Плотное ядро галактики — индикатор скорого прекращения звёздообразования

Рис. 1. Спиральная галактика NGC 300, где сейчас идёт активное звёздообразование. Фото с сайта jpl.nasa.gov

Астрофизики проанализировали большую выборку галактик в диапазоне красного смещения z от 0,5 до 3 (то есть таких, свет от которых шел к нам примерно от 5,2 до 11,6 млрд световых лет). Их интересовало, связаны ли структурные особенности распределения звезд в галактике с активностью звездообразования в этой галактике. Выяснилось, что у «старых» галактик, в которых звезды уже не рождаются, плотность центральной части повышена. Это открытие даёт возможность относительно просто предсказывать эволюцию галактики.

В первой половине XX века Эдвин Хаббл предложил классификацию галактик, в соответствии с которой изначально эллиптические галактики в процессе эволюции становятся либо спиральными галактиками с перемычкой («баром»), либо спиральными галактиками без перемычки. Эта классификация получила название последовательность Хаббла, или «камертон Хаббла» (поскольку ее графическое изображение по форме напоминает камертон). Позже стало понятно, что типов галактик много больше и их эволюция идёт в другом направлении: спиральные галактики в основном молодые (в них продолжают формироваться новые звёзды), в то время как эллиптические галактики обычно мертвы (в них догорают звёзды, которые давно образовались, и новых там не ожидается).

Определить возраст галактики можно, оценив возраст старейших звезд галактики, — но для этого их надо как-то пронаблюдать. Когда же мы говорим о галактиках на значительных красных смещениях, то понятие возраста вообще довольно условно. (Красное смещение z = 1 уже можно назвать значительным: свет от объекта, наблюдаемого на таком смещении, был испущен, когда Вселенной было порядка 5,9 млрд лет, то есть когда она была больше чем вдвое моложе; подробнее про красное смещение см. новость Раньше, дальше, краснее, «Элементы», 19.09.2006.) Мы называем галактику молодой, если там ещё не закончен процесс звёздообразования, то есть там ещё есть запасы холодного водорода, который, сжимаясь под действием гравитации, формирует звёзды. Старой же мы называем галактику, исчерпавшую запасы водорода. В то же время, в уже вроде бы мёртвой галактике может пойти новая волна звёздообразования. Причины этого могут быть разные, например поглощение галактикой своего карликового спутника или какое-нибудь другое воздействие, приводящее к перемешиванию вещества в галактике. Всё это человечество узнало за последние 60–80 лет.

Такой прогресс во многом связан с изменением техники наблюдения: с тех пор как свет от галактик стал падать не на сетчатку глаза астронома, а на фотобумагу и, позднее, на ПЗС-матрицу, появилась возможность точно определять цвета каждой галактики. Оказалось, что спиральные галактики в основном голубого цвета (рис. 1), а значит, в них идёт активное звёздообразование, в то время как эллиптические галактики имеют красно-желтые цвета (рис. 2), то есть новых звёзд там нет.

Рис. 2. Эллиптическая галактика ESO 325-G004. Её желтоватый цвет означает, что в ней почти не образуются новые звёзды. Фото с сайта en.wikipedia.org

Связь между цветом галактики и формированием новых звёзд основывается на двух хорошо известных вещах: законе смещения Вина и времени жизни звезды на главной последовательности (см. также: Диаграмма Герцшпрунга — Рассела). Согласно закону смещения, чем выше температура абсолютно чёрного тела (а звезда — это как раз абсолютно чёрное тело), тем более голубым будет его цвет. А время жизни звезды на главной последовательности определяется только её массой: более тяжелая (а значит, более яркая и горячая) звезда быстрее исчерпает запасы ядерного топлива и закончит свою жизнь вспышкой сверхновой. Таким образом, если наблюдаемая галактика имеет голубоватый цвет, то там сейчас ещё живут сверхгиганты, которые образовались совсем недавно, и скорее всего новые звёзды всё ещё рождаются. Это упрощённый подход, не учитывающий, например, того, что часть молодых звёзд может быть всё ещё окутана слоем газа и пыли, а значит, мы их будем видеть как большие области интенсивного инфракрасного излучения,  — но он, тем не менее, полезен для понимания важности определения цвета галактики.

В статье группы астрофизиков во главе с Гильермо Барро (Guillermo Barro) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, подготовленной для публикации в Astrophysical Journal, рассказывается о попытке найти свидетельства перехода галактик из молодых в старые. Мы знаем, что это происходит, когда истощаются запасы «резервуаров» с водородом, разбросанных по галактике, но обнаружить такие холодные облака в галактиках на больших красных смещениях напрямую невозможно, поэтому необходимо найти какие-нибудь вторичные признаки. И вот таким признаком, по мнению астрофизиков, может выступать плотность звёзд в центральной части галактик.

Согласно принятой на сегодня точке зрения, в нашей Вселенной существует сильная взаимосвязь между структурой галактики и характеристиками звёзд, которые её населяют. В частности, темп звёздообразования (то, сколько звёзд в год образуется в галактике), масса и морфология галактики связаны между собой: галактики с активным звёздообразованием обычно больше в размерах и имеют меньший градиент плотности вещества (грубо говоря, вещество в них распределено равномерно). А пассивные галактики такой же массы более компактны и их индекс Серсика (параметр, характеризующий, насколько быстро плотность звёзд увеличивается при движении к центру галактики) обычно выше. Положение галактик на графике с осями «темп звёздообразования» — «масса» меняется со временем, но тем не менее разделение на два класса остаётся неизменным. Это даёт основания предполагать, что наличие более плотного ядра напрямую связано с процессом звёздообразования: темп образования новых звёзд в галактике резко падает тогда, когда плотность звёзд в центральной части галактики превышает критическое значение.

Работа началась с изучения большой выборки галактик, полученных телескопом «Хаббл» в рамках долговременного проекта CANDELS по изучению внегалактических объектов в ближнем ИК-диапазоне. Эти галактики лежат в интервале красных смещений 0,5 < z < 3, что соответствует возрасту Вселенной примерно от 8,5 до 2,1 млрд лет (или, что то же самое, свет от этих галактик шел до нас от 5,2 до 11,6 млрд лет) — именно в это время процесс формирования и эволюции галактик шёл наиболее активно. Весь проект CANDELS ориентирован на изучение таких удалённых (и, вследствие эффекта Доплера, более красных) галактик. Отличное угловое разрешение телескопа «Хаббл» позволяет заглянуть в центральную часть галактик, удалённых от нас на 21 млрд световых лет (расстояние, выраженное в световых годах, может быть больше 13,7 млрд, что принято считать за возраст Вселенной; это не ошибка, а следствие ускоренного расширения Вселенной).

По доступным данным других телескопов была составлена дискретная спектральная плотность излучения, которую использовали для определения красного смещения каждой галактики, её массы и массы звёзд её центральной части радиусом 1 килопарсек.

Рис. 3. Принципиальная схема спектрографа. Спектр удалённой или тусклой галактики будет лежать в основном в ИК области, к которой фотодиоды матрицы не очень чувствительны. Схема с сайта sites.google.com/site/cpektr2013

Темп звёздообразования невозможно определить прямым наблюдением в телескоп: звёзды не возникают хлопком на небосводе, чтобы можно было поставить в журнал ещё одну галочку. Эту величину можно получить только по расчётам, выбрав ту или иную модель. Например, можно объединить данные ультрафиолетового излучения (от ярких молодых сверхгигантов, которые образовались совсем недавно) и инфракрасного излучения (часть которого пришла от только что сформировавшихся звёзд, ещё окружённых коконом из пыли и газа) с определёнными коэффициентами. Простая на словах, даже эта первая часть исследования нетривиальна: получить полный поток излучения от галактики в инфракрасном спектре невозможно, потому что его энергия и так меньше, чем в оптическом, а при разложении в спектр излучение ещё и «размазывается» по всей длине ПЗС-матрицы, падая ниже пределов её чувствительности (рис. 3).

Так что учёным опять пришлось прибегнуть к моделям, с помощью которых они восстановили примерный профиль ИК-излучения всего по трём точкам, полученным космической обсерваторией «Гершель». Результатом этого этапа стало разделение всей выборки на два класса: активные голубые галактики со звёздообразованием и пассивные красные.

Затем все галактики были нанесены на график зависимости плотности звёзд в центральной области от массы галактики (рис. 4). Разделение на два класса при этом осталось. Разные типы галактик лежат в разных, хорошо различимых областях плоскости графика за исключением группы компактных, но при этом очень активных галактик (на графике они обозначены зелёными точками). Астрофизики предположили, что это не нарушение закономерности, а, скорее, воздействие какого-то механизма, который ответственен за очень быстрый рост плотности звёзд в центральной части таких галактик. Этот процесс назван «сжиманием», и, по мнению авторов, именно он является сигналом о том, что новые звёзды скоро прекратят появляться в этой галактике.

Рис. 4. Графики зависимости плотности звёзд в центральной области от массы галактики для разных красных смещений. Синие точки — галактики с активным звёздообразованием, красные точки — пассивные галактики, зелёные точки — молодые активные галактики с повышенной плотностью в центральной части. Важно обратить внимание на увеличение числа спокойных галактик с течением времени: на крайнем левом графике (соответствует возрасту Вселенной примерно 2,6 млрд лет) их почти нет, в то время как на крайнем правом (возраст Вселенной примерно 7 млрд лет) их уже значительное число. Графики из обсуждаемой статьи

Сжимание происходит, когда что-то нарушает динамически стабильное распределение вещества в галактике. Это может быть столкновение галактик, поглощение галактикой своего карликового соседа, выбросы вещества из активного ядра галактики, гравитационный захват пыли и газа из межгалактической среды — в этом случае плотность центральной части галактик растёт очень быстро. Именно эти процессы, скорее всего, обуславливают затухание звёздообразования в ранней Вселенной (рис. 5). В более позднее время, когда такие экстремальные процессы уже редки, рост плотности центра галактик может быть связан с банальным трением: вещество, вращаясь в галактике по своим орбитам, теряет угловой момент и потихоньку мигрирует в центр точно так же, как МКС постоянно приближается к Земле из-за трения о верхние слои атмосферы.

Рис. 5. Общее направление эволюции галактик. Молодые галактики голубого цвета с менее плотным ядром попадают сначала в переходный класс «зелёных» галактик, уже имеющих высокую плотность звёзд в центре, но в которых всё ещё идёт звёздообразование, а потом становятся пассивными красными галактиками с ярко выраженной центральной частью. По вертикальной оси отмечено отношение массы центральной части галактики к её полной массе, по горизонтальной — полная масса галактики. Отдельно надо отметить общее увеличение размеров галактик по мере уменьшения красного смещения (слева направо). Рисунок из обсуждаемой статьи

Таким образом, можно сказать, что наличие плотного ядра галактики — это необходимое условие для прекращения звёздообразования.

Авторы статьи попробовали установить универсальный закон миграции галактик из одного класса в другой, который бы работал вплоть до красного смещения z = 3. Им удалось показать, что, действительно, в течение как минимум 6,5 миллиардов лет галактики обзаводились плотным ядром, прежде чем звёздообразование в них прекращалось. Этот процесс стабилен, он не зависит от изначальной массы галактики, её возраста или морфологии. Полученый результат очень важен: он позволяет по косвенным наблюдениям предсказать, какие галактики скоро закончат формировать новые звёзды. Прежде у нас не было подобных методов.

Кроме этого, ученые установили, что скорость увеличения плотности в центре галактик меняется в процессе эволюции нашей Вселенной: быстрое наращивание массы в центре характерно для больших красных смещений (то есть происходило, когда Вселенная была молодой), в то время как сейчас такие события редки и «сжатие» центральной части происходит медленнее и плавнее, зачастую сохраняя дисковую структуру галактики. Получается, что эволюция галактик и эволюция всей Вселенной тесно связаны между собой. Такой результат — ещё один кирпичик в здание нашего понимания общих законов, по которым образуются и изменяются все галактики.

Источник: Guillermo Barro, Sandra M. Faber, David C. Koo, Avishai Dekel, Jerome J. Fang, Jonathan R. Trump, Pablo G. Perez-Gonzalez, Camilla Pacifici, Joel R. Primack, Rachel S. Somerville, Haojing Yan, Yicheng Guo, Fengshan Liu, Daniel Ceverino, Dale D. Kocevski, Elizabeth McGrath. A universal structural and star-forming relation since z∼3: connecting compact star-forming and quiescent galaxies // Статья подана в Astrophysical Journal.