Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Данный исследовательский проект связан с двумя научными проблемами. Первая из них - процесс образования звезд из диффузного межзвездного вещества, понимание которого является фундаментальной задачей астрофизики. Этот процесс вызывает пока много вопросов. Это относится в особенности к образованию массивных звезд. Такие звезды сильно влияют на окружающее вещество уже на ранних стадиях эволюции. Особый интерес с этой точки зрения представляют исследования возможных проявлений дисковой аккреции в этих областях. Существует ряд вопросов, связанных с влиянием внешних факторов, таких как расширение областей HII, на начало процесса звездообразования, с влиянием истечений из образующихся звезд на окружающую среду и с механизмами, вызывающими эти истечения. Для решения этих проблем необходимы дальнейшие наблюдательные и теоретические исследования. Среди многих вопросов, вызывающих интерес, мы концентрируемся на тех, которые требуют высокоточных измерений спектральных линий. Они связаны с точными измерениями частот и доплеровских сдвигов, тщательного исследования профилей линий, сверхтонкой структуры, измерений интенсивностей и т.д. Измерения скоростей и профилей линий позволяют, в частности, исследовать кинематику облака, которая может быть достаточно сложной. В холодных ядрах с низкой дисперсией скоростей одной из проблем может быть недостаточная точность существующих лабораторных частот многих молекулярных переходов. Это может препятствовать исследованию относительных движений различных компонент в источнике. Поэтому высокоточные лабораторные измерения частот переходов крайне важны. Такие измерения также необходимы для поиска возможных вариаций некоторых физических констант. Это вторая научная проблема, на которую направлен настоящий проект. Одна из задач проекта связана с детальными исследованиями пространственно-кинематической структуры областей звездообразования. Объекты для исследований в рамках этой задачи были выбраны на основании результатов наших прежних наблюдений и данных, взятых из литературы. В частности, были выбраны объекты, исследование которых в настоящее время представляется наиболее актуальным – такие, как диски вокруг молодых массивных (прото)звезд, высокоскоростные истечения вещества, волокна в областях звездообразования. За отчетный период был проведен анализ данных наблюдений нескольких объектов в большом комплексе звездообразования, ассоциирующемся с областями ионизованного водорода S254 – S258. Во-первых, это плотное ядро S255IR, которое содержит вращающийся сгусток, вероятно, диск вокруг молодой звезды S255 NIRS3, масса которой оценивается в 20 масс Солнца. В результате анализа данных наблюдений этого объекта на антенной решетке ALMA получены новые сведения о его структуре, кинематике и химическом составе. Во-первых, было найдено, что строение и кинематика этой области значительно сложнее, чем представлялось ранее. В ней наблюдаются не одно, а два биполярных истечения, источниками которых являются плотные сгустки SMA1 и SMA2. Диаграммы позиция-скорость для них демонстрируют вращение по закону близкому к кеплеровскому. Химический состав данной области оказался очень богатым. В наиболее массивном и горячем сгустке SMA1 зарегистрировано несколько десятков спектральных линий различных молекул. Одним из самых интересных результатов, полученных при анализе данных наблюдений S255IR, явилось открытие новой мазерной линии на частоте 349.1 ГГц, которая принадлежит молекуле метанола. Мазерное излучение, по-видимому, возникает в кольце на расстоянии нескольких сотен а.е. от звезды и может быть классифицировано, как мазер II класса. Оно может быть обусловлено начавшимся за несколько месяцев до этого всплеском ИК излучения, связанным с аккрецией вещества на протозвезду. Переменности на интервале в несколько месяцев не обнаружено. Открытие мазерного эффекта в данной линии важно для понимания механизма возбуждения мазеров на молекулах метанола. Линии этой серии могут стать важным средством диагностики физических условий в таких объектах. Второй объект в этом комплексе, который активно изучался нами, - это плотное ядро S255N. По всем признакам это ядро находится на более ранней стадии эволюции, чем S255IR. Прежние наблюдения показали, что оно имеет весьма сложную пространственно-кинематическую структуру и целью нашей работы было ее детальное изучение. В результате анализа данных наблюдений области S255N получены следующие результаты. Нами выделены пять фрагментов с разными скоростями. В то же время они не являются изолированными, наблюдается связь между ними. Обнаружен околозвездный тор, вращающийся вокруг сгустка S255N-SMA1, с внутренним и внешним радиусом R_in ≈ 8000 а.е., R_out ≈ 12000 а.е., соответственно. Профиль вращения характерен для кеплеровского закона движения. В комплексе звездообразования S254-S258 ранее было выявлено волокнообразное темное облако, процесс образования звезд в котором, вероятно, только начинается. Нами были проведены исследования этой области в линиях различных молекул. Анализ кинематики газа по данным наблюдений спектральных линий показывает, что в облаке, вероятно, происходит стекание вещества вдоль волокна к его центральной части. Ширина волокна намного превышает средние значения для межзвездных волокон. Волокно по всем признакам является гравитационно-неустойчивым. В нем выделено несколько плотных фрагментов, в которых, очевидно происходит процесс звездообразования. Для нескольких плотных межзвездных облаков в результате долговременных наблюдений были получены спектры излучения в линиях некоторых молекул с максимально большим на настоящий момент отношением сигнал/шум (до ~1000). Это позволило обнаружить слабую изрезанность профилей линий, которая может быть обусловлена мелкомасштабными неоднородностями в источниках. Получены оценки характеристик таких неоднородностей. По данным спектральных наблюдений изучены особенности химического состава некоторых областей звездообразования. Показано, что химический состав в разных частях облака W40 сильно различается и соответствует разным стадиям эволюции. На основании сравнения с результатами расчетов модели PDR сделан вывод о том, что химический состав восточной позиции, находящейся вблизи от массивной звезды, по-видимому, связан с воздействием ионизованного газа и УФ излучения на нейтральное вещество. В области лабораторной спектроскопии с целью повышения точности описания вращательного спектра изотопологов молекулы HC3N выполнен анализ результатов субдоплеровских измерений на основе провала Лэмба для молекул HCCC15N, H13CCCN, HC13CCN и HCC13N в диапазоне от 44 до 520 ГГц. Все исследования проводились при помощи спектрометра, разработанного в ИПФ РАН и имеющего характерную точность определения центра линий ~1 кГц. На частотах ниже 27 ГГц для трех нижних вращательных переходов измерения проводились в холодной струе на Фурье спектрометре университета им. Лейбница в Ганновере. Характерная точность низкочастотных измерений составляла ~0.2 кГц. Измеренные нами частоты для всех переходов в изотопологах HC3N более чем на порядок точнее в сравнении с данными из имеющихся каталогов. По наблюдениям линий метанола, частоты которых обладают разной зависимостью к отношению массы электрона к массе протона (me/mp), для двух выбранных позиций в темном облаке L1498 найден верхний предел на возможные изменения в отношении me/mp <6 × 10^−8 на уровне 3σ. В целях развития экспериментальной базы этих исследований, были выполнены работы по проектированию спектрального радиоастрономического приемного комплекса диапазона длин волн 3-4 мм. Были выработаны технические требования для приемного комплекса, проведена разработка программного обеспечения для оптимизации геометрии облучающего гофрированного рупора, разработка 3D моделей криостата для охлаждаемого приемника. Выполнены статический и модальный анализ конструкции криостата. С целью расширения частотного диапазона лабораторного субдоплеровского спектрометра на область частот 0.5 - 1 ТГц был изготовлен и успешно испытан блок питания лампы обратной волны соответствующего диапазона.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период в соответствии с планом были проведены наблюдения нескольких десятков областей звездообразования разного типа в различных молекулярных линиях. В частности, выполнен обзор темных молекулярных облаков, отобранных в ходе первого года работ по гранту, в линиях HC3N J=9–8, J=10–9 и J=11–10. В качестве основного критерия селекции объектов служила максимальная узость молекулярных линий. Кроме этого получена карта L1544 в линии C3H2-ortho на 85.3 ГГц. Для ряда источников измерены спектры в линиях молекул CCS, CH3OH, N2H+, C18O и 13CO. В частности, на основе полученных карт в трех различных переходах HC3N для темного молекулярного облака L1544 подтверждена структура в форме вращающего диска с сильным вымораживанием молекул в ядре источника. Похожее распределение найдено также в линии C3H2-ortho (21,2–10,1). Исходя из сравнения измеренных профилей линий HC3N и N2H+ найдено, что для всех протозвездных ядер доминирующим механизмом формирования ширины наблюдаемых линий является тепловое уширение. Исключение составляет L1544, в котором превалирует турбулентность и дифференциальное вращение, а также B335 в котором значительный вклад в ширину линий вносит гравитационное сжатие. Чтобы оценить возможные погрешности при планируемой деконволюции изображений, нами были получены детальные карты диаграммы направленности радиотелескопа в Онсала по мазерам SiO v=1 J=2–1 на 86.2 ГГц в диапазоне углов места от 20 до 83 градусов. Для получения данных о кинематике и физических характеристиках облака, связанного с областью образования массивных звезд S242, в марте 2018 года на 20-м телескопе обсерватории Онсала (Швеция) проведены одновременные наблюдения в линиях 13СO(1-0), C18O(1-0) и CS(2-1) (на частотах ~ 100 ГГц и ~ 98 ГГц, соответственно). Наши наблюдения, охватывавшие область размером ~20'x50', позволили получить карты волокна в вышеперечисленных молекулярных линиях. Обнаружен градиент скорости вдоль волокна. Наличие градиентов скоростей на концах волокна, где происходит активное звездообразование, говорит в пользу гипотезы о коллапсе, вызванном повышенным ускорением газа на концах волокна. Наблюдаются осцилляции скорости вдоль волокна, которые могут быть связаны с наличием отдельных сгустков. На этом же телескопе проведены наблюдения выборки областей образования массивных звезд (15 объектов) в линиях дейтерированных молекул DCN, DCO+, DNC, N2D+ с целью дальнейшего изучения эффекта обогащения дейтерием в таких областях. За отчетный период нами было подготовлено несколько заявок на наблюдения по тематике проекта на различных инструментах. Большая часть из них была одобрена соответствующими программными комитетами. В то же время продолжались обработка и анализ ранее полученных данных. Был выполнен анализ данных наших наблюдений S255IR на ALMA в 2017 году и сопоставление их с более ранними наблюдениями с целью поиска возможных вариаций излучения. Обнаружен двукратный рост плотности потока на волне 0.9 мм с 2010 по 2016 год с последующим уменьшением примерно на 40% в 2017 г. Примерно так же уменьшилась плотность потока в обнаруженной нами в 2016 г. мазерной линии метанола на частоте 349 ГГц. С учетом данных наблюдений в других диапазонах это событие является проявлением эпизода дисковой аккреции, что указывает на эффективность этого механизма при образовании массивных звезд. В результате анализа данных наблюдений протяженного волокна в комплексе звездообразования S254-S258 выделены нитевидные структуры, по которым окружающее вещество, вероятно, подтекает к массивному сгустку OSO2 в центре данного волокна. На основе анализа профилей линий СО и 13СО получены оценки скорости радиального течения (~ 1 км/с) и скорости аккреции вещества (~ 10^{-5} M_sun/год). В направлении мазерного источника W42 MME, который ассоциируется с редкой массивной протозвездой спектрального класса О, по данным VLA и SMA зарегистрировано излучение в целом ряде молекулярных линий. В крыльях линий СО и SO наблюдается биполярное истечение. Излучение в линиях CS и H2CO имеет вытянутую структуру, ориентированную перпендикулярно истечению, присутствует градиент скорости, что является признаками околозвездного диска. По линиям CH3CN была оценена кинетическая температура газа в направлении на W42MME, равная 150+/-28К. С помощью модели PDR Meudon проведены расчеты лучевых и относительных концентраций различных молекул в молекулярно-пылевом облаке для большого набора параметров. Показано, что с помощью этой модели можно воспроизвести значения лучевых и относительных концентраций молекул CS, N2H+ и NH3, наблюдаемых в плотном ядре в области W40, вблизи которого (на расстоянии >~0.25 пк) расположена массивная звезда класса O9V. Для определения физических параметров плотных звездообразующих ядер из данных наблюдений молекулярных линий нами был разработан алгоритм, основанный на вписывании модельных спектров, рассчитываемых в рамках сферически-симметричной 1D-модели, параметры которой являются функцией радиального расстояния, в наблюдаемые спектральные карты, одновременно варьируя несколько модельных параметров. Алгоритм позволяет провести анализ сходимости модели и связанности ее параметров, снизить количество параметров, используя метод главных компонент. В результате применения данного алгоритма массив из 9 физических параметров модели (плотность в центре, степенной индекс зависимости плотности от радиуса, относительная молекулярная концентрация, турбулентная и систематическая скорости и их степенные индексы, а также координаты центра) преобразуются в 7 принципиальных компонент, что позволяет на два порядка сократить время расчетов. В результате проведенных расчетов получены оценки физических параметров ряда источников. В области лабораторной спектроскопии были выполнены большие серии измерений на созданном в ИПФ РАН субдоплеровском спектрометре в широком диапазоне давлений при различной аттенюации ЛОВ. С целью уточнения частот переходов и констант сверхтонкого расщепления, а также оценки сдвигов сверхтонких компонент от давления и мощности излучения для молекул HNCO выполнены измерения с провалом Лэмба в широком диапазоне параметров как для основного, так и трех нижних колебательных состояний. Все частоты для различных вращательных переходов с квантовыми числами Ka=0,+/-1 измерены с точностью лучше 1 кГц. Для CH3CN в настоящее время выполнена большая серия измерений с провалом Лэмба в переходе J=6 – 5, K=0,..,5. Найдено, что сдвиги частот в зависимости от мощности ЛОВ достигают величин, превышающих 10 кГц, а также зависят и от давления. Данный эффект никогда ранее не учитывался при измерениях с провалом Лэмба. Продолжена разработка прототипа спектрального радиоастрономического приемника миллиметрового диапазона длин волн. Проведена доработка конструкции криостата для возможного использования в приемном тракте наряду с усилителями, СИС смесителей с разделением полос. Разработаны два варианта конструкции ортомодного разделителя поляризаций (ОМТ), предназначенные для работы в полосе 67-116 ГГц. Реализована точность измерений центров линий у лабораторного субдоплеровского спектрометра ~1 кГц в диапазоне 0.5 – 1 ТГц, что как минимум на порядок лучше в сравнении с результатами традиционной доплеровской спектроскопии.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период были проведены новые радиоастрономические наблюдения исследуемых объектов на различных инструментах. Проведен анализ ранее полученных и новых данных наблюдений. На 30-м радиотелескопе Института миллиметровой радиоастрономии на Пико Велета (Испания) выполнен обзор в диапазоне длин волн 0.85 мм мазеров метанола II класса, наиболее ярких в линии на частоте 6.7 ГГц. Цель заключалась в выяснении того, насколько часто встречается мазерное излучение в ранее обнаруженной нами новой мазерной линии метанола и в других линиях той же серии в подобных объектах. Яркого мазерного излучения не зафиксировано, однако в источнике G111.54+0.77 наблюдается дополнительная спектральная компонента в линиях данной серии, которая может представлять собой слабый мазер. Исследования мазерного эффекта в этой же серии линий в области S255IR было проведено нами также на Субмиллиметровой решетке (SubMillimeter Array - SMA). Найдено, что одна из линий метанола данной серии имеет признаки мазерного излучения. Ранее мазерный эффект в этой линии не наблюдался и не предсказывался. Продолжен анализ данных наблюдений области образования массивных звезд S255IR, полученных нами ранее на антенной решетке миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Биполярное истечение от SMA1 имеет большой угол раскрыва. Высокоскоростной молекулярный газ окружает узкий высококоллимированный ионизированный джет, наблюдаемый в ИК и в радиодиапазоне. На концах молекулярного истечения наблюдается сильное излучение в линии SiO(8-7), что указывает на наличие ударных фронтов. Относительное содержание SiO в этих областях повышено по крайней мере на 3 порядка по сравнению с типичными значениями для спокойного газа. Молекулярное истечение окружено плотными "стенками", наблюдаемыми в линиях C34S и CCH. В целом наблюдаемая картина соответствует модели формирования массивной звезды путем дисковой аккреции. Истечение от SMA2 изогнуто и состоит из цепочки сгустков. В "синем" крыле также наблюдается сильное излучение SiO. Ядро имеет признаки кеплеровского вращения вокруг центральной массы >~ 2 солнечных. Вероятно, здесь формируется двойная система. Завершен анализ данных наблюдений области редкой массивной протозвезды спектрального класса О W42-MME на антенных решетках SMA и VLA. Кроме того, проведены наблюдения этой области по нашей заявке при помощи наиболее совершенной на сегодняшний день Большой антенной решетки миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Результаты наблюдений демонстрируют наличие диска вокруг центральной протозвезды, масса которой оценивается в 19+/-4 масс Солнца, и биполярного молекулярного истечения. Эти факты также свидетельствуют в пользу механизма формирования этого объекта путем дисковой аккреции. С помощью 20-м радиотелескопа Онсала (Швеция) проведены спектральные наблюдения отдельных областей, находящихся на концах протяженного (~30 пк) волокна S242. В наблюдавшихся областях происходит активное звездообразование, о чем можно судить по наличию в них скоплений молодых звездных объектов и ИК источников. Получены оценки распространенностей молекул в ядрах, расположенных на разных концах волокна. Наблюдается значительное различие химического состава между ними, что может быть связано с разницей масс формирующихся звезд, а также с внешними факторами: сжатием газа под действием действием расширяющейся зоны HII. С помощью разработанного в рамках настоящего проекта алгоритма вписывания модельных спектральных карт в наблюдаемые, включающего в себя метод Главных Компонент и метод k-Ближайших Соседей, проведены оценки физических параметров нескольких ядер, связанных с областями звездообразования. Для оценки доверительных диапазонов физических параметров в отдельных облаках на основе ранее рассчитанных модельных множеств предложен метод проекций. Добавлена возможность проводить вписывание градиентным методом одновременно несколько линий. Проведен анализ данных наблюдений линии нейтрального атомарного водорода на волне 21 см в комплексе S254-S258 с высоким угловым разрешением на антенной решетке метрового диапазона длин волн GMRT. Определена лучевая концентрация атомарного водорода и изучено его распределение. В области лабораторной спектроскопии и её применения в астрофизике сделано следующее. Методом нелинейной спектроскопии, основанной на эффекте провала Лэмба, проведены лабораторные исследования спектров однократно дейтерированного метанола CH2DOH. Нам удалось примерно на два порядка повысить точность измерений частот переходов молекулы CH2DOH в сравнении с данными, опубликованными в JPL каталоге. Показано, что несмотря на указанную JPL каталоге точность ~1 кГц, полученную главным образом анализом данных J.C.Pearson, S.Yu and B.J.Drouin 2012 J.Mol.Scectr. 280, 119, реальная ошибка приведенных частот, полученных на основе традиционной доплеровской спектроскопии, примерно на 2 порядка хуже, а в отдельных случаях достигает ~1 МГц. По итогам сравнения доплеровских скоростей разных молекул в темных облаках L1498 и L1512 сделан вывод, что верхний предел на относительные вариации массы электрона к массе протона |Δµ/µ|<3·10-9. Данная величина на сегодня является наиболее точным верхним пределом для вариаций μ=me/mp в локальной межзвездной среде. В настоящее время на https://ipfran.ru/institute/structure/421678/spectra размещены результаты наших расчетов лабораторных частот, основанных как на наших собственных, так и на всех известных на момент соответствующих публикаций лабораторных измерений. Неопределенности этих частот в доплеровской шкале скоростей нередко составляют доли м/с. За отчетный период подготовлены основные элементы прототипа спектрального радиоастрономического приемника диапазона длин волн 3 мм, включая гетеродин, криостат гелиевого уровня температур и тракт ПЧ.