научная статья по теме КОНДЕНСАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПЫЛИНКАХ В МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКАХ Астрономия

Текст научной статьи на тему «КОНДЕНСАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПЫЛИНКАХ В МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКАХ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 86, № 7, с. 654-660

УДК 524.575

КОНДЕНСАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПЫЛИНКАХ В МЕЖЗВЕЗДНЫХ ОБЛАКАХ

© 2009 г. Ю. А. Щекинов

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Н. Архыз Карачаево-Черкесской Республики, Россия Поступила в редакцию 17.01.2007 г.; принята в печать 30.12.2008 г.

Исследуются возможность эффективной конденсации тяжелых элементов, таких как железо, на поверхности пылинок в межзвездных молекулярных облаках. Высокая скорость разрушения пылинок в межзвездной среде, с одной стороны, и высокая степень истощения тяжелых элементов — с другой, указывает на то, что вымерзание металлов должно быть эффективным в межзвездных (преимущественно молекулярных) облаках. Это возможно только благодаря механизму бетатронного ускорения пылинок за фронтами ударных волн, возникающих при пересечении сверзвуковых турбулентных потоков. Приводятся оценки фактора истощения тяжелых элементов за счет конценсации на поверхности пылинок.

РАС Б: 98.38.Cp, 98.38.Am, 98.38.Dq

1. ВВЕДЕНИЕ

Считается общепринятым, что пылинки эффективно разрушаются за фронтами ударных волн от сверхновых [1, 2]. Грубую оценку скорости разрушения пыли можно получить из следующих простых соображений [2]. Доля разрушенных пылинок за фронтом ударной волны со скоростью у3,о.4 = = 100 км с-1 составляет около 0.4, поэтому полная скорость уменьшения массы пыли в Галактике оценивается как

Еяи

Ма — 0.8ивм

С<0.4'

(1)

где ияи — частота вспышек сверхновых в Галактике, Еяи = 1051 эрг — энергия вспышки сверхновой, £ = 100—200 — среднее отношение газа к пыли по массе. Характерное время разрушения пыли равно

М^ Мд у2ол 1Пз

ТЛ,Л = тг = 12ЬЪ---10й лет. (2)

Ма Еяи ^яи

Здесь Мд = 5 х 109М& — масса газа в Галактике, а для частоты вспышек сверхновых принято значение = 1/100 лет-1.

Очевидно, что это значение для времени т является неприемлемо коротким. Действительно, хорошо известно, что в газовой фазе межзвезной

среды (МЗС) распространенности тяжелых элементов с высокой температурой плавления (так называемых тугоплавких) всегда существенно меньше их среднекосмического (солнечного) значения. Иными словами, такие тяжелые элементы "истощены" в газовой фазе. Причина истощения — это конденсация их на поверхности пылевых частиц. Даже в разреженной среде (п ~ 0.05 см-3) степень истощения достигает 90% и более для Ре, Са, Т1, т.е. доля этих элементов в газовой фазе достигает величины 10% и менее, а в более плотных областях (п ~ 3 см-3) доля Ре в газовой фазе составляет около 1%, а Са и Т1 — всего 0.1% [3, 4]. Это означает, что разрушение пылинок (и как следствие, удаление тяжелых элементов из конденсированной фазы в газовую) должно быть существенно более медленным процессом, чем их образование, т.е. конденсация тяжелых элементов из газовой фазы в твердую (пылевую).

В частности, если говорить о разреженной фазе МЗС, то должно выполняться следующее соотношение между временами разрушения та,а и образования тл^ пыли: = 0.1та,а. В общем случае всегда должно выполняться условие тd,f ^ та,а. Вместе с тем, далеко не всегда кажется очевидным, какие механизмы могут обеспечить выполнение такого соотношения. Достаточно сказать, что если связывать образование пыли в Галактике только с активностью звезд, то соответствующее характерное время — 1010 лет [5—7]. Очевидно, что в

таких условиях конденсация пыли в твердую (пылевую) фазу должна осуществляться собственно в условиях МЗС. На это указывает, по-видимому, и истощение концентрации дейтерия в газовой фазе локальной межзвездной среды [8].

В настоящей работе мы приводим анализ таких условий для разреженной фазы МЗС (п < < 0.3 см"3), диффузных облаков Н1 (п ~ 3—10 см"3) и молекулярных облаков (п > 100 см"3). В разделе 2 приводятся оценки характерных времен конденсации металлов на поверхности пылинок, в разделе 3 дается описание механизмов, способных усиливать процесс конденсации, раздел 4 содержит заключение.

2. ХАРАКТЕРНЫЕ ВРЕМЕНА

Время конденсации атома или иона X на пылинках равно

Tc,X =

f aM \ -1

KVd,x J о2D(a)sx(a)-^daj , (3)

где у^х — относительная скорость пылинок и атомов X, О(а) — электростатический фактор, обеспечивающий увеличение (уменьшение) сечения контактного взаимодействия иона с пылинкой, если они заряжены противоположными (одноименными) зарядами, вх(а) < 1 — фактор налипания атома или иона X на пылинку, йпа/йа — спектр размеров пылинок, а интегрирование в (3) ведется в пределах от минимального размера пылинки в спектре ат до максимального ам. Электростатическое взаимодействие заряженной пылинки с налетающими на нее ионами тяжелых элементов может оказаться существенным фактором, ускоряющим или замедляющим процесс конденсации [9].

Наибольший вклад в увеличение скорости конденсации дают пылинки малых размеров а < 0.01 мкм, для которых как в теплой нейтральной фазе (Т ~ 104 К, п ~ 0.2 см"3 — межоблачный газ Н1), так и в холодной нейтральной фазе МЗС (Т ~ 100 К, п ~ 10 см"3 — диффузные облака Н1) коэффициент О(а) ^ 1 [9]. Это связано с тем, что заряд пылинок малых размеров в этих условиях отрицателен, в то время как донорные элементы (такие, как С, Б1, Ре) однократно ионизованы.

Следует подчеркнуть, что коэффициент налипания вх(а) заданного атома или иона X может заметно отличаться для частиц различной природы и разных размеров. Эти различия становятся понятными, если учесть, что мелкие пылинки построены из тугоплавких элементов, в то время как крупные представляют собой тугоплавкие ядра, "обросшие" ледяными мантиями. Вместе с тем, учитывая, что в общем случае коэффициенты налипания вх(а)

сильно зависят от многих факторов, характеризующих сами пылинки (например, от их морфологии, температуры и т.д.; см. например, [10, 11]), учет в оценках по порядку величины только зависимости вх от радиуса был бы превышением точности описания.

В условиях холодной нейтральной фазы коэффициент усиления может достигать О(а) ~ 200 для

очень мелких (а < 10 А) пылевых частиц [9]. В частности, для железа это дает характерное время вымерзания

3 х 107

Tc,Fe —

SFe T

1/2

лет,

(4)

n

где введена нормировка температуры на типичную температуру в облаках HI T2 — T/102 K, sFe — коэффициент налипания железа на пылинку; мы приняли здесь SFe — const, не зависящей от радиуса пылинки и от относительной скорости между пылинкой и ионом железа. Как отмечалось выше, это в действительности не так, однако неопределенности в оценке коэффициентов налипания, их температурных зависимостей, а также иррегулярные вариации температуры и плотности, связанные с ударным сжатием газа в неодномерном случае [12], делают учет зависимости SFe от радиуса пылинки чрезвычайно затрудненным, и, более того, в настоящее время излишним.

При интегрировании в (4) использован спектр размеров пылевых частиц dnd/da ж a-3'5 [13]. Для n — 10 см-3 мы получаем rc>Fe — 3 х 106s-1 лет. Для того, чтобы степень истощения достигла 99%, как наблюдается в холодной фазе [3], необходимо время 5rc>Fe > 107 лет при условии, что sFe < 1. Вместе с тем характерное динамическое (звуковое) время для диффузного облака с типичным размером 3 пк и скоростью звука 1 км с-1 составляет td ~ 3 х 106 лет. Такой же порядок имеет и время разрушения (обдирания) облака за счет неустойчивости Кельвина—Гельмгольца при движении его с типичной скоростью 10 км с-1 в межоблачном газе с концентрацией n ~ 0.2 см-3: tkh ~ х 105^/% лет [12, 14], где % = рс/pi ~ контраст плотности между облаком и межоблачным газом. Легко видеть, что в типичных условиях время, необходимое для наблюдаемого уменьшения Fe в газовой фазе в диффузных облаках HI, превышает их динамическое время, а это значит, что облака разрушаются (или во всяком случае существенно изменяют свое состояние) прежде, чем заметное количество железа сможет перейти в конденсированную (пылевую) фазу.

а

3. БЕТАТРОННОЕ УСКОРЕНИЕ ПЫЛИНОК

При заданном спектре размеров пылевых частиц ускорение процесса конденсации металлов на пылинках в заданной фазе МЗС (т.е. в одной из ее компонент с определенным значением плотности и температуры) может быть связано с увеличением скорости относительного движения пылинок и газа. Одна из возможностей связана с ускорением заряженных пылинок альфвеновскими волнами [15], однако речь в данном случае идет как правило о десятых долях км с-1. Другая возможность может быть связана с таким радиационным сжатием газа на предшествующих стадиях, которое привело его к наблюдаемому состоянию. При этом существенным является то обстоятельство, что при таком сжатии сильное увеличение магнитного поля приводит к так называемому бетатронному ускорению пылевых частиц [16, 17].

Бетатронное ускорение связано с сохранением адиабатического инварианта в слабопеременном магнитном поле p±2/B(t) = const, где p± — нормальная к полю составляющая импульса пылинки. Поскольку поле меняется медленно, то могут быть существенны столкновения и потеря импульса пылинки, так что уравнение для перпендикулярной составляющей скорости записывается в виде [18]

dv±

1 v±dB_

2 ~B~dt

^М 2

md

где

Tdr

Cs ^

Tdr- > ТВ,

v

md

¡imH na2f (z)ncs

3.1. Молекулярные облака

В молекулярных облаках О(а) ~ 1 из-за того, что заряд пылинок мал ( — 1 < г < 0) [19], а все элементы находятся практически в нейтральном состоянии [20]. Таким образом, время истощения железа до наблюдаемого уровня в 99% составляет

3 х Ю10

5тС)Ре = -ЛеТ"

«РеТ2' П

Если принять для п значение средней концентрации в молекулярных облаках п ~ 102 см"3 [21], то это время 5гс ре > 300 млн. лет оказывается заметно больше шкалы времени жизни молекулярных облаков 20 < т < 100 млн. лет [22].

Оценим возможность ускорения процесса конденсации тяжелых элементов на пылинках за счет бетатронного процесса. Турбулентные движения в молекулярных облаках характеризуются следующим спектром [23]:

VL = L

1/2

Pc

км с

-1

(9)

где размер турбулентной ячейки Ь дан в парсеках. Характерное динамическое время для сталкивающихся турбулентных ячеек имеет следующий порядок величины:

L

Td,t

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