Эволюция центральных областей галактик

О.К. Сильченко, доктор физико-математических наук, ГАИШ, МГУ им. М.В. Ломоносова

Представления о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20 лет. До этого считали, что на заре формирования звезд во Вселенной подавляющее большинство галактик приобрело достаточно «законченный» вид, а потом начало «эволюционировать». При этом под эволюцией подразумевалось рождение звезд и их старение, но никак не заметные изменения формы галактик. Исключение составляют сильно взаимодействующие соседние объекты, в которых могут разрушаться звездные диски и появляться новые структуры (приливные хвосты, мосты и рукава). Но сильно взаимодействующих галактик рядом с нами немного. А «нормальные» галактики, как правило, производят впечатление динамически устойчивых объектов, мало изменившихся за последние 10 млрд. лет. Грубо говоря, галактике суждено быть спиральной, если она таковой родилась в силу определенных начальных условий, и задача ученых – понять, с какими физическими параметрами связана её «судьба». И хотя до сих пор разделяют понятия «образование галактик» и «эволюция галактик», в последние годы грань между ними постепенно стирается. Скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на протяжении всей своей жизни. Почему же так сильно изменилась парадигма?

Иерархическая концепция

Похоже, виноваты теоретики-космологи. Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали видимое население Вселенной – галактики, – космологи пришли, в основном из теоретических соображений, к выводу, что всю гравитацию и, следовательно, динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя. Раз она холодная и бесстолкновительная, у нее только один путь эволюции – «кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие и так далее. А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего 10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться, сливаться, сливаться... Звезды образуются «попутно», в процессе слияний структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая концепция формирования галактик.

Ранние работы космологов по формированию морфологической последовательности типов галактик, появившиеся лет 10 назад, в достаточно категоричной форме утверждали: первыми родились маленькие дисковые (спиральные) галактики, а гигантские эллиптические, по иерархии – последние в цепочке, образовались не более 5 млрд. лет назад, и все как одна – слиянием (большим мержингом) спиральных галактик. Ограничения по массе галактик, установленные еще в рамках стандартной космологической модели выглядели весьма жестко: до красных смещений z = 3 (в первый миллиард лет жизни Вселенной) могли образовываться галактики массой не более 108 М¤, до z = 1 (в первые 6 млрд.. лет жизни Вселенной) не более 1010 М¤, все, что массивнее, образовалось после z = 1. С тех пор спохватившиеся наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов – 8 м VLT и SUBARU (Земля и Вселенная, 2004, № 2) – нашли довольно много массивных галактик, с массой звездного вещества больше 1011 М¤ (при z > 1.5). Оказалось, что население гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных окрестностях, уже было полностью на месте ~ 8 млрд. лет назад (z = 1), и космологи стали менее категоричны. Однако сама иерархическая концепция формирования галактик продолжает господствовать.

Центральным элементом иерархической концепции является слияние. Различают, во-первых, бездиссипативный мержинг – слияние галактик, состоящих только из звезд, происходит без уменьшения общей энергии системы. Во-вторых, диссипативный мержинг, происходит в присутствии газа, который высвобождает энергию. При этом в областях с газом возникают ударные волны и вспышки звездообразования. Хотя слияние двух тонких звездных дисков всегда приводит к их разрушению, однако степень этого разрушения зависит от соотношения масс сливающихся объектов. Тут тоже есть своя классификация. При большом (major) мержинге массы сливающихся объектов близки, а при малом (minor) мержинге сильно различаются (не менее чем 1:5).

Отметим еще один важный момент: между слияниями, особенно в поздние эпохи, проходит иногда до нескольких миллиардов лет. Все это время галактика не дремлет, а продолжает эволюционировать под действием неустойчивостей, как порождаемых извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и внутренних, присущих даже совершенно изолированным галактикам. Эта «спокойная» эволюция получила название секулярной; хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма существенным изменениям структуры.

Рассмотрим подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние – гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков, как звездных, так и газовых; внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже гравитационные), большие и малые слияния.

Эволюция изолированного диска

Тонкий, звездный галактический диск без газа неустойчив относительно неосесимметричных возмущений. Это означает, что через несколько оборотов вращения, за характерное время порядка миллиарда лет, в изначально осесимметричном диске появится бар – звездное уплотнение, вытянутое вдоль радиуса. Дальнейшая эволюция этого уплотнения будет происходить уже в направлении, перпендикулярном плоскости диска: звезды бара, продолжая вращение в диске, будут, кроме того, раскачиваться вверх-вниз, и вскоре толщина центральной области диска значительно увеличится по сравнению с толщиной во внешних областях. Так, в процессе секулярной эволюции даже «чисто» звездного диска, галактика может «нарастить» балдж (центральная сфероидальная структура в галактике) и передвинуться по морфологической классификации из совсем поздних типов в более ранние. А если кроме звезд в диске есть еще и газ? Тогда картина эволюции меняется радикальным образом. Газ, составляющий обычно не более десятка процентов от суммарной массы звезд, подчиняется гравитационному воздействию звезд и тоже концентрируется к бару. Но поскольку, в отличие от звезд, газ диссипативен, его облака могут неупруго сталкиваться. В баре газовые облака прерывают свое регулярное вращение по замкнутым галактоцентрическим орбитам, в ударных волнах теряют энергию, отдают свой момент вращения звездам и устремляются прямо к центру галактики. Численное моделирование показывает, что за характерное время порядка миллиарда лет б?льшая часть газа динамически эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его центре, в пределах радиуса около 1 кпк. Но поскольку при этом возникают большие плотности, в данной области должно начаться звездообразование.

Рис. 1 – Эволюция изолированного звездного диска: а) изолированный тонкий звездный диск с изначально осесимметричным распределением плотности звезд (вид сверху). Ось симметрии проходит через центр перпендикулярно плоскости рисунка; б) диск с баром, развившимся через время, равное нескольким периодам вращения галактики: осевая симметрия распределения плотности звезд нарушена. Рисунки по модельным расчетам А.В. Хоперского.

Так выглядит секулярная эволюция изолированного диска в численных моделях, рассчитанных современными астрономами Д. Фридли и В. Бенцем (1993, 1995). В этих же моделях отмечается еще одна любопытная особенность: центра галактики газ может достигнуть, только если он изначально вращался так же, как и звезды. А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру галактики, он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное кольцо. Оно может долго вращаться, не падая на центр, и тогда вспышки звездообразования не будет.

Эволюция изолированного диска

Что происходит со структурой дисковых галактик, если они близко встречаются с другими галактиками, продемонстрировали американские ученые А.Тумре и Ю.Тумре еще в 1972 г. Даже самый грубый численный эксперимент хорошо воспроизводит внешние приливные структуры – «мосты», «хвосты» и протяженные спиральные рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики, вовлеченной во взаимодействие. Позже, когда численные эксперименты стали более рафинированными (детальными), как, например, у японского астронома М. Ногучи в 1987 г., выяснилось, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. А дальше – все по сценарию, описанному выше для изолированных дисков. В конце концов весь газ упадет в центр, и возможна мощная вспышка звездообразования.

Большие слияния

Численные эксперименты, описывающие слияния двух дисковых галактик, с энтузиазмом проводились последние 10 лет, поскольку такие явления – чуть ли не центральный эпизод иерархической картины эволюции галактик. Если предоставить газовому протогалактическому облаку эволюционировать в одиночестве, из него может образоваться только дисковая галактика: некуда девать лишний момент вращения газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 70-е гг. И чтобы «образовать» практически не вращающуюся сфероидальную эллиптическую галактику, придумали единственный возможный путь – слияние двух изначально некопланарных (плоскости не совпадают) звездных дисков. Тогда в численных экспериментах действительно получается сфероидальное звездное тело с профилем поверхностной яркости, который наблюдается в реальных эллиптических галактиках. Но куда денется газ, который изначально должен быть в дисковых галактиках, «решивших» слиться? Вы, наверно, уже догадались. При столкновении дисков он теряет энергию в ударных волнах, отдает момент звездам и падает в центр вновь сформировавшейся эллиптической галактики, где его ожидает вспышка звездообразования.

Малые слияния

При малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика – спутник с массой, например, 10% от массы «хозяйской» галактики. Расчеты показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска, спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую момента, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к центру. В течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник приносит в центр? Большую часть своих звезд и газ, если изначально он у него был. Если же изначально у него газа не было, все равно во время движения он сильно возмутил газовый диск хозяйской галактики, усилилась турбулентность, и, следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.

Вы уже заметили? Все важные события в жизни галактик кончаются одним и тем же: механизмы секулярной эволюции приводят к концентрации газа в центре галактики и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования там. Причем газ, из-за своей вязкой природы, как правило, представляет собой подсистему с малыми (относительно скорости упорядоченного вращения) хаотическими скоростями облаков и геометрией тонкого диска. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды, скорее всего, также распределятся компактным околоядерным звездным диском. И если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной эволюции, разумнее всего поискать в центрах галактик компактные звездные диски, отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо проэволюционировавшего вещества. Там, кроме всего прочего, еще и самое яркое место в галактике, поэтому легче наблюдать. Первые впечатляющие открытия околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках, там, где их найти никто не ожидал.

Диски в эллиптических галактиках

Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может иметь отношение видимых осей от 1 : 1 до 1 : 3. Вращается большинство эллиптических галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками), они являются динамически горячими системами, то есть у их звезд хаотические движения («дисперсия скоростей») преобладают над регулярным вращением. Однако, когда с появлением чувствительных ПЗС-приемников точность измерений потоков повысилась до 1% (и лучше!), а динамический диапазон позволил наблюдать самые центральные области галактик, обнаружились любопытные вещи.

Рис. 2 – Линии равной поверхностной яркости (изофоты), построенные для изображения эллиптической галактики NGC 821, полученного КТХ. Видны избытки «носики» на изофотах вблизи их большой оси.

В 1988 г. сделаны два громких открытия: во-первых, в некоторых эллиптических галактиках были обнаружены кинематически выделенные ядра, которые вращались значительно быстрее, чем вся галактика, и часто вокруг совсем по-другому ориентированной в пространстве оси вращения; во-вторых, в подавляющем большинстве эллиптических галактик умеренной светимости были зафиксированы «дискообразные» изофоты. В первом приближении изофоты распределения поверхностной яркости в эллиптических галактиках выглядят как правильные эллипсы. Однако можно заметить малые отклонения изофот от этой формы. Если вдоль большой оси эллипсов с двух сторон торчат наружу «носики», это называется дискообразными изофотами. Такой эффект получится, если внутрь правильного звездного эллипсоида вложить маленький сильно наклоненный к нашему лучу зрения диск. Итак, если у большинства эллиптических галактик умеренной светимости изофоты дискообразные, является ли это доказательством того, что у всех у них в центре есть маленькие звездные диски? Не совсем! Немецкие астрономы Т. Нааб, А. Буркерт и американец Л. Хернквист (1999) построили численную модель большого слияния двух дисковых галактик без газа, в которой получается эллиптическая галактика. Затем получившуюся галактику спроецировали в 50 случайных вариантах пространственной ориентации на картинную плоскость, чтобы сравнить с наблюдениями. Их интересовало, какие изофоты будут у продукта слияния? Оказалось, если массы двух слившихся галактик были изначально неравными, например соотносились как 1 : 3, то в некоторых ориентациях у получившегося в результате звездного сфероида наблюдаются дискообразные изофоты, хотя нет никакого диска! Тогда авторы предположили, что яркие массивные эллиптические галактики образовались слиянием двух дисковых (соотношение масс 1 : 1), а менее массивные эллиптические галактики получились слиянием двух дисковых галактик, из которых одна в 3–4 раза меньше другой. Этим различием начальных условий они объясняли статистически разную форму изофот у ярких и слабых эллиптических галактик. Но уже в следующей работе Т. Нааб и А. Буркерт (2001) признались, что хотя распределение яркости объяснить без дисков можно, но нельзя объяснить наблюдаемую кинематику звезд в эллиптических галактиках. Все дело в тонких различиях формы распределения скоростей звезд на луче нашего зрения. В первом приближении оно похоже на распределение Гаусса: большинство звезд движется в данном месте со средней скоростью вращения, но всегда есть звезды более быстрые и более медленные – из-за наличия хаотической компоненты движения у звезд эллиптических галактик. Так, в модельном продукте слияния двух дисков, который внешне похож на эллиптическую галактику, оказалось чуть больше «быстрых» звезд, а в реальных галактиках по наблюдениям получается чуть больше «медленных» звезд. Причем это справедливо и для гигантских эллиптических галактик, у которых изофоты не дискообразные! В общем, как сказал на одной из конференций в 1999 г. классик исследования эллиптических галактик Д. Бёрстейн: «Внутри абсолютно всех эллиптических галактик есть маленькие диски».

Рис. 3 – Модельные изовелы (линии равных скоростей звезд) компактного звездного диска, погруженного внутрь динамически горячего звездного сфероида. Красный и синий цвет обозначают удаляющуюся и приближающуюся к нам в процессе вращения половинки галактики. Изовелы как бы стягиваются (схлопываются) к большой оси.

Рис. 4 – Поле скоростей звезд в эллиптической галактике NGC 821, показывающее вращение центра галактики, с наложенными на него центральными изофотами. Синяя половина – приближающаяся к нам часть галактики, а красная – удаляющаяся в процессе вращения. Видно, как область быстрого вращения концентрируется к большой оси – это околоядерный звездный диск.

Сейчас, пожалуй, самый лучший и наглядный способ искать внутренние диски в эллиптических галактиках – это двумерная спектроскопия, позволяющая получать двумерные поля скоростей звезд вместо популярных до сих пор спектральных разрезов галактики длинной щелью. На таких полях скоростей внутренние звездные диски видны буквально «глазом». Если внутренний диск достаточно хорошо наклонен к лучу зрения, то в модельной картине его быстрое вращение мы увидим вблизи большой оси изофот, а чуть дальше от большой оси вращение будет замедлено – динамически горячие сфероиды всегда вращаются медленнее, чем диски в том же гравитационом потенциале. Линии равных скоростей – изовелы – как бы «схлопываются» вблизи большой оси. Покажем на примере эллиптической галактики NGC 821, как они выглядят. Изофоты изображения, полученного на космическом телескопе им. Хаббла (КТХ), имеют явно дискообразную форму. Поле скоростей звезд, полученное на спектрографе интегрального поля САУРОН (Spectrographic Areal Unit for Research on Optical Nebulae – Спектральный панорамный прибор для исследования оптических туманностей) на 4-м телескопе Вильяма Гершеля на Канарских островах, демонстрирует компактный диск, видимый практически с ребра. Вблизи поля скоростей, соответствующие приближающейся к нам и удаляющейся от нас половинкам галактики. Дискообразные изофоты, и быстрое вращение можно заметить, только если внутренний диск сильно наклонен к нашему лучу зрения. В выборке из 48 близких галактик ранних типов, двумерные поля которых недавно опубликовала «Команда САУРОН», внутренние диски видны по кинематике (картам движения) более чем в половине всех объектов. Похоже, Д. Бёрстейн прав, и внутренние диски есть во всех эллиптических галактиках.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: казахстан реферат, какой ответ.





1  2 | Следующая страница реферата