Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://xray.sai.msu.ru/~polar/html/publications/pop/starfox/hh/hh.ltx Дата изменения: Wed Apr 21 20:58:44 1999 Дата индексирования: Sat Dec 22 05:28:18 2007 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: дисперсия скоростей

\documentstyle[12pt]{article}
\begin{document}
\large
\frenchspacing
\begin{center}

ОБ`ЕКТЫ ХЕРБИГА-АРО
\\
A.А.Панферов\\
(САО РАН)\\
С.Б.Попов\\
(ГАИШ)\\
\end{center}

\baselineskip=1.4\baselineskip
История астрономии богата заблуждениями относительно природы
небесных объектов. Одним из них было представление об объектах
Хербига-Аро (НН) как областях образования звезд. Эти объекты
представляют собой звездообразные излучающие туманности. Первые НН
1, 2 и 3 были открыты в 1950 г. Г.Аро и Г.Хербигом в созвездии
Ориона при обзоре звезд, излучающих в линии водорода $Н_{\alpha}$. НН
расположены как правило группами. Их ассоциация с газово--пылевыми
облаками и схожесть спектра со спектром молодых звезд типа Т
Тельца казалось бы свидетельствуют о протекании процесса рождения
звезд внутри НН объектов.

Изучение природы НН объектов сдерживалось их относительно
низкой светимостью: ярчайшие из них - 15-ой звездной величины.
Наблюдения в широкой области спектра, от ультрафиолетовой до
радио, постепенно привели к пониманию места НН объектов в общей
картине физики межзвездной среды и процесса звездообразования. Уже
опубликовано немало научно-популярных работ, посвященных
рассмотрению этой картины, поэтому здесь мы не стремились к
чрезмерным упрощениям.

Существенным свойством
всех НН оказалась их связь со сверхзвуковыми потоками газа. В 1975
г. Р.Шварц предположил, что НН - это облака газа, излучающие за
фронтом ударной волны.

На сегодняшний день все проявления НН
объектов нашли объяснение в модели столкновения облака с
окружающей средой, сверхзвуковые движения в которой возбуждаются
активной звездой. НН были обнаружены в остатках вспышек
сверхновых, в областях звездообразования и в планетарных
туманностях. Таким образом НН проявляются в результате
обильного, и возможно взрывообразного, истечения газа от звезд.

\begin{center}
Свойства НН объектов
\end{center}

Объекты Хербига--Аро являются туманностями, которые светят, в
основном, собственным светом, в отличии от, например, областей
ионизованного водорода (НII), которые излучают энергию, пришедшую
от близкой яркой звезды. Поэтому и свойства излучения, приходящего
от НН объектов, отличаются от свойств излучения туманностей
других типов.

Спектр НН объектов отличается от спектра фотоионизованных
туманностей обилием линий низкого возбуждения. Наиболее сильными
являются бальмеровские линии водорода и такие линии низкого
возбуждения, как [ОI], [SII], [NI], [FeII]. По отношениям их
интенсивностей получают характерные физические параметры в НН:
температура $Т_е=10^4 К $ и плотность $ n_е=10^4 см^{-3}$.Скорости
ударных волн, которые нагревают газ,
получаются из моделирования спектров равными 30-180 км/с,
а максимальные наблюдаемые ширины
линий соответствуют скоростям V= 400 км/с. Такие большие скорости
обеспечивают достаточную энергетику для излучения в
ультрафиолетовой области спектра и образования линий высокого
возбуждения, таких как [ОIII] и СIV. В зависимости от вида спектра
НН объекты подразделяются на объекты низкого возбуждения и объекты
высокого возбуждения. Физически такое разделение объясняется
различием скорости ударных волн в НН этих двух типов.

В отличии от точечных источников излучения (звезд) НН
обладают кроме спектральных характеристик и морфологическими, и
динамическими. Все эти характеристики связаны между собой. Так для
некоторых НН была обнаружена следующая корреляция: большим
собственным скоростям соответствовал спектр меньшего возбуждения.
Это предполагает возбуждение газа на фронте ударной волны между
облаком и ускоряющим его потоком. Соответственно ударная волна
ориентирована, как потом обнаружилось, вверх по течению
относительно облака. Изучение НН в различных диапазонах спектра и
в различных линиях помогает понять их структуру. Оказалось, что
линии высокого возбуждения, например [ОIII], имеют большие ширины,
чем линии низкого возбуждения, например [ОI], и пространственно
разделяются. Так как эти линии образуются в газе с разной
температурой, то мы видим, таким образом, фронт ударной волны, где
турбулентность и температура максимальные, и область рекомбинации
за этим фронтом, соответственно. Многие НН излучают в линиях молекул,
что также хорошо согласуется не с фотоионизацией, а с нагревом
ударной волной.

Большинство НН объектов обнаружено в биполярных потоках,
которые представляют собой узконаправленные истечения газа в 2-х
противоположных направлениях от молодых звезд, типа Т Тельца,
которые обычно видны вследствии сильного поглощения излучения как
инфракрасные источники (Земля и Вселенная,1994,N2,стр.12).Изучение
связи НН объектов и биполярных потоков сильно продвинуло понимание
природы НН объектов. Собственные скорости НН объектов и скорости
биполярных потоков примерно сонаправлены. Сами же НН являются
ярчайшими деталями этих потоков. Самые яркие из объектов НН
интерпретируются как головные ударные волны струй, или, согласно
принятой терминологии, как 'рабочие поверхности'. Они распологаются на
вершине струй, имеют изогнутую форму и сложную структуру. В
отличии от них НН в теле струй могут быть образованы ударными
волнами другого типа, которые имеют плоскую форму и меньшую
дисперсию скоростей, что отражается на ширине эмиссионных линий. В
некоторых струях имеется несколько головных ударных волн, которые
вероятно образовались вследствии дискретных выбросов газа в струе.
Тип ударной волны определяет распределение интенсивности излучения
и состояния ионизации в струе: наиболее яркими и горячими
являются головные ударные волны.

НН по космическим меркам очень быстро эволюционируют:
время их жизни составляет от десятков до сотен лет, и примерно равно
времени прохождения звуковой волны через облако. Скорости движения
НН объектов достигают 300 км/с, а размеры--сотни астрономических
единиц. Скорость движения НН объектов в струе зависит от плотности
среды, через которую пробивается струя: чем плотнее среда, тем
меньше скорость. Типичные светимости НН объектов около $0.1 L_{\odot}$.
Разнообразие параметров среды, в которой встречаются НН, и
множество физических процессов, влияющих на их эволюцию, приводят
к наблюдаемому разнообразию морфологии НН объектов.

\begin{center}
Физика НН объектов
\end{center}

Природа НН объектов прояснилась как только поняли их связь со
сверхзвуковыми потоками. Движение газа в них при наличии
препятствия приводит к образованию ударной волны - области раздела
среды с резко различающимися физическими параметрами газа по
разные стороны от фронта ударной волны. При движении струи через
среду со сверхзвуковой скоростью она, с одной стороны, сгребает
газ из этой среды, ускоряя его, а с другой стороны, газ струи
замедляется в головной ударной волне. В результате за фронтом
ударной волны происходит уплотнение газа, который вследствии
диссипации кинетической энергии разогревается и излучает.
Уплотнение и нагрев газа может происходить и при движении ударной
волны, возмущенной в неподвижной среде. Таковы основные механизмы
образования НН объектов.

Что-то в эволюции и структуре НН объектов можно понять,
наблюдая их с помощью инструментов высокого разрешения. Однако,
стремясь к более детальному изучению, исследователи НН объектов
обращаются к помощи численного эксперимента на компьютере. Этот
способ изучения также имеет свои методические сложности.Так, чтобы
смоделировать реальную структуру НН объекта, необходимо решить 3-х
мерную нестационарную гидродинамическую задачу, включая эффекты
охлаждения излучением, перенос излучения, учет состояния ионизации
и т.д., что является собственно задачей будущего.

Результаты
осуществленных численных (а также лабораторных) экспериментов
выглядят следующим образом. НН, являющиеся рабочими поверхностями
струй, имеют два основных ударных фронта: так называемый диск
Маха, где движение струи замедляется и который имеет плоскую
форму, и собственно головную ударную волну, с изогнутой формой,
ускоряющей газ из окружающей среды. В теле струи в результате
взаимодействия со средой с боков развиваются плоские ударные
волны, которые по своим свойствам похожи на упомянутый выше диск
Маха. Тепловая неустойчивость за ними может привести к образованию
НН объектов. Вообще множество динамических и тепловых
неустойчивостей играет большую роль в
образовании НН объектов. Они "виновны" также в разбиении крупных
облаков на более мелкие, что возможно отражается в том, что не
весь видимый объем НН объектов излучает, а лишь какая-то доля (для
некоторых НН эта доля составляет 0.001). Если НН в теле струи
движется относительно фонового потока со сверхзвуковой скоростью,
то он в общих чертах имеет такую же структуру, что и рабочая
поверхность на голове струи. НН могут образовываться и из газа,
проникшего через боковую поверхность струи из окружающей среды.
Все эти эффекты наблюдаются в той или иной степени у разных струй
и НН объектов.

Раз сформировавшись НН претерпевает диссипацию и разрушающее
воздействие со стороны окружающей среды. По границе раздела
происходит турбулентное перемешивание газа из двух сред. Это
наблюдается в увеличении ширин линий. При обтекании облака потоком
давление в облаке согласно эффекту Бернулли уменьшается в
направлении перпендикулярном скорости потока, что приводит к
расширению облака в этом направлении со скоростью звука. Дополняют
разрушающее воздействие различные неустойчивости и испарение
облаков. В результате облако может быть раздроблено на более
мелкие облака. Подобная эволюция облачной структуры в диффузных
астрономических источниках является универсальной: она видна и в
оболочках вокруг звезд, и в межзвездной среде, и в оболочках
вокруг активных галактических ядер, и в аккреционных потоках на
массивные галактики. Рассмотрим более подробно структуру струй
рентгеновской двойной звезды SS433, т.к. этот объект является
одной из наиболее интригующих загадок для современной астрономии.

Свидетельства о неоднородной структуре струй поступают, с одной
стороны, из наблюдений рваной структуры эмиссионных линий струй,
и, с другой стороны, из энергетических ограничений. Известно, что
кинетическая светимость струй примерно равна $L_k=10^{39} $ эрг/с,
а светимость в линии $Н_{\alpha}: L_h =10^{36}$ эрг/с. Из системы
уравнений для этих светимостей:

$$
L_k = {\dot M_j} \cdot \frac{V_j^2}{2},
$$
$$
L_h = \epsilon \cdot \rho^2 \cdot q \cdot \theta_j^2 \cdot R_j^{3/4},
$$

для эффективности излучения $\epsilon=10^{23} \frac{эрг \cdot см^3}
{г^2 \cdot c}$ и
известных параметров струй получаем, что излучающим газом
заполнена лишь $ 10^{-5}$ часть объема струи. Характерные размеры
облаков в струях можно получить разными способами. Самый прямой,
по времени переменности, которую связывают с появлением в струе
нового облака,дает размер порядка $10^{12}$ см.Другой метод,который
учитывает полное количество облаков в струе, также дает около
$10^{12}$ см.А вот по отношениям интенсивностей разных эмиссионных
линий струи получается около $10^8$ см. Получаемое противоречие
возможно является кажущимся и объясняется тем, что для определения
размеров использовались разные свойства одного и того же феномена,
а именно: облако может состоять из множества более мелких облаков,
что и будет определять наличие нескольких масштабов. Возможно
более точный ответ на вопрос о структуре струй SS433 мы получим
изучая НН объекты, которые мы можем наблюдать с гораздо большим
разрешением.

Несмотря на большие успехи, достигнутые в исследованиях
природы НН объектов, остается невыясненной их эволюция. Особый
интерес в исследованиях НН объектов представляют общие вопросы
астрофизики: о физических процессах, связанных с возбуждением и
распространением ударных волн, о процессах обмена массой и
энергией на границе раздела двух сред, о влиянии этих процессов на
излучение. В силу турбулентной природы пограничного слоя при
высоких скоростях и сложности протекающих в нем процессов он не
поддается точному теоретическому описанию, а наблюдательный аспект
проблемы сдерживается ограниченностью пространственного
разрешения. В последнее время наблюдается оживление интереса к
НН объектам и большие ожидания здесь связаны с возможностями
численного моделирования на компьютере и улучшением
пространственного разрешения при наблюдениях. Великолепные
перспективы для наблюдений НН объектов показал космический
телескоп им. Хаббла. Исследования НН объектов помимо
самостоятельной важности имеют большое значение для изучения
образования звезд, побочным продуктом которого является
большинство НН объектов.

\pagebreak
Подписи к рисункам.\\

Рис.1. Область неба в созвездии Ориона с НН1/2 объектами,
которые являются головными ударными волнами 2-х противоположно
направленных струй. НН2 сильно фрагментирован. НН1/2 движутся
в картинной плоскости. Общий размер комплекса 0.4 пс.
(из ApJ Letters,1993,v 408, plate L3
Reipurth B., Heathcote S.R., Roth M., Noriega-Crespo A.
and Raga A.C.\\
Из работы Б.Рейпурта, С.Хэлткота, М.Рота, А.Норьега-Креспо и А.Рага)

Рис.2. Вид плотного темного облака Бока с НН46/47 в туманности
Ориона. От только что родившейся звезды, погруженной в облако,
истекает хорошо видная на переднем плане облака сверхзвуковая
струя. Она оканчивается яркой головной ударной волной. Далее
вдоль струи видна более диффузная головная ударная волна -
след более раннего цикла активности звезды. С противоположной
стороны облака видна контрструя и ее головная ударная волна,
более слабые из-за локального поглощения излучения в облаке.
(из A and Ap,1991,v 246, p 513
Reipurth B. and Heathcote S.R.\\
Из работы Б.Рейпурта и С.Хэлткота)

Рис.3. НН34-целый комплекс НН объектов. Расположен в облаке
L1641 в созвездии Ориона. В центре видна струя, направленная
в сторону НН34, чья идеальная ориентация и аккуратная морфология
не оставляет сомнений, что это головная ударная волна струи.
С противоположной стороны от источника струи видна другая головная
ударная волна, но соответствующая ей струя не обнаружена.
НН34 движется в пространстве со скоростью 330 км/с, под углом
к лучу зрения 30 град.
(из A and Ap,1992,v 257,p 693
те же)

Рис.4. Изображение НН34 в свете разности $Н_{\alpha}$-[SII]. Области,
излучающие сильнее в $Н_{\alpha}$, - черного цвета, в [SII] - белого.
Струя и диск Маха, выделяющиеся в линии [SII], более холодные
относительно головной ударной волны. Сила ударной волны максимальная
на апексе и уменьшается в крыльях.
(Te же )

Рис.5. Кинематическая карта НН34. Подобно многим объектам Хербига- -Аро
НН34 состоит из нескольких сгустков, заключенных в менее плотную общую
оболочку.
(из A and Ap,1992,v 263,p 296
Eisloffel J. and Mundt R.\\
Из работы Дж.Эйслоффера и Р.Мандта)

Рис. 6 Структура головы струи. Сверхзвуковое движение струи (1)
через окружающую среду (2) приводит к образованию главных ударных
волн (сплошная линия) и контактных разрывов (пунктир штрихами и
точками), которые разделяют 4 различные области, из них в 1в и 2в
находится газ, прошедший через ударные волны. Стрелками обозначены
скорости струи $V_с$ и головной ударной волны $V_{ув}$.

Рис.7. Результат численного компьютерного моделирования струи.
Изображение в линии $Н_{\alpha}$.
Источник струи переменен, что приводит
к образованию в струе цепочки ярких узлов, каждый из которых
имеет рабочую поверхность. Струя расположена под углом 30 град
к лучу зрения.
(из ApJ,1993,v 413,plate 16
Stone J.M. and Norman M.L.\\
Из работы Дж.Стоуна и М.Нормана)

\end{document}