Следующий:4.4
ВыводыВверх:4.
Проявление сверхоболочек вПредыдущий:4.2
Численная схема
4.3 Результаты расчетов
Были рассмотрены два варианта эволюции сверхоболочки: в галактике М31 с
источником энергии мощностью
эрг/с на расстоянии 10 кпс от центра, и в галактике HoII (UGC 4305) с темпом
поступления энергии в полость
эрг/с на расстоянии
кпс от центра галактики. Через 30 млн. лет источник энергии выключался,
так как считалось, что к этому времени все массивные звезды в ОВ-ассоциации
взрываются как сверхновые. После 25 млн. лет эволюции в галактике М31 и
40 млн. лет эволюции в галактике HoII оболочки проектировались на картинную
плоскость в различных спектральных каналах с учетом углового разрешения
радиотелескопа (см. (4.7)). Расстояния между
центрами спектральных каналов
бралось таким же, как в работах [5,55]:
км/с для М31 и
км/с для HoII. Полуширина фильтров
полагалась равной половине спектрального разрешения. Для М31
км/с, для HoII
км/с. С учетом значения величины FWHM, равной 100 пс для М31 и 66 пс для
HoII, дисперсия сферического гауссового керна
(4.9) равна соответственно 42.3 пс и 28
пс. Одномерная дисперсия
хаотических скоростей газа полагалась равной 8.1 км/с для М31 [69]
и 6.8 км/с для HoII [55]. Изображение оболочки
в картинной плоскости зависит от полярного угла
родительской OB-ассоциации (который отсчитывается от линии узлов галактики),
причем эта зависимость более существенна для галактик с большим углом наклона.
Поэтому проекции были выполнены для нескольких значений угла : , ,
и
для М31, и ,
и
для HoII.
Рассчитанные карты распределения лучевой концентрации
показаны на рисунках 4.1-4.4
для сверхоболочки в галактике М31 и рисунках 4.5-4.7
для галактики HoII. На рисунках показаны те частотные каналы, в которых
дыра имеет наибольший контраст. В тех случаях, когда дыра в распределении
HI не наблюдается, изображен спектральный канал, соответствующий лучевой
скорости центра оболочки. Каждая проекция была рассчитана в двух вариантах:
а) без учета хаотических движений в межзвездном газе (
в формуле (4.6)), и б) -- с учетом уширения
спектральной линии HI за счет турбулентных и тепловых движений атомов (
км/с для М31 и
км/с для HoII). На картах лучевой концентрации
для дыр в распределении HI нанесены три уровня: минимальный
и максимальный ,
дающие замкнутые контура (тонкие линии), и уровень, соответствующий половине
глубины дыры
(толстая линия). По аналогии с [5,55]
уровень
отождествляется с границей дыры.
|
Рисунок 4.1: Распределение лучевой концентрации
для М31, .
а) ;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.2: Распределение лучевой концентрации
для М31, .
а) ,
уровнис/см
с шагом с/см;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.3: Распределение лучевой концентрации
для М31, .
а) ,
уровнис/см
с шагом с/см;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.4: Распределение лучевой концентрации
для М31, .
а) ,
уровнис/см
с шагом с/см;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.5: Распределение лучевой концентрации
для HoII, .
а) ;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.6: Распределение лучевой концентрации
для HoII, .
а) ;
б)
км/с.
|
Рисунок 4.7: Распределение лучевой концентрации
для HoII, .
а) ;
б)
км/с.
Анализ распределения лучевой концентрации в спектральных каналах в галактике
М31 (рис. 4.1-4.4)
приводит к выводу о том, что учет хаотических движений в межзвездном газе
имеет принципиальное значение. Из рис. 4.2-4.4
видно, что в случае
(рисунки а)) для значений полярного угла ,
и
нет ни одной замкнутой изоденсы, т.е. оболочка не проявляется в виде дыры
в распределении HI ни в одном из спектральных каналов. Лишь для полярных
углов, близких к
(рис. 4.1), влиянием хаотических движений
на внешний вид оболочек можно пренебречь. Объясняется это тем, что в случае
на картах распределения лучевой концентрации
ширина области, соответствующей невозмущенному газу, оказывается меньшей,
чем размеры дыры. Влияние данного эффекта на возможность наблюдательного
обнаружения оболочек обсуждалась в [5]. При
невозмущенный газ занимает достаточно широкую полосу даже без учета уширения
спектральной линии HI за счет тепловых и турбулентных движений газа.
В случае галактики HoII (рис. 4.5-4.7)
хаотические движения в межзвездном газе оказывают заметное влияние на внешний
вид оболочек лишь при полярных углах .
Однако даже при
в варианте с
наблюдаются замкнутые контуры в распределении лучевой концентрации .
|
Рисунок 4.8: Профили спектральной линии
HI в окрестностях дыры No. 35 в галактике HoII.
|
|
Рисунок 4.9: Рассчитанные профили спектральной
линии HI в окрестностях сверхоболочки в галактике HoII. а) ,
б)
км/с.
Во многих дырах, наблюдаемых в галактике HoII, заметна ``двугорбость''
в спектре (пример -- рис. 4.8, воспроизведенный
из работы Пуше и др. [55]). Это интерпретируется
наблюдателями как вклад в общий спектр от приближающейся и удаляющейся
стенок оболочки [55]. На рис. 4.9
показаны теоретически рассчитанные ``спектры'' для сверхоболочки в галактике
HoII, которая расположена на линии узлов ()
на расстоянии
кпс от центра (эти координаты близки к параметрам наблюдаемой дыры No.
35 в списке работы [55]). На рисунке изображены
рассчитанные спектры для двух случаев: а),
и б)
км/с. Из рисунков видно, что ``двугорбость'' заметна в том варианте, когда
хаотические движения в газе приняты во внимание (рис. 4.9б),
и не наблюдается в случае
(рис. 4.9а). Это связано с тем, что без
учета уширения спектральной линии относительная лучевая концентрация атомов
невозмущенного газа в данном канале в области оболочки значительно выше,
чем в случае отличной от нуля дисперсии .
Этот эффект приводит к резкому снижению относительного вклада оболочки
в общую лучевую концентрацию. Таким образом и в случае галактики HoII учет
хаотических движений в межзвездном газе является важным при сравнении результатов
численного моделирования с данными наблюдений.
|
Рисунок 4.10: Скорости расширения оболочки
в HoII вдоль луча зрения для различных расстояний от центра дыры.
Наличие достаточно большого количества ``двугорбых'' спектральных линий
в варианте с учетом хаотических движений в межзвездном газе (рис. 4.9б)
позволяет выполнить для данной модели сверхоболочки анализ, аналогичный
проделанному для дыр, наблюдаемых в HoII [55].
Нами были рассчитаны ``спектры'' вдоль каждого луча зрения на прямой, проходящей
через центр оболочки параллельно оси ,
с шагом.
Те из них, в которых наблюдались два пика, аппроксимировались суммой трех
гауссиан (две соответствуют приближающейся и удаляющейся стенкам оболочки,
третья учитывает вклад невозмущенного газа). На рисунке 4.10
изображены полученные для каждого такого луча скорости расширения оболочки
DV в виде точек. Их величины вычислялись как половина расстояния между
двумя гауссианами, соответствующими стенкам сверхоболочки. Эти результаты
аппроксимировались функцией косинуса (которая точно описывает сферическое
расширение): км/спспс.
Из рисунка видно, что полученные численно спектры для данной сверхоболочки
достаточно хорошо описываются законом сферического расширения со скоростью
5.6 км/с. Диаметр дыры в распределении HI в центральном канале по уровню
50% от полной глубины дыры равен
пс.
Вычисленные скорости и размеры могут быть использованы для оценки различных
параметров оболочек. Такая процедура близка к той, которая используется
при интерпретации наблюдений. Полученные таким способом параметры приведены
во второй строке таблицы 4.1. В первой строке
этой таблицы даны значения тех же величин, полученные непосредственно из
численных расчетов эволюции сверхоболочки. Здесь
-- полная энергия, произведенная источником энергии за время эволюции сверхоболочки,
-- масса оболочки,
-- кинетическая энергия расширяющейся оболочки,
-- возраст оболочки. Приведенные во второй строке таблицы 4.1
величины вычислялись по тем же формулам, которые используются при анализе
наблюдательных данных [5,17,28,55]:
|
|
|
(4.10) |
|
|
|
(4.11) |
|
|
|
(4.12) |
|
|
|
(4.13) |
где
-- концентрация невозмущенного газа вблизи центра оболочки и
-- средняя масса одной частицы газа. Анализ таблицы 4.1
указывает на то, что в случае галактики HoII различные физические характеристики,
полученные при расчетах эволюции сверхоболочек, незначительно отличаются
от значений, полученных при анализе распределения лучевой концентрации
численно спроектированной оболочки. Это объясняется тем, что форма сверхоболочек
в этой галактике даже к концу эволюции несущественно отличается от сферической
(см. рис. 3.7б на с. ),
что обусловлено прежде всего большой характерной полутолщиной распределения
газа. Таким образом, в случае галактики HoII применяемый при анализе наблюдательных
данных алгоритм приводит к значениям, близким к реальным параметрам оболочек.
Таблица 4.1: Сравнение величин для сверхоболочки в HoII,
полученных из расчетов эволюции и из анализа распределения
Параметры получены: |
, |
, |
, |
t, |
|
эрг |
|
эрг |
млн. лет |
Из расчетов эволюции |
9.5 |
1.2 |
0.53 |
44 |
Из анализа распределения |
5.0 |
0.70 |
0.22 |
60 |
Рассчитанные характеристики дыр в распределении нейтрального водорода
в различных спектральных каналах и при различных полярных углах для галактик
M31 и HoII приведены в таблицах 4.2 и 4.3.
Здесь
-- расстояние j-го спектрального канала от центрального в единицах ;
-- лучевая скорость, соответствующая центру данного спектрального канала
(в которой учтено систематическое движение галактики ;
для галактики M31
км/с [6], для галактики HoII
км/с [55]);
и
-- координаты центра эллипса, аппроксимирующего дыру на уровне ,
в картинной плоскости в системе координат с началом в центре галактики
и осью ,
проходящей вдоль линии узлов галактики; DIAM -- диаметр этого эллипса:,
где
и
-- соответственно большая и малая оси эллипса;
-- контраст дыры;
-- расстояние центра дыры в текущем спектральном канале от центра дыры
в центральном для данного полярного угла спектральном канале.
Таблица 4.2: Характеристики рассчитанных дыр в HI в различных
спектральных каналах для галактики M31
|
, |
, |
, |
DIAM, |
, |
|
, |
|
км/с |
пс |
пс |
пс |
с/см |
|
пс |
|
-5 |
-573.3 |
10055 |
-6 |
254 |
23 |
0.54 |
50 |
-4 |
-569.2 |
10071 |
-13 |
249 |
69 |
0.53 |
67 |
-3 |
-565.1 |
10070 |
-26 |
245 |
174 |
0.46 |
68 |
-2 |
-561.0 |
10024 |
-33 |
242 |
349 |
0.47 |
35 |
-1 |
-556.9 |
10000 |
-25 |
245 |
545 |
0.59 |
21 |
0 |
-552.8 |
10005 |
-4 |
280 |
717 |
0.67 |
0 |
1 |
-548.7 |
10010 |
17 |
316 |
801 |
0.73 |
22 |
2 |
-544.6 |
9989 |
28 |
321 |
696 |
0.69 |
36 |
3 |
-540.5 |
9946 |
19 |
328 |
470 |
0.63 |
63 |
4 |
-536.4 |
9944 |
7 |
327 |
263 |
0.59 |
62 |
5 |
-532.3 |
9945 |
3 |
314 |
128 |
0.52 |
61 |
|
-2 |
-528.2 |
8531 |
1108 |
82 |
347 |
0.10 |
112 |
-1 |
-524.1 |
8585 |
1100 |
102 |
442 |
0.14 |
58 |
0 |
-520.0 |
8643 |
1095 |
121 |
464 |
0.13 |
0 |
1 |
-515.9 |
8686 |
1086 |
185 |
495 |
0.21 |
45 |
2 |
-511.8 |
8761 |
1058 |
89 |
362 |
0.10 |
124 |
|
-1 |
-438.0 |
4929 |
1885 |
81 |
438 |
0.07 |
63 |
0 |
-433.9 |
4992 |
1880 |
153 |
466 |
0.15 |
0 |
1 |
-429.8 |
5031 |
1877 |
183 |
482 |
0.11 |
39 |
|
0 |
-315.0 |
1 |
2167 |
211 |
598 |
0.29 |
0 |
Таблица 4.3: Характеристики рассчитанных дыр в HI в различных
спектральных каналах для галактики HoII
|
, |
, |
, |
DIAM, |
, |
|
, |
|
км/с |
пс |
пс |
пс |
с/см |
|
пс |
|
-4 |
122.1 |
4164 |
-41 |
706 |
90 |
0.41 |
106 |
-3 |
124.7 |
4225 |
-52 |
663 |
152 |
0.35 |
168 |
-2 |
127.3 |
4446 |
-144 |
321 |
239 |
0.15 |
406 |
-1 |
129.9 |
4046 |
-34 |
698 |
321 |
0.68 |
26 |
0 |
132.4 |
4061 |
-13 |
881 |
433 |
1.00 |
0 |
1 |
135.0 |
4117 |
-16 |
720 |
355 |
0.82 |
56 |
2 |
137.6 |
4169 |
-12 |
304 |
261 |
0.14 |
108 |
3 |
140.2 |
4122 |
-25 |
793 |
164 |
0.35 |
62 |
|
-3 |
132.4 |
2785 |
2503 |
386 |
150 |
0.17 |
298 |
-2 |
135.0 |
2950 |
2196 |
258 |
294 |
0.08 |
76 |
-1 |
137.6 |
2916 |
2187 |
802 |
377 |
0.77 |
51 |
0 |
140.2 |
2878 |
2220 |
874 |
417 |
0.92 |
0 |
1 |
142.8 |
2938 |
2290 |
351 |
280 |
0.20 |
92 |
2 |
145.3 |
3197 |
2045 |
451 |
174 |
0.23 |
364 |
|
-2 |
150.5 |
-380 |
3130 |
303 |
148 |
0.15 |
418 |
-1 |
153.1 |
65 |
3168 |
459 |
273 |
0.33 |
34 |
0 |
155.7 |
37 |
3149 |
801 |
366 |
0.73 |
0 |
1 |
158.2 |
-12 |
3185 |
684 |
321 |
0.56 |
61 |
2 |
160.8 |
-32 |
3219 |
274 |
268 |
0.10 |
98 |
|
Рисунок 4.11: Схема, иллюстрирующая эффект
движения центра дыры в HI в различных спектральных каналах (описание см.
в тексте).
Анализ таблиц 4.2 и 4.3
показывает, что центр дыры в различных спектральных каналах может смещаться
на значительные расстояния, которые могут быть сравнимы с диаметром дыры.
Этот эффект выражен более явно для оболочек, находящихся вдали от линии
узлов (с полярным углом ).
Качественно его можно понять из схемы на рисунке 4.11.
Предположим, что наблюдатель находится в плоскости галактики и наблюдает
распределение нейтрального водорода в очень узких спектральных каналах.
Пусть газ в галактике распределен однородно, а линейная скорость вращения
не зависит от расстояния до центра галактики: , .
Тогда в каждом канале наблюдается газ, расположенный вдоль какого-либо
радиуса-вектора (см. лучи зрения
и
на рис. 4.11). То есть радиусы-векторы
с различными полярными углами соответствуют различным спектральным каналам.
Дыра в распределении HI будет наблюдаться в тех спектральных каналах, которые
соответствуют радиусам-векторам, пересекающих каверну с выметенным газом.
Из схемы видно, что если область с дефицитом нейтрального водорода расположена
вблизи полярного угла ,
то центры ``дыр'' в наблюдаемом распределении лучевой концентрации практически
совпадают для всех спектральных каналов, в которых эти ``дыры'' наблюдаются
(зона
на схеме). Для оболочек с полярными углами
центры ``дыр'' в различных спектральных каналах будут систематически смещаться.
В предельном случае
(рис. 4.11) наблюдаемые ``дыры'' в крайних
каналах находятся столь далеко друг от друга (зоны
и ),
что не имеют областей взаимного перекрытия.
Данная схема не учитывает вклада в лучевую концентрацию стенок оболочки.
Однако в крайних спектральных каналах, где дыра еще наблюдается (а именно
в таких каналах эффект движения центра дыры должен проявляться наиболее
сильно), вклад элементов оболочки становится существенно меньшим вклада
невозмущенного газа. Связано это с тем, что дисперсия скоростей (и ширина
линии) в холодной плотной оболочке значительно меньше, чем в окружающем
межзвездном газе.
Схема на рисунке 4.11 иллюстрирует предельный
случай с углом наклона галактики .
Качественно понятно, что с уменьшением угла наклона
величина смещения центра дыры должна уменьшаться, и для другого предельного
случая
должна стремиться к нулю.
|
Рисунок 4.12: Положение центра дыры в различных
каналах для сверхоболочки: а) -- в M31; б) -- в HoII (объяснение см. в
тексте).
На рис. 4.12 показано смещение центров
дыр в различных частотных каналах, следующее из проведенных нами расчетов
для галактик M31 и HoII. На рис. 4.12а
показаны результаты расчетов для оболочки, расположенной в галактике М31
на расстоянии
кпс от центра с полярным углом .
На рис. 4.12б -- результаты расчетов для
галактики HoII; центр оболочки расположен на расстоянии
кпс от центра галактики, .
На каждом рисунке совмещены изображения дыр в трех спектральных каналах:
в том, где диаметр дыры наибольший, и в тех предельных, в которых дыра
еще может быть выделена. Толстой линией обозначен контур, соответствующий
центральному каналу, тонкими линиями -- контура, соответствующие двум предельным
каналам. Из рисунка видно, что смещение центра дыры в различных каналах
может быть значительным и даже приближаться к наблюдаемому диаметру дыры.
Изображения одной и той же дыры в крайних каналах расходятся столь далеко
друг от друга, что практически не перекрываются.
Конечно, на рис. 4.12 приведен предельный
идеализированный случай. В крайних каналах контраст дыры сильно уменьшается
(см. таблицы 4.2 и 4.3),
и ее может быть трудно выделить на фоне окружающего газа. Тем не менее
следующий из проведенных расчетов эффект изменения положения центра дыры
в различных частотных каналах необходимо принимать во внимание при интерпретации
наблюдений и составлении каталогов областей с дефицитом нейтрального водорода.
Рисунки 4.1б-4.7б
показывают, что другой критерий -- близость формы дыры к эллипсу (критерий
4)
-- выполняется удовлетворительно для всех рассчитанных проекций сверхоболочек
как в галактике M31, так и в галактике HoII. На всех приведенных картах
уровень ,
описывающий границу наблюдаемой дыры, представляет собой выпуклую замкнутую
кривую, хорошо аппроксимируемую эллипсом.
Критерий 1 -- наблюдаемость дыры в распределении
HI не менее чем в трех подряд идущих спектральных каналах -- не выполняется
лишь для сверхоболочки в галактике M31 с полярным углом
(см. таблицы 4.2 и 4.3).
Из анализа таблиц можно заметить общую для обеих галактик тенденцию к уменьшению
числа каналов, в которых дыры наблюдаются, при переходе от полярного угла
к.
Этот эффект сильнее проявляется в галактиках с большим углом наклона. В
галактике M31 число спектральных каналов уменьшается от 11 (при )
до 1 (при).
Для галактики HoII эффект менее значителен -- 8 и 5 спектральных каналов
соответственно.
Если учесть тот факт, что максимальный контраст дыры для данного полярного
угла как правило уменьшается при удалении сверхоболочки от линии узлов
(см. таблицы 4.2 и 4.3),
то можно заключить, что три из используемых обычно критериев отбора --
наблюдаемость дыры не менее чем в трех каналах, неподвижность центра дыры
в соответствующих каналах и достаточно хороший контраст (критерии 1,
2
и 3) -- лучше всего описывают реальные
сверхоболочки, находящиеся вблизи линии узлов галактики. При переходе же
к полярным углам, близким к ,
идентификация аналогичных объектов с использованием вышеприведенных наблюдательных
критериев существенно затрудняется.
В данной работе изучались наблюдательные проявления одиночных сверхоболочек.
Концентрация оболочек в центральных областях неправильных галактик [55]
и возможное взаимоналожение таких объектов в сильно наклоненных системах
могут затруднить идентификацию реальных оболочек в этих системах.
Следующий:4.4
ВыводыВверх:4.
Проявление сверхоболочек вПредыдущий:4.2
Численная схема
Sergey Mashchenko 2000-10-25