АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 92, № 7, с. 559-577
УДК 524.5+524.352-85
ДИНАМИКА ОБОЛОЧКИ СВЕРХНОВОЙ В ОБЛАЧНОЙ МЕЖЗВЕЗДНОЙ СРЕДЕ
© 2015 г. В. В. Королев1, Е. О. Васильев2*, И. Г. Коваленко1, Ю. А. Щекинов3
'Волгоградский государственный университет, Волгоград, Россия
2Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета,
Ростов-на-Дону, Россия
3Физический факультет Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Россия Поступила в редакцию 03.12.2014 г.; принята в печать 22.01.2015 г.
В трехмерной осесимметричной модели исследована эволюция остатка сверхновой в облачной среде в зависимости от объемного фактора заполнения облаками. В модели учтены перемешивание тяжелых элементов (металлов), выброшенных сверхновой, и их вклад в радиационные потери. Показано, что взаимодействие оболочки сверхновой с облачной фазой межзвездной среды приводит к неодновременному и в среднем более раннему началу радиационной фазы в разных частях оболочки сверхновой. Рост объемного фактора заполнения облаков / приводит к уменьшению времени перехода оболочки в радиационную фазу и ее среднего радиуса, что обусловлено увеличением потерь энергии оболочкой в облачной среде. При эффективном развитии гидродинамических неустойчивостей в оболочке сверхновой тепловая энергия падает согласно Et ~Ь-2'3 как в случае распространения остатка сверхновой по однородной, так и по облачной среде. Найдено, что при объемном факторе заполнения / > 0.1 далеко позади глобального ударного фронта от сверхновой формируется слой с избытком кинетической энергии и импульса, который запирает горячий газ каверны в центральной области остатка сверхновой. Металлы, выброшенные сверхновой, также оказываются заключенными в центральной области остатка, где сохраняется практически начальная (высокая) металличность. Таким образом, взаимодействие оболочки сверхновой с облачной межзвездной средой существенным образом изменяет динамику и структуру распределения газа в остатке. Это сказывается на наблюдательных характеристиках остатка и в частности приводит к значительным флуктуациям меры эмиссии газа с Т > 105 К и значения дисперсии скоростей ионизованного газа.
DOI: 10.7868/80004629915070051
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что межзвездная среда в галактиках неоднородна и турбулентна. Значительную роль в поддержке турбулентных течений играют вспышки сверхновых (см., например, [1]). Контрасты плотности в неоднородной межзвездной среде по отношению к среднему значению лежат в интервале от (в диффузной среде) до 1000 и выше (в молекулярных облаках). Взаимодействие ударных волн от сверхновых с неоднородностями плотности — облаками — может вызывать сжатие, разрушение, испарение и ускорение этих неодно-родностей [2]. Очевидны и эффекты обратного влияния облаков на динамику ударных волн от сверхновых. Несмотря на многочисленные численные исследования разрушения отдельных облаков [3] и ансамбля облаков [4], некоторые вопросы и детали
E-mail: eugstar@mail.ru
процесса взаимодействия до конца не изучены, и в частности остается неясной зависимость особенностей динамики остатка от количества облаков в межзвездной среде — фактора заполнения.
В целом общая картина эволюции остатка может существенно зависеть от характеристик неоднородности среды, в которой он расширяется. Это стало понятным в самых первых исследованиях динамики течений с массовым нагружением, а именно течений с добавлением вещества в общее течение газа почти стационарными облаками [5]. В случае ударной волны от сверхновых подобные течения могут формироваться в облачной среде с превышением плотности в облаках выше 1000 в близкой окрестности сверхновой, либо с превышением плотности 10—100 далеко от сверхновой, когда ударная волна от сверхновой станет достаточно слабой, чтобы не разрушить полностью облака. В промежуточных режимах характер течений может меняться в процессе их эволюции: часть облаков,
прошедших первыми через фронт, разрушается, и ударный фронт ослабевает, а облака, находившиеся вверх по течению, слабо обдираются ударной волной и добавляют небольшую часть своей массы в общий газовый поток. Фрагменты разрушенных облаков сталкиваются между собой, частично сливаясь и разрушаясь, что приводит к появлению турбулентных потоков далеко за глобальным фронтом ударной волны и наступлению фазы перемешивания в течении газа [4]. В целом могут формироваться слои с различными свойствами, отличающимися динамикой, структурой, тепловыми характеристиками и химическим составом, вследствие того, что, во-первых, ударные волны могут изменять ионизационный и молекулярный состав вещества (см., например, [6, 7]), а во-вторых, нагруженные течения сами по себе подвержены гидродинамическим неустойчивостям [8].
Особый интерес при распространении ударного фронта по облачной среде представляет влияние охлаждения газа. Как было упомянуто, ударные волны разрушают молекулы, ионизуют газ и тем самым влияют на скорость тепловых потерь и дальнейшую химико-динамическую эволюцию облаков и всего течения газа. Отдельные области изначально адиабатического фронта могут становиться радиационными в разное время. В зависимости от размера и плотности облаков перед фронтом, кинетическая энергия и импульс упорядоченного радиально расширяющегося фронта от сверхновой будут теряться при взаимодействии с облаками. Кроме этого, облака, находившиеся в квазиравновесии с внешней средой, после возмущения их внешних слоев ударным фронтом, могут начать как сжиматься и в дальнейшем стать протозвездным облаком, так и расширяться и в последнем случае добавлять газ в общее течение за фронтом.
Не менее важным является процесс обогащения межзвездной среды тяжелыми элементами — металлами. При вспышках сверхновых металлы выбрасываются в межзвездный газ и перераспределяются в нем на большие масштабы. Обычно неявно предполагается, что при этом металлы достаточно быстро перемешиваются с газом. Однако как теоретические, так и наблюдательные исследования последнего десятилетия показали, что процесс перемешивания может занимать длительное время в зависимости от механизмов и свойств окружающей среды. О низкой эффективности перемешивания можно судить по наблюдениям неод-нородностей в распределении дейтерия [9], кислорода [10, 11] и других химических элементов [12, 13] в широкой пространственной шкале.
Очевидно, что турбулентные течения, охлаждение и нагрев газа играют определяющую роль в перераспределении и перемешивании металлов в
межзвездной среде. Впервые процесс перемешивания в межзвездной среде был исследован численно в работе [14]: характерное время перемешивания химических неоднородностей в среде, возбуждаемой множественными достаточно частыми вспышками сверхновых, оказалось порядка 100 млн лет. Проблема перемешивания металлов оказывается важной и для межгалактической среды [15—18], где в отличие от межзвездной среды нет подкачки энергии от частых вспышек сверхновых. Очевидно, что в областях с низкой скоростью звездообразования и редкими вспышками сверхновых перемешивание будет неполным. В случае взрыва одиночной сверхновой в среде без вариаций плотности эффективность перемешивания также оказывается низкой и ограничивается ранними стадиями расширения с достаточно большим числом Маха [19]. Однако, поскольку существование значительных неоднородностей (облаков) в среде неизбежно изменяет характер течения, то эти перемены коснутся и перераспределения тяжелых элементов. Можно ожидать, что турбулентные течения, возникающие при разрушении облаков, будут способствовать перемешиванию вещества облаков с тяжелыми элементами, выброшенными сверхновыми.
По физическим и динамическим свойствам остаток сверхновой может быть разделен на две области: горячую каверну и оболочку. Под каверной будем понимать горячий газ в центральной области остатка, содержащий в том числе высоко-обогащенный тяжелыми элементами газ. Под оболочкой сверхновой подразумевается нагребенный ударной волной от сверхновой межзвездный газ. Таким образом, следует иметь в виду, что неоднородности плотности в межзвездной среде (облака) могут добавлять вещество как в оболочку — при их обдирании глобальным ударным фронтом от сверхновой, — так и в горячую каверну — если облака остались не полностью разрушенными после прохождения ударного фронта.
Процесс распространения оболочки сверхновой в двухфазной межзвездной среде тесно связан с проблемой формирования мощных галактических истечений (outflows) или ветров (см., например, [20—22]). В этом случае множественные когерентные вспышки сверхновых [23] должны образовать общую сверхоболочку, которая движется по неоднородной межзвездной среде и прорывает галактический диск. Очевидно, клочковатость межзвездной среды увеличивает рассеяние энергии и импульса, меняет свойства течения в образующейся горячей каверне и окружающей ее сверхоболочке, и существенно ослабляет эффективность их трансформации в крупномасштабное вертикальное истечение межзвездного газа [8, 24, 25]. Таким образом, изучение динамики оболочки сверхновой в облачной среде чрезвычайно важно и с точки
зрения крупномасштабной динамики межзвездной среды. В недавней работе [26] были проведены расчеты динамики остатка сверхновой в облачной среде в трехмерном описании, направленные на тщательный анализ радиального распределения импульса и энергии в зависимости от свойств окружающей межзвездной среды. В настоящей работе мы концентрируемся главным образом на зависимости динамики остатка и его наблюдательных свойств от вклада облаков в полную плотность межзвездной среды, или более конкретно, от объемного фактора заполнения среды. Для этого мы вынуждены проводить численные эксперименты в широком интервале параметров для модели облачной среды, соответствующей тому или иному значению фактора заполнения. По этой же причине мы были вынуждены ограничиться трехмерным осесимметричным описанием.
В работе исследуется динамика остатка сверхновой в облачной среде в зависимости от объемного фактора заполнения облаков; учитывается перераспределение (перемешивание) тяжелых элементов, выброшенных при взрыве свер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.