научная статья по теме ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД ВБЛИЗИ ЯРКИХ КВАЗАРОВ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД ВБЛИЗИ ЯРКИХ КВАЗАРОВ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 86, № 5, с. 449-459

УДК 524.3-54+524.7

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД ВБЛИЗИ ЯРКИХ КВАЗАРОВ

© 2009 г. А. В. Тутуков, А. В. Федорова

Институт астрономии РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 20.10.2008 г.; принята в печать 07.11.2008 г.

Исследована эволюция звезд, находящихся в близкой окрестности ярких квазаров и облучаемых их жестким излучением. Поглощение внешнего потока излучения в оболочке звезды рассчитывалось с помощью того же формализма, который используется при вычислении непрозрачности звездного вещества. Численное моделирование показало, что облучение нагревает внешние слои звезды, изменяя их строение и уменьшая толщину конвективной оболочки маломассивных звезд, но практически не влияет на структуру внутренних слоев. Кроме того, облучение существенно усиливает потерю массы звездами. Последний вывод имеет значение для понимания эволюции масс квазаров со временем, поскольку усиленная потеря вещества близкими звездами снабжает квазар дополнительным газом для аккреции. Полученные результаты применимы также для разделенных двойных систем, в которых маломассивная звезда облучается излучением очень массивного спутника.

РАС Б: 97.10.Cv, 98.54.Aj

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование структуры и эволюции звезд опирается в большинстве случаев на молчаливое предположение о том, что звезда изолирована и окружение не играет никакой роли ни в ее структуре, ни в ее эволюции. Исключения составляют исследование взаимодействия звезд в тесных двойных системах, либо учет возможности аккреции газа из околозвездной оболочки молодой звезды. Однако существует еще одна возможность потенциально важного канала для существенного влияния окружения на структуру и эволюцию звезды. Это наличие близкого и превосходящего исследуемую звезду по яркости источника излучения. Таким источником может быть либо квазар, либо очень массивный спутник компоненты разделенной двойной системы.

В настоящее время установлено, что в ядрах всех ярких галактик находятся сверхмассивные черные дыры (ЧД), массы которых составляют ~106—1010Мо, а светимости доходят до 1012Ьо [1, 2]. С другой стороны, наблюдения свидетельствуют о том, что в околоядерной области галактик находится заметное количество звезд [3—7]. Часть из них, вероятно, образуется в этой области, а остальные диффундируют к ядру галактик из его окрестностей. О наличии массивных звезд вблизи галактических ядер также свидетельствует высокое обилие тяжелых элементов в околоквазарной области даже при высоких красных смещениях, т.е. в ядрах даже самых молодых галактик [3]. Компактный звездный диск наблюдается и около

ЧД в ядре нашей Галактики [4]; в этой области обнаружены также молодые массивные звезды [5]. Наблюдения показывают, что звездообразование возможно в ядрах как Е-галактик [6], так и Б-галактик [7]. Звезды, пришедшие с периферии галактики, должны распределяться сферически-симметрично вокруг центральной ЧД, а звезды, образовавшиеся в ядре, вероятно, образуют диск.

Эволюция звезд, находящихся в близкой окрестности сверхмассивных ЧД, подвергается влиянию ряда факторов, отсутствующих в остальных областях галактики, где звезды можно считать полностью изолированными от окружающей среды. С одной стороны, близкие к ЧД звезды могут быть частично или полностью разрушены как приливным воздействием ЧД, так и в результате столкновений между собой в плотных окрестностях ЧД. Кроме того, они теряют вещество при периодических прохождениях через газовый аккреционный диск, окружающий центральную ЧД. С другой стороны, если сверхмассивная ЧД активно аккре-цирует окружающий газ, т.е. является квазаром, то жесткое излучение квазара воздействует на близкие звезды, нагревая их внешние области, изменяя их строение и увеличивая эффективную температуру звезды, что также приводит к ускоренной потере звездами вещества.

Целью настоящей работы является исследование строения и эволюции звезд, облучаемых жестким излучением квазара. В части 2 обсуждаются величины масс сверхмассивных ЧД и пути их формирования, а также кратко рассматриваются

возможные механизмы динамического разрушения близких к ним звезд. В части 3 вычисляется температура излучения квазара и обсуждается влияние этого излучения на звезды, близкие к квазару. В части 4 излагается метод расчета эволюции звезд, облучаемых излучением квазара, в части 5 представлены результаты расчетов. В заключении приводятся основные выводы работы.

2. СВЕРХМАССИВНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

В ядрах галактик

2.1. Величины масс сверхмассивных черных дыр и их образование

Отношение массы сверхмассивной ЧД к массе сфероидальной части галактики зависит от космологического красного смещения 2, изменяясь от при 2 = 2-3 до при 2 = 0 [8].

В частности, если отвлечься от возможного влияния наблюдательной селекции, это может означать, что масса сверхмассивной ЧД в ядре галактики на ранних стадиях эволюции последней растет быстрее массы сфероидального гало галактики. Текущие массы ЧД хорошо коррелируют с дисперсией пространственных скоростей звезд сферической компоненты соответствующих галактик. Соотношение между этими величинами имеет вид Мвн/М© & 107-4°°, где Мвн — масса ЧД, а -10° — дисперсия скоростей звезд галактического балджа в единицах 100 км/с [9, 10]. Дисперсия скоростей звезд балджа зависит также как от их общей массы, так и от размера сферической звездной системы, расположенной в ядре галактики. При наблюдаемых дисперсиях скоростей звезд в балджах наиболее массивных галактик, доходящих до 600 км/с [10], массы ЧД в их ядрах, вероятно, могут достигать величины ~1010М©. Наличие ЧД с массой ~109М© в ядре квазара рБО 1156+ +295 подтверждается, в частности, обнаружением переменности его светимости в шкале времени 2.7 ч [11].

Вероятно, максимальные массы центральных ЧД, близкие к ~1010М©, достигаются в сверхмассивных (~1013М©) cD-галактиках, которые в современную эпоху находятся в центрах самых массивных скоплений галактик [12]. Между массами этих ЧД и массами скоплений галактик намечается корреляция: Мвн/109М© & (Моь/1014М©)°-6, где Мсь — масса скопления [13]. При максимальных массах скоплений ~1015М© максимальные массы черных дыр—квазаров достигают (3-5) х х 109М©, а их светимость на эддингтоновском пределе — 3 х 1013Ь© [14—16]. Заметная дисперсия скоростей cD-галактик относительно центра масс соответствующих скоплений, составляющая

^100 км/с [12] указывает на вероятный механизм образования этих галактик: они являются продуктом последовательного слияния центральных, наиболее массивных галактик скопления [17]. Ядром cD-галактик обычно является квазар [12], который, согласно современным представлениям, является активно аккрецирующей сверхмассивной ЧД в ядре галактики. Большая вязкость галактического газа, обеспечиваемая высокой скоростью звездообразования и турбулизацией газа сверхновыми, а также, возможно, испарением близких звезд, поддерживает активную аккрецию части этого газа центральной ЧД cD-галактики, обусловливая тем самым появление яркого квазара [18].

Минимальные массы центральных ЧД массивных галактик, вероятно, составляют ~106М©. К галактикам, имеющим сравнительно маломассивные ЧД, относится и наша Галактика: масса ЧД в ее ядре оценивается в (4-5) х 106М© [19].

Первые сверхмассивные ЧД в ядрах галактик появляются, вероятно, в результате торможения и слияния околоядерных шаровых скоплений галактики под действием приливного трения со стороны звездной и, вероятно, темной компонент бал-джа этой галактики [20, 21]. В ядрах шаровых скоплений обычно находятся ЧД промежуточных масс (~103М©) — продукты слияния ЧД звездных масс, которые образуются при окончании эволюции звезд с массами, большими ^25 М©. Слияние ЧД промежуточных масс из ядер скоплений и приводит к формированию исходных сверхмассивных центральных ЧД галактик.

Отметим, что большую роль в формировании ЧД промежуточных масс и росте сверхмассивных ЧД могут играть очень массивные первые звезды галактик. Численное моделирование образования звезд первого поколения, лишенных металлов, а следовательно, имеющих ослабленный звездный ветер, подтвердило принципиальную возможность образования звезд с массами до ^2000 М© в ходе аккреции протозвездного вещества [22, 23]. Образование таких звезд на ранних стадиях эволюции галактик открывает возможность для прямого получения ЧД с массами ^1000 М© после окончания эволюции подобных звезд. Эти ЧД, аккумулируясь в центрах своих шаровых скоплений и галактик, значительно ускоряют возникновение и рост находящихся там сверхмассивных ЧД.

Последующий рост массы сверхмассивных ЧД может происходить за счет аккреции окружающего их газа [24]. Этот газ частично появляется вблизи ЧД в результате диффузии газа галактического диска в ядро галактики, а частично является результатом потери массы околоквазарными звездами. Такая потеря происходит, с одной стороны, в конце эволюции старых звезд при сбросе

ими водородной оболочки, а с другой стороны, в результате испарения близких звезд излучением квазара. Кроме того, возможно и прямое динамическое разрушение близких к квазару звезд. Судя по высокой светимости квазаров, доходящей до эддингтоновской (~1038Мвн/Мо эрг/с), сверхмассивные ЧД квазаров могут эффективно увеличивать свою массу в результате аккреции. Характерное время удвоения массы при эддингтоновской светимости составляет всего ~108 лет, что позволяет при непрерывной аккреции увеличить массу ЧД от 103 до 1010Мо всего за 2.5 х 109 лет, что много меньше хаббловского времени. Таким образом, эффективная аккреция газа достаточна для объяснения как масс наблюдаемых квазаров, так и их светимостей.

Кроме того, важно, что при слиянии галактик может происходить слияние их центральных ЧД. Этот механизм может играть важную роль в росте массы центральных ЧД cD-галактик.

2.2. Возможные механизмы разрушения близких к черной дыре звезд

Рассмотрим кратко несколько возможных механизмов разрушения звезд, близких к сверхмассивной ЧД.

1. Звезды около сверхмассивной ЧД могут быть разрушены ее приливным воздействием. Условием сохранения существования звезды в окрестности ЧД является ее нахождение в п

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.

Показать целиком