НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ
МЕЛЕХ Богдан Ярославович
УДК 524.523+524.7
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТА ХІМІЧНОГО ВМІСТУ ОБЛАСТЕЙ НІІ В БЛАКИТНИХ КОМПАКТНИХ КАРЛИКОВИХ ГАЛАКТИКАХ
01.03.02 - Астрофізика, радіоастрономія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Львівському національному університеті
імені Івана Франка, Міністерство освіти і науки України, м.Львів
Науковий керівник
кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри астрофізики
Головатий Володимир Володимирович,
Львівський національний університет
імені Івана Франка, кафедра астрофізики,
доцент
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, чл.-кор. НАН України
Ізотов Юрій Іванович
Головна астрономічна обсерваторія НАН України, м.Київ
завідувач відділу
кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри астрономії
Андрієвський Сергій Михайлович
кафедра астрономії Одеського національного університету ім.І.І.Мечникова,
доцент
Провідна установа:
Кримська астрофізична обсерваторія Міністерства освіти і науки України, Крим, с.Наукове.
Захист відбудеться " 4 " квітня 2003р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: 03680, м.Київ, вул. Академіка Заболотного, 27, ГАО НАН України.
Початок засідань о 10 годині.
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ГАО НАН України за адресою: 03680, м.Київ, вул. Академіка Заболотного, 27, ГАО НАН України.
Автореферат розіслано " 20 " лютого 2003р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат фізико-математичних наук І.Е. Васильєва
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Блакитні компактні карликові галактики (БККГ) характеризуються низькою металічністю. Тому вони є особливо цінними об'єктами для задачі визначення вмісту первинного гелію і темпу його збагачення в ході хімічної еволюції речовини у Всесвіті.
Вміст первинного гелію визначають шляхом аналізу залежності Y - Z для різних типів небулярних об'єктів, де Y i Z - вміст гелію і важких елементів по атомних масах відповідно. Шляхом лінійної екстраполяції такої залежності на Z=0 отримують вміст первинного гелію Yp, а її нахил dY/dZ визначає темп його збагачення із збільшенням вмісту важких елеметів. Зрозуміло, що така екстраполяція буде тим коректніша, чим більш низькометалічними будуть об'єкти. Області НІІ в БККГ є ідеальними об'єктами для визначення значень Yp і dY/dZ, так як їх металічність є найбільш низькою з усіх відомих типів небулярних об'єктів.
Значення Yp є важливим для тестування моделей нуклеосинтезу Великого Вибуху, кожна з яких дає свої передбачення для значень величин вмістів первинного гелію, дейтерію та літію. Тому задача визначення хімічного вмісту областей НII в БККГ має бути поставлена дуже коректно.
Дисертаційна робота присвячена створенню і застосуванню нових, більш коректних методів визначення фізичних характеристик та хімічного вмісту в областях НІІ БККГ. Ці методи базуються на розрахунках фотоіонізаційних моделей свічення (ФМС) областей НІІ.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась пошукувачем кафедри астрофізики Львівського національного університету імені Івана Франка відповідно до теми "Дослідження фізичних характеристик та хімічного вмісту областей НІІ в блакитних компактних карликових галактиках" (тема затверджена на засіданні Вченої Ради Львівського національного університету імені Івана Франка, протокол 22/2 від 28 лютого 2001 року). Робота виконувалась також в рамках науково-дослідної теми АО-65Б (номер держреєстрації 0100U001445) "Вивчення фізичних та еволюційних характеристик Галактики та сусідніх галактик на основі дослідження планетарних туманностей, зоряних скупчень та фотоелектричних спостережень змінних зір" астрономічної обсерваторії Львівського національного університету імені Івана Франка.
Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є розробка нової методики визначення фізичних характеристик та хімічного вмісту областей HII в БККГ і визначення відповідних параметрів реальних об'єктів. На основі отриманого хімічного вмісту можна перевизначити вміст первинного гелію Yp та темп його збагачення dY/dZ в ході хімічної еволюції речовини. Спостережуваною основою цього дослідження послужили високоякісні спектри багатьох областей НІІ, отримані Ізотовим та ін.[1,2,3].
Для цього необхідно було розв'язати наступні задачі.
1. На основі якісних спостережуваних спектрів [1,2,3] методом [4,5], незалежним від параметрів початкової функції мас (IMF) (характеристик іонізуючого зоряного скупчення), отримати розподіл енергії в спектрі випромінювання іонізуючих ядер областей HII в БККГ за лайманівською межею (Lc-спектри).
2. Розрахувати сітку ФМС областей НII в БККГ.
3. По інтегральних спектрах сітки ФМС методом діагностики небулярного газу [6] визначити усереднені відносні іонні вмісти різних хімічних елементів.
4. Знайти іонізаційно-корекційні фактори (ICF) для областей HII і протестувати їх та вже існуючі (зібрані нами з різноманітних літературних джерел) на можливість застосування в низькометалічних середовищах даних об'єктів.
5. Методом діагностики небулярного газу [6] отримати іонні вмісти в областях HII і за допомогою нових ICF визначити хімічний склад небулярного газу в цих об'єктах.
6. На основі отриманих таким чином хімічного вмісту областей НІІ в БККГ побудувати залежності Y - Z і по них знайти вміст первинного гелію Yp та темп його збагачення в ході хімічної еволюції речовини dY/dZ.
7. Розрахувати оптимізовані ФМС (ОФМС) декількох вибраних областей НII з метою перевірки і уточнення значень Yp та dY/dZ.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Модифіковано методику розрахунку Lc-спектру на основі спостережуваних потоків в лініях Hb, l4471HeI, l4686HeII, l3727[OII], l(4959+5007)[OIII]. Суть модифікації полягає в заданні форми розподілу енергії за l<228Е і скачка на l504Е з моделей зоряних атмосфер O-B зір Шарера і де Котера [7,8]. Для швидкого розрахунку Lc-спектрів вищезгаданим методом написано програму NLEHII, за допомогою якої було отримано розподіл енергії в спектрі іонізуючого випромінювання ядер 41 області НII в БККГ. Вперше були отримані Lc-спектри областей HII методом, незалежним від параметрів IMF.
2. Розроблено методику оптимізації потоків за l< 228Е з метою відтворення ФМС спостережуваного потоку в лінії l4686 HeII.
3. Вперше розраховано сітку ФМС областей НII на основі Lc-спектрів, які отримані незалежною від параметрів IMF і планківського розподілу , методикою.
4. Знайдено вирази для ICF в середовищах областей НІІ в БККГ на основі іонних вмістів, визначених шляхом діагностики небулярного газу інтегральних спектрів ФМС. Саметаким методом визначається іонний вміст реальних об'єктів. До тепер використовувалися або емпіричні вирази, які базуються на близькості потенціалів іонізації відповідних іонів (але не враховують різниці в їх ефективних перерізах іонізації), або для виведення виразів для ICF використовувалися повні іонні вмісти, отримані безпосередно з даних сітки ФМС. Але ICF застосовуються в методах діагностики небулярного газу, а повні іонні вмісти, отримані безпосередньо з результатів ФМС і шляхом діагностики небуляпного газу, відрізняються. Цей останній факт теж продемонстровано в даній дисертаційній роботі.
5. Розроблено метод тестування ICF, отриманих вищезгаданим методом, шляхом перевірки відповідності отриманих по них хімічних вмістів заданим у відповідній ФМС.
6. Перевизначено вміст первинного гелію Yp і темп його збагачення dY/dZ в ході хімічної еволюції речовини в БККГ.
7. Розраховано ОФМС 12-ти областей НII в БККГ. Знайдено значення густини водню, фактора наповненості, кількості іонізуючих квантів та хімічного вмісту. Значення Yp та dY/dZ в межах похибок співпадають з отриманими на основі розрахунку сітки ФМС.
8. На основі тестових розрахунків ОФМС однієї з областей НІІ показано несуттєвість впливу ініціалізаці ї різними наборами початкових значень вільних параметрів на кінцеве визначення хімічного вмісту областей НІІ в БККГ і, відповідно, на визначення значень Yp і dY/dZ.
9. На основі тестових розрахунків ОФМС однієї з областей НІІ в БККГ показано несуттєвість впливу збільшення внутрішнього радіусу, відхилень від сферичної геометрії та флуктуацій густини в ОФМС на кінцеве визначення хімічного вмісту областей НІІ в БККГ і, відповідно, на визначення значень Yp і dY/dZ.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Модифіковано методику розрахунку Lc-спектру [4,5], яка незалежна від параметрів IMF. Її можна застосовувати при калібруванні параметрів IMF ядер реальних областей HII і для створення нового, інтегрованого з IMF, методу пошуку Lc-спектру іонізуючих зоряних кластерів.
2. Розраховані Lc-спектри 41 області НII в БККГ можна використовувати при детальному фотоіонізаційному моделюванні реальних областей HII і при побудові ОФМС даних об'єктів.
3. Усереднені відносні іонні вмісти, отримані діагностикою інтегральних спектрів сітки ФМС, можна використовувати в подальших дослідженнях для виявлення, наприклад, кореляцій між ними та іншими фізичними параметрами ФМС.
4. Отримані хімічні вмісти можуть бути використані при побудові ОФМС областей НІІ в БККГ як початкові значення відповідних вільних параметрів.
5. Нові ICF можуть бути використані для пошуку хімічного вмісту областей HII в БККГ, які не ввійшли з різних причин до вищезгагаданих.
6. Розраховано ОФМС 12-ти областей НІІ в БККГ, які можуть бути використані після розрахунку ОФМС інших областей НІІ для детального аналізу значень фізичних параметрів та взаємозв'язків між ними в цих об'єктах.
7. Проведено дослідження стійкості розв'язків ОФМС областей НІІ в БККГ. Отримані в результаті висновки можуть бути використані як базові при подальшому розрахунку ОФМС областей НІІ в БККГ.
Особистий внесок здобувача. Частина результатів одержана у співавторстві з науковим керівником В.В.Головатим. П'ять із семи [1,4-7] з переліку публікацій основних результатів дисертаці виконані самостійно. У роботах, виконаних у спіавторстві з В.В.Головатим, здобувачеві належить участь у постановці задачі [2-3], створенні відповідного математичного забезпечення, здійсненні числових розрахунків, аналіз результатів та написання статей. У спільних працях аналіз, інтерпретація результатів та написання статей відбувалися спільно з науковим керівником В.В.Головатим.
Апробація результатів досліджень. Результати, отримані в рамках цієї дисертаційної роботи, доповідались та обговорювались на таких наукових семінарах та конференціях:
-- на семінарах та звітних конференціях астрономічної обсерваторії Львівського національного університету імені Івана Франка;
-- на звітній конференції кафедри астрофізики Львівського національного університету імені Івана Франка;
-- на ІІ-ій конференції пам'яті Бабія Б.Т., Львів, листопад 1998-го року;
-- на Астрономічній школі молодих вчених "Актуальні проблеми астрономії", Умань, травень 1999-го року;
-- на Астрономічній школі молодих вчених "Актуальні проблеми астрономії", Умань, травень 2000-го року;
-- на "Симпозіумі No209 (Планетарні Туманності)", Канбера, Австралія, листопад 2001-го року;
-- на ІІI-ій конференції пам'яті Бабія Б.Т., Львів, квітень 2002-го року;
-- на 9-тій відкритій конференції молодих вчених по астрономії і фізиці космосу, Київ, квітень 2002-го року;
-- на семінарі відділу "Фізики зір та галактик" Головна Астрономічна Обсерваторія НАН України, Київ, травень 2002-го року.
-- на семінарі науково-дослідного інституту "Астрономічна обсерваторія" при Одеському національному університеті імені І.Є.Мечнікова, жовтень 2002-го року.
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 7 статтях у наукових реферованих журналах.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі списку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та 2-ох додатків. Повний обсяг дисертації складає 133 сторінки. Всього робота містить 19 рисунків, 24 таблиць та 93 найменування у списку використаних джерел.S
ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ. Коротко описані загальні характеристики БККГ, процеси зореутворення в них, а також їх зв'язок із вмістом первинного гелію і збагаченням областей НІІ в цих об'єктах важкими елементами. Описані відомі методи визначення хімічного складу областей НІІ і розрахунку їх ФМС. Вказано на недоліки цих методик та сформульовано мету і задачі досліджень, які скеровані на удосконалення та створення нових методів, більш коректних від попередніх. Розкрита сутність та актуальність задачі, значення та новизна виконаної роботи в контексті проблеми визначення вмісту первинного гелію та темпів його збагачення в процесі хімічної еволюції речовини в БККГ. Підкреслено практичне значення отриманих результатів.
Розділ 1. Має оглядовий характер. Проведений огляд робіт різних авторів, в яких описані спектральні дослідження областей НІІ, методи визначення їх хімічного складу і, відповідно, первинного гелію Yp та темпів його збагачення dY/dZ в процесі хімічної еволюції даних об'єктів. Проаналізовано питання задання розподілу енергії в спектрі іонізуючих ядер, необхідного для побудови ФМС цих об'єктів. Сформульовано постановку задачі даної дисертаційної роботи.
У підрозділі 1 проведений огляд спектрофотометричних досліджень областей НІІ, виконаних різними авторами, вказані телескопи і апаратне забезпечення, за допомогою яких здійснювалися дослідження. Для нашого дослідження вибрано результати спостережень Ізотова та ін. [1,2,3], так як вони є високоякісними, здійснені на гомогенній апаратурі і містять достатньо велику кількість спектрів областей НІІ в БККГ.
У підрозділі 2 проведений огляд результатів визначення хімічного складу різними авторами, отриманих за різними методиками. Зокрема, здійснено грунтовний огляд робіт Ізотова та ін. [1,2,3], в яких приведені результати спостережень областей НІІ, визначення хімічного вмісту А/H і, відповідно, значень вмісту первинного гелію Yp і темпів його збагачення зі збільшенням в процесі хімічної еволюціїї речовини вмістів кисню dY/d(O/H), азоту dY/d(N/H) та всіх важких елементів dY/dZ. Детально проаналізована методика визначення вмісту різних хімічних елементів. В кінці підрозділу в хронологіному порядку приведені значення величин Yp і dY/dZ, знайдені різними авторами. Слід зазначити, що після ~1994 року значення Yp групуються навколо двох величин: 1) Yp = 0.238 – величина, знайдена групами Паймберта та Олайва-Скілмана, і 2) Yp = 0.245 – величина, знайдена групою Ізотова.
У підрозділі 3 зроблено огляд робіт різних авторів з проблем побудови ФМС областей НІІ в БККГ, пов'язаних з некоректністю існуючих методик визначення розподілу енергії в спектрі іонізуючого випромінювання їх ядер. Проаналізована геометрична картина розрахунку ФМС цих об'єктів.
У підрозділі 4 сформульована постановка задачі в контексті огляду літератури. На основі критичного аналізу попередніх методик зроблено висновок про необхідність: 1)розробки нової методики визначення Lc-спектрів іонізуючих ядер областей НІІ; 2)розрахунку нової сітки ФМС цих областей; 3)визначення нових виразів для ICF з даних розрахунку сітки ФМС; 4)визначення хімічного вмісту областей НІІ; 5)визначення значень Yp та dY/dZ; 6)розрахунку ОФМС цих об'єктів і уточнення значень Yp та dY/dZ. Відзначено, що для отримання нових ICF необхідно аналізувати не іонні вмісти, отримані безпосередньо з даних розрахунку сітки ФМС, а з аналізу їх інтегральних спектрів методом діагностики небулярного газу. Саме таким методом визначається іонний вміст реальних об'єктів. Відзначена необхідність тестування нових ICF з метою відтворення ними хімічного вмісту, заданого у відповідних ФМС областей НІІ. Зроблений висновок про необхідність розрахунку оптимізованих ФМС декількох вибраних областей НІІ з метою уточнення хімічного вмісту і значень Yp та dY/dZ.
Розділ 2. Детально описана модифікована методика визначення розподілу енергії в спектрі випромінювання ядер областей НІІ в БККГ за lЈ912Е (Lc-спектру). Описано переваги даної методики порівняно з іншими, які базуються або на планківському представленні такого спектру, або описують його за допомогою початкової функції мас (IMF) іонізуючих зоряних скупчень в областях НІІ. Перевага даного методу полягає в тому, що він вимагає лише значень потоків в оптичних спостережуваних лініях Hb, l4471HeI, l4686HeII, l3727[OII], l(4959+5007)[OIII], l6584[NII] від областей НІІ, а не параметрів іонізуючого кластеру, які, як правило, в даних об'єктах є невідомі.
У підрозділі 1 описаний метод розрахунку Lc-спектру областей НІІ, його представлення за lЈ912Е, приведені рівняння балансу кількості квантів і енергетичного балансу в областях НІІ та пропонуються різні варіанти розв'язку. Основними поглинаючими атомами у даному методі вважаються H0 , He0 i He+. У відповідності до потенціалів іонізації H0 , He0 i He+ область за lЈ912Е в даному методі розбивається на три інтервали довжин хвиль у відповідності до потенціалів іонізації H0, He0, He+ відповідно. Lc-спектр представляється шістьма параметрами, які необхідно визначити (потоком випромінювання? на початку кожного з трьох інтервалів довжин хвиль і параметром, що характеризує зміну цього потоку із зміною частоти у кожному з цих інтервалів - спектральним індексом у степеневій апроксимації): Fn = Fn0 (n/n0)a , де Fn - потік випромінювання на частоті n в одному з трьох вищезгаданих інтервалів довжин хвиль, Fn0 - потік випромінювання на початку цього інтервалу, а a - спектральний індекс. Даний метод базується на припущеннях про 1) іонізаційно-рекомбінаційну та 2) термічну рівновноваги в областях НІІ. З першого припущення отримуємо 3 рівняння для кожного з поглинаючих атомів H0, He0, He+ відповідно. З другого припущення отримуємо рівняння енергетичного балансу. Тобто у вигляді, приведеному в [4] даний метод має 4 рівняння (3 рівняння балансу кількості квантів для поглинаючих атомів H0 , He0 i He+ відповідно і 1 рівняння енергетичного балансу) та 6 невідомих: F', F'', F''', a', a'', a''', де кількість штрихів вказує на порядковий номер інтервалу, а потоки відповідають початковим в кожному з відповідних інтервалів. У такому випадку задача розв'язується двома варіантами: 1) базується на припущенні про одинаковість нахилу Lc-спектру ядер за l<912Е, 2)базується на припущенні про відсутність скачків на l504Е i l228Е. Пропонується третій варіант розв'язку, який базується на залежностях форми розподілу енергії за l<228Е та скачка на l504Е від спектрального індексу в інтервалі довжин хвиль 912Еіlі504Е. Апроксимація залежності ефективної температури зорі Teff від спектрального індексу a' в першому інтервалі довжин хвиль були виведені автором з результатів моделей атмосфер Шарера - де Котера для O-B зір [7,8] з Teff>30000o K :
Teff = 62743.03+22867.58a'+6300.05a'2+585.81a'3 .
Таким чином, вищезгадана система 4 рівнянь в модифікованій версії доповнюється ще двома залежностями, що дозволяє визначити всі 6 невідомих параметрів. Зауважимо, що скачок на l504Е для зір з Teff>35000K є малий і ним можна знехтувати. Для швидкого розрахунку Lc-спектрів розроблено програму NLEHII (Nebula Light Exciter: HII regions) мовою програмування C++.
У підрозділі 2 описані вихідні дані, необхідні для розрахунку Lc-спектрів: спектри 43 областей НІІ (взяті з робіт [1,2,3,11]); значення електронної концентрації ne, температури Te , визначені методом діагностики небулярного газу, і вміст He/H, а також значення O+/O0, необхідні для визначення H+/H0. Сума інтенсивностей заборонених ліній, необхідна для розв'язку рівняння енергетичного балансу, в першому наближенні знаходилася по даних розрахунку сітки ФМС планетарних туманностей [19]. В результаті, трьома варіантами розв'язку були обчислені Lc-спектри 43 областей НІІ в 37 БККГ, які приведені в таблицях цього підрозділу.
Розділ 3. У цій частині роботи обговорюється методика оптимізації енергетичного Lc-спектру областей НІІ за lЈ912Е, описана процедура розрахунку сітки ФМС областей НІІ і визначені відносні іонні вмісти H, He, N, O, Ne, S i Ar, які використовуються для пошуку аналітичних виразів ICF.
У пункті 1 підрозділу 1 описана методика оптимізації Lc-спектру ядер областей НІІ за lЈ912Е. Зокрема, знайдено новий апроксимаційний вираз функціональної залежності між ефективною температурою зорі Teff і спектральним індексом a' в інтервалі ll912-504Е, яка базується на моделях зоряних атмосфер Шарера - де Котера [7,8] і охоплює весь інтервал їх температур:
Teff = 60479.07 + 20817.78a' + 6531.68a'2 + 1196.33a'3 + 108.07a'4 + 3.67a'5 .
Для розрахунку і аналізу сітки ФМС було вибрано Lc-спектри 3 областей НІІ (0832+699, 1319+579C i 1358+576), які в енергетичній шкалі відповідають найнижчому, середньому і найвищому рівню відповідно. Описаний вище метод розрахунку Lc-спектру потребує знання суми інтенсивностей всіх заборонених ліній S[Il]/Hb і відношення H+/H0, які для областей НІІ в БККГ були невідомі. Ми знайшли ці параметри ітеративним способом в поєднанні даного методу з розрахунком сітки ФМС областей НІІ в БККГ. В першій ітерації ми визначали S[Il]/Hb по її апроксимаційній залежності від суми відносних інтенсивностей ліній l3727[OII], l(4959+5007)[OIII] та l6584[NII], знайденій по результатах розрахунку сітки ФМС планетарних туманностей [19]. Відношення H+/H0 в першій ітерації задавалось рівним O+/O0. На основі знайдених таким чином Lc-спектрів вибраних об'єктів було розраховано першу ітерацію сітки ФМС. По даних розрахунку цієї ітерації було знайдено залежність між H+/H0 і відношенням інтенсивностей ліній Il3727[OII]/Il(4959+5007)[OIII], а також нову залежність S[Il]/Hb від суми відносних інтенсивностей ліній l3727[OII], l(4959+5007)[OIII] та l6584[NII]. Користуючись апроксимаційними виразами для визначення H+/H0 і S[Il]/Hb, по спостережуваних інтенсивностях вже згаданих [OII] i [OIII] ліній в спектрах відібраних об'єктів було знайдено для кожного з об'єктів значення H+/H0 і перераховано їх Lc-спектри. На основі цих нових Lc-спектрів була розрахована друга ітерація сітки ФМС. Залежності S[Il]/Hb від суми відносних інтенсивностей ліній l3727[OII], l(4959+5007)[OIII] та l6584[NII], отримані в результаті першої і другої ітерацій співпадають, що слугувало причиною для припинення ітеративного процесу. Нами був також прооптимізований скачок на l228Е Lc-спектрів вибраних об'єктів з метою відтворення ФМС спостережуваного потоку в лінії l4686AHeII. Отримані таким методом розподіли енергії були базовими для кінцевого розрахунку сітки ФМС.
У пункті 2 підрозділу 1 описано процедуру розрахунку сітки ФМС областей НІІ в БККГ. Для побудови сітки ФМС використано програму Г.Ферланда CLOUDY 94 [12]. Вільними параметрами сітки були: 1) розподіл енергії за l<912Е для згаданих вище об'єктів; 2) фактор наповнення, значення якого були прийняті в діапазоні 0.0001- 1; 3) хімічних склад, який приймався рівним середньому значенню вмісту з роботи Ізотова та ін.[10], а також в два рази меншим, і в два рази більшим по вмісту важких елементів; 4) концентрація атомів водню, яка вважалася сталою у всьому об'ємі туманності та приймалася рівною 10 - 2500 см-3 для різних моделей.
Всі ФМС розраховувалися в сферично-симетричному наближенні з внутрішнім радіусом 0.01пк. В результаті було розраховано 270 ФМС областей НІІ в БККГ. За основу ми взяли середній хімічний вміст A/H з результатів Ізотова та ін. [10]: вміст важких елементів приймали в два раза меншим, рівним і в два рази більшим відносно прийнятого.
У пункті 1 підрозділу 2 описана методика аналізу інтегральних спектрів сітки ФМС. Для цього використовувалася програма DIAGN [6], однак значення ймовірностей переходів і параметрів ударного збудження, в якій були замінені на відповідні дані з CLOUDY 94. Розрахований таким чином емісійний лінійчатий спектр сітки ФМС вважався ''спостережуваним'' і був використаний для визначення ne , Te та відносних іонних концентрацій (A+i/H+)diagn методом діагностики небулярного газу. Саме таким методом визначаються іонні вмісти в реальних об'єктах по спостережуваних спектрах. Знайдені іонні вмісти використовувалися для знаходження нових виразів ICF. Зауважимо, що запропонована методика відрізняється від попередніх (напр., [1,2,3,13]), в яких використовуються іонні вмісти, отримані безпосередньо з розрахунку ФМС. Слід відзначити, що іонні вмісти, отримані безпосередньо з розрахунку ФМС і в результаті діагностичного аналізу інтегральних спектрів ФМС, відрізняються, що продемонстровано в даному пункті роботи.
У пункті 2 підрозділу 2 описана методика визначення нових виразів ICF для областей НІІ в БККГ. Аналізувалися різні типи співвідношень (у вигляді з [19]) між іонними концентраціями різних хімічних елементів та їх повними вмістами з даних сітки ФМС Знайдені таким чином апроксимаційні вирази для ICF приведені в табл.3.2 цього розділу. Ці вирази були протестовані з метою відтворення хімічного вмісту, заданого у відповідних ФМС. Порівняння знайденого вмісту з заданим у відповідній ФМС дає змогу визначити точність кожного з виразів для ICF.
У підрозділі 3 протестовано вибірку співвідношень для ICF, запропонованих іншими авторами для визначення хімічного складу різних небулярних об'єктів, в тому числі і тих, які використовували Ізотов та ін. в [1,2,3]. Показано, що не всі з цих виразів є достатньо точними, щоб їх використовувати для визначення хімічного вмісту областей НІІ в БККГ. Хімічний вміст, знайдений по деяких з них, приведений у цьому підрозділі.
Розділ 4. У цьому розділі детально описана методика визначення хімічного складу областей НІІ в БККГ. Перевизначено вміст первинного гелію Yp та темп його збагачення в процесі хімічної еволюції речовини dY/dZ в цих об'єктах.
У підрозділі 1 описана методика пошуку вмісту гелію. Відзначено систематичні різниці в значеннях He/H при застосуванні різних рекомбінаційних коефіціентів в поєднання з різними коефіціентами ударного збудження, що було виявлено Ізотовим та ін.[1,2,3]. Зроблено висновок, що для коректного визначення вмісту гелію необхідно використовувати найновіші вирази для рекомбінаційних коефіціентів, знайдених Бенжаміном та ін.[14], які враховують перенос в лініях НеІ та ударне збудження [15] H i He. При визначенні вмісту гелію в областях НІІ БККГ, як правило, є три невідомі параметри: 1) електронна концентрація в зоні НеІІ; 2) оптична товщина в лінії l3889HeI, яка характеризує перенос в лініях НеІ; 3) фонова зоряна абсорбція в лініях НеІ, яка характеризує суперпозицію емісійної (небулярної) і абсорбційної (від зоряних атмосфер) складових. Ці параметри знайдено за допомогою методики Олайва і Скілмана [16], яка базується на пошуку середнього зваженого вмісту He+/H+ з іонних вмістів НеІ, отриманих по різних лініях. В результаті було знайдено іонні вмісти He+/H+ для різних варіантів поєднань ліній НеІ:
Варіант 1: l4471, l5876, l6678;
Варіант 2: l4471, l5876, l6678, l7065;
Варіант 3: l4471, l5876, l6678, l7065, l4026;
Варіант 4: l4471, l5876, l6678, l7065, l4026, l3889.
Результати обчислень приведені в даному підрозділі. Для визначення повного вмісту гелію по даних розрахунку сітки ФМС знайдено нові вирази для ICF(Не), які залежать від інтенсивності лінії Il5007[OIII]/Hb і враховують вміст нейтрального водню та гелію. Слід відзначити, що на відміну від ICF(He), знайденого Ізотовим та ін. [1,2,3] по даних розрахунку сітки ФМС Стасінської [13], новий ICF дає значення Ј1. Це означає, що область іонізованого гелію в областях НІІ БККГ більша від області іонізованого водню. В результаті для різних вже згаданих варіантів поєднання ліній НеІ було визначено вміст Не/H в областях НІІ. Він приведений в табл.4.1 даного підрозділу і порівнюється з відповідними вмістами, отриманими Ізотовим та ін. Показано, що отримані значення вмісту Не/Н для більшості об'єктів більші від відповідних значень, отриманих Ізотовим та ін..
У підрозділі 2 описується принцип вибору нових виразів для ICF, отриманих в розділі 3, по яких визначається вміст важких елементів N/H, O/H, Ne/H, S/H i Ar/H. Для цього були вибрані лише ті вирази, похибка яких в тесті відтворення хімічного вмісту сітки ФМС < 10%. Отриманий по різних ICF вміст кожного з елементів усереднювався. У цьому підрозділі також порівнюються отримані вмісти важких елементів з відповідними вмістами, отриманими Ізотовим та ін.[1,2,3]. Показано, що отримані вмісти важких елементів в основному менші від, отриманих Ізотовим та ін..
У підрозділі 3 описана методика визначення вмісту гелію по масі Y та металічності Z для кожної з областей НІІ, вибраних для аналізу. Знайдені співвідношення між металічністю Z та вмістом кисню O/H, яке використане для отримання металічності тих об'єктів, в яких з тих чи інших причин не вдалося знайти вмісту якогось з вищезгаданих важких елементів. Побудовані і проаналізовані залежності Y - Z для кожного з 4 згаданих варіантів врахування ліній НеІ. Шляхом лінійної апроксимації цих залежностей з врахуванням похибок по обох координатах знайдено вміст первинного гелію Yp та темп його збагачення dY/dZ в процесі хімічної еволюції речовини в БККГ:
Варіант 1: Yp = 0.241 ± 0.004; dY/dZ = 12.2 ± 4.2;
Варіант 2: Yp = 0.244 ± 0.004; dY/dZ = 8.8 ± 4.6;
Варіант 3: Yp = 0.247 ± 0.003; dY/dZ = 2.7 ± 3.8;
Варіант 4: Yp = 0.245 ± 0.003; dY/dZ = 1.3 ± 3.5.
Ми вважаємо, що найбільш правдоподібні значення Yp i dY/dZ відповідають варіанту 2. Цей висновок зумовлений тим, що лінія l3889HeI блендується з лінією H8, а для спостережуваної інтенсивності лінії l4026HeI характерне низьке відношення сигнал до шуму. У цьому підрозділі приводиться також апроксимація співвідношення між N/H i O/H, які можна використовувати при побудові еволюційних моделей БККГ.
Розділ 5. У цьому розділі обгрунтовується необхідніть розрахунку оптимізованих фотоіонізаційних моделей свічення (ОФМС) вибраних областей НІІ в БККГ. Описується методика розрахунку і аналізуються отримані результати. Перевага ОФМС над сіткою ФМС полягає у тому, що ОФМС скерована на відтворення спостережуваного спектру кожного конкретного об'єкту, а також у відсутності припущень, на яких базуєтья розрахунок сітки ФМС. По-перше, в сітці ФМС вміст Не/Н приймався сталим, по-друге, із всіх Lc-спектрів для розрахунку сітки ФМС використовувалися тільки Lc-спектри 3 вибраних об'єктів (тобто було знехтувано різними формами розподілів енергії), по-третє, при розрахунку сітки ФМС декремент між хімічними елементами вважався постійним. Не виключалось, що ці припущення можуть бути некоректними при моделюванні свічення конкретних реальних об'єктів. Тому для уточнення хімічного вмісту та значень Yp i dY/dZ необхідно було розрахувати ОФМС хоча б декількох областей НІІ в БККГ. Зауважимо, однак, що розрахунок ОФМС є дуже громіздким (для розрахунку ОФМС одного об'єкту необхідно розрахувати ~2000 звичайних ФМС). Тому вирішено було розрахувати ОФМС лише для вибраних 10 об'єктів.
У підрозділі 1 описана методика розрахунку ОФМС. Метою розрахунку оптимізованої моделі є підбір таких значень її вхідних параметрів (вільних параметрів), при яких значення параметрів, по яких проводиться оптимізація, були б максимально близькі до спостережуваних. Критерієм відповідності модельних і спостережуваних інтенсивностей ліній є c2 - функція.
У підрозділі 2 описаний вибір областей НІІ для розрахунку ОФМС. Критерієм відбору була необхідність, щоб залежність Y - Z для цих об'єктів в межах похибок відтворювала значення Yp i dY/dZ, знайдені з залежності Y - Z для всіх проаналізованих об'єктів (див. попередній розділ). Такими об'єктами виявились: 0917+527, 0926+606, 0940+544N, 0948+532, 1054+365, 1135+581, 1152+579, 1211+540, 1256+351, 1533+574A. Для розрахунку ОФМС цих об'єктів використовувалися спостережувані спектри, отримані Ізотовим та ін. [1,3]. Для уточнення їх Lc-спектрів методом, описаним в розділі 3, було знайдено апроксимаційне співвідношення для визначення значень H+/H0 в цих об'єктах. В отриманих Lc-спектрах оптимізувався скачок на l228Е. В результаті були отримані Lc-спектри ядер згаданих областей НІІ, які використовувалися при розрахунку ОФМС цих об'єктів.
У підрозділі 3 описана методика розрахунку ОФМС 10 областей НІІ. Для цього була використана програма Г.Ферланда CLOUDY 96 [17]. На відміну від CLOUDY 94 вона містить в собі більш коректну процедуру розрахуну інтенсивностей ліній ізопослідовності Не. Для оптимізації був використаний алгоритм Петера ван Гоффа PHYMIR [18], який входить в CLOUDY 96 як функція. Вільними параметрами при розрахунку ОФМС були: загальна кількість іонізуючих квантів, густина водню, фактор наповнення та хімічні вмісти He/H, N/H, O/H, Ne/H, S/H, Ar/H, Fe/H (10 параметрів). Для кожного з вільних параметрів задавався діапазон їх значень з метою адекватного відтворення спектрів саме низькометалічних областей НІІ в БККГ. Параметрами, по яких проводилася оптимізація, були світність в лінії Hb і відносні інтенсивності 16 емісійних ліній. Показано, що для даного типу ОФМС діє принцип детального балансу, згідно з яким по інтенсивності однієї надійної лінії іона можна відтворити інтенсивності всіх його інших ліній. Здійснена перевірка на існування єдиного мінімуму c2 - функції на прикладі одного з об'єктів, шляхом ініціалізації ОФМС різними наборами початкових значень. Показано, що навіть у випадку наявності різних мінімумів c2 - функції значення вмістів хімічних елементів виходять одинаковими (в межах похибок) у всіх тестових ОФМС. А це означає, що існування різних мінімумів c2- функції не буде суттєво впливати на кінцеве визначення за допомогою ОФМС вмісту первинного гелію і темпів його збагачення в процесі хімічної еволюції речовини в БККГ. Також розраховано ОФМС для одного з об'єктів з відхиленнями від сферичної геометрії (великий внутрішній радіус порівняно з "шаблоном" ФМС у наших моделях; відмінний від одиниці фактор покриття центру туманності газом; циліндрична геометрія) і з синусоїдальним законом розподілу густини в радіальному напрямку області НІІ. Показано, що у всіх цих ОФМС значення вмістів хімічних елементів виходять одинаковими (в межах похибок). А це означає, що відхилення від сферичної геометрії і ускладнення флуктуацій густини суттєво не впливає на кінцеве визначення за допомогою ОФМС вмісту первинного гелію Yp і темпів його збагачення dY/dZ в процесі хімічної еволюції речовини в БККГ.
У підрозділі 3 визначено вміст первинного гелію Yp та темп його збагачення dY/dZ по даних розрахунку ОФМС вказаних об'єктів. Порівнюються значення вмістів гелію, отримані по даних ОФМС (Yopt) і сітки ФМС (Ygrid), а також відповідні значення Zopt та Zgrid. В результаті апроксимації залежності Yopt - Zopt були знайдені значення Yp=0.245±0.004 і dY/dZ=4.6±3.5, які в межах похибок співпадають з відповідними величинами, знайденими з даних сітки ФМС областей НІІ. Для перевірки точності апроксимації було розраховано ОФМС ще двох областей НІІ 0723+692B i 0741+535, які не відповідали згаданому вище критерію відбору. Однак при врахуванні відповідних даних їх ОФМС в апроксимації Yopt - Zopt були отримані значення Yp=0.245±0.004 і dY/dZ=4.4±3.5, які також співпадають в межах похибок з відповідними значеннями, отриманими по результатах ОФМС 10 об'єктів. Це говорить про те, що включення нових областей НІІ у вибірку для розрахунку ОФМС суттєво не змінить отримані значення Yp i dY/dZ.
Висновки. У цьому розділі підведений загальний підсумок результатів даної дисертаційної роботи з оцінкою їх наукового значення.
Метою нашого дослідження було визначення хімічного складу та фізичних характеристик областей НІІ БККГ для уточнення вмісту первинного гелію Yp і його збагачення dY/dZ в процесі хімічної еволюції речовини у БККГ.Методика нашого дослідження базується на розрахунку сітки ФМС цих об'єктів, аналіз результатів якої був використаний для визначення Yp і dY/dZ.
Для розрахунку ФМС і ОФМС ми задавали розподіл енергії в спектрі випромінювання іонізуючих ядер за l < 912Е, знайдений методом [4,5], незалежним від планківського розподілу і IMF-функції. Ці Lc-спектри були використані для розрахунку сітки ФМС і ОФМС областей НІІ БККГ. Інтегральні спектри сітки ФМС були проаналізовані методом діагностики небулярного газу [6]. Знайдені значення A+i/H+ були використані для пошуку нових апроксимаційних виразів ICF. Отримані таким чином ICF були протестовані з метою відтворення хімічного складу, заданого у відповідних ФМС областей НІІ. Для визначення хімічного складу областей НІІ були використані спостережувані спектри цих об'єктів, отримані Ізотовим та ін. [1,2,3]. Вони були проаналізовані відомим методом діагностики небулярного газу [6]. Отримані в результаті іонні вмісти і нові ICF були використані для визначення хімічного складу областей НІІ. Для визначення вмісту іонів гелію ми використали нову методику [16] і нові рекомбінаційні коефіціенти [14]. Повні вмісти гелію були знайдені за допомогою наших ICF(He). В результаті були знайдені значення Yp і dY/dZ для різних варінтів поєднання ліній НеІ відповідно. Найбільш надійним ми вважаємо варіант поєднання чотирьох ліній НеІ (l4471, l5876, l6678 і l7065): Yp = 0.244 ± 0.004 i dY/dZ = 8.8 ± 4.6.
Для перевірки знайдених значень цих параметрів було розраховано ОФМС 12 областей НІІ і БККГ. В ОФМС немає припущень, на основі яких розраховувалася сітка ФМС. В результаті, по даних розрахунку ОФМС 12 областей НІІ було отримано Yp=0.245 ± 0.004, dY/dZ = 4.2 ± 3.5. Проведено дослідження стійкості розв'язку ОФМСобластей НІІ. Показано, що ініціалізація початкових значень вільних параметрів різними наборами, відхилення від сферичної геометрії та введення синусоїдальних флуктуаціїй не мають суттєвого впливу на визначення хімічного вмісту і, відповідно, на визначення Yp і dY/dZ за допомогою ОФМС.
Таким чином за 2-ма незалежними методиками (використання нових ICF і розрахунок ОФМС) були знайдені близькі значення Yp та dY/dZ. Значення Yp в межах похибок співпадають із відповідними значеннями, які отримала група Ізотова та ін. [1,3,9,10], а величина dY/dZ може бути пояснена наявністю в областях НІІ БККГ великої кількості зір Вольфа-Райє, вітром яких область НІІ швидко збагачується важкими елементами [20].
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
[1] Izotov Y.I., Thuan T.X., Lipovetsky V.A. The primordial helium abundance from a new sample of metal-deficient blue compact galaxies// Astrophysical Journal - 1994. - Vol.435. -P.647-667.
[2] Thuan T.X., Izotov Y.I., Lipovetsky V.A. Heavy element abundances in a new sample of low-metallicity blue compact galaxies// Astrophysical Journal - 1995. - Vol.445. - P.108-123.
[3] Izotov Y.I., Thuan T.X., Lipovetsky V.A. The primordial helium abundance: systematic effects and a new determination// Astrophysical Journal.-1997.-Vol.108. - P.1-39.
[4] Головатый В.В, Проник В.И. Непрерывный спектр за лаймановским пределом и эффективные температуры ядер планетарных туманностей// Астрофизика.-1990.-Т.32.-C.99-116.
[5] Мелех Б.Я. Розподіл енергії в спектрі випромінювання іонізуючих ядер областей НІІв голубих компактних карликових галактиках за lЈ912Е // Журнал фiзичних дослiджень - 2000. -T.4,N2. - С.225-235.
[6] Головатий В.В., Гершберг Р.Е., Мальков Ю.Ф., Проник В.И. Количественный анализ ультрафиолетовых, оптических и инфракрасных эмиссионных спектров небесных тел с целью определения физических параметров
