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.