Эволюция центральных областей галактик

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.

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.

Внутренние полярные кольца

Все механизмы секулярной эволюции галактик приводят к «стеканию» газа в центр галактики. А вот однозначно ли из этого следует центральная вспышка звездообразования? Д. Фридли и В. Бенц (1993) отвечают: нет, только если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды. А если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики. Откуда может взяться газ, вращающийся навстречу звездам? Самый распространенный ответ: из соседней галактики, у которой момент направлен в другую сторону по сравнению с галактикой, на которую натек газ (при аккреции момент вращения сохраняется). Опять же, поставка контрвращающегося газа возможна при малом слиянии, которые считаются «дежурным» моментом эволюции дисковых галактик, в том числе нашей собственной Галактики. Например, происхождение толстого звездного диска в нашей Галактике связывают с малым слиянием – поглощением спутника. Галактики с глобальными газовыми дисками, вращающимися противоположно звездам, известны в ближайших окрестностях нашей Местной Группы – например, красивая регулярная спиральная галактика NGC 4826, где весь газ дружно меняет направление вращения на расстоянии 1кпк от центра. Случись с NGC 4826 какая-нибудь встряска, внутренняя или внешняя, и из этого контрвращающегося газового диска тут же образуется внутреннее сильно наклоненное кольцо. В процессе поиска химически выделенных ядер в близких галактиках мы «просмотрели» методом двумерной спектроскопии пару десятков спиральных галактик, и в пяти из них обнаружили внутренние полярные кольца из ионизованного газа: в пределах нескольких сотен парсек от центра газ вращался в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения звезд. Это совершенно неожиданное открытие. Многие западные коллеги до сих пор еще не верят нашим результатам!

Рис. 6 – Спиральная галактика NGC 4826: по виду галактики никто не мог предположить, что внешний газ диска вращается навстречу звездам. Фото Дж. Глиссена (обсерватория Кит-Пик)

В принципе, большие полярные кольца, размером с саму галактику, были известны и раньше. Это галактики с полярными кольцами – очень редкий вид пекулярных объектов. Но мы обнаружили внутренние полярные кольца в обычных спиральных галактиках, в которых внешний газ вращается нормально, в плоскости симметрии галактики и вместе со звездами.

Три из этих пяти галактик расположены в весьма «разреженных» окрестностях и рядом с ними нет «никого, с кем можно было бы повзаимодействовать». Как у них могла образоваться система из вложенных друг в друга, взаимно перпендикулярных газовых дисков? Пока загадка. Занимаясь в последние годы статистикой параметров звездных населений в центрах линзовидных галактик, мы выделили подвыборку таких галактик с внутренними полярными газовыми кольцами. На первых порах нам помогли снимки КТХ: для многих близких галактик в архиве этого телескопа в свободном доступе лежат изображения центральных областей, снятые с уникальным пространственным разрешением.

Я отобрала те объекты, где видны пылевые кольца, перпендикулярные большой оси изофот распределения поверхностной яркости, – такие, например, как на известном снимке SB0-галактики NGC 2787. Пыль и газ обычно в галактиках тесно связаны. Мы предположили, что если есть пылевые полярные кольца, с большой вероятностью должны быть и газовые. И действительно, во всех 8 S0-галактиках, где КТХ «увидел» полярные пылевые полосы, мы с помощью двумерной спектроскопии на MPFS БТА заметили сильно наклонённое к основному диску кольцо ионизованного газа. Еще одну, девятую, S0-галактику с внутренним полярным кольцом, NGC 2732, мы нашли случайно (в архиве КТХ для нее снимка не оказалось). Как и для других S0-галактик, для подвыборки с внутренними полярными кольцами мы определили средний возраст звездного населения в ядрах – и он оказался больше 12 млрд. лет!

Рис. 7 – Центральная область близкой линзовидной галактики NGC 2787, снимок получен КТХ. Обратите внимание на красноватые внутренние полярные пылевые кольца.

Большинство линзовидных галактик с внутренними полярными кольцами расположено в центре групп галактик – в отличие, кстати, от спиральных галактик с теми же внутренними полярными кольцами. По всей выборке средний возраст ядер галактик в плотном окружении – 8 млрд. лет. А из 9 галактик с внутренними полярными кольцами 6 имеют возраст ядра больше 12 млрд. лет! Очевидно, там, где есть полярное кольцо, не было недавней вспышки звездообразования в ядре. По Д. Фридли и В. Бенцу, полярные газовые орбиты устойчивы, и полярный газ не достигает центра и не поставляет материала для звездообразования. Дающий большие возможности метод исследования галактик – двумерная спектроскопия – использован еще не до конца. Ведь мы искали практически «под фонарем» – в центрах галактик. А сколько новых явлений, проливающих свет на эволюцию галактик, мы обнаружили!

Очень удачно то, что все динамические процессы перестройки галактики приводят к концентрации газа в центре. Исследуя центральные области близких галактик, даже с помощью относительно скромных наблюдательных средств, которые пока еще доступны российским астрономам, мы можем восстановить полную эволюционную историю видимой материи во Вселенной и сказать, правы ли космологи, соорудившие такую красивую, но пока не вполне подтвержденную схему, как иерархическая концепция формирования галактик.

 

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.