№2, 2007 г.
© Сильченко О.К.
Звездные ядра галактик О.К. Сильченко
Ольга Касьяновна Сильченко, д.ф.-м.н., зав. отд физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ им. М.В. Ломоносова.
Как устроены галактики? На примере близкой спиральной галактики M 81 (рис.1) хорошо видно, что у галактик выделяются две основные структурные компоненты - большие плоские звездные диски, богатые голубыми (молодыми) звездами, и большие звездные сфероиды в центре, отличающиеся красноватым цветом, - так называемые балджи. Мы будем говорить только о видимых компонентах, состоящих из звезд, газа - всего, что излучает; вопрос о гипотетических “темных” компонентах - темной материи, темной энергии, черных дырах - оставим другим авторам. Внутри балджей часто видны крошечные очень яркие компактные образования - звездные ядра. Что такое ядра, долгое время было не ясно. Может быть, это просто самая центральная точка балджа, а поскольку поверхностная яркость балджа растет к центру, нам и кажется, что ядро выделяется повышенной яркостью? Или это гигантское звездное скопление, подобное шаровым скоплениям гало нашей Галактики, которое в результате долгой динамической эволюции упало в центр галактики? И как образовалось ядро - вместе с балджем или позднее?
Рис.1. Близкая спиральная галактика M 81 - пример классической структуры галактик: диск, балдж и ядро.
Фото Р.Гендлера (R.Gendler)Чтобы ответить на все эти вопросы, нужно было исследовать свойства звездных ядер - их массы, вращение, их возраст и др. - а потом сравнить свойства ядер галактик со свойствами других звездных подсистем. В эпоху фотографической фотометрии галактик самую яркую их подсистему - ядра - как ни странно, изучать было невозможно: на снимках они получались всегда передержанными. По-настоящему исследованием звездных ядер галактик астрономы занялись только в последние 15 лет, когда появились приемники с зарядовой связью (ПЗС), способные одновременно измерять потоки света в большом динамическом диапазоне, и когда заработал в полную силу космический телескоп “Хаббл” (HST), позволивший фотометрировать галактики с пространственным разрешением на порядок выше, чем это возможно с Земли. С помощью HST удалось подобраться к самым центрам галактик и увидеть в деталях их структуру, а последующие спектральные наблюдения с Земли с помощью мощных спектрографов, оснащенных ПЗС, дали нам знание о динамических свойствах и характеристиках звездного населения ядер.
Все-таки диски!
Что будет, если дисковую галактику поместить в достаточно “пустой” кусок пространства и оставить в покое? Самое интересное, что она не будет долгое время оставаться такой, какой была изначально: динамическое моделирование показывает, что в тонком звездно-газовом диске довольно быстро начинают сами собой развиваться внутренние неустойчивости, которые приводят к глобальной перестройке структуры галактики. В первоначально круглом, осесимметричном диске появляются вытянутые структуры - “бары”, в гравитационном поле которых газовые облака сходят со своих первоначально круговых орбит вращения и начинают потихоньку “стекать” к центру галактики. Вблизи центра газ накапливается, уплотняется, и в нем “зажигаются” процессы звездообразования - из плотных сгустков газа начинают рождаться новые звезды. Со стороны это выглядит, как, например, в галактике с баром NGC 6782 (рис.2): здесь спиралевидный путь межзвездной среды в центр виден как темный пылевой рукав, а центральная вспышка звездообразования - как компактный голубой диск в центре галактики.
Рис. 2. Галактика NGC 6782. Изображение получено космическим телескопом “Хаббл”.
Но во Вселенной галактики в основном располагаются не в “пустых” местах, а рядом с другими такими же галактиками - они собраны в большие скопления и в малые группы. Поэтому на эволюцию структуры галактики влияют не только ее внутренние неустойчивости, но и внешние гравитационные воздействия соседей.
Любые взаимодействия возмущают - “нагревают” - большие газовые диски галактик, усиливают хаотические движения газовых облаков; облака начинают часто сталкиваться друг с другом, теряют в этих столкновениях момент вращения и быстро и эффективно сваливаются в центр галактики. Последствие этого - все та же околоядерная вспышка звездообразования. Поскольку газ движется в диске, и геометрия распределения молодых звезд вблизи центра также должна быть дисковой. Характерные времена таких событий - меньше миллиарда лет. После окончания вспышки звездообразования вновь сформировавшаяся структура - околоядерный звездный диск - начинает жить своей независимой жизнью: быстро вращается, быстрее, чем окружающий его сфероидальный балдж, и потихоньку стареет: становится все краснее и краснее.
Мы подошли к проблеме исследования вращения и возраста звездного населения околоядерных дисков с новой стороны - используя подход панорамной спектроскопии и Мультизрачковый спектрограф 6-метрового телескопа (MPFS) Специальной астрофизической обсерватории РАН (пос.Нижний Архыз, Карачаево-Черкесия), созданный в 1989 г. и последний раз модифицированный в 1998 г. Панорамная спектроскопия - довольно новый, очень эффективный метод спектрального исследования протяженных небесных объектов, таких как галактики: он позволяет за одну экспозицию, длительностью, скажем, один час, получить сразу несколько сотен спектров от разных точек объекта. В случае Мультизрачкового спектрографа пространственные элементы упакованы так плотно, что мы фактически получаем двумерные карты спектральных характеристик звездной и газовой составляющей в исследуемой области галактики: поля лучевых скоростей звезд и газа, поля скоростей вращения и средних хаотических скоростей звезд в галактиках (“дисперсии скоростей”), распределения по галактике интенсивности континуума и эквивалентных ширин спектральных линий. Панорамная спектроскопия дала нам возможность воочию убедиться, что действительно в центрах многих галактик можно найти отдельные околоядерные звездные диски. Они выделяются компактными размерами, не больше сотни парсек, и относительно молодым средним возрастом звездного населения, не старше 1-5 млрд лет. Балджи, в которые погружены эти околоядерные диски, заметно старше, то есть околоядерные звездные диски внутри балджей действительно образовались в отдельных вспышках звездообразования в центрах галактик.
Рис. 3. Распределение скоростей звезд в центральной области спиральной галактики NGC 3623 морфологического типа Sa.
Слева - поле скоростей вращения звезд, справа - карта дисперсии скоростей звезд.Вот один из характерных примеров (рис.3): Sa-галактика NGC 3623 (член группы из трех спиральных галактик), исследованная с европейским панорамным спектрографом SAURON - прибором 1999 года рождения с большим, чем у MPFS, полем зрения. Эта картинка - результат нашей собственной обработки данных SAURON, она опубликована в нашей недавней статье о группе галактик Триплет Льва [1]. Присутствие околоядерного звездного диска на этих картах выдают минимум дисперсии скоростей в центре (рис.3, справа) и заостренная форма изолиний скоростей вращения (рис.3, слева): эти признаки означают, что в самом центре галактики мы видим динамически холодную, быстро вращающуюся звездную подсистему, т.е. диск внутри балджа.
В центре самых близких нам галактик - нашей собственной и ближайшей нашей соседки Туманности Андромеды - околоядерные звездные диски наблюдаются с особой детальностью и выглядят весьма экзотично.
Что видно поблизости?
В Туманности Андромеды, гигантской спиральной галактике, по каталогу Шарля Мессье носящей номер M 31, еще несколько лет назад космический телескоп “Хаббл” обнаружил в центре сразу два точечных ядра (рис.4). Одно из них выглядело в видимых (зеленых) лучах более ярким, другое более слабым; но когда построили карту скоростей вращения и дисперсии скоростей звезд, выяснилось, что динамический центр галактики - это более слабое ядро, и именно там находится сверхмассивная черная дыра. После нескольких не очень удачных попыток построить динамически устойчивую модель звездной системы, которая со стороны выглядела бы как два точечных ядра, астрономическое общественное мнение остановилось на модели Скотта Тремэйна “эксцентрического околоядерного звездного диска” [3] (скорее всего, плоскость этого диска наклонена по отношению к плоскости большого, внешнего звездного диска галактики).
Это не стало сюрпризом: красные гиганты почти не светят в ультрафиолетовых лучах; зато на месте динамического центра обнаружилась компактная яркая звездная структура. Исследование ее кинематики показало, что она состоит из молодых звезд, вращающихся по практически круговым орбитам. Таким образом, в центре M 31 найдено сразу два околоядерных звездных диска: один из старых звезд и эллиптический, другой из молодых звезд и круглый; однако плоскости этих дисков совпадают, и звезды в них вращаются в одну сторону. Можно считать, что мы видим последствия двух вспышек звездообразования, случившихся одна - давно, другая - недавно; но газ попадал к месту своего превращения в звезды, очевидно, сходными путями.
Центр нашей Галактики в последние годы тоже изучили достаточно подробно, но с помощью уже не космического телескопа “Хаббл”, а инфракрасных приемников 8-метрового телескопа Южной Европейской обсерватории VLT (Чили, гора Параналь); эти работы ведут немецкие астрофизики во главе с Р.Гензелем [4]. Дело в том, что центр мы наблюдаем через 8-килопарсековую толщу пыли, собранной в диске нашей Галактики, и потому в оптическом диапазоне спектра там просто ничего не видно. А вот на длине волны 2 мкм, где поглощение пыли минимально, сейчас с новыми инфракрасными ПЗС-приемниками и с адаптивной оптикой, позволяющей значительно улучшать пространственное разрешение изображений, астрономы видят там практически каждую массивную, т.е. яркую, звезду. Для каждой звезды получают спектр и измеряют, в частности, проекцию скорости звезды на луч зрения, идущий от нас к звезде. А сравнивая положение на картинке звезды в данный момент с ее положением, например, пять лет назад, определяют и компоненту скорости в картинной плоскости. Так удается восстановить скорость и направление движения каждой звезды в трехмерном пространстве.
Рис. 5. Самый центр нашей Галактики, изображение на длине волны 2 мкм.
Стрелками отмечено положение радиоисточника Стрелец-А*, который считается сверхмассивной черной дырой и служит динамическим центром всех околоядерных звездных систем. Орбитальные моменты вращения звезд этой центральной области [4] и распределение звезд по моментам (внизу). Видно, что звезды в основном распадаются на два коллектива - на вращающихся по часовой и против часовой стрелки в проекции на небо.Недавний анализ этих данных для нескольких десятков массивных звезд [4] дал сенсационный результат: большинство звезд демонстрирует упорядоченное вращение, но проекция на луч зрения скорости вращения для одной части звезд направлена в одну сторону, а для другой части - в противоположную, рис.5. С помощью небольших геометрических усилий удалось приписать каждую звезду к одному из двух дисков. Но, в отличие от двух околоядерных звездных дисков Туманности Андромеды, два околоядерных диска Галактики лежат в несовпадающих плоскостях, сильно наклоненных одна к другой, почти взаимно полярных. А вот возраст звезд в них оказался примерно одинаковым - большинство звезд центра Галактики образовалось во вспышке звездообразования 6 млн. лет назад. Итак, на этот раз имели место тоже две вспышки звездообразования, но одновременно; а вот источников газа для этих вспышек звездообразования должно было быть два, с разными моментами вращения.От спиралей - к линзам
Линзовидные галактики - это особый вид дисковых галактик, у которых в их больших дисках не видно спиралей и нет газа. Такая особенность их структуры объясняется тем, что глобальные звездные диски линзовидных галактик довольно “горячи” динамически: хаотические скорости звезд в них больше, чем это бывает обычно в спиральных галактиках. Принятая сейчас модель происхождения линзовидной галактики - внешнее воздействие на галактику спиральную: или гравитационное возмущение в результате сближения с соседней галактикой в группе, или падение малой галактики-спутника, или обжатие большого газового диска горячей межгалактической средой с последующим частичным “выдуванием” газа из галактики и быстрым превращением в звезды того газа, что остался.
Все эти “механизмы” (неясно, какой из них доминирует в процессе превращения спиральных галактик в линзовидные, - может быть, все три имеют место в разных ситуациях) в любом случае приводят к концентрации в ядре галактики газа, изначально принадлежавшего глобальному диску, и к последующей вспышке звездообразования в центре. Как мы уже видели, это означает, что в центрах галактик должны присутствовать компактные околоядерные звездные диски, возраст которых меньше возраста окружающего их сфероида, а металличность - больше, потому что дополнительное население молодых массивных звезд должно в процессе своей эволюции породить и дополнительное количество тяжелых химических элементов. В конкретном случае линзовидных галактик с большой вероятностью образование этого околоядерного звездного диска имело прямое отношение к превращению спиральной галактики в линзовидную, т.е. два события могли происходить квазиодновременно. Установив средний возраст околоядерных звездных дисков в близких линзовидных галактиках, мы таким образом можем определить эпоху, когда происходило массовое превращение спиральных галактик в линзовидные. Начиная эту работу, мы примерно знали, чего ожидать в скоплениях галактик: судя по морфологическому составу далеких скоплений на красных смещениях 0.5-0.8, эпоха образования линзовидных галактик из спиральных в скоплениях должна приходиться примерно на момент 5 млрд лет назад.
Массовое исследование среднего возраста звезд в центрах близких линзовидных галактик мы предприняли, использовав для этого панорамный Мультизрачковый спектрограф MPFS. По спектральным характеристикам, сопоставляя эквивалентные ширины различных линий поглощения, принадлежащих металлам и водороду, можно вычислить параметры звездного населения: средний возраст и среднюю металличность, причем в каждой точке исследуемой области галактики. “Закартографировав” таким образом центральные области линзовидных галактик, мы надеялись напрямую увидеть молодые, обогащенные тяжелыми элементами компактные звездные диски в центре более старых и обедненных металлами сфероидов. И мы их увидели. В половине всех исследованных галактик в центре оказались вытянутые звездные структуры, выделяющиеся особо глубокими линиями металлов - магния и железа; мы назвали их “химически выделенными ядрами”. Ниже на картинках (рис.6) - два примера линзовидных галактик, в которых мы с Мультизрачковым спектрографом обнаружили химически выделенные ядра. Представлены карты центральных областей размером 16x16", или в линейной мере несколько сотен парсек, где красным цветом выделены области максимальной ширины и глубины линий поглощения магния и железа; положения центров яркости отмечены крестиками. Скорее всего, эти вытянутые звездные структуры - как раз околоядерные диски, образовавшиеся во вторичной вспышке звездообразования.
Рис. 6. Карты центральных областей галактик NGC 1161 и NGC 4179:
слева направо - дисперсия скоростей звезд, индекс магния, индекс железа.
Угловой размер карт 16ґ16’’, что в линейной мере на расстоянии этих галактик соответствует нескольким сотням парсек.За 10 лет наблюдений нам удалось получить подробные карты спектральных характеристик более чем для 60 близких линзовидных галактик [5]. Причем галактики мы выбирали в окружениях разной плотности: среди исследованных объектов оказались и галактики скоплений - самое частое для линзовидных галактик место обитания, - и галактики в небольших группах, как центральные, так и более мелкие периферийные члены, и так называемые “галактики поля” - одинокие объекты без соседей сравнимой светимости. Интересно было сопоставить, чем отличаются свойства околоядерных звездных дисков в линзовидных галактиках разных типов окружений. Дело в том, что космологи, “прописавшие” галактикам иерархическую схему эволюции, предсказывают более быструю и раннюю эволюцию тем галактикам, которые находятся в плотном окружении. Считается, что галактики сильнее всего “толпятся” внутри самых массивных темных гало, а самые массивные темные гало потому и самые массивные, что раньше всех начали “нагребать” на себя массу.
Если принять точку зрения космологов, зависимость возраста галактик от плотности окружения должна быть монотонной: самые старые галактики - в скоплениях, менее старые - в небольших группах, и самые молодые галактики - это одинокие галактики поля. С другой стороны, если мы считаем, что эволюцией галактик управляет не строгая иерархическая последовательность слияний, а динамические эффекты, связанные со случайными - или даже систематическими орбитальными - сближениями соседних галактик, такой монотонной зависимости возраста от типа окружения (массы темного гало) не будет: даже внутри одной группы галактика в центре группы, более подверженная динамическому влиянию соседей, будет находиться на более продвинутой стадии эволюции, чем галактики на периферии той же самой группы. Более того, поскольку в группах движения членов групп относительно друг друга не такие быстрые, как в скоплениях (из-за меньшей массы групп по сравнению с массой скоплений), условия для неспешной перестройки структуры под действием гравитационного влияния соседей у центральных галактик групп даже лучше, чем у галактик в скоплениях, и они могут оказаться самыми эволюционно продвинутыми.
Все зависит от соседей!
Первое, что мы сделали, - это сравнили характерные длительности вспышек звездообразования в центрах линзовидных галактик, находящихся в окружении разного типа. И оказалось, что в центральных галактиках групп, так же как и в галактиках скоплений, вспышки звездообразования, породившие околоядерные звездные диски, были короткими и очень мощными; а в периферийных галактиках групп и в поле они были более протяженными, длиннее 1 млрд лет, и не такими мощными. Интересно, что разница между центральными и периферийными членами групп оказалась весьма значимой. Мы специально рассмотрели подвыборку, составленную так, чтобы средние массы центральных и периферийных галактик были одинаковы. Эффект тем не менее наблюдается и для этой подвыборки. Значит, дело не в массе галактики и не в массе темного гало, в которое погружена галактика или коллектив галактик: на эволюцию влияет сильнее всего положение галактики относительно соседей, т.е. чисто динамические эффекты. Мы объединили центральные галактики групп и галактики скоплений в “галактики плотного окружения”, а периферийные члены групп и галактики поля - в “галактики разреженного окружения”.
Сравнение средних возрастов звезд по нашим данным подтвердило то, что мы уже и так заподозрили: ядра оказались значимо моложе, чем звездные сфероиды (балджи), у галактик с окружениями всех типов. Но и окружение играет роль: и ядра, и балджи галактик в разреженном окружении моложе, чем они же, но в плотном окружении. Может быть, это связано с тем, что эпоха образования линзовидных галактик в плотном окружении - более ранняя, чем в разреженном, а периферийные галактики групп лишь недавно “аккрецировали”, т.е. вошли в состав коллектива. А может быть, это эффект разной длительности околоядерных вспышек звездообразования: ведь если они начались у всех галактик примерно в одно время, но у галактик плотного окружения быстро закончились, а в галактиках разреженного окружения продолжались несколько миллиардов лет, то и средний возраст звезд в центрах последних будет меньше, чем у первых. Так или иначе, мы нашли признаки вторичных вспышек звездообразования в ядрах линзовидных галактик и установили зависимость характера протекания этих вспышек от динамических условий, в которых находятся галактики. Как выглядит распределение абсолютных средних возрастов звездного населения в ядрах линзовидных галактик, показано на рис.7.
Рис. 7. Распределение абсолютных средних возрастов звездного населения в ядрах линзовидных галактик.
Зеленой линией выделено распределение средних возрастов звездных ядер всех шестидесяти линзовидных галактик, исследованных нами;
красной - галактик с химически выделенными ядрами.Видно, что большинство звездных ядер линзовидных галактик моложе 8 млрд лет, и возраста распределяются почти равномерно между 1 и 8 млрд лет. Но если мы возьмем отдельно галактики с химически выделенными ядрами (красная линия) - а это галактики, где сразу по нескольким признакам мы можем сказать, что видим последствия околоядерной вспышки звездообразования в центре, - то средний возраст их ядер моложе, чем возраст, оцененный по всей выборке: максимум их распределения приходится на 3 млрд лет. Таким образом, в половине всей выборки близких линзовидных галактик мы видим в центре молодые, богатые металлами околоядерные звездные диски. Вот и ответ на поставленный в первых строках статьи вопрос: звездные ядра галактик представляют собой обособленные динамически и эволюционно структуры; это не старые шаровые скопления, свалившиеся в центр галактики из-за динамического трения, а последствия относительно недавней вспышки звездообразования “на месте”, прямо в центре галактики. И, вероятно, в линзовидных галактиках эти события связаны как раз с превращением спиральной галактики в линзовидную.
На рис.7 есть еще одна линия - штриховая. Она представляет собой распределение возрастов ядер особой категории линзовидных галактик - галактик с внутренними газовыми полярными кольцами. Откуда в центрах галактик берется газ с ортогональным моментом вращения, т.е. вращающийся в плоскости, полярной по отношению к плоскости околоядерного звездного диска, - это отдельная проблема, для решения которой существует несколько гипотез. Однако в одном ученые согласны: если распределение плотности звезд - и гравитационного потенциала - имеет триаксиальную форму (форму эллипсоида, все три оси которого разные), то устойчивым будет вращение газа именно в полярной плоскости - плоскости, перпендикулярной самой большой оси эллипсоида. Похоже, именно этот эффект мы и видим в распределении возрастов звездных ядер галактик с внутренними полярными кольцами. Это распределение показывает два пика - на 3 млрд лет и на самых старых возрастах, 15 млрд лет или больше. Первый пик формируют галактики с внутренними газовыми полярными кольцами, одновременно обладающие химически выделенными звездными ядрами. У них средний возраст ядер такой же, как и у всех других галактик с химически выделенными ядрами: если уж вспышка звездообразования произошла, значит, ничто ей не смогло помешать. А вот все остальные галактики с внутренними полярными кольцами - без химически выделенных ядер - имеют очень старое звездное население в центре, такое же старое, как и сама Вселенная.
Возможно, это оттого, что в них весь падающий в центр газ почему-то скапливается на внутренних полярных орбитах, а они устойчивы, и вот - газ никак не может попасть в самый центр галактики и накопиться там в количестве, достаточном для “зажигания” звездообразования. Так и живут эти галактики 15 млрд лет без всякого омоложения, со старым звездным населением в ядре.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проекты 01-02-16767 и 04-02-16087.
Литература
1. Afanasiev V.L., Sil’chenko O.K. // Astron. and Astrophys. 2005. V.429. P.825-836.
2. Bender R., Kormendy J., Bower G. et al. // Astrophys. J. 2005. V.631. P.280-300.
3. Tremaine S. // Astron. J. 1995. V.110. P.628-633.
4. Paumard T., Genzel R., Martins F. et al. // Astrophys. J. 2006. V.643. P.1011-1035.
5. Sil’chenko O.K. // Astrophys. J. 2006. V.641. P.229-240.
