Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия


И. Акулич
Тайна чёрной пятницы


Д. Вибе
Охота за планетой X







Главная / Новости науки версия для печати

Сверхъяркие спиральные галактики — недостающее звено в теории эволюции


Галактика Андромеды

Рис. 1. Галактика Андромеды, она же M31, — ближайшая к нам спиральная галактика. Небольшое расстояние до нее позволяет детально изучить ее строение: видны спиральные рукава, голубые облака газа и пыли на периферии, где формируются звезды, яркое ядро с наибольшей концентрацией звезд, старых и маломассивных. Сверхъяркие галактики, о которых идет речь в статье, больше Галактики Андромеды в 5–7 раз, а темп звездообразования в них больше в 60–70 раз. Изображение с сайта space.com

Галактики появляются, эволюционируют и умирают. Сталкиваясь, набирая из внешней среды газ, зажигая в своих ядрах сверхмассивные черные дыры, исчерпывая запасы газа, разогреваясь и остывая, они изменяются до неузнаваемости. Сейчас мы знаем про них несравнимо больше, чем открывший их Эдвин Хаббл, и одна из задач современной астрофизики — выстроить стройную теорию эволюции галактик, в которой будет понятно, как та или иная галактика зародилась и во что она преобразится в будущем. Статья американских астрономов, посвященная обнаружению 53 необычно ярких и массивных спиральных галактик, может восполнить один из пробелов в этой теории. Эти галактики, в которых, несмотря на их огромную массу, продолжается активное звездообразование, хорошо подходят на роль предсказанной теоретически переходной стадии между спиральными и линзовидными галактиками.

Галактики нового класса не вписываются в теории

Астрономы из Калифорнийского технологического института (США) обнаружили 53 сверхъяркие спиральные галактики: их светимость в оптическом диапазоне больше светимости нашего Млечного Пути примерно в 10 раз и сравнима с самыми яркими из известных галактик — эллиптическими. Обнаруженные галактики оказались еще и огромными по размеру (от 57 до 134 килопарсек, или до 400 000 световых лет) и массе составляющих их звезд (до 3,4·1011 масс Солнца). И то и другое больше Млечного Пути в 5–6 раз (если исходить из оценок, приведенных в статье L. L. Watkins et al., 2010. The masses of the Milky Way and Andromeda galaxies). Сочетание большой массы с высокой скоростью звездообразования — от 5 до 65 солнечных масс в год — ставит эти спиральные галактики в особое положение.

Рис. 2. Портреты всех 53 сверхъярких галактик

Рис. 2. Портреты всех 53 сверхъярких галактик. Авторы отмечают заметные особенности у некоторых из них: 1 — спираль с несколькими рукавами, 8 — асимметричная спираль с двумя рукавами, 10 — содержит квазизвездный объект (quasi-stellar object, QSO — нечто, выглядящее как звезда, но находящееся очень далеко от нас и, значит, имеющее колоссальную светимость), 21 — кольцеобразная галактика, 23 — возможно, имеет деформированный приливными силами рукав, 33 — асимметричный диск, 34 — возможно, имеет вторичный балдж, 53 — вероятно, имеет разрывные рукава. Изображение из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal

Общепринятым сейчас считается разделение галактик на два основных класса: голубые дисковые галактики (в них обычно идет активное звездообразование), которые также называют галактиками позднего типа (Late type galaxy, LTG), и красные, «мертвые» эллиптические галактики, где новые звезды почти не образуются (это галактики раннего типа, или Early type galaxy, ETG) — они чаще всего имеют эллипсоидную форму и намного массивнее дисковых. Дисковые галактики, в свою очередь, делятся на спиральные (к ним оносятся Млечный Путь и соседняя Галактика Андромеды), в рукавах которых идет активное звездообразование, и линзовидные (их еще называют лентикулярными) галактики, у которых отсутствует ярко выраженная спираль и частота формирования звезд в них понижена.

Наблюдения показывают, что масса звездного населения дисковых галактик, в которых процессы звездообразования еще продолжаются, не бывает больше 5·1010 масс Солнца, и по мере исчерпания запасов газа и снижения темпа звездообразования они постепенно превращаются в галактики раннего типа. Этот процесс занимает примерно миллиард лет. Как именно он проходит и какие факторы оказывают наибольшее влияние на эволюцию галактик — всё еще повод для обсуждения.

Рис. 3. Функция Шехтера

Рис. 3. Функция Шехтера. По вертикальной оси отложена плотность галактик в Местной Вселенной, а по горизонтальной — абсолютная звездная величина (которая тесно связана с массой). Коротко описать эту функцию можно так: у нас много маленьких галактик и мало больших, а Шехтер дал численную интерпретацию — насколько много и насколько мало. Рисунок из статьи P. L. Schechter, 1976. An analytic expression for the luminosity function for galaxies

Сверхъяркие спиральные галактики каким-то образом смогли сохранить высокий темп звездообразования после достижения звездной массы в 100 миллиардов (1011) солнечных масс — и это представляет огромный интерес для астрофизиков. Изучение механизмов, которые отсрочили «умирание» галактики и ее переход в класс старых красных линзовидных или эллиптических галактик, поможет уточнить некоторые неизвестные моменты эволюционных процессов в галактиках.

По современным представлениям, галактики образовывались в областях с повышенной плотностью материи, которые были в ранней Вселенной (почему возникли эти неоднородности — вопрос до сих пор нерешенный). Иерархическая модель предполагает, что изначально маленькие галактики сталкиваются, образуя более крупные, которые, в свою очередь, поглощают оставшиеся мелкие — и на сегодняшний день ученые наблюдают распределение галактик по массам, впервые описанное в 1976 году американским астрофизиком Полом Шехтером (Paul L. Schechter) с помощью эмпирической функции (см.: Schechter luminosity function; рис. 3). Функция Шехтера довольно точно отражает тот факт, что астрономы видят много маленьких тусклых галактик и мало больших ярких. Однако обнаруженный класс сверхъярких спиральных галактик плохо укладывается в эту зависимость.

Как их обнаружили?

Как это часто бывает, открытие сверхъярких спиральных галактик оказалось побочным результатом совершенно другого проекта, для этого даже не пришлось вести никаких новых астрономических наблюдений: все фотометрические данные, а также расстояния до галактик уже были опубликованы и лежали в открытом доступе!

Группа Патрика Огле (Patrick M. Ogle) из Калтеха работала над проверкой полноты данных во внегалактической базе данных NASA (NASA/IPAC Extragalactic Database, NED) — крупнейшем хранилище изображений, фотометрии и спектров галактик, полученных в ходе обзоров неба в микроволновом, инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах. Сама работа по определению полноты этих данных нужна, чтобы понять, насколько большой и яркой должна быть галактика, чтобы ее можно было увидеть на конкретном расстоянии, или, наоборот, на каком максимальном расстоянии от нас должна быть галактика с заданными характеристиками, чтобы ее можно было увидеть в существующие телескопы. Это необходимо для определения того, насколько сильно статистические распределения галактик по цветам, массам, морфологии и прочим параметрам искажены (и из-за этого плохо отражают реально происходящие во Вселенной процессы). Например, мы не видим тусклые маленькие галактики на больших красных смещениях, потому что их там нет (они не успели сформироваться, для них не было подходящих условий и т. д.), или просто наши телескопы недостаточно хороши?

Рис. 4. Снимки одной из сверхъярких спиральных галактик, полученные в разных диапазонах электромагнитного спектра

Рис. 4. Снимки одной из сверхъярких спиральных галактик (на рис. 2 эта галактика с номером 16), полученные в разных диапазонах электромагнитного спектра. Слева направо: в ультрафиолете (получен космическим УФ-телескопом GALEX), в оптическом диапазоне (из Слоановского цифрового обзора неба, SDSS), два правых снимка сделаны в инфракрасном диапазоне в рамках обзора 2MASS и космическим инфракрасным телескопом WISE. Изображение из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal

В результате группа Огле установила, что в пределах красного смещения z ~ 0,3 (то есть не дальше 3,5 миллиардов световых лет от нас) Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) видит все галактики, которые ярче нашего Млечного Пути примерно в 8 раз или больше. Таких галактик оказалось 797 729. Из них, просто из любопытства, отобрали 1616 наиболее ярких. Учли влияние пыли, которая ослабляет оптическое излучение, убрали тусклые в УФ-диапазоне галактики (потому что наличие УФ-излучения — это признак активного звездообразования). Некоторые из этих галактик были классифицированы как спиральные, и это стало большой неожиданностью — таких ярких спиральных галактик ученые до этого не видели. Эти галактики — их оказалось 53 — выделили в отдельную группу, и они стали предметом отдельного исследования.

Чем они так интересны?

Массы сверхъярких галактик установили по хорошо известному соотношению, которое связывает массу и светимость спиральных галактик. Данные оптических и микроволновых телескопов дают хорошее совпадение результатов и ограничивают их звездные массы диапазоном от 30 до 340 миллиардов масс Солнца.

Далее, используя метод, предложенный в статье Y.-Y. Chang et al., 2015. Stellar Masses and SFRs for 1M Galaxies from SDSS and WISE, по инфракрасному излучению, измеренному телескопом WISE, был установлен темп звездообразования в этих галактиках. Сложность в том, что молодые массивные звезды очень горячие, и, согласно закону смещения Вина, максимум их излучения находится в УФ-диапазоне. Это было бы прекрасным признаком звездообразования, если бы УФ-излучение не испускали также другие источники, например ионизованный водород.

Тогда был придуман хитрый ход — использовать поглощение УФ-излучения звезд специфическими молекулами, полиароматическими углеводородами, которые присутствуют в областях, где рождаются новые звезды. Молекулы не могут долго находиться в возбужденном состоянии, и они излучают фотоны на определенных длинах волн, которые соответствуют ИК-излучению и очень удачно попадают в полосу приема сигналов космического телескопа WISE. Таким образом, регистрируя это излучение, можно косвенно узнать скорость образования новых звезд в галактике. Звездообразование в выбранных галактиках превышает темп большинства подобных галактик и составляет до 65 солнечных масс в год. Причины этого до конца не известны, и в статье выдвигается несколько гипотез.

    1) Сверхмассивные черные дыры в центрах этих галактик могут быть все-таки недостаточно большими, чтобы их излучение разогрело и разогнало газ в областях звездообразования (это типичный сценарий, по которому в галактиках прекращают формироваться звезды). При этом в шести галактиках найдены признаки активных галактических ядер (эти галактики классифицированы как сейфертовские), что свидетельствует о быстром росте массы сверхмассивной черной дыры. Обычно чем выше активность подобных ядер, тем меньше темп звездообразования, но не в нашем случае — и это еще одна из особенностей сверхъярких спиральных галактик.

    2) По каким-то причинам в диске галактики изначально было аккумулировано значительное количество холодного водорода, который еще не закончился, несмотря на сохранение высокого темпа звездообразования в течение миллиардов лет. Аргументов в пользу или против этой версии в обсуждаемой статье не приводится, но в принципе такой сценарий возможен.

    3) Галактики постоянно притягивают к себе всякий галактический мусор (в том числе и газ), поэтому логично, что их масса увеличивается со временем, а новые звезды могут зажигаться, используя этот новый аккумулированный газ. Однако в процессе аккреции на галактику газ сталкивается с гало — внешним слоем галактики, состоящим из того же газа, пыли, мелких частиц, — и разогревается, а разогретый газ не может сформировать звезду, потому что его атомы слишком быстро движутся (см.: Масса Джинса и процессы звездообразования). Это столкновение называется аккреционной ударной волной, и оно препятствует звездообразованию, потому что только холодный газ может под действием гравитации сжиматься в плотные протозвезды. Это приводит нас к третьему сценарию постоянного звездообразования в сверхъярких галактиках: масса гало в них недостаточно велика, чтобы разогреть падающий газ.

Так как же они появились и что с ними будет дальше?

Говоря о причинах образования таких галактик, астрофизики отмечают, что четыре галактики из выборки имеют явные черты недавнего столкновения (рис. 5) — у них наличествует либо двойной балдж (центральное утолщение в спиральных галактиках), либо двойное ядро (в том числе у одной галактики обнаружились аж две сверхмассивные черные дыры). Еще про несколько галактик есть менее явные, но всё же достаточно веские причины считать, что совсем недавно они испытали сильное динамическое возмущение, сталкиваясь с галактикой схожих размеров или поглощая менее массивного компаньона. Правда, моделирование накладывает на эти столкновения сильные ограничения: чтобы сохранить спиральную структуру, сталкивающиеся галактики должны быть примерно одинакового размера и иметь одинаковый угловой момент. Даже небольшое нарушение этих условий ведет к формированию галактики эллиптического типа.

Рис. 5. Галактики, в которых предположительно недавно происходил процесс слияния

Рис. 5. Галактики, в которых предположительно недавно происходил процесс слияния. Снимки получены оптическим 2,5-метровым телескопом в обсерватории Апачи-Пойнт в рамках обзора SDSS. Изображение из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal

Относительно будущей судьбы подобных галактик ученые могут предполагать, что со временем, после исчерпания запасов холодного газа, они могут эволюционировать в галактики так называемой погасшей дисковой последовательности (disk quenching sequence, DQS) — очень массивные галактики, в которых не зажигаются новые звезды (их открытие и свойства описаны в статье K. L. Masters et al., 2010. Galaxy Zoo: Passive Red Spirals). Их происхождение тоже вызывает вопросы: эти погасшие галактики настолько массивны, что должны были в недавнем прошлом зажигать хотя бы 7 солнечных масс в год, иначе времени всего существования Вселенной не хватило бы на набор их массы. Так что сверхъяркие спиральные галактики, у которых со звездообразованием как раз всё в порядке, очень подходят на роль их предков.

На рис. 6 эти погасшие дисковые галактики занимают так называемую «зеленую долину» (green valley) — промежуточное состояние между активными и пассивными галактиками. Скорее всего, в будущем они потеряют свою спиральную структуру после гравитационного взаимодействия с другими галактиками скоплений.

Рис. 6. Распределение галактик на диаграмма «цвет-масса»

Рис. 6. Распределение галактик на диаграмме «цвет—масса». По вертикальной оси отложен цвет галактик (чем ниже, тем они голубее, а чем выше — тем краснее), а по горизонтальной оси — масса звезд в галактике в десятичных логарифмах от массы Солнца (значение 10,5 соответствует массе звезд галактики 1010,5 масс Солнца). Внизу на этой диаграмме лежат молодые галактики с активным звездообразованием, наверху — красные, «мертвые» галактики. Сверхъяркие спиральные галактики, о которых идет речь в этой статье, попадают в правую нижнюю часть диаграммы. Изображение с сайта blog.galaxyzoo.org

Чтобы понять, как сформировались эти галактики и почему они так долго живут в отсутствие внешних возмущений, которые должны были бы нарушить спиральную структуру, очень интересно посмотреть на их окружение: находятся ли они большей частью в изолированных участках Вселенной или входят в скопления? Всё это несет дополнительную информацию, которая может пригодиться астрофизикам.

Оказалось, что часть сверхъярких спиральных галактик входит в скопления, начиная от очень скромного по размерам скопления SDSS–CGB 49074 (в нем всего два участника) и заканчивая огромным CGCG 122–067, в которое входят 302 галактики. Семь из обнаруженных галактик являются самыми яркими в своих скоплениях (рис. 7). Самый яркий участник скопления (Brightest Cluster Galaxy) должен входить в кластер с самого начала. То есть он должен быть не только очень старым, но еще на него должны постоянно аккрецировать газ и пыль, а также у него велика вероятность столкновения с меньшими галактиками. Наконец, вращение в центре сотен галактик должно было разрушить спиральную или дисковую структуру приливным взаимодействием. Поэтому обнаруженные в скоплениях гигантские спиральные галактики — это вызов еще и для устоявшейся теории образования скоплений.

Рис. 7. Сверхъяркая галактика диаметром 90 килопарсек

Рис. 7. Сверхъяркая галактика диаметром 90 килопарсек, или 294 тысячи световых лет (чуть правее и выше центра снимка), — самая яркая и массивная в своем скоплении. Почти все галактики на снимке принадлежат этому скоплению: видно, насколько спиральная галактика больше каждой из них. Оптическое изображение из обзора SDSS имеет размеры 579×579 килопарсек. Фото из обсуждаемой статьи в The Astrophysical Journal

В заключение надо отметить, что открытие подобных галактик, хотя и важно само по себе — нечасто астрофизики обнаруживают с полсотни очень ярких, массивных и больших галактик, которые можно выделить в отдельный класс, — но еще и очень хорошо ложится в общую картину эволюции галактик, выполняя роль недостающего звена в теоретически предсказанных переходах галактик от спиральных к линзовидным. Осталось только скорректировать теории развития и эволюции галактик, чтобы в будущем построить полную, фундаментальную картину, в которой галактики разных типов займут свое законное место.

Источник: Patrick M. Ogle, Lauranne Lanz, Cyril Nader, and George Helou. Superluminous spiral galaxies // The Astrophysical Journal. V. 817. N. 2. Published 2016 January 26. (Статья доступна также как arXiv.org.)

Марат Мусин


Комментарии (12)



Последние новости: Эволюция галактикАстрофизикаВнегалактическая астрономияМарат Мусин

27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
29.02
Метрика Карла Шварцшильда: предыстория, история и часть постистории
11.02
Гравитационные волны — открыты!
26.01
Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной
25.12
Сверхновая вспыхнула еще раз в назначенное время в назначенном месте
11.12
Большинство ультрамощных рентгеновских источников в галактиках — обычные черные дыры
20.11
Нейтринная астрофизика делает первые шаги
22.10
Гравитационная линза помогла открыть новую экзопланету
25.09
Ученые из САО РАН продолжают поиск изолированных карликовых сфероидальных галактик

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия