НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Тєлєжинський Ігор Олегович

УДК 524.35+524.5+524.1+524.3-6+524.3-48

НЕТЕПЛОВЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ТА ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ

ЗАЛИШКІВ НАДНОВИХ ЗІР

Спеціальність 01.03.02 – Астрофізика, радіоастрономія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в НДЛ "Астрономічна oбсерваторії" кафедри астрономії

та фізики космосу фізичного факультету Київського національного

університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник,

Гнатик Богдан Іванович, НДЛ "Астрономічна обсерваторія"

кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету

Київського національного університету імені Тараса Шевченка,

завідувач НДЛ.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Конторович Віктор Мусійович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

старший науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник,

Федоров Юрій Іванович,

Головна астрономічна обсерваторія

НАН України, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться 15 травня 2008 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ГАО НАНУ за адресою: ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий “ 15 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Васильєва І. Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залишки Наднових (ЗН) зір є об’єктами інтенсивного дослідження в сучасній астрофізиці. Вони вивчаються як наземними, так і космічними телескопами. Особлива увага в теперішній час прикута до дослідження діапазону високих енергій у спектрі випромінювання ЗН. Ці дослідження спрямовані на отримання інформації про фізику спалаху Наднової, фізику сильних ударних хвиль та механізми прискорення заряджених частинок до надвисоких енергій на фронтах сильних ударних хвиль. Зокрема теплове рентгенівське випромінюванняЗН несе важливу інформацію як про природу зорі, що спалахнула, так і про будову міжзоряного середовища (МЗС) в околі переднаднової. Нетеплове рентгенівське та гамма-випромінювання може дати інформацію про присутність космічних променів (КП) високих енергій в залишках Наднових.

В більшості ЗН основним механізмом генерування рентгенівського випромінювання є теплове випромінювання плазми, нагрітої ударною хвилею до температур порядку мільйонів градусів. Однак, дослідження останніх років виявили присутність жорсткого нетеплового компонента в спектрі залишків. Найбільш природнім поясненням нетеплового компонента є синхротронне випромінювання релятивістських електронів, прискорених на фронті ударної хвилі залишку. Синхротронне радіовипромінювання, яке давно відоме і детально вивчене,підтверджує здатність ударних хвиль прискорювати електрони до енергій порядку 1012 – 1014 еВ.

В той же час загадкою залишалась відсутність проявів протонного компонента КП, яка мала б проявитись нетепловим гамма-випромінюванням ЗН. Гамма-випромінювання очікується від непружніх зіткнень протонної компоненти з атомами МЗС із породженням p0-мезонів та їх наступним розпадом на жорсткі гамма-кванти з енергією E > 108 еВ. Спектр жорсткого гамма-випромінювання повинен відтворювати спектр нуклонного компонента, тому аналіз та побудова гідродинамічних моделей недавно відкритих залишків із нетепловим гамма-випромінюванням має дуже важливе значення для оцінки ефективності прискорення адронів на фронтах ударних хвиль.

Слід відмітити актуальність моделювання еволюції залишків із нетепловим гамма-випромінюванням. Врахування усіх стадій еволюції та особливостей еволюції залишку у неоднорідному середовищі призводить до виникнення умов, при яких ЗН стає інтенсивним джереломв жорсткому гамма-діапазоні і без наявності молекулярних хмар та комплексів в його околі. Збільшення кількості частинок мішеней, необхідних для ефективного породження p0-мезонів, може виникнути протягом однієї із стадій еволюції ЗН – перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії. Отже, правильний розрахунок характеристик ЗН протягом нехтуваної раніше стадії еволюції, а також коректне врахування впливу неоднорідності МЗС можуть пояснити досі протиречиві факти малої густини МЗС в околі відкритих гамма-залишків та високих потоків гамма-випромінювання від них.

Отже, для вирішення актуальної зараз проблеми – встановлення ефективності прискорення адронів на фронтах ударних хвиль у ЗН до енергій порядку 1015 – 1016 еВ – необхідним є двовимірний (2-D) та тривимірний (3-D) гідродинамічний розрахунок моделей еволюції ЗН, зокрема моделей, що враховують перехідну від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції ЗН. Також необхідним є проведення відповідних розрахунків для потоків нетеплового випромінювання від ЗН, що перебувають на перехідній стадії еволюції і співставлення отриманих результатів із можливостями сучасних інструментів та характеристиками відомих ЗН, що випромінюють у гамма-діапазоні.

В даній дисертаційній роботі було розроблено наближений аналітичний метод, який дозволяє проводити 2-D та 3-D моделювання ЗН на перехідній стадії еволюції у однорідному та неоднорідному середовищі. За допомогою розробленого методу були проведені моделювання рентгенівського та жорсткого гамма-випромінювання, що очікується від ЗН під час перехідної стадії та обговорена можливість пояснення потоків відомих гамма-залишків присутністю в них перехідної стадії.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалась у науково-дослідній лабораторії «Астрономічна обсерваторія» кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках бюджетних тем «Підтримка міжнародної небесної системи відліку, вивчення її особливостей, зв’язку з носіями в оптичному діапазоні» 2000 – 2005 роки (номер держреєстрації 01БФ023-01) та «Спостереження та моделювання космічних джерел нетеплового випромінювання і комплексу малих тіл Сонячної системи,вдосконалення міжнародної небесної системи відліку» 2006-2010 роки (номер держреєстрації 06БФ051-14).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є гідродинамічне моделювання ЗН, що знаходяться на перехідній стадії еволюції в однорідному й неоднорідному МЗС та встановлення характеристик їх рентгенівського та гамма-випромінювання.

Для цього поставлено такі задачі:

1. Розробити метод гідродинамічного опису перехідної стадії еволюції залишку Наднової у міжзоряному середовищі.

2. Побудувати моделі еволюції залишків Наднових в однорідному та неоднорідному міжзоряному середовищі.

3. Виявити еволюційні особливості рентгенівського та гамма-випроміню-вання залишків Наднових в неоднорідному міжзоряному середовищі.

Об’єктами дослідження в дисертації є залишки Наднових зір, міжзоряне середовище, космічні промені.

Предметом дослідження є гідродинамічне моделювання перехідної стадії еволюції ЗН, потоки рентгенівського та нетеплового гамма-випроміню-вання ЗН, астрофізичні прояви космічних променів високих енергій в ЗН.

Методи дослідження: чисельні та наближені аналітичні методи інтегрування диференційних рівнянь космічної газодинаміки, секторне наближення гідродинамічної еволюції ЗН.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Вперше розроблено наближений аналітичний метод гідродинамічного опису перехідної фази еволюції ЗН, який дає можливість моделювання повної еволюції залишків, що раніше було можливо лише за допомогою чисельного моделювання або ігнорування існування перехідної стадії. Метод дозволяє описати як рух фронту ударної хвилі, так і гідродинамічні параметри течії плазми за фронтом ударної хвилі і при цьому є набагато швидшим і гнучкішим у підборі параметрів моделі конкретного ЗН ніж чисельні коди, що зараз використовуються. Порівняння з чисельними моделюваннями виконаними у [19, 22, 25] показали, що розроблений метод забезпечує достатньо високу точність обчислень.

· Показано, що фаза переходу від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції має ряд характерних особливостей, які дозволяють виділити її в окрему перехідну стадію еволюції ЗН.

· Вперше досліджено особливості перехідної стадії і виявлено ефект а) спадання потоку теплового випромінювання, що пов’язано з охолодження гарячого газу прифронтових областей ЗН; б) зростання потоку нетеплового рентгенівського та гамма-випромінювання адронного походження, що пов’язано із зростанням концентрації частинок-мішеней у оболонці ЗН.

· Розраховано еволюцію ЗН при типових прикладах неоднорідності середовища: для околу молекулярної хмари та біля границі розділу фаз МЗС, а також при анізотропному вибуху Наднової в однорідному МЗС. Побудовані карти поверхневої яскравості у діапазонах рентгенівського та гамма-випроміню-вання для різних типів неоднорідності.

· Вперше промодельовані анізотропні 2-D залишки середнього віку з врахуванням перехідної стадії. Проведені моделювання показали, що при наявності значного градієнту густини МЗС залишок виходить на радіаційну стадію в напрямку зростання густини, в той час як у напрямку спадання густини, перехідна стадія не почнеться за час життя залишку, і вздовж фронту залишку будуть реалізовуватись різні еволюційні стадії. Моделі таких ЗН досі не реалізовані чисельними моделюваннями за рахунок складності умов, що виникають в таких 2-D залишках.

· Вперше розраховано спектр нетеплового рентгенівського та гамма-випромінювання від ЗН на перехідній стадії і показано, що за стандартних умов МЗС, потоки випромінювання від таких ЗН достатні для спостережень у рентгенівському діапазоні з допомогою супутника INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) та в гамма-діапазоні на черенковському інструменті H.E.S.S. (High Energy Sterioscopic System).

Практичне значення одержаних результатів. Представлений в даній роботі наближений аналітичний метод моделювання перехідної стадії еволюції ЗН дозволяє робити повний опис еволюції ЗН як у випадку однорідного, так і неоднорідного середовища. Використання запропонованого методу дозволяє моделювати повну еволюцію сильної ударної хвилі в довільному середовищі (міжгалактичному, міжзоряному, в атмосфері зірок та планет).

Коректне врахування перехідної стадії показує, що потік гамма-випромі-нювання від ЗН повинен збільшитись протягом цієї стадії. Дане підвищення гамма-потоку дозволяє розширити список залишків-кандидатів у джерела гамма-випромінювання. В свою чергу, це призводить до збільшення ефективності спостережень скерованих на доказ того, що ЗН є космічними прискорювачами заряджених частинок до надвисоких енергій в нашій Галактиці. Таким чином, запропонований метод збільшує кількість об’єктів для спостережень сучасними інструментами, а, отже, й збільшує ймовірність відкриття космічних ”Певатронів” (прискорювачів частинок до енергій порядку петаелектронвольт).

Запропонований в роботі аналітичний метод розрахунку 2-D та 3-D еволюції ЗН в неоднорідному середовищі та при анізотропному вибуху в однорідному середовищі є корисними для моделювання та інтерпретації спостережуваних даних конкретних ЗН. Разом з реальнимиспостереженнями, метод дозволяє отримати важливу інформацію щодо стану МЗС в околі ЗН і більш точно та повно відтворити фізичні процеси які відбуваються в ЗН на різних еволюційних стадіях.

Отримані в роботі оцінки потоків нетеплового випромінювання від ЗН на перехідній стадії дозволяють скласти список найбільш сприятливих об’єктів для спостережень на сучасних інструментах, що працюють в рентгенівському і гамма-діапазонах, зокрема для інструментів INTEGRAL та H.E.S.S.

Особистий внесок здобувача. У всіх роботах [1,2,3,4], які лягли в основу дисертації, дисертант приймав безпосередню участь на всіх етапах роботи: у постановці задачі, у проведенні аналітичних розрахунків, обговоренні проблеми та аналізі одержаних результатів, підготовці рукописів статей. Також самостійно реалізував числові коди для комп’ютерних розрахунків моделей залишків Наднових та побудови рисунків.

В роботі [1] автору належать результати по розрахунку профілю гідродинамічних характеристик всередині ЗН та інтегральних характеристик теплового рентгенівського випромінювання ЗН під час перехідної стадії еволюції. В роботі [2] автор проводив усі розрахунки параметрів розвитку залишку в середовищі з великомасштабним градієнтом густини та біля розділу фаз МЗС, брав участь в отриманні аналітичних результатів, обговоренні висновків. В роботах [3,4] дисертант брав участь в постановці задачі, проведенні розрахунків рентгенівської і гамма-світності ЗН, побудові карт поверхневої яскравості ЗН в рентгенівському і гамма-діапазоні, обговоренні результатів щодо порівняння з експериментом, формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. Результати, що представлені у дисертаційній роботі доповідались та обговорювалися на наступних конференціях:

· V, VI Міжнародні конференції «Релятивістська астрофізика, гравітація і космологія», 2006, 2007 роки, Київ, Україна.

· Міжнародна школа з астрофізики космічних променів "Astrophysics at Ultra-high Energies", 2006 рік, Еріче, Італія.

· 14 Міжнародна конференція молодих вчених «Астрономія і фізика космосу», 2007 рік, Київ, Україна.

Також результати багаторазово доповідались та обговорювалися на об’єднаному астрофізичному семінарі Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Інституту теоретичної фізики НАН України та Головної Астрономічної Обсерваторії НАН України в 2004-2007 роках, на науковому семінарі Центру Обробки Наукових Даних місії INTEGRAL, 2007 рік (ISDC, м. Женева, Швейцарія), на Всеукраїнському симпозіумі Віртуальної Рентгенівської і Гамма Обсерваторії (VIRGO.UA), 2006, 2007 роки (м.Київ, Україна)

Публікації. Основні результати дисертації було опубліковано y 4 статтях [1,2,3,4] у наукових фахових журналах, а також додатково висвітлено у матеріалах міжнародних конференцій [5,6,7,8]. Всього за темою дисертації опубліковано 8 робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 176 найменувань, містить 43 рисунка і 5 таблиць. Повний обсяг дисертації становить 132 сторінки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовано актуальність, мету та основні задачі виконаної роботи. Відзначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проводиться огляд літератури, де висвітлюється сучасний стан досліджень ЗН. Подається інформація про основні морфологічні види залишків, стадії еволюції залишків Наднових у міжзоряному середовищі. Розглядаються основні підходи до наближеного гідродинамічного моделювання еволюції ЗН. Обговорюється актуальна в теперішній час проблема прискорення космічних променів у ЗН та шляхи детектування прискорення космічних променів у ЗН. Подається інформація щодо останніх спостережень ЗН сучасними інструментами гамма-астрономії.

Оригінальні результати подано в Розділах 2 – 4.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції залишків Наднових у однорідному міжзоряному середовищі. Дослідження в цьому напрямку зумовлені тим, що сучасні спостережувальні дані по ЗН потребують надійної інтерпретації, зробити яку можливо лише за умови наявності точного опису повної еволюції ЗН у міжзоряному середовищі. До цього часу такий опис був можливий лише за допомогою чисельного моделювання. Існують одновимірні аналітичні моделі еволюції ЗН в однорідному міжзоряному середовищі для стадії вільного розлітання [23], адіабатичної [13] та радіаційної [9, 12, 18], але в існуючих аналітичних описах еволюції ЗН перехід між адіабатичною та радіаційною стадіями вважається миттєвим, оскільки відсутня прийнятна модель перехідної стадії. В даному розділі розробляється така модель, і, на її основі, дається повний аналітичний опис перехідної стадії еволюції ЗН, що включає як рух породженої оболонкою ударної хвилі, так і гідродинамічні параметри течії гарячого газу всередині оболонки.

Мотивацією присутності перехідної стадії служить охолодження значної кількості гарячого газу ЗН. По мірі поширення сильної ударної хвилі в МЗС температура за її фронтом падає, і на ділянці зростання радіаційних втрат із падінням температури відбувається швидка перебудова течії плазми в ЗН: в околі фронту газ швидко охолоджується і формує щільну холодну тонку оболонку, рух якої підтримується тиском гарячого газу всередині оболонки.

Для побудови моделі використовувався наближений аналітичний метод опису розроблений у [24], що ґрунтується на секторному наближені та на одночасному використанні лагранжевих і ейлеревих змінних для опису течії плазми. Як початкові дані використовувались параметри течії в кінці адіабатичної стадії.

Оцінити початок перехідної стадії ttr можна порівнявши час охолодження газу tcool одразу за фронтом ударної хвилі з віком tage залишку: tcool = tage = ttr, ttr = 2.9 Ч104ESN,514/17nH-9/17 років, де ESN,51 – енергія вибуху наднової в одиницях 1051 ерг, nH – концентрація атомів водню в МЗС у см-3. Чисельні моделювання показують, що час утворення щільної оболонки tsf дорівнює приблизно 1.8 часу початку ttr перехідної стадії, тобто співмірний з віком ЗН.

Перехідна стадія моделюється як результат взаємодії високошвидкісної гарячої плазми ЗН та міжзоряного середовища. З чисельних моделювань випливає, що плазма в зовнішніх шарах ЗН, які відповідають 5% радіуса оболонки, охолоджуються протягом перехідної стадії. Ми використовуємо це значення як єдиний вільний параметр a нашої моделі. Припускається, що протягом перехідної стадії малий градієнт тиску всередині ЗН зумовить збереження швидкості кожного елемента плазми v(a,t) = v(a, ttr). З балансу зовнішнього та внутрішнього тиску на оболонку, отримаємо її швидкість Vsh = 1/2Dtr, де Dtr – швидкість руху ударної хвилі на кінець адіабатичної стадії. Характеристики газу всередині ЗН знаходяться з залежності ейлеревої координати r(a,t) від лагранжевої a, яка адаптована для перехідної стадії.

Параметри холодного газу оболонки визначаються для тиску – динамічним тиском міжзоряного газу Psh = Pdyn = rISMVsh2, для температури – початковою температурою міжзоряного газу Tsh = TISM = 104 К, звідки визначається і густина оболонки rsh = rISMMiso2, де rISM – густина МЗС, Miso – ізотермічне число Маха холодної оболонки.

Таблиця 1. Часи початку та кінця перехідної стадії для різних початкових умов: енергії спалаху Наднової ESN та концентрації атомів водню МЗС nH

, ерг | | |

, р. | , р. | , р. | , р. | , р. | , р.

0.1 | 57080 | 109800 | 83360 | 160300 | 98130 | 188700

1 | 16870 | 32440 | 24640 | 47370 | 29000 | 55760

10 | 4985 | 9587 | 7280 | 14000 | 8570 | 16480

Перехідна стадія закінчується і починається радіаційна стадія в момент часу tsf, коли гарячий газ всередині оболонки перестає охолоджуватись і приєднуватись до оболонки. Характеристики течії на кінець перехідної стадії служать початковими умовами радіаційної стадії.

В табл. 1 приведені розрахунки початку та кінця перехідної стадії в залежності від початкової густини МЗС та енергії вибуху Наднової. З таблиці видно, що тривалість перехідної стадії займає помітну долю віку залишку. З таблиці також видно, що початок перехідної стадії є вкрай чутливим до густини міжзоряного середовища, в якому еволюціонує ЗН, тому врахування перехідної стадії є особливо необхідним для залишків, що розвиваються в щільному середовищі.

Важливим є тестування запропонованого методу. Тестування нашої моделі перехідної стадії проведено на прикладі порівняння її з результатами чисельного моделювання [19, 22, 25]. По-перше, перевірялась правильність відтворення поведінки динаміки руху тонкої холодної оболонки, що утворилася протягом перехідної стадії. Для цього була прослідкована еволюція так званого параметру сповільнення m. Цей параметр часто застосовується як індикатор для визначення динамічного стану залишку, звідки робляться висновки про його вік. Так, на стадії вільного розлітання m ? 1, на адіабатичній стадії m ? 2/5, а на радіаційній m ? 2/7. Параметр досить легко вимірюється із спостережень ЗН в різних діапазонах хвиль. Оскільки, m = Vt/R та R ~ tm, маючи швидкість розширення та радіус залишку, можна приблизно встановити його динамічний вік. Отже, правильне відтворення еволюції цього параметра з часом є вкрай важливим і може служити показником правильності нашої моделі перехідної стадії. Для розрахунку таких астрофізичних характеристик ЗН як рентгенівська світність та енергія (теплова, кінетична та загальна) вкрай важливо правильно відображати гідродинамічний стан збуреної області залишку. Для побудови профілів поверхневої яскравості необхідно мати правильний розподіл гідродинамічних характеристик плазми за фронтом ЗН. Для того щоб впевнитись в тому, що наш наближений аналітичний метод дає результат достатньо високої точності, було вирішено зробити ряд порівнянь з конкретними чисельними моделями, що досліджувались у [22, 25]. Правильне відображення гідродинамічних характеристик течії плазми за фронтом ударної хвилі повністю незалежних чисельних моделей із різними початковими умовами, а також правильне відображення еволюції усіх характеристик цих моделей з часом служать гарантією точності нашого наближеного аналітичного методу. Результати проведених порівнянь показали достатньо високу точність запропонованого методу опису перехідної стадії.

Рис.1

Еволюція енергії ЗН (повної – суцільна крива, теплової – пунктир та кінетичної – штрихи) та його рентгенівської світності в діапазоні > 0.1 кеВ (штрих-пунктир) протягом перехідної стадії. Енергія спалаху ESN = 0.931Ч1051 ерг, густина оточуючого середовища nH = 0.1 см-3. E* = 1050 ерг, L* = 1036 ерг/с та t* = 104 років.

На основі поданого опису перехідної стадії було показано, що за час перехідної стадії залишок втрачає на випромінювання помітну долю своєї енергії ( %) – майже 50% теплової та 70% кінетичної. Це суттєво впливає на подальшу еволюцію ЗН. Зроблені розрахунки показують, що охолодження прифронтових щільних областей призводить до падіння загальної рентгенівської світності залишку майже у 9 – 10 разів (див. рис. 1). Показано, що профілі поверхневої яскравості в рентгенівському діапазоні протягом перехідної стадії стають майже плоскими (рис. 2), що пояснюється охолодженням прифронтових шарів залишку, в той час як гарячі центральні області майже не втрачають енергію на випромінювання.

Рис.2

Еволюція профілів поверхневої яскрвості ЗН в рентгенівському діапазоні під час перехідної стадії: t = ttr = 96000 років (суцільна крива), t = 123500 років (пунктир), t = 50600 років (штрихи), t = tsf = 189000 років (штрих-пунктир). ESN = 0.931Ч1051 ерг, густина оточуючого середовища nH = 0.1 см-3, S* = S(ttr), r* = R(t).

Третій розділ дисертації присвячений дослідженню перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції залишків Наднових у неоднорідному міжзоряному середовищі та у однорідному середовищі при анізотропному вибуху Наднової.

Структура МЗС, в якому розвивається залишок, має суттєвий вплив на еволюцію та спостережувальні прояви ЗН. Несферичний вибух Наднової та неоднорідність МЗС в значному околі Наднової приводять до несферичності форми залишку та суттєвої 3-D анізотропії розподілу параметрів гарячої плазми всередині залишку.

Характерною властивістю несферичних анізотропних ЗН є неодночасність зміни еволюційних стадій в різних частинах ЗН. Це приводить до одночасного існування в одному залишку зон (секторів, якщо дивитись із центра вибуху Наднової), які перебувають на різних еволюційних стадіях. Відповідно, спостережувальні прояви таких ЗН включатимуть ознаки присутності різних стадій та зумовлять суттєву анізотропію ЗН. В даному розділі досліджено еволюцію ЗН для різних випадків неоднорідності МЗС та для однорідного МЗС з врахуванням можливого анізотропного енерговиділення при спалаху Наднової. Показано, що неоднорідність МЗС та несферичність вибуху Наднової приводять до різного темпу еволюції в різних секторах ЗН так, що з часом в одному залишку одночасно існують області, які перебувають на різних еволюційних стадіях: наймолодшій – адіабатичній, перехідній та зрілій – радіаційній. Це зумовлює анізотропію спостережуваних характеристик ЗН та служить додатковим джерелом інформації про особливості спалаху Наднової та характеристики МЗС в околі спалаху. Запропонований в даному розділі дисертації аналітичний метод розрахунку 2-D та 3-D еволюції ЗН в неоднорідному середовищі та аналітичний опис еволюції ЗН у випадках ізотропного вибуху біля границі двох фаз та анізотропного вибуху в однорідному середовищі будуть корисними для моделювання та інтерпретації спостережуваних даних конкретних ЗН.

Для опису руху фронту сильної ударної хвилі в середовищі з довільним розподілом густини використовувалась апроксимація отримана у [10,11]:

dR/dt = D(R) = const(r0(R)RN+1)k,

k = 1/2, m(R) ? N+1

k = 1/5, m(R) ? N+1,

R – відстань від місця вибуху, r0(R) – довільний початковий розподіл густини зовнішнього середовища, m(R) = -dlnr0(R)/dlnR, N = 0, 1, 2 для плоских, циліндричних і сферичних ударних хвиль відповідно. Використовуючи секторне наближення та спираючись на одночасне використання лагранжевих і ейлеревих змінних для опису течії плазми в ЗН, ми маємо змогу відтворити усі параметри течії у заданому секторі. Такий метод дозволяє використовувати одновимірний опис еволюції ЗН в даному секторі, враховуючи усі стадії. За початкові умови перехідної стадії беруться параметри газу та фронту ударної хвилі на кінець адіабатичної стадії. Одним із прикладів неоднорідного МЗС є середовище з експоненційним розподілом густини:

r0(R) = r0(0)exp(-R/H cosq)

де q – кут між напрямком максимального зменшення густини та вектором R, H – висота однорідної атмосфери. Такий розподіл описує зміну густини галактичного диску з висотою z = Rcosq, ним також можна апроксимувати розподіл густини напериферії міжзоряних хмар. Цей розподіл змінить час початку і кінця перехідної стадії у різних напрямках, якщо дивитись із точки вибуху Наднової. Якщо масштабний фактор H дуже малий і градієнт густини дуже різкий, в деяких напрямках перехідна стадія непочнеться за час життя ЗН. Час початку перехідної стадії буде визначатись:

ttr(q) = t0exp(9R(ttr,q)cosq/17H),

де t0 = 2.9 Ч104E514/17n-9/17 років. Траєкторія оболонки на перехідній стадії визначається як

R(t,q) = R(ttr(q),q) + 1/2D(ttr(q),q)(t – ttr(q))

Приклад анізотропії ЗН подано на рис. 3, а типові значення часу початку і кінця перехідної стадії для різних кутів при різних значеннях масштабних факторів подані у табл. . З таблиці видно, що неоднорідність середовища приводить до різного часу початку перехідної та радіаційної стадій в різних напрямках, так що одночасно різні ділянки ЗН перебуватимуть на різних еволюційних стадіях. Більше того, для достатньо малих масштабів висот H частина ЗН, що поширюється в напрямку спадання густини, взагалі може не виходити на перехідну та радіаційні стадії, тоді як частини ЗН, що поширюються в напрямку градієнта густини, швидко виходять на радіаційну стадію.

Таблиця . Часи початку і кінця перехідної стадії для різних кутів q при різних значеннях масштабних факторів H при типовій енергії вибуху Наднової ESN = 1051 ерг та концентрації атомів

водню МЗС nH =  см-3.

, пк | 10 | 20 | 100

, р. | , р. | , р. | , р. | , р. | , р.

0 | | | 73360 | 116200 | 32330 | 60620

| | | 47480 | 81880 | 31260 | 59070

| 28990 | 55750 | 28990 | 55750 | 28990 | 55750

| 17470 | 38200 | 21610 | 44650 | 27050 | 52860

| 15160 | 34500 | 19650 | 41620 | 26360 | 51840

Рис.3

Еволюція профілю фронту ударної хвилі ЗН в неоднорідному середовищі з експоненційним розподілом густини для E = 1051 ерг, n = 1 см-3 та H = 20 пк. Лінії 1, 2 та 3 відповідають часам t1 = 10000 р., t2 = 41620 р. та t3 = 150000 р. Лінії 4 та 5 відповідають відстаням на яких починається і закінчується перехідна стадія для певного кута q. Лінія 6 дає профіль фронту ударної хвилі без врахування перехідної стадії для часу t3.

В розділі також знаходяться вирази, що описують еволюцію ЗН у випадку неоднорідного середовища, що обумовлено контактом холодної і гарячої фаз – середовище із стрибком густини. Ці вирази дозволяють аналітично обчислити динаміку залишку на адіабатичній, перехідній та радіаційній стадії еволюції. Неодночасність початку перехідної стадії окрім неоднорідного середовища, може бути зумовлена і анізотропним виділенням енергії під час спалаху Наднової. В даному розділі отримані аналітичні вирази для опису еволюції залишку на цей випадок.

Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженню астрофізичних проявів перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції залишків Наднових у однорідному та неоднорідному міжзоряному середовищі, зокрема у рентгенівському та гамма-діапазонах.

Проблема походження спостережуваного потоку КП досі залишається нерозв’язаною. ЗН є одними з найбільш ймовірних галактичних прискорювачів КП до енергій порядку 1015 – 1016 еВ, що відповідає так званому "коліну" у спектрі КП. Одним з найперспективніших варіантів виявлення адронного прискорення у ЗН є пошук гамма-випромінювання від розпадів p0-мезонів, які народжуються при непружніх зіткненнях релятивістських ядер КП з протонами газу всередині чи біля поверхні залишку. Значний прогрес розвитку спостережної бази гамма-астрономії привів до безсумнівних випадків детектування тераелектронвольтного гамма-випромінювання від оболонкових ЗН, зокрема черенковською установкою H.E.S.S. задетектовані ЗН RX J1713.7-3946 [15] та RX J0852.0-4622 [16]. В даному розділі розраховуються очікувані характеристики рентгенівського та гамма-випромінювання від ЗН, що знаходяться на перехідній стадії еволюції. Теоретичні передбачення порівнюються із спостережувальними характеристикамиЗН, що випромінюють у ТеВ діапазоні.

Потік гамма-випромінювання від ЗН визначається енергією, що міститься у космічних променях залишку та концентрацією частинок середовища з якими відбуваються зіткнення космічних променів [21]. Концентрація частинок-мішеней середовища визначається з описаної у другому і третьому розділі дисертації гідродинамічної моделі. Енергія космічних променів, що зумовлюють гамма-світність ЗН, визначається з фізичних умов у формованій на перехідній стадії оболонці. Існує багато різних оцінок ефективності n трансформації енергії вибуху Наднової ESN у енергію космічних променів WCR. Прийнятним значенням для цієї величини можна вважати число порядку 10 відсотків. Для того щоб забезпечити необхідну кількість космічних променів у Галактиці завдяки ЗН, потрібне значення n = 0.03. Таким чином, для енергії КП на адіабатичній стадії ЗН прийматимемо WCR = nESN. Вважатимемо також, що КП рівномірно заповнюють об’єм VSNR(t) залишку на адіабатичній стадії так, що концентрація та густина енергії космічних променів wCR(t) = WCR/VSNR(t) залишаються просторово однорідними. Відповідно до нашої моделі [1, 4] частина гарячого газу залишку в межах від (1 – a)Rtr до Rtr приєднується до оболонки підчас перехідної стадії. Тому загальна енергія КП, що знаходиться у тонкій оболонці на кінець перехідної стадії, з врахуванням бетатронного доприскорення КП, буде рівною:

WCR,sh(tsf) = WCR(1 – (1 – a)3)(nsh/4nH)1/3

де nH – концентрація частинок МЗС, nsh – концентрація частинок в оболонці. На кінець перехідної стадії ми маємо холодну тонку щільну оболонку, густина якої набагато вища за густину оточуючого середовища. Це призведе до збільшення кількості ядер мішеней, а отже, до більш ефективного утворення піонів. Якщо концентрація космічних променів всередині ЗН постійна, то часова залежність очікуваного потоку F(>E,t) гамма-фотонів з енергією більше E для показника спектру КП g = 2.1 буде визначатись часовою еволюцією енергії КП. Використовуючи формулу для потоку гамма-випромінювання з [21] та адаптуючи її для нашого випадку, ми можемо оцінити потік гамма-випромінювання від тонкої оболонки залишку наприкінці перехідної стадії як:

Fg,sh(>E) ? 9Ч10-11(E/ТеВ)-1.1(WCR,sh(tsf)/1051ерг)(d/кпк)-2(nsh/см-3) см-2 сек-1

де d – відстань до залишку Наднової.

Рис.4

Еволюція рентгенівської (штриховані лінії) та гамма- (суцільні лінії) світності (L) ЗН протягом перехідної стадії. Лінії 1, 2 та 3 відповідають різним початковим густинам n0 = 0.1 см-3, n0 = 0.1 см-3 та n0 = 0.1 см-3 відповідно. Енергія вибуху Наднової становила E = 1051 ерг.

Важливо відмітити, що охолодження гарячого прифронтового газу, який дає основний внесок у теплове рентгенівське випромінювання, приводить одночасно з посиленням гамма-потоку до суттєвого падіння теплового компонента рентгенівської світності ЗН. Еволюцію теплового рентгенівського та розпадного гамма-випромінювання можна простежити на рис.4.

За проведеними моделюваннями побудовані карти поверхневої яскравості сферично-симетричних та неоднорідних ЗН у рентгенівському та гамма-діапазонах. Показана еволюція поверхневої яскравості ЗН протягом перехідної стадії. У розділі наводяться оцінки очікуваних потоків гамма-випромінювання від ЗН на перехідній стадії та проведені порівняння цих потоків із чутливостями сучасної черенковської установки H.E.S.S. та майбутньої космічної місії GLAST (Gamma Ray Large Area Space Telescope).

Цікавою проблемою дослідженою у розділі є один із варіантів розв’язку задачі про пошук космічних "Певатронів", який полягає в дослідженні третього покоління продуктів зіткнень КП із оточуючими частинками-мішенями. Цим третім поколінням є вторинні лептони,що утворились внаслідок розпаду p+, p- мезонів, які в свою чергу утворились внаслідок зіткнень КП з ядрами оточуючого середовища. Вторинні лептони проявляють себе у синхротронному рентгенівському випромінюванні. За наявності досить сильногомагнітного поля ~0.1 мГс таке синхротронне випромінювання відрізняється від синхротронного випромінювання первинних електронів, що має обрізання на енергіях випромінювання ~5 кеВ. Синхротронне випромінювання вторинних лептонів буде спостерігатись у досить жорсткому рентгенівському діапазоні, адже воно породжується високоенергійними частинками (E ~ 50 – 100 ТеВ) у сильному магнітному полі. Діапазон обрізання такого випромінювання буде припадати на інтервал енергій в якому працює сучасний супутник INTEGRAL і складає ~ 50 – 500 кеВ. У розділі отримані спектри нетеплового рентгенівського та гамма-випромінювання для ЗН на перехідній стадії. Проведені порівняння потоків нетеплового рентгенівського випромінювання із чутливістю космічної обсерваторії INTEGRAL. Спектри показують, що світність ЗН в нетепловому рентгенівському випромінюванні за стандартних умов для МЗС та при відстані до ЗН ?3 кпк є достатньою для спостережень супутником INTEGRAL. Використовуючи додаткову інформацію про магнітне поле отриману із радіоспостережень, ми маємо змогу встановити максимальну енергію КП у залишку, спостерігаючи обрізання синхротронного випромінювання в жорсткому рентгені на супутнику INTEGRAL.

В даному розділі виявлено ефект зростання потоку нетеплового випромінювання від ЗН на перехідній стадії еволюції. Це робить ЗН на перехідній стадії потенційними джерелами нетеплового рентгенівського та жорсткого гамма-випромінювання. Раніше вважалось, що потенційними джерелами нетеплового гамма-випромінювання є Сєдовські залишки середнього віку [14], чи навіть старі Сєдовські або радіаційні ЗН [20, 26], що налітають на молекулярну хмару або еволюціонують поряд з хмарою [17]. Врахування перехідної стадії еволюції ЗН, яке вперше зроблене в даній роботі, показує, що навіть у відсутності молекулярної хмари в околі залишку ми отримуємо значне (як мінімум порядок величини) підвищення потоку жорсткого гамма-випромінювання від ЗН. В даній роботі вперше були проведені розрахунки по обчисленню очікуваних потоків рентгенівського та гамма-випромінювання від залишків, що перебувають на перехідній стадії та показано, що величина цих потоків є достатньою для детектування сучасними черенковськими установками типу H.E.S.S. та супутником INTEGRAL. Використовуючи описаний в роботі метод, вперше стало можливим гнучке моделювання випромінювання ЗН, що перебувають повністю або частково на перехідній стадії еволюції.

ВИСНОВКИ

В даній роботі запропоновано підхід до розв’язання проблеми, яка полягає у встановленні ефективності прискорення адронів на фронтах ударних хвиль у ЗН до енергій порядку 1015 – 1016 еВ. Вирішення цієї проблеми робить необхідним покращення розуміння еволюції залишків у міжзоряному середовищі в загальному випадку з довільним розподілом густини.

Дана дисертаційна робота була спрямована на дослідження еволюції залишків Наднових у міжзоряному середовищі з врахуванням важливої перехідної стадії еволюції ЗН та виявлення астрофізичних проявів цієї стадії. Основними результатами дисертаційної роботи є такі:

1. Запропонований наближений аналітичний опис перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції залишків Наднових. Шляхом порівняння з чисельними розрахунками [19, 22, 25] показано, що запропонований метод має достатньо високу точність у відображенні динамічних та гідродинамічних характеристик залишку. На основі запропонованого методу були проведені розрахунки еволюції спостережувальних та внутрішніх характеристик ЗН під час перехідної стадії.

2. Узагальнено наближений аналітичний опис перехідної від адіабатичної до радіаційної стадії еволюції залишків Наднових на випадок неоднорідного середовища та анізотропного вибуху Наднової. Розглянуті неоднорідності середовища включають великомасштабний градієнт густини МЗС та скачок густини біля розділу фаз МЗС.

3. Досліджено властивості несферичних анізотропних ЗН та показано неодночасність зміни еволюційних стадій в різних частинах таких ЗН. Показано, що це призводить до одночасного існування в одному залишку зон, які перебувають на різних еволюційних стадіях. Показано, що анізотропне енерговиділення під час вибуху Наднової призводить до різного темпу еволюції в різних секторах ЗН, що як і у випадку неоднорідності МЗС призводить до суттєвої анізотропії спостережувальних характеристик ЗН.

4. На основі методів, розроблених у роботі, проведено моделювання теплового рентгенівського та нетеплового рентгенівського і жорсткого гамма-випромінювання від ЗН, що перебувають на перехідній стадії еволюції. Показано, що потік гамма-випромінювання від ЗН на перехідній стадії може зрости в десятки разів, роблячи таким чином ці ЗН кандидатами в гамма-джерела, які дають змогу виявити адронну компоненту космічних променів у ЗН.

5. Побудовані карти та показана еволюція поверхневої яскравості ЗН в тепловому рентгенівському та нетепловому гамма-діапазонах протягом перехідної стадії. Зроблені оцінки очікуваних потоків нетеплового рентгенівського та гамма-випромінювання від таких ЗН та проведені порівняння для рентгенівського діапазону із чутливістю супутника INTEGRAL, а для гамма-діапазону із чутливостями сучасної установки H.E.S.S. та майбутньої космічної місії GLAST. Отримано спектри нетеплового рентгенівського та гамма-випромінювання для ЗН на перехідній стадії. Показано, що світність ЗН в нетепловому рентгенівському випромінюванні за стандартних умов для МЗС та при відстані до ЗН  кпк є достатньою для спостережень супутником INTEGRAL, а це дозволяє встановити максимальну енергію космічних променів у залишку.

Література

Опубліковані праці за темою дисертації

[1] Гнатик Б.І., Петрук О.Л., Тєлєжинський І.О. Перехід залишків Наднових з адіабатичної до радіаційної стадії еволюції. Аналітичний опис // Кинематика и физика небесных тел. – 2007. – Т.23, №4. – С.195–206.

[2] Гнатик Б.І., Тєлєжинський І.О. Несферичні радіаційні Залишки спалахів Наднових // Кинематика и физика небесных тел. – 2007. – Т.23, №6. – С.367–380.

[3] Гнатик Б.І., Тєлєжинський І.О. Гамма-випромінювання постадіабатичних залишків Наднових // Журнал фізичних досліджень. – 2007. – Т.11, №3. – С.343–349.

[4] Telezhinsky, I., Hnatyk, B. High Energy Signatures of Post Adiabatic Supernova Remnants // Mod. Phys. Lett. A. – 2007. – Vol.22, №35. – P.2617–2629.

Тези та матеріали конференцій

[5] Telezhinsky, I., Hnatyk, B., Petruk, O., Galactic Supernova Remnants Survey with INTEGRAL // VI International Conference "Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology". Kyiv, Ukraine, 24-26 May 2006. – Р.20.

[6] Telezhinsky, I., Hnatyk, B., High Energy Signatures of Post-Adiabatic Supernova Remnants // International School of Cosmic Ray Astrophysics 15th Course: "Astro-physics at Ultra-high Energies". Erice, Italy, 20-27 June 2006, – New Jersey; London; Singapore; Beijing; Shanghaj; Hong Kong; Taipei; Chennai, 2007. – P.31–38.

[7] Telezhinsky, I., Hnatyk, B. Nonspherical Postadiabatic Supernova Remnants // 14th Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. Kyiv, Ukraine, 23-28 April 2007. – P.22.

[8] Hnatyk, B., Telezhinsky, I., Hadronic TeV gamma-ray radiation from Supernova Remnants // VII International Conference "Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology". Kyiv, Ukraine, 23-25 May 2007. – P.10.

Цитована література

[9] Блинников С.И., Имшенник B.C., Утробин В.П. Гигантский рентгеновский источник в Лебеде – остаток взрыва пекулярной сверхновой // Астрон.