Астронет > Регулярные структуры в конусах ионизации в окрестности активных ядер галактик

Астронет: А. В. Моисеев, В. В. Мусцевой, С. С. Храпов/Коуровка Регулярные структуры в конусах ионизации в окрестности активных ядер галактик
http://variable-stars.ru/db/msg/1176566/node5.html

Регулярные структуры в конусах ионизации в окрестности активных ядер галактик

<< 3. Методика нелинейного моделирования | Оглавление | 5. Основные выводы >>

4. Результаты нелинейного численного моделирования

При исследовании особенностей эволюции возмущений мы имели возможность задать более высокое пространственное разрешение для осесимметричных мод и, следовательно, получить эффекты более высокого порядка. Поэтому мы сначала обсуждаем динамику пинчевых () мод, а лишь затем трехмерных геликоидальных () мод.

i) 2D-результаты

Во всех проведенных сериях экспериментов имело место развитие двух неустойчивых мод - поверхностной моды Кельвина-Гельмгольца и основной (не имеющей нулей собственных функций возмущений между границей и осью симметрии струи - ; см. [1]) волноводно-резонансной моды семейства . В отличие от последней мода Кельвина-Гельмгольца оказалась очень чувствительной к "размазке" переходного слоя от струи к окружающей среде, определяемой пространственным шагом расчетной сетки в -направлении (стабилизирующее влияние сглаживания сдвига скорости хорошо известно, см., например, [17]-[18]). Поэтому заметный вклад в результирующую картину возмущений эта мода давала только на сетке с , а в остальных расчетах ее амплитуда была пренебрежимо мала.

Указанное влияние "толщины" переходного слоя на инкремент возмущений приводит к тому, что увеличением пространственного разрешения сетки инкремент нарастает, асимптотически стремясь к значению, определяемому из линейного анализа разрывной модели.

Характерной особенностью эволюции возмущений во всех проведенных сериях расчетов является то, что на линейной стадии роста радиальные зависимости амплитудных огибающих возмущений всех величин хорошо описываются функцией (см. раздел 1), тогда как на стадии нелинейного насыщения видоизменяются к зависимостям , описывающим равновесные распределения. Этот факт мы иллюстрируем рис. 1 и 2.

На нелинейной стадии развитие волноводно-резонансной неустойчивости основной () внутренней гравитационной моды приводит в окружающей струю среде к формированию ударных волн, фронт которых примерно параболоидный в реальном трехмерном пространстве. В том, что обсуждаемые возмущения действительно представляют собой ударные волны, можно убедиться при помощи рис. 2, где показана радиальная зависимость -компоненты скорости вещества, учитывая тот известный факт, что при использовании численной схемы TVD-E поверхность разрыва всегда оказывается "размазанной" не менее чем на пять пространственных ячеек схемы [16]. Сделанный вывод подтверждается и сравнением скорости распространения возмущений в нормальном к поверхности фронта направлении со скоростью звука в окружающей струю среде , скорость фронта сверхзвуковая, причем наш анализ показывает, что число Маха фронта постоянно с радиусом. Как представляется, помимо очевидного увеличения скорости из-за развития неустойчивости, рост скоростей фронтов ударных волн с радиусом обусловлен и известным эффектом ускорения ударной волны при ее распространении в сторону убывания плотности.

Остановимся на следующем моменте, крайне важном для нашего рассмотрения. Для исследованных в [19]-[20] систем с гравитационным потенциалом кулоновского типа характерен охват рождающимися в струе возмущениями всей окружающей атмосферы. Это связано с тем, что волновое сопротивление (характеристический импеданс) в атмосфере меньше, чем в струе: . Именно поэтому для протозвездных аккреционно-струйных систем можно предполагать наличие взаимного влияния джетов и аккреционного диска через волны в атмосфере [19]-[20]. В рассматриваемом же здесь случае имеет место обратная ситуация: , что препятствует проникновению возмущений в окружающую среду. Характерная глубина этого проникновения по широтному углу показана на рис. 3; при этом если сначала эта глубина быстро нарастает со временем, то в последующем она выходит на насыщение. Отметим, что этот эффект локализации возмущений во внешней среде в широком конусе вокруг струи не зависит от типа моды, поскольку волновое сопротивление не зависит от конкретного типа симметрии волн.

Более того, мы утверждаем, что этот эффект не зависит и от физического механизма возбуждения моды - и для объемных резонансных мод, обусловленных сверхотражением, и для поверхностных мод Кельвина-Гельмгольца возмущения одинаково быстро спадают в окружающей среде с удалением от границы струи.

Рис. 1. Радиальные зависимости относительных возмущений плотности - жирная сплошная линия; радиальной скорости - сплошная; давления - штриховая; меридиальной скорости - штрихпунктирная на линейной стадии развития неустойчивости (цифрой указан безразмерный момент времени) при

Рис. 2. Радиальные зависимости относительных возмущений плотности - жирная сплошная линия; радиальной скорости - сплошная; давления - штриховая; меридиальной скорости - штрихпунктирная на выраженной нелинейной стадии развития неустойчивости (цифрой указан безразмерный момент времени) при

Рис. 3. Слева - образ галактики NGC 5252 в узких запрещенных линиях [OIII]; в середине - изолинии модельной светимости осесимметричной моды (угол наклона оси симметрии конуса к лучу зрения ), справа - изолинии модельной светимости для винтовой моды,

Угол раствора конуса, охватываемого возмущениями, испытывает квазипериодические затухающие осцилляции. Это связано с наличием упомянутой выше нелинейной суперпозиции двух мод с различным физическим механизмом раскачки. Эти моды обладают различными частотами и соответственно на фоне несущей частоты, определяемой полусуммой их частот, наблюдаются биения на частоте, равной полуразности этих частот. Поскольку после выхода на нелинейное насыщение мода Кельвина-Гельмгольца начинает плавно затухать, эти биения также затухают, и дальнейшая эволюция определяется динамикой объемной резонансной моды . Наиболее наглядно эти квазипериодические осцилляции прослеживаются на изолиниях усредненных по радиусу возмущений, показанных на поле параметров "широтный угол - время".

ii) 3D-моделирование

В 3D-моделировании мы были вынуждены ограничиться достаточно грубой по углам и сеткой размером , поэтому рост возмущений из-за описанного в начале пункта эффекта происходил значительно медленнее, чем в 2D-моделировании, и до меньших относительных амплитуд. Тем не менее, мы можем утверждать, что все основные закономерности эволюции возмущений такие же, как и в двумерном случае, поэтому здесь мы остановимся только на различиях.

Прежде всего, в 3D-моделировании мы исследовали развитие первой винтовой () моды. На выполненном при постоянном значении разрезе волновой узор данной моды представляет собой однорукавную отстающую (относительно направления вращения фазового узора) спираль. В объеме этот узор представляет собой медленно вращающуюся (в сравнении с ) геликоидальную структуру, заполняющую широкий конус вокруг центральной коллимированной струи. При проецировании такого геликона на плоскость (фотометрическое изображение) в зависимости от угла наклона его оси к лучу зрения мы получаем либо -образный, либо петельный -образный волновой узор. Из-за вращения этого фазового образования на карте лучевых скоростей наблюдается переключение с красного на синее смещение и обратно при переходе с одной ветви -структуры на другую.

Обсуждая вопросы, связанные со светимостью, необходимо сделать следующее замечание. Как видно непосредственно из системы (14)-(18), мы не решаем в явном виде уравнения фотоионизационного баланса, а потому не можем выделить светимость в отдельных линиях. Вместе с тем обсуждаемые структуры в реальных конусах ионизации наблюдаются в бальмеровских линиях водорода и в узких запрещенных линиях атомов, испытавших ударное возбуждение. Чтобы исключить засветку от горячего вещества, излучающего безударным образом, нам показалось естественным при обработке результатов моделирования выделять светимость собственно волновой структуры, суммируя вдоль луча зрения функцию . Кроме того, при построении модельных изображений светимости мы исключали ячейки, приходящиеся на струю, поскольку температуры в ней настолько велики, что высвечивания ионизованного водорода в обсуждаемых линиях происходить не будет.

iii) астрофизические приложения

Таким образом, ударные волны, развивающиеся в околоядерной области галактик и обусловленные неустойчивостью высококоллимированной струи, должны быть локализованы в конусе с углом полураствора вне струи. Очевидно, что в реальных ситуациях зафронтовой газ будет интенсивно излучать. Поскольку формирующаяся структура достаточно коротковолновая - - уже сравнительно малый наклон оси симметрии обсуждаемого конуса к наблюдателю приведет к тому, что из-за эффекта проекции данное образование будет восприниматься как сплошной конус излучения, на фоне которого будет прослеживаться более яркая регулярная структура (strands [5]). Последняя должна образовываться теми участками ударных фронтов, которые ориентированы практически вдоль луча зрения. На рис. 3 мы схематически воссоздаем описанную ситуацию по результатам нашего моделирования для наклонной к лучу зрения оси симметрии конуса, показывая изолинии просуммированной вдоль луча зрения светимости (в примененной модели, таким образом, подразумевается оптическая прозрачность газа). На левой части рис. 3 для сравнения мы приводим [O III] изображение объекта NGC 5252, полученное на длине волны испускания Å.

В рамках предложенного сценария образования конусов ионизованного вещества удается объяснить и формирование наблюдаемого в удаленной от ядра галактики области поля скоростей с голубыми доплеровскими смещениями в одном конусе ионизации и красными - в диаметрально противоположном. Действительно, при углах наклона осей радиоджетов к лучу зрения ближний к наблюдателю конус будет виден через ударные фронты, распространяющиеся практически на наблюдателя, а дальний - на фоне удаляющихся ударных фронтов. Скорости этих фронтов можно оценить следующим образом:

(23)

Подставляя в (23) указанные в разделе 2 числовые значения, определяем

км/с, что хорошо согласуется с наблюдаемыми доплеровскими смещениями [21]. При этом, поскольку скорости ударных волн растут линейно с радиусом, с удалением от ядра будет возрастать и доплеровский сдвиг лучевых скоростей, что также отвечает реально наблюдаемым полям скоростей.

Наше моделирование было либо осесимметричным, либо неосесимметричным; в реальной ситуации пинчевые возмущения и винтовые моды в струе будут развиваться одновременно. Нелинейной суперпозицией таких мод могут быть объяснены морфология волнового узора и поле скоростей, наблюдаемые в NGC 5252, если предположить, что во внутренней области превалирует винтовая мода, а во внешней - осесимметричная.

<< 3. Методика нелинейного моделирования | Оглавление | 5. Основные выводы >>