Азамат фанилович поиск и исследование массивных звезд на финальных стадиях эволюции в галактиках треугольник и млечный путь

На правах рукописи

УДК 524.338-126/54 ВАЛЕЕВ Азамат Фанилович Поиск и исследование массивных звезд на финальных стадиях эволюции в галактиках Треугольник и Млечный Путь Специальность: 01. 03. 02 – астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз – 2010

Работа выполнена в Специальной Астрофизической Обсерватории Российской Академии Наук.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук С. Н. Фабрика профессор (САО РАН)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю. Н. Гнедин профессор (ГАО РАН) г. Санкт-Петербург кандидат физико-математических наук С. А. Пустильник (САО РАН) пос. Ниж. Архыз

Ведущая организация:

Казанский (Приволжский) Федеральный Университет г. Казань

Защита состоится 15 октября 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 02.203.01 при Специальной Астрофизической Обсерватории Российской академии наук по адресу: 369167, САО РАН, п. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская республика, Россия

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САО РАН.

Автореферат разослан 8 сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук Е. К. Майорова

Общая характеристика работы

Актуальность темы Изучение массивных звезд является одной из наиболее актуальных задач современной астрофизики. Влияние массивных звезд на эволюцию галактик значительно. Ультрафиолетовое излучение массивных звезд нагревает пыль, при вспышках сверхновых и ветрами таких звезд в галактику поставляется механическая энергия, тяжелые элементы, которые определяют химическую эволюцию галактик.

Стадия Голубых Ярких Переменных (Luminous Blue Variables, LBV) в эволюции массивных звезд наименее изучена, но наиболее важна и интерес на [1]. Звезды LBV характеризуются высокой болометрической светимостью (их светимость близка или превышает критическую или эддингтоновскую све тимость), неправильной переменностью блеска и гигантскими извержениями.

Прототипами звезд класса LBV являются Car и P Cyg в нашей Галактике.

Предполагается, что Car находится на такой стадии, что в обозримое время может взорваться как сверхновая.

Однако, большинство звезд LBV-класса пока не показывали гигантских извержений. Во время визуального минимума блеска таких звезд ("горячие LBV") максимум излучения смещается в ультрафиолетовую область. А во время визуального максимума блеска ("холодные LBV"), когда максимум излучения находится в видимом диапазоне, наблюдается резкое повышение темпа потери массы, скорость ветра уменьшается до 100–200 км/с. В относи тельно спокойном состоянии ("спящие LBV") эти звезды могут быть подоб ны звездам WNL и не показывать значительных изменений блеска, трудно доказать, что данные звезды принадлежат классу LBV. Например, класси ческие LBV-звезды P Cyg и Car сейчас находятся в спокойном состоянии и при современных обзорах в нашей Галактике, скорее всего, они не были бы заподозрены в принадлежности классу LBV-звезд. Более того, если бы они находились в близких галактиках M 31 или M 33, они вообще не были бы обнаружены.

За 40 лет наблюдений Э. Хаббл и А. Сендидж открыли в галактиках M 31 и M 33 всего пять LBV-звезд [2], изучив их неправильную переменность.

Сейчас в нашей Галактике и всей Местной Группе галактик известно не бо лее 20 подтвержденных LBV-звезд, кроме этого к кандидатам в LBV-звезды отнесены около 70 объектов [3, 4].

Галактики Местной Группы, разрешаемые на отдельные звезды, являют ся замечательными лабораториями для исследования массивного звездного населения в них. Так как металличности галактик в Местной Группе изменя ются от 0.3 Z до 4 Z, то можно изучать влияние металличности и морфо логического типа галактики на эволюцию массивных звезд.

При поиске статистических закономерностей и исследовании эволюции массивных звезд по диаграмме температура – светимость для LBV-звезд на шей Галактики существует большая неопределенность в светимости, кото рая связана с неопределенностью в расстоянии. Кроме того, значительную неопределенность вызывают неточное знание величин межзвездного погло щения света в пыли Галактики. Для звезд в галактиках Местной Группы, расстояние до которых хорошо определено, а величина поглощения в направ лении на данную галактику также хорошо измерена, положение на диаграм ме температура – светимость фиксируется существенно более точно. По этой причине исследования массивных звезд в галактиках Местной Группы могут быть чрезвычайно плодотворными.

В поиске LBV-звезд в галактиках Местной Группы в последнее время наметились определенные сдвиги. Многочисленные попытки найти эмиссион ные объекты типа SS 433 [5, 6], поиск ультрафиолетовых источников [7], а также полные фотометрические обзоры всего звездного населения галактик Местной Группы [8] выявили большое количество кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции. Только кардинальное расширение выборки LBV-звезд и кандидатов в LBV-звезды позволит понять статисти ческие свойства объектов этого класса, а также эволюцию массивных звезд в целом. Пусть даже некоторые из вновь найденных объектов впоследствии будут исключены из LBV-класса.

В нашей Галактике массивные звезды на финальных стадиях эволюции можно обнаружить по оболочкам вокруг звезд на инфракрасных изображени ях [9]. Таким образом в Галактике недавно были открыты новая LBV-звезда [10] и две звезды Wolf-Rayet редкого типа WN8-9h и WN7h [11, 12].

Современные обзоры галактик Местной Группы в инфракрасном диапа зоне с высоким пространственным разрешением (орбитальная обсерватория Spitzer) позволяют более детально изучать спектральные распределения энер гий для вновь отобранных кандидатов, выявляя наличие околозвездной обо лочки, следы недавних выбросов вещества в межзвездную среду и даже пере менность объектов в этом диапазоне. Многочисленные программы по поиску переменных звезд в разных галактиках с использованием широкоформатных ПЗС-матриц или мозаик из них, с возможностью фиксировать изменения звездной величины с амплитудой менее 0. 1, дают уникальную возможность m выявлять даже "спящие" LBV. Расширение списка известных LBV-звезд, их изучение и попытки понять физическую природу LBV-феномена становится возможным на современном этапе развития наблюдательной и теоретической базы. Все это обеспечивает актуальность темы диссертации.

Цель работы Целью предпринимаемого в диссертации исследования является:

на основе фотометрических изображений, полученных в рамках про • екта "Исследование звездного населения в разрешаемых на отдельные звезды галактиках Местной Группы" [8], отобрать эмиссионные объек ты – кандидаты в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике M 33;

провести кросс-идентификацию выбранных кандидатов с объектами из • других крупных обзоров галактики M 33;

провести спектроскопию кандидатов в массивные звезды на финальных • стадиях эволюции с целью подтверждения их эмиссионной природы, а также изучить спектры наиболее интересных объектов;

на инфракрасных изображениях, полученных на космическом телеско • пе Spitzer, выполнить фотометрические измерения для наиболее инте ресных кандидатов, с целью выявления их пылевой активности;

изучить однородным методом все ранее известные LBV-звезды, а также • вновь найденные кандидаты в LBV в галактике M 33. По спектрам этих объектов оценить величину межзвездного поглощения. По спектрально му распределению энергии при известном значении межзвездного погло щения определить температуру и светимость звезд и их пылевых ком понент. По диаграмме температура – светимость, используя модельные расчеты эволюции звезд разных масс, определить массы звезд;

провести детальную спектроскопию звезд в нашей Галактике, выделен • ных на основе поиска объектов с круговыми оболочками на инфра красных изображениях Spitzer, с целью классификации этих звезд. Вы полнить фотометрические измерения для этих звезд на инфракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer.

Научная новизна работы Все основные результаты работы являются новыми и состоят в следую щем:

1. На основе ПЗС-изображений галактики M 33 проведен поиск звезд с H-эмиссией с пределом до V18. 5. В результате впервые был со m ставлен наиболее полный каталог кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции, поскольку даже с учетом возможного межзвездного покраснения он содержит все сверхгиганты классов све тимости Iab и ярче, а также наиболее горячие сверхгиганты класса све тимости Ib (со спектрами B0 и ранее). Каталог содержит 185 голубых и 25 покраснённых объектов, предположительно испытывающих замет ное межзвездное покраснение;

2. В результате кросс-идентификации нашего каталога с каталогами рент геновских, ультрафиолетовых, переменных объектов в галактике M было показано, что 29% являются переменными и 15% – ультрафиоле товыми источниками;

3. Проведена спектроскопия 49 голубых и 17 покраснённых объектов на 6-м телескопе БТА;

4. В результате спектроскопии обнаружены новая LBV-звезда и два но вых LBV-кандидата в галактике M 33. Детально изучены спектры этих объектов;

5. На инфракрасных изображениях, полученных на космическом телеско пе Spitzer, выполнены фотометрические измерения для всех классиче ских LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух LBV-кандидатов в галактике M 33;

6. Впервые для LBV-звезд применен метод оценки межзвездного поглоще ния по бальмеровскому декременту окружающих звезды H ii-областей;

7. На основе спектральных распределений энергии определены фундамен тальные параметры всех классических LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух LBV-кандидатов в галактике M 33. Найдены температуры, свети мости, массы, радиусы звезд, а также температуры и светимости окру жающих их пылевых компонент. Сделан вывод о спорадической приро де пылевой активности, которая возникает, вероятно, вследствие мощ ных выбросов вещества;

8. Проведена оптическая спектроскопия двух звезд Галактики, выделен ных на основе поиска объектов с круговыми оболочками на инфракрас ных изображениях Spitzer. Обнаружено, что они являются объектами редкого класса WNL. Изучены спектры этих звезд, на основе модели рования определены фундаментальные параметры этих звезд;

9. На инфракрасных изображениях, полученных на космическом телеско пе Spitzer, выполнены фотометрические измерения для двух новых WNL звезд Галактики. Построено спектральное распределение энергии в ши роком диапазоне длин волн (3000 – 70µm).

A Теоретическая и практическая значимость Результаты диссертации имеют как практическую, так и теоретическую ценность. В главе 1 проведен отбор кандидатов в массивные звезды на фи нальных стадиях эволюции. Составлен новый каталог, который является на текущий момент самым полным, включающим все сверхгиганты галактики M 33. Изучение спектров этих объектов позволит изучить массивное звездное население во всей галактике M 33.

Обнаруженные новая LBV-звезда (седьмая в M 33) и два LBV-кандидата, спектры и переменность которых описываются в главе 2, расширяют список известных LBV-звезд, более подробное изучение которых в будущем позволит понять природу LBV-феномена.

Определенные в главе 3 единым методом фундаментальные парамет ры LBV-звезд галактике M 33 (светимости, температуры, массы, радиусы и величины межзвездного поглощения, параметры пылевых оболочек) позволя ют оценить влияние металличности и окружения на LBV-феномен. Однако, на данный момент малое количество подобных объектов, известных в астро физике, еще не позволяет уверенно делать выводы об эволюции массивных звезд.

Обнаружение и спектральное исследование двух звезд редкого класса WNL, описанное в главе 4, определение металличности их ветров, содержа ние водорода позволит понять связь между WNL и LBV.

Положения, выносимые на защиту На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Список звезд с эмиссией в линии H – кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике M 33. Список содержит 185 голубых и 25 покраснённых объектов, предположительно испыты вающих межзвездное поглощение света в галактике M 33;

2. Открытие новой LBV-звезды из нашего списка голубых объектов и двух кандидатов в LBV-звезды из списка покраснённых объектов в галакти ке M 33;

3. Определение фундаментальных параметров всех известных классиче ских LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух новых кандидатов в LBV звезды в галактике M 33. Определены температуры, светимости, мас сы, радиусы и величины межзвездного поглощения этих звезд, а также температуры и светимости окружающих их пылевых оболочек;

4. Результаты оптической спектроскопии и инфракрасной фотометрии двух новых WNL-звезд в нашей Галактике, отобранных на основе инфракрас ных изображений космического телескопа Spitzer.

Апробация работы Результаты работ обсуждались на семинарах Специальной астрофизиче ской обсерватории РАН, на кафедре астрономии университета г. Оулу (Фин ляндия) и на кафедре астрономии Казанского (Приволжского) Федерального Университета. Результаты докладывались на следующих конференциях:

1. "Астрономия и астрофизика начала XXI века";

Москва, 1-6 июля 2008 г.

2. "Star Formation from Spitzer (Lyman) to Spitzer (Telescope) and Beyond";

Vienna, Austria, 10-12 сентября 2008 г.

3. "The Third NEON Archive Observing school";

ESO, Garching, Germany, 27 августа - 6 сентабря 2008 г.

4. "The multi-wavelength view of Hot, Massive Stars";

Liege, Belgium, 12- июля 2010 г.

Публикации по теме диссертации Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях общим объ емом 45 страниц. Все статьи опубликованы в рецензируемых журналах.

1. A. F. Valeev, O. Sholukhova, S. Fabrika;

"A new luminous variable in M 33";

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;

2009, v. 396, p. L 2. V. V. Gvaramadze, S. Fabrika, W.-R. Hamann, O. Sholukhova, A. F. Valeev, V. P. Goranskij, A. M. Cherepashchuk, D. J. Bomans, L. M. Oskinova;

"Discovery of a new Wolf-Rayet star and its ring nebula in Cygnus";

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;

2009, v. 400, p. 3. А. Ф. Валеев, О. Н. Шолухова, С. Н. Фабрика;

"Поиск LBV кандида тов в галактике M 33";

Астрофизический бюллетень, 2010, v. 65, p. (arXiv:1007.5383) 4. V. V. Gvaramadze, A. Y. Kniazev, W.-R. Hamann, L. N. Berdnikov, S. Fabrika, A. F. Valeev;

"New Wolf-Rayet star and its circumstellar nebula in Aquila";

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;

2010, v. 403, p. 5. А. Ф. Валеев, О. Н. Шолухова, С. Н. Фабрика;

"Два новых LBV-канди дата в галактике M 33";

Астрофизический бюллетень, 2010, принята к печати (arXiv:1009. ) Личный вклад автора Во всех работах спектральные данные на телескопе БТА были получены автором. Автором были проведены фотометрические измерения на оптиче ских изображениях, полученных на 4 м телескопах NOAO и CTIO, и на ин фракрасных изображениях, полученных на космическом телескопе Spitzer. В работах [1,3,5] автор внес равный вклад в обсуждение результатов всей ра боты. В работах [2,4] автором измерены инфракрасные потоки и получены спектральные распределения энергии.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложе ния и списка цитированной литературы из 75 наименований, содержит страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 9 таблиц.

Краткое содержание диссертации Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной рабо ты, сформулированы цели исследования, а также положения выносимые на защиту. Кратко изложены структура и содержание работы, дается характе ристика научной новизны и практической ценности полученных результатов.

В первой главе представлен каталог кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике M 33. Отбор был выполнен на основе оптических изображений, полученных в рамках проекта "Изучение разрешаемого на отдельные звезды населения в близких галактиках", выпол ненного по руководством Ф. Массея. На изображениях в 4 широких UBVR и узком H фильтрах были выполнены фотометрические измерения для звезд в галактике M 33 с V18. 5. По критерию наличия эмиссионной линии m H были составлены каталоги 185 голубых звезд с (BV )0. 35 и 25 красных m звезд с 0. 35B V 1. 2, предположительно испытывающих заметное меж m m звездное покраснение в самой галактике M 33. С учетом модуля расстояния до галактики M 33, равного 24. 9, и возможного межзвездного поглощения m (AV 1. 0) было найдено, что каталог содержит все яркие сверхгиганты клас m сов светимости Iab и ярче, и наиболее горячие сверхгиганты (со спектрами B и ранее) класса Ib. Таким образом в первой главе представлен наиболее пол ный список кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике M 33.

Была проведена кросскорреляция координат отобранных объектов с дру гими каталогами с целью кроссидентификации. Было показано, что 12% объ ектов отождествляются с ультрафиолетовыми источниками, 29% – с перемен ными звездами.

В данной главе также представлен обзор роли массивных звезд на фи нальных стадиях эволюции и в частности стадии ярких голубых переменных в астрофизике. Описываются наблюдаемые свойства LBV-звезд, методы и результаты предыдущих поисков подобных объектов в галактике M 33. Ре зультаты первой главы опубликованы в работе [3].

Во второй главе описывается обнаружение и исследование новой (седь мой) LBV-звезды N 93351 и двух новых LBV-кандидатов N 45901 и N в галактике M 33.

В разделе 2.1 был проведен детальный анализ спектра объекта N 93351, полученного на телескопе БТА. На спектре выявлены многочисленные эмис сионные линии Fe II и [Fe II], а также водородные линии с широкими кры льями. Наличие широких компонент линий H и H, полуширины которых равны соответственно 800 км/c и 950 км/c, указывают на наличие расширяю щихся пылевых оболочек вокруг звезд. Линии [Ca ii] 7291, 7323 также гово рят в пользу пылевой активности звезды и указывают на недавние выбросы вещества в межзвездную среду. По бальмеровскому декременту линий туман ности, окружающей звезду, оценено межзвездное поглощение (AV 1. 0), а по m спектральным деталям – температура фотосферы звезды. На основе архив ных измерений построена кривая переменности блеска, из которой следует амплитуда переменности блеска не менее 0. 4 в полосе V. На основе спек m трального распределения энергии определена болометрическая светимость звезды (lg L/L = 6.27). В результате объект N 93351 был классифицирован как LBV-звезда.

В разделе 2.2 был проведен анализ спектров двух новых LBV-кандидатов N 45901 и N 125093, полученных на телескопе БТА, и выполнен гаусс-анализ профилей водородной линии H. Заподозрена оптическая переменность обо их объектов на основе фотометрических измерений из разных каталогов.

На инфракрасных изображениях, полученных на космическом телеско пе Spitzer, проведены фотометрические измерения в полосах 3.6, 4.5, 5.8 и 8.0 µm для всех трех звезд, на основе которых выявлено наличие инфракрас ных избытков у изучаемых объектов. Кроме этого, найдена переменность новой LBV-звезды N 93351 в инфракрасном диапазоне. Результаты второй главы опубликованы в работах [1] и [5].

В третье главе определены фундаментальные параметры для всех ше сти классических LBV-звезд, новой LBV-звезды и двух новых LBV-кандида тов в галактике M 33. Исследование было выполнено по единой методике, что особенно важно для таких переменных объектов. Для каждой звезды по баль меровскому декременту линий туманности вокруг объекта оценена величина межзвездного поглощения.

Используя измеренные нами инфракрасные потоки в полосах 3.6, 4.5, 5. и 8.0 µm (Spitzer), инфракрасные данные из каталогов 2MASS-обзора и оп тическую фотометрию из различных источников, были построены спектраль ные распределения энергии в широком диапазоне длин волн (3000–80000 ) AA для каждого объекта. Показано, что у многих объектов в инфракрасном диапазоне наблюдается повышение потока, что говорит о наличие пылевых оболочек вокруг этих звезд. Предполагая, что излучение звезды и пылевых оболочек можно описать моделью абсолютно черного тела, были вычислены температуры и светимости как самих звезд, так и окружающих их пылевых оболочек.

На диаграмме температура–светимость были показаны области возмож ных параметров (L,T) для каждой звезды, что позволило оценить массы объ ектов, привлекая модельные расчеты эволюции массивных звезд. Кроме то го, на основе известных светимостей и температур, были вычислены радиусы звезд. Результаты третье главы опубликованы в работах [1] и [5].

В четвертой главе представлены результаты исследования двух но вых WR-звезд редкого подкласса WNL в нашей Галактике, обнаруженных в результате поиска оболочек вокруг звезд на изображениях Spitzer в полосе 24 µm. На 6-м телескопе САО РАН и 3.5-м телескопе Calar Alto (Испания) бы ли получены спектры этих объектов. На спектрах выявлены многочисленные детали, свойственные WR-звездам. Были измерены интенсивности и полуши рины основных линий в спектрах обеих звезд. По отношению интенсивно стей линий в спектрах была проведена спектральная классификация звезд – объект J201708.12+410727.0 был классифицирован как WN8-9h, а объект J184927.34-010420.8 - как WN7h. В результате им были присвоены названия WR 138a и WR 121b.

Были измерены потоки от объектов в инфракрасном диапазоне (полосы 3.6, 4.5, 5.8, 8.0, 24.0 и 70.0 µm), на основе которых с привлечением данных из каталога 2MASS-обзора и оптических измерений были построены спектраль ные распределения энергии в диапазоне от 3000-700000. Было выполнено AA детальное моделирование обоих спектров и определены фундаментальные па раметры звезд. Результаты четвертой главы опубликованы в работах [2] и [4].

В заключении сформулированы основные результаты и выводы рабо ты.

В приложении приведены каталоги кандидатов в массивные звезды на финальных стадиях эволюции в галактике M 33 с результатами кроссиденти фикации.

Список цитированной литературы [1] R. M. Humphreys and K. Davidson, Publ. Astronom. Soc. Pacific 106, (1994).

[2] E. Hubble and A. Sandage, Astrophys. J. 118, 353 (1953).

[3] P. Massey, R. T. McNeill, K. A. G. Olsen, P. W. Hodge, C. Blaha, G. H.

Jacoby, R. C. Smith, and S. B. Strong, Astronom. J. 134, 2474 (2007).

[4] A. M. van Genderen, Astronom. and Astrophys. 366, 508 (2001).

[5] D. Calzetti, A. L. Kinney, H. Ford, J. Doggett, and K. S. Long, Astronom.

J. 110, 2739 (1995).

[6] S. Fabrika and O. Sholukhova, Astrophys. and Space Sci. 226, 229 (1995).

[7] P. Massey, L. Bianchi, J. B. Hutchings, and T. P. Stecher, Astrophys. J. 469, 629 (1996).

[8] P. Massey, K. A. G. Olsen, P. W. Hodge, S. B. Strong, G. H. Jacoby, W. Schlingman, and R. C. Smith, Astronom. J. 131, 2478 (2006).

[9] V. V. Gvaramadze, A. Y. Kniazev, and S. Fabrika, Monthly Notices Roy.

Astronom. Soc. 405, 1047 (2010).

[10] V. V. Gvaramadze, A. Y. Kniazev, S. Fabrika, O. Sholukhova, L. N.

Berdnikov, A. M. Cherepashchuk, and A. V. Zharova, Monthly Notices Roy.

Astronom. Soc. 405, 520 (2010).

[11] V. V. Gvaramadze, A. Y. Kniazev, W. Hamann, L. N. Berdnikov, S. Fabrika, and A. F. Valeev, Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 403, 760 (2010).

[12] V. V. Gvaramadze, S. Fabrika, W. Hamann, O. Sholukhova, A. F. Valeev, V. P. Goranskij, A. M. Cherepashchuk, D. J. Bomans, and L. M. Oskinova, Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 400, 524 (2009).

Бесплатно А. Ф. Валеев Поиск и исследование массивных звезд на финальных стадиях эволюции в галактиках Треугольник и Млечный Путь Зак. №1c Уч.изд.лит. 2.0 Тираж Российская Академия Наук Специальная астрофизическая обсерватория