Распространение ионизационно-ударного фронта в сферическом облаке межзвездной среды

Газодинамические явления, происходящие в космических условиях, уже в течение длительного времени являются предметом многочисленных исследований [2, 4, 8, 11−13, 45, 72]. При этом важная роль отводится динамике межзвездной среды, поскольку по современным представлениям именно структура межзвездной среды отражает процессы звездообразования и, в свою очередь, влияет на эти процессы.

Из наблюдений хорошо известно, что межзвездная среда весьма неоднородна. Так, принято различать следующие структурные компоненты (фазы) межзвездной среды [4]: 1) горячий корональный газ (температура Tw 5 • 105 А, концентрация частиц п ~ 0.003 см-3) — 2) зоны ионизованного водорода или зоны HII низкой плотности (Т та 104 А, п ~ 0.3 см-3) — 3) межоблачная среда (Т та 104 А, п 0.1 см-3) — 4) теплые области нейтрального водорода или области HI (Т ~ 103 К, п ~ 1 см-3) — 5) средние облака HI (Т «80 К, п ~ 10 см-3) — 6) темные облака (Т та 10 К, п ~ 103 см-3);

7) большие нейтральные конденсации (глобулы) с Т та 10 А, п ~ 104 см~3;

8) плотные области HII (Т та Ю4 А, п ~ 30 см-3) — 9) гигантские молекулярные облака (Т ~ 20 А, п ~ 300 см-3) — 10) уплотнения в молекулярных облаках (Т та Q К. п ~ 105 см-3).

Согласно теоретическим представлениям, происхождение неоднородности межзвездной среды обусловлено целым рядом причин. Это развитие неустойчивости Джинса [2, 13], тепловой неустойчивости [2, 13, 60], магнитогидроди-намической неустойчивости Паркера [13, 79, 80]. В настоящее время развивается получившая наблюдательные подтверждения модель так называемого «триггерного» (спускового, т. е. включающегося от определенного первичного возмущения параметров среды) механизма образования плотных газовых конденсаций [58, 59, 71]. В основе модели лежат представления о распространении в межзвездной среде комплекса разрывов, содержащего ударную волну и фронт ионизации.

Впервые теоретические представления о фронте ионизации и порождаемой им ударной волны исследовалось в работах [11, 69, 76, 83, 84]. Фронт ионизации (или /-фронт) является особым типом газодинамических разрывов, который возникает под воздействием на среду излучения от внешнего источника. I-фронт отделяет ионизованный газ, прозрачный для излучения, от нейтрального газа с большой поглощательной способностью. В литературе в зависимости от типа излучения и свойств среды встречаются и другие названия подобных газодинамических разрывов, такие как: фотохимическая волна, фронт диссоциации или волна поглощения [14, 40]. В работах, посвященных лабораторным исследованиям взаимодействия высокоэнергичных квантов с веществом, часто употребляется более общее название для такого вида разрывов — радиационный фронт [70, 72]. В астрофизических приложениях более распространен термин ионизационный фронт, и далее в работе используется именно он.

В межзвездной среде возникновение комплекса разрывов ионизационный фронт — ударная волна может происходить при определенных условиях. Так согласно работе [76] под действием излучения от горячей звезды с температурой Т* 104 — 105 К окружающий нейтральный газ (в межзвездной среде — это преимущественно водород) ионизируется, его коэффициент поглощения резко уменьшается и размер занимаемой ионизованным газом области (так называемой области HII или зоны Стремгрена) увеличивается со временем. Граница, разделяющая нейтральный и ионизованный газ, достаточно резкая и может рассматриваться как газодинамический разрыв — I-фронт [2, 11, 45, 69, 72]. Характерно, что скорость распространения I-фронта пропорциональна плотности потока падающих на разрыв квантов Ф. Следовательно, на достаточно малых расстояниях от звезды, где Ф велико, /-фронт распространяется со столь большой скоростью, что газодинамические эффекты в этот период несущественны. Лишь по мере уменьшения Ф с ростом расстояния от звезды, движение среды начинает заметно изменять ее характеристики. В частности, в нейтральном газе перед /-фронтом формируется ударная волна и образующийся комплекс разрывов получил название понизацнонно-ударного (или J-S) фронта.

С целью объяснить присутствие различного вида неоднородностей в областях ионизованного газа распространение такого комплекса разрывов исследовалось многими авторами (см., например, обзор [93]). Так, были найдены плоские, цилиндрически и сферически симметричные автомодельные движения I-S фронта [11, 64, 75]. Были предложены приближенные методы расчета динамики фронтов [26, 61, 62, 75, 82], проведены расчеты структуры фронтов ионизации [50, 81].

Одномерные и двумерные расчеты развития областей HII позволили определить параметры зоны Стремгрена (температуру и концентрацию частиц, ионизационный состав газа), изменение размера зоны ионизации со временем, излучательные характеристики плазмы (светимость в непрерывном спектре и в спектральных линиях).

Наряду с вопросами эволюции областей HII исследовалась и проблема устойчивости как одиночных фронтов ионизации, так и комплекса разрывов ударная волна — фронт ионизации. При этом для приложений важным являлось определение характерных масштабов возмущений, их пространственной структуры. Целью здесь было исследование возможности образования плотных конденсаций с массами порядка масс звезд или планет. Кроме того, присутствие в газе возмущения даже сравнительно небольшой амплитуды способно повлиять на интерпретацию наблюдательных данных об обилиях различных химических элементов в межзвездной среде [33].

Уже в ранних работах [11, 69] было отмечено, что при известных значениях Ф и температуры газа за I-фронтом уравнения Рэпкина-Гюгонио имеют решения, обладающие свойствами, аналогичными фронтам горения и детонации [47]. Но так как фронты горения неустойчивы [36], то необходим был и анализ устойчивости фронтов ионизации.

В линейной постановке устойчивость плоских одиночных фронтов ионизации D-типа (скорости газа перед фронтом этого типа и за ним дозвуковые) по отношению к двумерным возмущениям рассматривалась авторами работ [29, 49, 88]. Было найдено, что фронты неустойчивы относительно достаточно коротковолновых возмущений. Эффект стабилизации крупномасштабных возмущений обусловлен уменьшением падающего на фронт потока квантов вследствие поглощения излучения плазмой. Однако, в монографии [2] было отмечено, что присутствие ударной волны перед фронтом ионизации способно усилить возмущения за счет явления акустического резонанса. Позднее это предположение подтвердилось в работах [62, 63].

Процессы интерференции воли в слое между ударным и ионизационным фронтами могут также приводить к возбуждению нелинейных колебаний положения фронтов даже в случае одномерных движений [30]. При этом амплитуда колебаний сравнима с расстоянием между фронтами.

Специфический тип неустойчивости, связанной с распространением /фронта в неоднородной среде, рассматривался в [54, 55]. Авторами данных работ па качественном уровне было показано, что выход ионизационно-ударного фронта на поверхность сферически симметричного облака может сопровождаться формированием плотной газовой оболочки, которая ускоряется под действием разности давлений и «реактивной» силы, возникающей вследствие оттока ионизованного газа от /-фронта. Не рассматривая процесс возникновения нейтральных оболочек и используя ряд допущений относительно газодинамических параметров среды, в [54, 55] были оценены масса и толщина оболочки.

Сделанные авторами [54, 55] выводы опираются лишь на приближенные оценки. Поэтому в настоящей работе с учетом кинетики радиационных процессов, переноса излучения ставится цель количественного исследования динамики образования оболочки, нахождения ее толщины, массы и ускорения. Кроме того, в рамках этой более сложной и полной модели анализируется возможность образования при развитии неустойчивости не только каплевидных неоднородностей, но и качественно иных «пальцеобразных» конденсаций, предсказываемых теорией неустойчивости, развитой в работах Г. Г. Черного с соавторами [7] и примененной к движению оболочек планетарных туманностей в [31]. При этом особое внимание уделяется влиянию радиационных процессов на форму и структуру возникающих уплотнений, приводятся количественные оценки накопления массы в них, исследуются особенности течения газа при деформации оболочки.

Нужно отметить, что такого рода исследования актуальны в настоящее время вследствие резко возросшего уровня техники наблюдений, которая позволяет сопоставлять наблюдательные данные с результатами расчетов. А благодаря развитию математических методов появилась возможность построения новых более адекватных теоретических моделей [7, 23, 31]. Целый ряд возникающих при этом физических явлений, например: деформации ускоренно движущихся плотных слоев вещества, «реактивный» эффект уноса массы с облучаемых поверхностей, кумуляция массы вещества в отдельных участках оболочки — представляет интерес и для лабораторных экспериментов. В частности, в России (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАНМосковский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики и др.), и зарубежом (Национальная лаборатория в Лос-Аламосе, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса и др.) проводятся различные экспериментальные работы по воздействию мощных потоков энергии на вещество, связанные как с задачами астрофизики высоких энергий [70, 73, 74, 90], так и с разработкой установок термоядерного синтеза [91]. В связи с этим рассматриваемые в настоящей работе течения излучающего газа представляют интерес при решении достаточно широкого круга фундаментальных научных проблем.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава работы посвящена формулировке замкнутой системы газодинамических уравнений, описывающих движение частично ионизованной водородной плазмы с малыми обилиями тяжелых элементов. Система уравнений неразрывности, движения и притока тепла дополняется уравнениями для изменения степени ионизации и переноса излучения. Основной целью при этом является анализ вклада потерь энергии на высвечивание уровней различных ионов и аппроксимация функции охлаждения, пригодной в широком диапазоне изменения температуры, степени ионизации и химического состава плазмы.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена исследованию взаимодействия комплекса разрывов, содержащего ионизационный фронт и ударную волну, с неоднородной межзвездной средой. В результате:

• Создан комплекс программ для расчета двумерных неустановившихся движений газа в поле источника ионизирующего излучения. Учитываются спектральный перенос излучения и кипетпка процессов фотоионизации и фоторекомбинации.

• Предложена и реализована аппроксимация функции охлаждения Л, обеспечивающая приемлемую точность ее вычисления и допускающая проведение расчетов в широком диапазоне изменения степени ионизации, температуры газа и химического состава среды.

• Решена задача о динамике распространения сферически симметричного I-S фронта в однородной среде. Количественно исследовано формирование тонкой оболочки сжатого газа при выходе ионизацпонно-ударного фронта из «теплого» облака межзвездной среды и из плотного холодного облака в нагретый разреженный газ.

• Определено влияние свойств среды и характеристик внешнего излучения на параметры оболочек, возникающих при расширении газа, ионизируемого и нагреваемого источником высокоэнергичного излучения.

• Проведено сравнение параметров оболочки, полученных в результате численных расчетов с приближенными оценками. Показано, что характерное уменьшение массы оболочки достаточно хорошо согласуется с рассчитанным по формуле Мещерского. Но распределение массы нейтрального газа между ионизационным и ударным фронтами не следует оценке, полученной в приближении изотермической ударной волны.

• Предложено моделирование эволюции двумерных осесимметричных возмущений скорости нейтральной оболочки, ускоряемой внутренним давлением горячего разреженного газа. В результате численных расчетов показано, что деформации сферических оболочек могут сопровождаться образованием вытянутых в радиальном направлении уплотнений с накоплением в них вещества. Однако, характер нарастания возмущений и их морфология зависят от отношения длины волны возмущений к толщине оболочки. Неравновесные радиационные процессы также оказывают влияние на форму и структуру образующихся уплотнений.

• Показано, что при фрагментации фотоиспаряемых оболочек может иметь место множественный эффект «шампанского». Предложенная модель позволяет в значительной степени пояснить наблюдаемую картину движения плазмы в окрестности горячих звезд.