оболочек кажется вытянутыми не перпендикулярно плоскости Галактики, а параллельно ей. Этот феномен можно объяснить влиянием дифференциальности вращения галактического диска. Тенорио-Таглэ и Палоуш [64] провели расчеты эволюции оболочек в дифференциально вращающемся газовом диске галактики. Построенная ими численная двумерная модель основывалась на приближении тонкого слоя. В работе рассматривалась цилиндрическая оболочка с начальным радиусом 100 пс и такой же высотой. Предполагалось также, что невозмущенный газ галактического диска равномерно распределен в слое с толщиной 100 пс и что оболочка в процессе своей эволюции уже ``прорвала'' этот слой. Считалось, что верхний и нижний концы цилиндрической оболочки движутся со скоростью, равной скорости звука в окружающем газе. Предполагалось мгновенное выделение всей энергии. Результаты расчетов показали, что примерно через  лет вытянутость оболочек вдоль галактической плоскости становится хорошо заметной, а при временах, больших  лет, отношение большой и малой полуосей эллипса достигает 10. В отдельных вариантах расчетов также учитывалась самогравитация оболочек. Ее учет приводит к некоторым отличиям лишь при временах, больших  лет. Тенорио-Таглэ и Палоуш [64] также подчеркнули, что учет -компоненты гравитационного поля галактики мог бы существенно повлиять на их результаты. К тому же очевидно, что представление газового диска галактики в виде однородного слоя является очень грубым приближением.

В этой же работе [64] Тенорио-Таглэ и Палоуш впервые рассмотрели вопрос об образовании молекулярных облаков в расширяющихся оболочках. Влияние неоднородности распределения газа по -координате и роль -компоненты гравитационного поля Галактики не учитывались, поэтому увеличение поверхностной плотности в оболочке до величины, необходимой для экранировки внешнего УФ-излучения и образования молекулярного водорода, было связано только с нагребанием межзвездного газа и искажением формы оболочки дифференциальным вращением Галактики. Как будет показано в следующей главе, в трехмерных оболочках лучевая концентрация увеличивается не только за счет нагребания окружающего газа и дифференциальности вращения галактического диска, но и в результате искажения формы оболочки при ее движении в неоднородном слое газа под влиянием -компоненты гравитационного поля Галактики. Для понимания этого процесса необходимо, таким образом, проведение трехмерных расчетов. На возможность образования молекулярного газа в расширяющихся оболочках указывали также МакКрэй и Кафатос [45]. Возможность фрагментации оболочек за счет гравитационной неустойчивости оценивалась в [64,83,45].

Бисноватым-Коганом и Силичем [80], Силичем [94,59] и независимо Палоушем [50,51] была предложена трехмерная численная схема для расчета эволюции оболочек, основанная на приближении тонкого слоя (т.н. 2.5-мерная газодинамика). В модели учитывалось гравитационное поле Галактики (по данным Аллена [1]), неоднородность распределения газа по -координате (из работ Локмана и др. [39] и Рейнолдса [56]) и дифференциальность вращения галактического диска. В качестве начальных условий были взяты аналитические решения Уивера и др. [72], описывающие эволюцию оболочки на стадии звездного ветра. Вспышки сверхновых моделировались в виде квазинепрерывного источника энергии с мощностью от до  эрг/с. Через несколько десятков миллионов лет влияние -компоненты гравитационного поля Галактики приводит к ``оседанию'' значительной части нагребенной массы оболочки на галактическую плоскость и в конечном итоге к ее разрушению [94]. За это время дифференциальное вращение не успевает сильно вытянуть оболочку, и отношение большой и малой полуосей сечения оболочки плоскостью Галактики не превышает двух. Эти результаты существенно отличаются от полученных Тенорио-Таглэ и Палоушем [64] в двумерном случае.