15.09.2015

Плотное ядро галактики - индикатор скорого прекращения звездообразования

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 дает 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 идет в другом направлении: спиральные галактики в основном молодые (в них продолжают формироваться новые звезды), в то время как эллиптические галактики обычно мертвы (в них догорают звезды, 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. Мы называем галактику молодой, если там еще не закончен процесс звездообразования, то есть там еще есть запасы холодного водорода, который, сжимаясь под действием гравитации, формирует звезды. Старой же мы называем галактику, исчерпавшую запасы водорода. В то же время, в уже вроде бы мертвой галактике может пойти новая волна звездообразования. Причины этого могут быть разные, например поглощение галактикой своего карликового спутника или какое-нибудь другое воздействие, приводящее к перемешиванию вещества в галактике. Все 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 идет активное звездообразование, в то время как эллиптические галактики имеют красно-желтые цвета (рис. 2), то есть новых звезд там нет.

Связь между цветом галактики и формированием новых звезд 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 черного тела (а звезда - это как раз абсолютно черное тело), тем более голубым будет его цвет. А время жизни звезды на главной последовательности определяется только ее 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 еще живут сверхгиганты, которые образовались совсем недавно, и, скорее всего, новые звезды все еще рождаются. Это упрощенный подход, не учитывающий, например, того, что часть молодых звезд может быть все еще 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 звезд в центральной части галактик.

Согласно принятой на сегодня точке зрения, в нашей Вселенной существует сильная взаимосвязь между структурой галактики и характеристиками звезд, которые ее населяют. В частности, темп звездообразования (то, сколько звезд в год образуется в галактике), масса и морфология галактики связаны между собой: галактики с активным звездообразованием 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 звезд увеличивается при движении к центру галактики) обычно выше. Положение галактик на графике с осями «темп звездообразования» - «масса» меняется со временем, но тем не менее разделение на два класса остается неизменным. Это дает основания предполагать, что наличие более плотного ядра напрямую связано с процессом звездообразования: темп образования новых звезд в галактике резко падает тогда, когда плотность звезд 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 шел наиболее активно. Весь проект CANDELS ориентирован на изучение таких удаленных (и, вследствие эффекта Доплера, более красных) галактик. Отличное угловое разрешение телескопа «Хаббл» позволяет заглянуть в центральную часть галактик, удаленных 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, ее массы и массы звезд ее центральной части радиусом 1 килопарсек.

Темп звездообразования невозможно определить прямым наблюдением в телескоп: звезды не возникают хлопком на небосводе, чтобы можно было поставить в журнал еще одну галочку. Эту величину можно получить только по расчетам, 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 звезд, еще окруженных коконом из пыли и газа) с определенными 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 еще и «размазывается» по всей длине ПЗС-матрицы, падая ниже пределов ее чувствительности (рис. 3).

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

Затем все галактики были нанесены на график зависимости плотности звезд 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 зелеными точками). Астрофизики предположили, что это не нарушение закономерности, а, скорее, воздействие какого-то механизма, который ответственен за очень быстрый рост плотности звезд в центральной части таких галактик. Этот процесс назван «сжиманием», и, по мнению авторов, именно он является сигналом о том, что новые звезды скоро прекратят появляться в этой галактике.

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 растет очень быстро. Именно эти процессы, скорее всего, обуславливают затухание звездообразования 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.

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

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 звездообразование в них прекращалось. Этот процесс стабилен, он не зависит от изначальной массы галактики, ее возраста или морфологии. Полученный результат очень важен: он позволяет по косвенным наблюдениям предсказать, какие галактики скоро закончат формировать новые звезды. 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 - еще 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.

Марат Мусин

Источники:

1. elementy.ru