Алексей Моисеев

Астроном

Газ в галактиках с полярными кольцами

Для того чтобы восстановить картину формирования Вселенной, современным космологам приходится, в частности, искать редкие космические объекты, сохранившиеся с самых первых этапов существования нашего мира. Одним — и при этом редким — классом таких объектов являются галактики с полярными кольцами. Но мало найти такую галактику, необходимо еще понять, как она сформировалась. Новая работа российских астрономов помогла установить происхождение сразу 15 объектов такого типа. Подробнее о галактиках с полярными кольцами, о сути открытия и его значении мы попросили рассказать одного из авторов — ведущего сотрудника САО РАН доктора физико-математических наук Алексея Моисеева.

С точки зрения как внешнего вида, так и внутренней динамики галактики в Ближней Вселенной можно разделить на два больших класса: дисковые, в которых доминирует вращение звезд и газа в одной плоскости («форма регулируется вращением»), и сфероиды или эллипсоиды разной степени сжатия, где хаотические движения доминируют над регулярным вращением.

Конечно, по внешнему виду они более разнообразны, что демонстрирует классическая классификация галактик, или «камертон Хаббла». В дисках могут формироваться спирали и перемычки, как в нашем Млечном Пути, линзовидные системы спиралей лишены, а чтобы разглядеть диск в иррегулярных карликовых галактиках, требуются серьезные усилия.

Эллиптические системы также разнообразны, среди них есть гиганты и карлики, но и там часто удается выделить характерное направление вращения, пусть скорости его и ниже, чем у хаотических движений.

Выпадающие из этой схемы так называемые пекулярные галактики в подавляющем большинстве случаев — короткоживующие системы в процессе слияния. Но есть интересное исключение из правила «если есть регулярное вращение, то оно происходит в плоскости диска». Это — галактики с полярными кольцами (ГПК), редкий тип астрофизических объектов, выделяющиеся своим необычным внешним видом, когда наблюдаются внешние кольца или даже диски из звезд, газа и пыли, вращающиеся примерно перпендикулярно к диску центральной галактики.

Детальное рассмотрение структуры и динамики ГПК позволяет не только уточнить роль внешних взаимодействий и слияний в эволюции галактик, но и изучить особенности распределения гравитационного потенциала на больших радиусах. Действительно, так как наблюдается вращение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то появляется возможность изучить трехмерное распределение массы в галактике, в том числе определить форму темного гало: сплюснутость, вытянутость, отклонения от осевой симметрии.

Первые наблюдательные подтверждения существования ортогонально вращающихся подсистем в нескольких близких галактиках были получены еще в 70-80-х годах прошлого века. Новый импульс эти исследования получили после выхода в 1990 году каталога Polar Ring Catalog (PRC, Whitmore et al.).

Каталог содержал 157 галактик, отобранных на основании имевшихся на тот момент фотографий, но из них только для шести уже имелось кинематическое подтверждение, то есть было обнаружено вращение газа или звезд в полярной плоскости, а еще 27 галактик относились к категории «хороших кандидатов», которые еще требовалось проверять, отсекая случайные проекции галактик на луч зрения.

Публикация каталога PRC стимулировала более детальное изучение этих объектов, как наблюдательное, так и теоретическое. Несмотря на свою относительно редкую встречаемость во Вселенной, полярные кольца являются зримым подтверждением того, что в ходе своей эволюции галактики набирают массу из окружающего пространства, захватывая, в том числе, и вещество с иным направлением вращения, чем у основной галактики.

В большинстве случаев захваченная материя достаточно быстро «сваливается» (прецессирует) в основную плоскость под действием притяжения диска галактики. Такая судьба ожидает, к примеру, известную карликовую галактику в созвездии Стрельца, уже сильно разрушенную приливными силами Млечного Пути. Вытянутые гравитацией Млечного Пути звезды карликового спутника образуют петли «звездных потоков», несколько напоминающих полярные кольца, правда, чрезвычайно низкой яркости.

Расчеты показывают, что перпендикулярные к галактическому диску (полярные) орбиты оказываются устойчивыми, так что захваченный газ может вращаться на них достаточно долго, образуя новые звезды. Таким образом, полярные кольца являются окаменевшими следами более общих процессов формирования галактик.

Полярные кольца могут сформироваться разными путями. Например, лобовым столкновением двух перпендикулярных друг другу дисковых галактик. Однако чаще должен происходить захват (аккреция) вещества с менее массивных богатых газом компаньонов, как это показано на кадрах компьютерной симуляции ниже, взятой из статьи Bournaud & Combes (2003):

В последние годы в качестве источника внешнего вещества для ряда ГПК все чаще предлагаются космологические филаменты холодного газа. Это гипотетические объекты, о которых практически нет наблюдательной информации (за исключением отдельных косвенных подтверждений), но они предсказываются в численных расчетах в рамках современной космологии.

Стандартная космологическая картина предполагает, что на первых этапах расширения Вселенной частицы темной материи сперва скучивались таким образом, что наиболее массивные сгустки соединялись системой нитей («космическая паутина»). В дальнейшем газ начинал оседать в эти филаменты, а уже оттуда — захватывался крупными зародышами будущих галактик.

Вот почему поиск хотя бы косвенных наблюдательных свидетельств существования филаментов, так красиво выглядящих в теоретических компьютерных симуляциях, важен для правильного понимания процессов формирования и эволюции структур во Вселенной.

В частности, для самой близкой к нам и наиболее изученной ГПК — NGC 4650A — был предложен сценарий формирования массивного полярного кольца в результате захвата газа непосредственно из филамента. Модельная картина достаточно хорошо согласуется с наблюдениями, а компьютерную симуляцию того, как филамент «наматывается» на галактику, можно даже увидеть на YouTube:

Но не ясно, является ли случай NGC 4650A редким стечением внешних обстоятельств, либо же заметная часть известных полярных колец действительно свидетельствует о непосредсвенном захвате газа из филаментов.

Одним из важнейших параметров в пользу выбора той или иной модели является содержание в межзвездном газе элементов тяжелее водорода и гелия. Астрономы называют этот параметр «металличностью», хотя не обязательно речь идет о металлах в химическом смысле. Так, в наблюдениях ионизованного газа чаще всего измеряется «металличность» кислорода и азота, относительно распространенных элементов.

Сильно пониженное содержание тяжелых элементов в массивном полярном кольце может, наряду с другими факторами, указывать на захват газа из реликтового филамента, не прошедшего «обогащения» в термоядерных реакциях в недрах звезд. В частности, для NGC 4650A говорилось о весьма низком относительном содержании кислорода (1/5 от солнечного).

К сожалению, достаточно надежные данные о химическом составе газа имелись лишь для нескольких близких полярных колец. Остальные — довольно далекие и тусклые объекты, сложные для детального изучения.

Новым шагом в данном направлении явилась работа нашей группы, недавно опубликованная в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, с препринтом статьи можно ознакомиться в arXiv.org.

Используя универсальный спектрограф SCORPIO-2 на крупнейшем в Евразии 6-метровом оптическом телескопе БТА, мы изучили состояние ионизованного газа в 15 галактиках с полярными кольцами. Наблюдались объекты из нового каталога полярных колец, ранее составленного нами на основании рассмотрения цифровых изображений галактик Слоановского обзора неба (Moiseev и др. 2011, подробнее — в пресс-релиз САО РАН).

Сами наблюдаемые данные выглядели следующим образом:

Анализ полученных спектров позволил в три раза увеличить число ГПК с измеренным относительным содержанием кислорода. Оказалось, что везде металличность близка к солнечной, что говорит об отсутствии заметной доли необогащенного «изначального» газа.

Таким образом, в исследованных объектах полярные кольца сформировались не из космологических филаментов, а менее «экзотическим» способом (через захват вещества галактик-спутников). Так что знаменитая NGC 4650A оказывается особым уникальным объектом.

Кроме того, наблюдаемое излучение газа говорит о том, что существенную роль в его ионизации играют ударные волны, возникающие при столкновении газовых облаков кольца со звездным диском галактики. Этот эффект давно предсказывался, но ранее наблюдался лишь в одной галактике.

Новые данные, полученные на 6-метровом телескопе САО РАН, показывают, что во внутренних областях ГПК ударные волны существенно влияют на интенсивность наблюдаемых эмиссионных линий газа, по которым обычно оценивают содержание тяжелых элементов, и этот эффект необходимо принимать в расчет.

Исследование газа в полярных кольцах выполнено за счет средств гранта Российского Научного Фонда РНФ № 17-12-01335.

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.