Взаимодействие супероболочки Loop I с Местным горячим пузырём.
Суть.
Мягкая рентгеновская тень была обнаружена на периферии супероболочки петли I в обзоре ROSAT All Sky Survey. Расстояние, размер, геометрия и спектральные данные указывают на то, что тень отброшена кольцевым объемом плотной нейтральной материи, которая образовалась при столкновении суперпузыря Loop I и Local Hot Bubble. Это первое наблюдение области взаимодействия двух сталкивающихся межзвездных пузырьков, и результаты согласуются с более ранней теоретической работой по сталкивающимся сферическим ударным волнам.
Введение.
Петля I представляет собой гигантскую радиопетлю галактики с радиусом 58 ° ± 4 ° с центром в точке IJJ = 329 °.0 ± 1 °.5, bn = 17 °.5 ± 3 °.0 (Berkhuijsen et al., 1971). Самая яркая часть Петли I на северо-востоке, грубо совмещенная с контуром lii = 30 °, получила название Северного полярного шпура (North Polar Spur, NPS). Несколько наблюдений показывают, что Loop I представляет собой взаимодействие ударной волны с межзвездной средой, благоприятствующей возникновению остатка сверхновой (SNR): четко определенной циркулярности (прим: т.е. округлости), подсвеченной по краю радио профиля, высокой степени поляризации и спектральному индексу радиоизлучения ~ 0.6 типичного для синхротронного излучения (Berkhuijsen 1971). По наблюдениям поляризации оптического звездного света было определено расстояние 100-120 пк до NPS (Bingham 1967). Поэтому центр оболочки был бы близок к центру ассоциации Скорпио-Центавра ОВ при расстоянии ~ 170 пк, что предполагает звездный кластер в качестве места взрыва сверхновой (SN), связанной с NPS. Два наблюдения привели к спорным дискуссиям о происхождении петли: Обнаружена оболочка нейтрального газа Loop I, расширяющаяся со скоростью ~ 19 км / с (Sofue et al., 1974), что указывает на возраст в несколько 106 лет. С другой стороны, обнаружение мягкого рентгеновского излучения из внутренней части радиопетли (Bunner et al., 1972) предполагает возраст на один порядок меньше. В любом случае исходная энергия SN, полученная по стандартным моделям эволюции SNR, будет ~ 1052 эрг, что значительно выше, чем канонические 1051 эрг. Эггер (Egger, 1993) и Эггер и Ашенбаху (1994) показали, что петлю I можно последовательно моделировать как суперпузырь, создаваемый коллективными звездными ветрами и несколькими последовательными SN-событиями в ассоциации Sco-Cen. Мягкие рентгеновские лучи возникают из-за замедления ударных волн от SN, сталкивающихся со внутренними стенками плотной супероболочки.
Солнечная система встроена в локальный горячий пузырь (LHB), полость, заполненную горячей, разреженной плазмой ~ 106 К и плотностью ~ 5 · 10 -3 см -3. Это было сделано на основе наблюдений за мягким рентгеновским фоном и подтверждено измерениями поглощения УФ-лучей звезд в локальном районе (обзор см. Cox к Reynolds 1987 и ссылки в нем). Форма полости не определена. Недавние наблюдения рентгеновских теней от нейтральных облаков (например, Snowden et al., 1991) показывают, что LHB может быть довольно хорошо ограниченной областью с радиусом 100 пк.
Так как расстояние до Loop I близко к размеру LHB, возможно взаимодействие двух. В данных ROSAT All Sky Survey мы нашли существенные доказательства фактического столкновения. Мы обсуждаем некоторые аспекты этого в процессах, происходящих в суперпузыре Loop I.
Наблюдения.
В ходе немецкой миссии рентгеновского спутника ROSAT был проведено исследование в мягком рентгеновском диапазоне (0,1-2,4 кэВ). Данные были очищены от фона, вызванного высоко энергичными частицами, солнечным рентгеновским излучением, рассеянным в верхних слоях атмосферы, и обширными усилениями на заднем плане (Snowden et al., 1994a; Snowden et al., 1994b). На рисунке 1 показаны карты большого масштаба петли I в двух энергетических диапазонах: 0,1-0,4 кэВ (а) и 0,5-2,0 кэВ (б).
Обсуждение.
Во всей Галактике обнаружены многочисленные оболочки Hi, некоторые из которых имеют радиусы более 1 кпк, причем во многих случаях скорости расширения ~ 20 км / сек (Heiles 1979). В некоторых случаях более крупные из этих оболочек, называемых супероболочками, были связаны с молодыми, горячими звездными ассоциациями (Heiles 1984). McCray & Kafatos (1987) показали, что большой вклад энергии от 10 до 100 · 1051 эрг, необходимый для создания такого суперпузыря, может быть обеспечен звездными ветрами и SN-активностью в молодой звездной ассоциации.
Детальный анализ NPS и Loop I был выполнен Egger (1993) и Egger и Aschenbach (1994) в основном на основе ROSAT-анализа мягкого рентгеновского неба. Принимая во внимание данные наблюдений от расширяющейся оболочки Hi окружающей Loop I и эволюцию ассоциации Sco-Cen OB, было показано, что Loop I можно последовательно моделировать как суперпузырь радиуса Rs ~ 160 пс с центром около центра масс ассоциации Sco-Cen OB. Пузырь был сформирован звездными ветрами и SNe из ассоциации при средней скорости ввода энергии ~ 7 · 1037 эрг/с. Плотная нейтральная оболочка образовалась при заключительном ударе пузырька, расширяющегося со скоростью Vs ~ 20 км/сек в окружающую среду с плотностью n0 ~ 0,6 см-3. Горячая внутренняя часть пузырька имеет среднюю температуру 4,6 × 106 К и среднюю плотность частиц n = 2,5 · 10-3 см-3. Этот суперпузырь все еще находится в активном состоянии по сравнению с большинством других пузырьков, из которых были обнаружены только остатки HI. Ударная волна самой последней из SNe в ассоциации Sco-Cen, приблизительно 2 · 105 лет назад, нагревала внутренние стенки оболочки до температур 3-4 x 106 К, что привело к появлению огромной выпуклой рентгеновской особенности в NPS. В частности, локальный характер этого объекта был подтвержден низким межзвездным поглощением, наблюдаемым в направлении NPS.
Происхождение LHB обсуждается спорно (недавно пересмотренный Харквистом 1994). Две основные модели предлагают: либо остатки от одной SN в настоящее время в радиационной стадии эволюции, либо остатки супероболочки от звездной ассоциации, давно исчезнувшей. Хотя форма этой полости не совсем ясна, средний радиус составляет ~ 100 пк.
В заключение мы имеем два межзвездных пузырька, Loop I и LHB, для которых расстояние от центра до центра значительно меньше, чем сумма средних радиусов. В этой геометрии очень вероятно, что два пузырька уже претерпели некоторое взаимодействие.
Взаимодействие двух сферических ударных волн, связанных с расширяющимися пузырьками плазмы, обрабатывалось численно различными группами, например Yoshioka & Ikeuchi (1990). Они показывают, что, если хотя бы один из пузырьков уже достиг радиационной стадии эволюции до столкновения, эти две внутренности не сольются, ибо между пузырьками образуется плотная стенка. В таком не сливающемся случае в кольцевой зоне взаимодействия образуется кольцо плотной нейтральной материи. Плотность холодного кольца в 20-30 раз выше, чем у окружающей среды (см. Рисунок 2). Хотя параметры симуляций Yoshioka & Ikeuchi не таковы, чтобы прикрыть существующую проблему, их результаты поучительны. Очень плотное кольцо взаимодействия - результат, который последовательно встречается в численных исследованиях и других групп (например, Rozyczka Het al., 1984).
Рис. 2. Взаимодействие двух горячих межзвездных пузырьков (контуры изо-плотности): а) более старый пузырь (низ) уже образовал плотную оболочку в момент столкновения; б) оба пузырька имеют плотные оболочки. В зоне взаимодействия образовались стена и плотная кольцевая зона (от Yoshioka к Ikeuchi 1990).
Особенность HI.
Если между супероболочкой петли I и LHB сформировано кольцо взаимодействия, оно должно быть видимо на картах галактического распределения Hi. На рисунке 3 показана карта Hi, соответствующая рис. 1 (данные Дики к Lockman 1990). Чтобы корректировать вклад от галактического диска, плотности столбцов в каждом направлении были умножены на sin| bii | для этого представления. Таким образом, полное галактическое распределение газа аппроксимируется бесконечным плоскопараллельным слоем, а локальные структуры проявляются как отклонения от этого распределения. Плотная нейтральная оболочка хорошо видна в виде двух дуг, окружающих верхнюю половину радиопетли I (сплошная белая линия на рисунке 3). Эта оболочка идентифицируется с супероболочкой Sco-Cen. Если следовать пунктирным линиям на рисунке 3, мы увидим дорожку (полосу) HI приблизительно эллиптической формы в пределах видимой границы оболочки Loop I HI. Хотя она, по-видимому, деформирована и прервана, эта кольцевая структура, скорее всего, связана с газом, сжатым в зоне взаимодействия между петлёй I и LHB.
Хорошей пробой для трехмерного распределения нейтрального газа в нашем районе являются исследования линии поглощения звезд на известных расстояниях. Такие измерения были выполнены, например Коперником, IUE и EUVE (составлено Fruscione и др. 1994). На рисунке 4 мы построили плотности столбцов Hi (NH) всех звезд из этой компиляции, которые лежат в направлении взаимодействующего кольца, вопреки их расстояниям. Мы находим, что NH перескакивает от ≤ 1020 см-2 до ≥ 7 x 1020 см-2 вблизи расстояния около 70 пс (см. Рис. 4). Это очень убедительное доказательство того, что наблюдаемое кольцо Hi находится между LHB и Loop I.
Рис. 3. Карта значений NH, умноженная на sin| bii | (С цветовой кодировкой). Скорпион Sco-Cen содержит радиопетлю I (сплошной круг). Пунктирные линии отмечают кольцевую особенность HI в области взаимодействия Loop I и Local Hot Bubble.
Рис. 4. Плотности столбцов HI в направлении звезд в направлении кольца взаимодействия. NH поднимается до ~ 7 x 1020 см-2 вблизи расстояния около 70 пк.
Кажущаяся ширина кольца взаимодействия составляет около 12°. Предполагая, что кольцо имеет приблизительно тороидальную форму, луч зрения через кольцо имеет примерно такую же длину. При плотности столбца 7 · 1020 см-2 плотность частиц в кольце составляет n ~ 15 см-3, что в 25 раз превышает плотность окружающей среды (n0 ~ 0,6 см-3). Это хорошо согласуется с предсказанием для коэффициента сжатия (20-30) из модельных расчетов Йошиока к Икеучи. Поэтому мы заключаем, что кольцо Hi, обнаруженное в направлении Loop I, должно быть идентифицировано с зоной взаимодействия между Loop I и LHB. Вся картина далее подтверждается результатами оптического и УФ-спектрального анализа звезд вблизи центра Loop I (Centurion & Vladilo 1991). Там были найдены доказательства наличия нейтральной газовой стенки NH ~ 1020 см-2 на расстоянии 40+/-25 пк. Неправильная и частично прерывистая форма кольца, вероятно, связана с отклонениями от сферичности LHB, оболочки Loop I или тем и другим. Эллиптичность кольца и смещение его центра от кажущегося центра петли I могут указывать на то, что Солнце несколько смещено от центра LHB. Возможное пространственное расположение набросано как разрез, перпендикулярный к плоскости Галактики на рисунке 5.
Рис. 5. Схематический вертикальный разрез (нормальный к плоскости Галактики) через область взаимодействия Loop I и LHB.
Рентгеновский облик Loop I.
Сравнивая контуры кольца взаимодействия HI (штриховые линии на рисунке 3) с рентгеновскими картами ROSAT (зеленые линии на рисунке 1), мы обнаруживаем четкую антикорреляцию между яркостью рентгеновского излучения и NH. Наличие теней в низкоэнергетическом диапазоне (рис. 1, а) легко объясняется тем, что нейтральный газ с плотностью столбца 7 × 1020 см-2 непрозрачен для излучения в полосе 1/4 кэВ. Таким образом, любое излучение из-за кольца будет полностью поглощено. Однако поглощение не может быть единственной причиной отсутствия рентгеновского излучения высокой энергии в области кольца HI, поскольку рентгеновская «оптическая» глубина при этих энергиях намного меньше единицы. Должно быть истинное отсутствие рентгеновского излучения в области кольца взаимодействия.
Общий вид Loop I в рентгеновских лучах довольно циркулярный (круговой), но далек от полной оболочки. Вместо этого он имеет несколько прерываний и западная часть (галактики), кажется, отсутствует полностью, что может быть связано с нецентральным взрывом самого последнего SN в суперпузыре Sco-Cen. Такая асимметрия не является маловероятной, так как ассоциация уже достаточно развита, и многие из звезд уже отошли относительно далеко от места их рождения (Bertiau 1958). При этом условии ударный фронт SN поразил те части супероболочки, которые ближе к центру взрыва, раньше, чем дальней части. Более того, петля I в виде супероблочки, скорее всего, будет деформирована, т. е. согнута внутрь при столкновении с LHB. Таким образом, ударный фронт, возможно, впервые попал в плотный нейтральный газ зоны взаимодействия. Из-за замедления в этих плотных областях удар, вероятно, быстро остыл до температур ниже 105 К, так что рентгеновское излучение не выходит из направления взаимодействующего кольца.
Выводы.
Мы представили наблюдательные свидетельства непрерывного взаимодействия между сферическими ударными волнами, связанными с двумя горячими межзвездными пузырьками: локальным горячим пузырем и суперпузырем Петли I. Наблюдения качественно и количественно согласуются с теоретическими предсказаниями гидродинамического моделирования столкновений между расширяющимися сферическими ударными волнами по Yoshioka & Ikeuchi (1990). В частности, плотное кольцо нейтральной материи, предсказанное для образования в области взаимодействия, было обнаружено по его HI эмиссии, его поглощению мягкого рентгеновского излучения и УФ-излучения звезд, а также отсутствием рентгеновского излучения из соответствующей области SNR NPS. Мы ожидаем обнаружить дополнительные взаимодействующие пузырьки при анализе данных осследования ROSAT на всю его глубину.