Химически выделенные ядра галактик

Если в центрах галактик ранних типов с большими балджами (S0 или Sa-Sb) есть компактные звездные структуры, возникшие во вторичной вспышке звездообразования, они должны быть видны не только по форме изофот или изовел. Активное звездообразование – это быстрая химическая эволюция, потому что химические элементы тяжелее азота рождают в основном массивные звезды, которые живут недолго и успевают отдать в межзвездную среду вновь произведенные тяжелые элементы еще до окончания вспышки звездообразования. Поэтому компактные околоядерные диски – продукты вторичных вспышек звездообразования – должны выделяться на фоне окружающих их старых звездных сфероидов более молодым возрастом звезд и повышенным содержанием в них металлов. Двумерная спектроскопия обеспечивает нас полной информацией от протяженного участка галактики, и следовательно, мы можем построить двумерные карты эквивалентной ширины (на самом деле, глубины) линий поглощения в спектре. Линии поглощения в интегральном спектре галактики порождаются более всего звездами, причем известно, какие линии какими именно звездами. Так, за линии поглощения водорода ответственны в основном звезды класса A – довольно массивные, порядка 2М¤, и возраст их не может быть больше 1–2 млрд. лет. Поэтому, грубо говоря, чем глубже линии водорода в интегральном спектре, тем больше относительно молодых звезд в галактике или в галактической структуре, спектр которой мы наблюдаем. Линии поглощения металлов (например, сильный триплет магния на длине волны 5175? или многочисленные линии железа) тем глубже, чем больше металличность звезд. Правда, есть один нюанс: в молодых массивных звездах линии металлов всегда слабые (эквивалентная ширина их мала), даже если металличность этих звезд велика. Здесь выручает совместный анализ линий металлов и линий водорода: если их сопоставить, то эффекты возраста и металличности можно разделить и определить одновременно оба параметра.

Рис. 5 – Карты эквивалентной ширины (глубины) линий поглощения, полученные для центра спиральной галактики NGC 3623: а) с Мультизрачковым спектрографом MPFS 6-м телескопа БТА. б) командой САУРОН. На средних и правых картах видны красные области – химически выделенное ядро: оно вытянуто в линиях магния и компактно в линиях железа. Изофотами показано распределение поверхностной яркости звезд.

Химически выделенные ядра в галактиках были открыты нами (Сильченко О.К., Афанасьев В.Л., Власюк В.В. Астрономический журнал, т. 69, с. 1121, 1992) при первых пробных наблюдениях со спектрографом интегрального поля MPFS (Multi-Pupil Fiber Spectrograph – Многозрачковый Волоконный Спектрограф) на 6-м телескопе БТА. В 1989 г. самый первый вариант этого спектрографа был закончен профессором В.Л. Афанасьевым. Прибор поместили в прямой фокус БТА и сняли 12 ярких галактик, выбранных почти наугад. И сразу в 7 из 12 галактик мы обнаружили химически выделенные ядра – эквивалентная ширина линии магния была большой в ядрах и скачком падала на 1–2 ангстрема буквально в «шаге» от ядра, на угловом расстоянии 2" - 3" от центра. Среди этих первых галактик с химически выделенными ядрами были одна эллиптическая, три линзовисных и три спиральные Sa – Sb. С тех пор я упорно продолжала искать химически выделенные ядра с помощью спектроскопии интегрального поля на 6-м телескопе; за эти годы сменилось три модификации спектрографа MPFS, и каждый следующий был чувствительнее и совершеннее предыдущего. В результате удалось обнаружить несколько десятков близких галактик с химически выделенными ядрами.

В настоящее время подошла к успешному завершению программа поиска выделенных ядер в близких линзовидных галактиках. Это самый ранний тип дисковых галактик; они имеют большие балджи и красный цвет. По цвету линзовидные галактики похожи на эллиптические, и всегда считалось, что они состоят исключительно из старых звезд, старше 10 млрд.. лет. На сегодня исследовано 56 объектов, выбранных из разных типов окружения – скоплений, групп и совсем разреженного «поля». Это позволило проверить известную гипотезу о том, что плотное окружение стимулирует по крайней мере внешний «запуск» секулярной эволюции. Сравнив свойства звездного населения, возраст и металличность, в ядрах и в их ближайшем окружении, в кольце между радиусами 3" и 7", по моим расчетам принадлежащем балджу, я обнаружила следующее: средний возраст ядер – 5 млрд. лет в галактиках поля и 8 млрд. лет в галактиках в плотном окружении, а средний возраст балджей – 9 и 14 млрд. лет. При этом средняя металличность ядер обычно в 2 – 3 раза выше, чем в непосредственно примыкающих к ним участках балджей. То есть в большой выборке близких линзовидных галактик обнаружены эволюционно выделенные ядра, образовавшиеся, очевидно, гораздо позже, чем балджи (во вторичной вспышке звездообразования). Разница в средних возрастах ядер в галактиках в плотном и в разреженном окружении может быть объяснена тем, что в плотном окружении ядерная вспышка звездообразования протекала более эффективно и закончилась в более короткие сроки, чем в ядрах изолированных галактик.

Заканчивая представление этого нового и любопытного феномена – химически выделенных ядер галактик, я хочу показать пример такого ядра, где видно все, чего мы можем ожидать от околоядерного звездного диска, образовавшегося внутри балджа дисковой галактики во вторичной вспышке звездообразования. В феврале 2000 г. мы с В.Л. Афанасьевым наблюдали спиральную галактику типа Sa NGC 3623 на MPFS БТА и построили карты эквивалентной ширины линий поглощения водорода, магния и железа для площадки 16"x15", которая покрывалась одной экспозицией MPFS. А в конце марта 2000 г. эта же галактика наблюдалась на Канарских островах со спектрографом САУРОН, у которого поле зрения побольше, чем у MPFS. По результатам наблюдений команды САУРОН удалось измерить все спектральные параметры на площадке 43"x43". Результаты замечательно согласуются: у галактики NGC 3623 химически выделенное ядро. В линии магния оно выглядит, как компактный диск, наклоненный с ребра, радиусом 6", вытянутый с севера на юг, а в линии железа – это компактное (неразрешенное) центральное сгущение. Значит, длительность вторичной вспышки звездообразования менялась вдоль радиуса околоядерного диска.

В галактике NGC 3623 мы видим полную картину последствий вторичной ядерной вспышки звездообразования, находящуюся в согласии с теоретическими предсказаниями моделей секулярной эволюции галактик.

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.