Nghiên cứu quá trình truyền bức xạ phổ quay vô tuyến trong môi trường khí quyển sao TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN BỨC XẠ PHỔ QUAY VƠ TUYẾN TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN SAO TRẦN NGỌC HƯNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đinh Văn Trung, Viện Vật lý PGS TS Phạm Hồng Minh, Viện Vật lý Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vào hồi …… giờ, ngày…….tháng…… năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Viện Vật lý MỞ ĐẦU Sự tồn xạ phân tử miền vô tuyến vũ trụ hội cho khám phá sâu tính chất động học vật lý nhiều vùng khí phân tử Các xạ maser có cường độ mạnh tính định hướng cao có khả phân giải vùng khơng gian đến kích thước mili giây góc Ngày nay, đài quan sát lớn VLA, VLBA ALMA đài quan sát đại giúp thu nhận tín hiệu cường độ yếu với độ phân giải cao Cùng với việc gia tăng liệu quan sát, công việc xử lý phân tích ngày phát triển Những thập niên gần đây, phát triển kỹ thuật tính tốn hỗ trợ lớn đến việc phân tích liệu thiên văn Các mơ hình số mơ xác hình ảnh quang học hay phổ vô tuyến thu nhận giúp hiểu rõ trình diễn vũ trụ Những tiên đốn từ mơ hình số hỗ trợ tốt cho việc phân tích số liệu quan sát Nghiên cứu luận án nằm xu phát triển ngành thiên văn học nói riêng kỹ thuật nói chung Hiện nay, trung tâm tính tốn hiệu cao xây dựng rộng khắp nước từ trường đại học đến viện nghiên cứu Các hệ tính tốn đủ khả để thực mô phức tạp môi trường thiên văn Nhận thấy hội đó, luận án tiến hành thực nghiên cứu xạ phổ quay phân tử thiên văn phương pháp số song song hóa để chạy siêu máy tính Mơ hình truyền xạ phân tử áp dụng để giải thích đặc trưng phổ maser tái tổ hợp Hnα vỏ MWC 349A Luận án đồng thời thực kết hợp mơ hình truyền xạ với mơ hình khí động lực học Sự kết hợp giúp giải thích đầy đủ cấu trúc phổ hình ảnh quan sát liệu thiên văn Với mơ khí động lực học, luận án sử dụng chương trình mã nguồn mở PLUTO để mơ hình hóa mơi trường khí quanh tiệm cận khổng lồ (AGB), hình thái học cấu trúc xoắn ốc nghiên cứu chi tiết Đặc biệt, truyền xạ qua khơng gian mơ khí động lực học giúp xây dựng lại hình ảnh phổ phân tử sử dụng để so sánh với liệu quan sát Luận án có bố cục theo bốn chương sau: + Chương 1: Giới thiệu tổng quan môi trường thiên văn sở lý thuyết nghiên cứu thiên văn vô tuyến Hai tảng lý thuyết quan trọng trình bày lý thuyết truyền xạ lý thuyết khí động lực học + Chương 2: Trình bày q trình mơ hình hóa truyền xạ vỏ khối cơng việc xây dựng chương trình mơ Đồng thời với truyền xạ, khí động lực học vỏ đơi mơ hình hóa thơng qua chương trình mã nguồn mở PLUTO + Chương 3: Mơ hình hóa truyền xạ phân tử mơi trường vỏ áp dụng vào nghiên cứu xạ maser Hnα vỏ MWC 349A + Chương 4: Mơ hình hóa khí động lực học vỏ đơi từ xét ảnh hưởng yếu tố quỹ đạo tới hình thái vỏ Kết hợp với mơ hình truyền xạ phổ quay phân tử để thu nhận hình ảnh so sánh với liệu quan sát Chương Tổng quan môi trường sao, truyền xạ thiên văn cấu trúc vỏ già 1.1 Sự hình thành phát triển Những ngơi hình thành từ tinh vân đám mây khí khổng lồ Một đám mây khí bụi giữ trạng thái cân khí tĩnh động khí cân với hấp dẫn nội Nếu đám mây khí đủ nặng cho áp suất khí khơng đủ để giữ cân với hấp dẫn trải qua q trình co sụp hấp dẫn Kết trình co sụp này, ngơi hình thành tạo cụm bên lõi đám mây khí 1.2 Quan sát vỏ Sự phát triển kỹ thuật quan sát thiên văn giúp quan sát cấu trúc nhiều vỏ Kính thiên văn khơng gian Hubble trở thành biểu tượng tiên phong khám phá vũ trụ chụp ảnh quang học Cùng với kính thiên văn quang học, nhiều đài thiên văn vô tuyến giới đóng góp lớn kho liệu quan sát Một số đài thiên văn tiếng cho nhiều khám phá đài ALMA với kết hợp 66 anten vô tuyến 1.3 Phổ nguyên tử phân tử môi trường vỏ 1.3.1 Phổ tái kết hợp hydrogen Khí hydro quanh ngơi giàu xạ UV bị ion hóa tạo mơi trường khí ion gọi vùng H II Quá trình ion hóa xảy đồng thời với q trình kết hợp proton điện tử tự do, gọi trình tái kết hợp Quá trình tái kết hợp phát xạ kèm xạ liên tục bound-free tạo nguyên tử H mức lượng cao Sự dịch chuyển từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp nguyên tử H vùng H II kèm theo phát xạ xạ tái kết hợp Các vạch tái kết hợp phát xạ từ dịch chuyển mức liền kề quan sát miền vô tuyến Dịch chuyển n ← n + tạo vạch Hnα dịch chuyển n ← n + tạo vạch Hnβ 1.3.2 Phổ quay phân tử Năng lượng chênh lệch hai mức quay liên tiếp xác định sau: (1.1) đó, J kí hiệu mức quay với J = 0, 1, 2, ; B0 số quay phân tử, m khối lượng rút gọn phân tử r0 bán kính liên kết hiệu dụng Chuyển mức mức quay kèm theo phát xạ photon tạo phổ quay phân tử 1.4 Quá trình phát xạ truyền xạ 1.4.1 Các khái niệm Một số khái niệm liên quan tới truyền xạ môi trường: cường độ xạ, hệ số phát xạ, hệ số suy giảm, hệ số Einstein, hàm nguồn 1.4.2 Kích thích vạch phổ phương trình cân thống kê Sự tương tác xạ phân tử trình hấp thụ phát xạ làm ảnh hưởng tới cường độ xạ phân bố mật độ mức lượng phân tử Trong trạng thái cân bằng, tỉ lệ bơm (pumping rate) vào mức lượng tỉ lệ mát (lossing rate) mức lượng Sự cân trạng thái phân tử hai mức mơ tả hệ phương trình thống kê: đó, P1 P2 tỉ lệ bơm vào từ mức khác tới mức liên quan tới q trình kích thích xảy môi trường; Γ1 Γ2 tỉ lệ mát mức mức mức khác; A21 B21 hệ số Einstein cho phát xạ tự phát phát xạ cưỡng bức; cường độ xạ trung bình Jν Các trình kích thích phân tử xảy vỏ sao: quang ion hóa, tái kết hợp, kích thích quang lọc lựa kích thích va chạm 1.5 Phương trình truyền xạ Phương trình truyền cho ta thấy thay đổi cường độ chùm sáng phụ thuộc vào tính chất quang học mơi trường truyền Xét chùm sáng truyền môi trường, cường độ sáng thay đổi sau: (1.3) Nghiệm tổng quát phương trình truyền là: (1.4) 1.5.1 Truyền xạ môi trường 1.5.1.1 Môi trường phát xạ nhiệt Khi ánh sáng vào môi trường dày quang học, τν(D) >> 1, bị hấp thụ hồn tồn Bức xạ từ mơi trường đến từ phát xạ tự phát Đóng góp phát xạ tự phát thể hàm nguồn môi trường: (1.5) đó, hν = Eul lượng photon phát xạ tự phát Hàm có dạng hàm Planck cho xạ vật đen tuyệt đối 1.5.1.2 Môi trường maser Nếu xạ truyền qua môi trường có τν(D) < cường độ khuếch đại Tương ứng, hệ số hấp thụ mơi trường có giá trị âm, αν < Những mơi trường có tính chất độ sâu quang học âm thỏa mãn điều kiện nghịch đảo mật độ Các trình nghịch đảo mật độ gọi q trình kích thích ngun tử phân tử mơi trường Phương trình truyền xạ mơi trường phân tử hai mức có dạng: đó, Js gọi cường độ bão hịa (1.6) Trong trường hợp Jν Js, cường độ tăng tuyến tính theo quãng đường truyền: (1.8) 1.5.2 Cơ chế mở rộng vạch phổ 1.5.2.1 Mở rộng tự nhiên Mở rộng vạch tự nhiên có nguyên nhân từ chất nội phân tử Mở rộng có dạng phổ Lorentz: (1.9) 1.5.2.2 Mở rộng va chạm Các phân tử môi trường mật độ cao thường xuyên xảy va chạm Phổ xạ mở rộng va chạm có dạng hàm Lorentz: 1.5.2.3 Mở rộng Doppler Chúng ta biết nguyên tử, phân tử ln chuyển động nhiệt khơng ngừng Do đó, tần số photon mà phát xạ hấp thụ hệ quy chiếu gắn với khác với tần số mà người quan sát thấy Mỗi phân tử tạo độ dịch chuyển Doppler gây hiệu ứng mở rộng vạch Nếu νo tần số photon hệ quy chiếu đứng yên (người quan sát) phân tử chuyển động với vận tốc v theo hướng quan sát "nhận thấy" photon có tần số là: Sau chuẩn hóa, hàm mở rộng Doppler mơ tả phân bố xác suất theo tần số có dạng: 1.5.2.4 Mở rộng hỗn hợp Doppler Lorentz Trong vùng khí mật độ lớn nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt va chạm nguyên nhân gây mở rộng phổ phát xạ Sự chồng chập hai loại mở rộng mô tả hàm phân bố Voigt: (1.13) Mở rộng Doppler chiếm ưu tần số xung quanh tần số trung tâm Trong đó, mở rộng tự nhiên ảnh hưởng lớn tới phổ vùng tần số hai biên Mở rộng Voigt tổng hợp hai loại mở rộng 1.5.3 Một số mơ hình truyền xạ thiên văn Để nghiên cứu xạ phân tử thiên văn, số chương trình tập trung giải số phương trình truyền xạ mơi trường khí phân tử, chương trình loại MORELI, LIME Một số chương trình khác mơ truyền xạ môi trường tán xạ HYPERION, TORUS, RADMC3D 1.6 Ảnh hưởng đồng hành lên cấu trúc vỏ 1.6.1 Mơ hình đơi Dưới tương tác lực hấp dẫn, hệ đôi chuyển động quỹ đạo Kepler Đĩa vật chất hình thành quanh hai ngơi với gió Phương trình Kepler hệ đơi viết dạng: M = E − e.sinE đó, e tâm sai quỹ đạo; M = Ωt dị thường trung(1.14) bình (mean anomaly) Ω vận tốc góc trung bình sao; E dị thường tâm sai (eccentric anomaly) 1.6.2 Hệ phương trình Euler Động lực học khí vỏ mơ tả hệ phương trình Euler sau: (1.15) Ảnh hưởng hấp dẫn đồng hành thể qua số hạng nguồn S(U) Chương Mô truyền xạ khí động lực học 2.1 Phương pháp số giải toán truyền xạ 2.1.1 Xây dựng lưới Lưới mức có số lưới 643 bao trùm tồn vùng tính tốn, lưới thơ với kích thước lưới lớn Lưới mức có số lưới tương tự mức 1, nhiên kích thước chiều tính tốn giảm nửa kích thước chiều mức 1, tương ứng độ phân giải tăng gấp đơi Tồn vùng không gian lưới mức nằm bên không gian lưới mức Tương tự, xây dựng tới lưới mức N với khơng gian tính tốn nằm hồn tồn khơng gian lưới mức N-1 2.1.2 Thuật toán "theo vết tia" (ray tracing) Thuật toán "theo vết tia" cho xác định chuỗi ô lưới liên tiếp mà tia sáng qua đồng thời tính quãng đường ô lưới 2.1.3 Tạo phương truyền đẳng hướng Để tạo chùm sáng tới điểm phân bố theo hướng không gian, sử dụng thuật toán tạo tam giác Delaunay mặt cầu đơn vị Đây tam giác có diện tích đường trịn ngoại tiếp tam giác khơng chứa đỉnh lại tam giác liền kề 2.1.4 Giải hệ phương trình cân thống kê Nghiệm số hệ phương trình cân thống kê tìm phương pháp Newton-Raphson Quá trình lặp thực nghiệm hội tụ với tham số sai số tùy chọn Sự hội tụ nghiệm chứng tỏ hệ đạt trạng thái cân thống kê 2.2 Mơ hình khí động lực học Mơi trường khí vỏ AGB có mật độ nhỏ nhiều bậc so với khí Trái Đất, xem mơi trường khí lý tưởng 2.2.1 Bài tốn Riemann Vấn đề mơ chuyển động khí tồn khơng gian trở thành tốn giải hệ phương trình Euler với điều kiện biên gián đoạn, gọi tốn Riemann Hình 3.1 Mơ hình vỏ MWC 349A 3.3.1 Gió ion hóa Các số liệu quan sát cho thấy gió xuất phát từ đĩa mỏng mặt phẳng xích đạo, đó, trường hợp tơi sử dụng cấu hình gió Kurosawa đồng nghiệp 3.3.2 Đĩa ion hóa Vùng đĩa ion hóa nằm hai mặt nón có chuyển động túy Kepler Vùng giả thiết hình thành lớp tiếp xúc gió ion hóa vùng đĩa trung hịa Theo quan sát đến nay, vạch tái tổ hợp Hα đóng góp vùng đĩa ion hóa 3.3.3 Mơ hình phát xạ tái kết hợp vùng H II Vỏ MWC 349A miền plasma nóng vùng H II phát xạ liên tục gọi xạ free-free, với xạ bound-free (một dạng xạ nhiệt) Bên cạnh đó, q trình kích thích diễn liên tục, vỏ tồn vùng nghịch đảo mật độ có xạ maser 3.3.4 Hàm mở rộng Voigt Mở rộng vạch vùng HII tổng hợp hai chế mở rộng vạch khác mở rộng Doppler (dạng Gauss) mở rộng Lorentz 3.3.5 Thừa số Gaunt Có hai chế tạo phổ liên tục: thứ nhất, proton điện tử tự tương tác với tách xa (tương tác free-free); thứ hai, sau tương tác, proton điện tử tái kết hợp thành nguyên tử H (tương tác boundfree) Đóng góp hai loại xạ đặc trưng thừa số Gaunt gff,ν, gbf,ν 11 3.3.6 Số liệu tính tốn hệ số tách LTE Cho đến nay, có hai số liệu sử dụng cho tính tốn xạ tái kết hợp: Walmsley Storey Hummer Số liệu sau cho kết phù hợp với thực nghiệm hơn, đó, luận án sử dụng số liệu cho việc áp dụng tính tốn xạ maser vỏ MWC 349A 3.3.7 Tính chất bão hịa maser Tính chất bão hịa yếu tố quan trọng để giải thích đặc trưng phổ quan sát Một maser trạng thái bão hịa có nghĩa xạ bắt đầu ảnh hưởng tới độ nghịch đảo mật độ Mơ hình luận án kết hợp giải phương trình truyền hệ phương trình thống kê, đó, có xét tới hiệu ứng bão hịa maser 3.4 Bức xạ maser tái kết hợp Hnα 3.4.1 Cường độ đỉnh phổ Mơ hình cho kết phổ maser H26α H30α gần với liệu quan sát (Hình 3.2) Trong trường hợp không xét tới hiệu ứng bão hòa, cường độ đỉnh maser H26α lớn bậc so với quan sát Hình 3.2 So sánh phổ maser H26α H30α quan sát (hình phải) mơ hình (hình trái): đường đứt nét cho trường hợp khơng xét hiệu ứng bão hịa; đường liền nét cho trường hợp xét đến hiệu ứng bão hòa 12 3.4.2 Phân bố cường độ phổ Các tính tốn từ mơ hình cho phép thu nhận hình ảnh phân bố cường độ maser khơng gian (Hình 3.3) Dựa vào cường độ phổ hình ảnh phân bố cường độ, thấy maser phát xạ từ kích thước bé (cỡ AU) đĩa ion hóa Hình 3.3 Phân bố cường độ maser H26α khơng gian 3.4.3 Ảnh hưởng gió ion hóa Để xét ảnh hưởng gió đến dạng phổ maser, luận án thực hai mơ hình gió ion hóa khác nhau: Mơ hình có mật độ điện tử gió gấp đơi Mơ hình Kết phổ thu Hình 3.4 Hình 3.4 Phổ maser H26α H30α hai mơ hình gió ion hóa: Mơ hình (đường liền nét) có mật độ điện tử gió gấp đơi Mơ hình (đường đứt nét) 13 Kết cho thấy, gió có tính chất hấp thụ miền phổ trung tâm, thể tính khuếch đại miền phổ vận tốc âm Tính chất hiểu rõ qua cấu hình vỏ MWC 349A 3.5 Bậc bão hòa maser Hnα MWC 349A Hình 3.5 mơ tả bậc bão hịa ba maser H26α, H27α H30α mặt cắt qua trục đối xứng hệ Kết cho thấy bậc bão hòa giảm dần theo n tăng phù hợp với tính tốn gần trước Hình 3.5 Bậc bão hịa mặt cắt qua trục đối xứng ba maser H26α, H27α H30α theo thứ tự từ trái qua phải 3.6 Kết luận Xây dựng thành cơng mơ hình truyền xạ không gian ba chiều áp dụng để nghiên cứu maser Hnα vỏ MWC 349A Mơ hình dự đoán phù hợp với thực nghiệm khoảng cách hai đỉnh phổ vạch maser từ đưa dự đốn khối lượng ngơi trung tâm 30 Ms (khối lượng Mặt Trời) Ngồi ra, mơ hình xem xét tác động gió ion hóa tới cấu trúc phổ phân bố cường độ xạ maser Các bất đối xứng với ảnh hưởng gió có giá trị tiên đốn khơng với MWC 349A mà áp dụng cho vỏ có cấu hình tương tự Xác định đặc trưng bão hịa maser tồn khơng gian quanh MWC 349A Các giá trị thu phù hợp với tiên đốn định tính trước Strelnitski đồng nghiệp 14 Chương Nghiên cứu cấu trúc vỏ AGB ảnh hưởng đồng hành 4.1 Mơ hình khí động học cho hệ đơi Vùng khơng gian tính tốn khối hộp với kích thước chiều 4800AU Chúng tơi sử dụng lưới phân mức 800 x 800 x 800 ô để đạt độ phân giải không gian 1.3 AU Hệ đơi bao gồm ngơi khối lượng 2.2 lần khối lượng Mặt Trời (Ms) đồng hành có khối lượng 0.8 Ms Tỉ lệ mát khối lượng ngơi 10−5 Ms.yr −1, tỉ lệ thường quan sát cho AGB CIT 6, AFGL 3068 hay CW Leo Chu kỳ quỹ đạo hệ đôi có giá trị khoảng 325 năm, tương ứng với khoảng cách trung bình hai ngơi 68 AU Vận tốc gió Vw đặt 15.7 km.s−1, gần với giá trị gió quan sát CIT (cỡ 18 km.s−1) hay CW Leo (cỡ 14 km.s−1) Vận tốc âm biên km.s−1 ứng với nhiệt độ cỡ 700 K 4.2 Khí đẳng nhiệt đoạn nhiệt Hình 4.1 kết mô hai trường hợp khí đẳng nhiệt đoạn nhiệt với hệ đơi có quỹ đạo trịn Cấu trúc xoắn ốc hai trường hợp có điểm khác sau: thứ nhất, cánh tay xoắn ốc trường hợp đẳng nhiệt lớn nhiều so với trường hợp đoạn nhiệt; thứ hai, độ tương phản mật độ xoắn ốc môi trường cao trường hợp đoạn nhiệt Sự khác liên quan tới tốc độ mở rộng mặt cấu trúc xoắn ốc Để xác định tốc độ này, khớp biên với xoắn ốc Archimedean Trong mơ hình chúng tơi, ngơi chuyển động quỹ đạo tròn xung quanh khối tâm với bán kính quỹ đạo rp = 18 AU vận tốc Vp = 1.7 km.s−1 Với mơ hình này, mơ hình thu tốc độ mở rộng mặt mặt cấu trúc xoắn ốc là: 14.6 km.s−1 19.4 km.s−1 trường hợp đẳng nhiệt; 15.0 km.s−1 16.5 km.s−1 trường hợp đoạn nhiệt Chúng ta thấy tốc độ biên hai trường hợp xắp xỉ nhau, nhiên tốc độ biên trường hợp đẳng nhiệt lớn trường hợp đoạn nhiệt 15 Hình 4.1 Cấu trúc xoắn ốc hai trạng thái khí khác nhau: đẳng nhiệt (hình trái) đoạn nhiệt (hình phải) 4.3 Quỹ đạo trịn quỹ đạo elip Phần so sánh cấu trúc vỏ hai trường hợp: quỹ đạo tròn quỹ đạo elip có tâm sai e = 0.5 Khí đoạn nhiệt áp dụng cho hai trường hợp Hình mô tả phân bố mật độ mặt phẳng quỹ đạo mặt phẳng chứa trục quay hệ Đối với quỹ đạo tròn, cấu trúc xoắn ốc khớp với cấu trúc xoắn Archimedean Phân bố mật độ mặt phẳng chứa trục quay cho thấy vân xoắn ốc mở rộng tới hai cực tạo cung xen kẽ Do ảnh hưởng đồng hành, mật độ khí tập trung chủ yếu xung quanh mặt phẳng quỹ đạo Những kết phù hợp với kết công bố trước Hình 4.2 Phân bố mật độ mặt phẳng quỹ đạo (hình trái) mặt phẳng vng góc (hình phải) quỹ đạo trịn 16 Hình 4.3 Phân bố mật độ mặt phẳng quỹ đạo (hình trái) mặt phẳng vng góc (hình phải) quỹ đạo elip e = 0.5 Chúng ta nhận thấy khác cấu trúc xoắn hai trường hợp quỹ đạo tròn elip Trong quỹ đạo elip, xoắn ốc trở nên bất đối xứng bị kéo dài theo bán trục quỹ đạo Ngồi ra, vùng bên xoắn ốc khơng cịn cung trơn quỹ đạo tròn mà bị phân nhánh có đoạn mở rộng Các tính chất hệ quỹ đạo elip AGB gây giải thích rõ phần truyền xạ qua vỏ Một điểm khác biệt xuất phân bố mật độ mặt phẳng chứa trục quay cung không xen kẽ mà nối lại với thành vòng nhẫn trường hợp quỹ đạo elip 4.4 Nhiệt độ cấu trúc xoắn Chúng khảo sát biến đổi nhiệt độ dọc theo hai hướng vuông góc X Y mặt phẳng quỹ đạo hệ đơi chuyển động trịn Nhiệt độ khí vùng bên cấu trúc xoắn giảm đơn điệu theo bán kính hai hướng Tuy nhiên, ngang qua xoắn ốc, khí bị nén lại biên biên ngồi, nhiệt độ khí tăng vọt Hình 4.4 mơ tả nhiệt độ vùng sốc tăng lên khoảng đến lần so với nhiệt độ ngồi vùng sốc Chúng tơi so sánh kết với phân tích từ nhiệt độ cấu trúc xoắn AFGL 3068 Từ ảnh thu xạ phân tử CO, tác giả nhiệt độ giảm bán kính tăng theo hàm r−0.83 Trong hình, đường nét đứt có hệ số góc -0.83 nằm gần với đường nhiệt độ Kết lần khẳng định giả thiết đoạn nhiệt đưa phù hợp với quan sát 17 Hình 4.4 Đường nhiệt độ khí theo bán kính vỏ thang logarit 4.5 Truyền xạ qua vỏ Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng mơ hình truyền xạ qua lớp vỏ phân tử HC3N (một phân tử dễ bị kích thích) với phân bố mật độ, nhiệt độ vận tốc khí kết mơ khí động học hệ đơi quỹ đạo elip để thu hình ảnh cấu trúc vỏ Các hình 4.5 4.6 hình ảnh kênh vận tốc khác góc nhìn 0o so với trục vng góc với mặt phẳng quỹ đạo trường hợp tâm sai 0.5 18 Hình 4.5 Phân bố cường độ kênh vận tốc khác nhìn vng góc xuống mặt phẳng quỹ đạo trường hợp chuyển động tròn 19 Hình 4.6 Phân bố cường độ kênh vận tốc khác nhìn vng góc xuống mặt phẳng quỹ đạo trường hợp chuyển động elip e = 0.5 Cấu trúc xoắn ốc nhìn thấy rõ kênh vận tốc nhỏ, đặc biệt rõ mảnh kênh km.s−1 phần lớn khí chuyển động mặt phẳng quỹ đạo Sự rẽ nhánh đường xoắn ốc thể rõ hình ảnh Có hiệu ứng quan trọng khác liên quan tới chuyển động hệ đôi thể rõ kết mô Như phân tích phần mơ hình khí động lực học, hình ảnh truyền xạ thể rõ phân nhánh cấu trúc xoắn ốc quỹ đạo elip Kết mô cho thấy quỹ đạo với tâm sai lớn 0.5 bắt đầu xuất rõ cấu trúc phân nhánh Để phân tích chi tiết cấu trúc phân nhánh đường xoắn ốc, vẽ lại phân bố cường độ xạ phân tử giản đồ bán kính - góc trường hợp quỹ đạo có tâm sai 0.6 (Hình 4.7) Khi góc nhìn 0o, cấu trúc xoắn bị rẽ nhánh (bifurcation) quanh tọa độ góc 2π Đặc điểm cấu trúc rẽ nhánh quan sát thấy 20 vạch phân tử 12CO J = − 1, 13CO J = − HC3N J = 24 − 23 vỏ AFGL 3068 Hình 4.8 Hình 4.7 Cấu trúc xoắn ốc nhìn góc khác (hình trái) phân bố giản đồ bán kính – góc (hình phải) trường hợp quỹ đạo elip e = 0.6 21 Hình 4.8 Cấu trúc xoắn ốc vỏ AFGL 3068 (hình trên) kết mô Kim đồng nghiệp (hình dưới) Hình 4.7 cho thấy góc nhìn tăng, đường xoắn ốc dần bị tách xung quanh vị trí xuất rẽ nhánh Độ dốc đường phân bố cường độ theo góc giảm dần ngang góc nhìn 90o, tương ứng hình ảnh truyền xạ đường gần giống hình trịn Xem xét góc 0o, đường bán kính - góc nhơ lên vị trí rẽ nhánh, pha góc vị trí trùng với vị trí hai gần quỹ đạo, gọi vị trí cực tiểu quỹ đạo Tính chất đường bán kính - góc giải thích qua hiệu ứng chuyển động AGB Khi AGB tiến gần tới vị trí cực tiểu, tăng tốc đến vận tốc lớn Do vận tốc khí tổng hai thành phần gồm vận tốc gió vận tốc quỹ đạo nên vận tốc khí mặt phẳng quỹ đạo tăng dần tới giá trị lớn Do chuyển động nhanh dần khí nên cấu trúc xoắn ốc bị kéo dài miền này, tương ứng đường bán kính - góc nhơ lên Khi qua vị trí cực tiểu, AGB bắt đầu giảm tốc, vận tốc khí kéo theo giảm Tuy nhiên, khí chuyển động nhanh trước tiếp tục chuyển động theo qn tính vượt ngồi vùng khí kéo theo tạo cấu trúc rẽ nhánh quan sát 22 4.6 Kết luận - Xây dựng thành cơng mơ hình khí động học hệ đôi với AGB mát khối lượng dựa chương trình mã nguồn mở PLUTO Mơ hình giải thích chế tạo cấu trúc xoắn ốc nhiều vỏ AGB - Kết mơ với hai mơ hình khí khác cho thấy: khí đoạn nhiệt cho kết phù hợp với quan sát khí đẳng nhiệt Cấu trúc xoắn ốc mơ hình khí đoạn nhiệt phù hợp với số liệu quan sát Luận án so sánh kết quỹ đạo tròn quỹ đạo elip với tâm sai 0.5 Các tượng cấu trúc rẽ nhánh mặt phẳng quỹ đạo hay tạo cung tròn mặt phẳng qua trục quay xuất quỹ đạo elip - Thực mô truyền xạ phân tử qua cấu trúc vỏ nhận từ mô khí động lực học Những hình ảnh từ mơ hình thể rõ cấu trúc xoắn ốc bị rẽ nhánh trường hợp quỹ đạo elip phù hợp với hình ảnh xạ phân tử AFGL 3068 Đây lần cấu trúc xoắn ốc thể trực tiếp qua mơ hình truyền xạ phân tử Kết cho phép so sánh cách xác mơ hình lý thuyết quan sát thực nghiệm 23 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu trình xạ phổ quay vơ tuyến mơi trường khí sao, luận án tập trung xây dựng mơ hình truyền xạ phân tử với mơ hình khí động lực học khí ngơi Tiệm cận khổng lồ (AGB) Sử dụng mơ hình số, luận án giải thích thành cơng tính chất đặc trưng maser vỏ MWC 349A hình thành vỏ cấu trúc xoắn ốc Cụ thể, kết đạt bao gồm nội dung sau: - Xây dựng thành cơng mơ hình truyền xạ phân tử miền vơ tuyến có xét đến tương tác xạ cưỡng mức lượng Mơ hình giải thích tốt cấu trúc phổ ba maser H26α, H27α H30α vỏ MWC 349A mà mơ hình trước cho kết khơng xác Sự ảnh hưởng gió ion hóa lên dạng phổ phân bố cường độ maser thể rõ qua phân tích Ngồi ra, mơ hình tính tốn khoảng cách đỉnh phổ phù hợp với khoảng giá trị từ số liệu quan sát đưa ước lượng khối lượng trung tâm 30 Ms - Với việc mơ hình hóa hệ đơi chương trình khí động lực học, luận án đạt số kết bước đầu nghiên cứu vỏ cấu trúc xoắn ốc So sánh kết từ hai trạng thái khí khác cho thấy khí đoạn nhiệt phù hợp với quan sát khí đẳng nhiệt Sự ảnh hưởng quỹ đạo tới cấu trúc xoắn ốc khảo sát quan trọng thực Kết phân bố mật độ cho thấy cấu trúc vỏ xoắn ốc trơn theo dạng xoắn ốc Archimede trường hợp quỹ đạo tròn Tuy nhiên, tâm sai quỹ đạo tăng, xoắn ốc bắt đầu bị phân nhánh pha góc trùng với vị trí gần hai Cấu trúc tương tự vỏ AFGL 3068 Kết hợp mơ hình truyền xạ khí động lực học cho hình ảnh vỏ qua xạ phổ quay phân tử Lần mơ hình cung cấp hình ảnh tiên đốn kênh vận tốc góc nhìn quỹ đạo khác 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Tran Ngoc Hung, Dinh Van Trung, Nguyen Thi Thanh Bao, Bui Van Hai, and Pham Dong Bang, Hydrodynamics simulations of circumstellar envelopes under the gravitational influence of a wide binary companion: Comparison between circular and elliptical orbits, Communications in Physics, Vol 29, No 3SI (2019), pp 433-440 Tran Ngoc Hung, Dinh Van Trung, Pham Dong Bang, and Nguyen Thi Thanh Bao, Molecular emissions from circumstellar envelopes in the presence of a binary companion, Communications in Physics, Vol 31, No (2021), pp.35-43 ... học mơi trường truyền Xét chùm sáng truyền môi trường, cường độ sáng thay đổi sau: (1.3) Nghiệm tổng quát phương trình truyền là: (1.4) 1.5.1 Truyền xạ môi trường 1.5.1.1 Môi trường phát xạ nhiệt... thiên văn, số chương trình tập trung giải số phương trình truyền xạ mơi trường khí phân tử, chương trình loại MORELI, LIME Một số chương trình khác mô truyền xạ môi trường tán xạ HYPERION, TORUS,... KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu trình xạ phổ quay vơ tuyến mơi trường khí sao, luận án tập trung xây dựng mơ hình truyền xạ phân tử với mơ hình khí động lực học khí ngơi Tiệm cận khổng lồ (AGB)