Как газ ляжет

Ученые давно задавались вопросом, в каком эволюционном порядке шло формирование галактик разных типов — эллиптических, спиральных, линзовидных. Согласно современному взгляду, первыми должны были сформироваться спиральные галактики, а уже из них — образовываться эллиптические. Но какое место в этой картине занимают галактики линзовидные, обладающие отдельными характеристиками обоих перечисленных типов? Российские астрофизики, изучившие движение газа в ближайших 18 линзовидных галактиках, доказали, что они предшествует спиральным, которые способны возникнуть из линзовидных при строго определенных условиях. Астрофизики Ольга Сильченко и Алексей Моисеев, соавторы работы, рассказали N + 1 о полученных результатах.

Камертон Хаббла

Исследование галактик как звездно-газовых систем, находящихся за пределами Млечного пути, началось в первые десятилетия XX века с классических работ Эдвина Хаббла. В 1926 году он опубликовал первую схему «морфологической классификации» галактик, которая сейчас известна как «вилка Хаббла» (отечественные астрономы иногда употребляют более возвышенное сравнение — «камертон Хаббла»).

Группируя галактики по внешнему виду, Хаббл выделил «эллиптические галактики», обладающие однородным красным звездным населением, — они на его схеме располагаются слева, вдоль «ручки» вилки, — и «спиральные галактики» с голубыми спиральными ветвями разной степени раскрытости и клочковатости. Для спиральных галактик Хаббл отвел место справа, и располагаются они вдоль двух «зубцов» схемы — спиральные галактики с вытянутой перемычкой в центре и без нее.

Практически сразу, классифицируя пространственные формы галактик по статистике видимой вытянутости их изображений, Хаббл пришел к выводу, что эллиптические галактики — это сфероиды со сравнимыми размерами по всем трем осям, а спиральные галактики — это плоские дисковые системы, у которых толщина диска заметно меньше его радиуса.

Позже, в 1936 году, Хаббл ввел переходный между эллиптическими и спиральными галактиками морфологический тип — линзовидные галактики. Они однородные и красные на вид, как эллиптические, но по трехмерной структуре абсолютно похожи на спиральные — это тоже протяженные звездные диски.

Интересно, что создавая свою схему, Хаббл назвал эллиптические галактики «ранними типами», а спиральные — «поздними типами». Это сразу породило подозрения, что в свою классификацию Хаббл заложил эволюционный смысл: первыми, вероятно, появились эллиптические галактики, как самые простые по структуре и однородные по свойствам звездного населения, а уже потом к ним начали пристраиваться внешние дисковые структуры, звездообразование в которых идет до сих пор, — так, вероятно, оформились галактики спиральные.

Однако в книге 1936 года Хаббл решительно опроверг такое толкование его схемы: он написал мелким шрифтом примечание, что имел в виду только внешний вид галактик («морфологию») и ничего не знает про их происхождение. И все решили, что, скорее всего, разница во внешнем виде галактик связана с различными начальными условиями их формирования — например, с различным угловым моментом протогалактического облака.

«Ранние», «поздние», линзовидные

Время шло, астрономическая мысль развивалась, и к концу XX века, когда в умах астрономов воцарились космологические «сценарии» эволюции всей Вселенной сразу, схеме Хаббла снова придали эволюционный смысл. Только направление эволюции перевернули: не слева направо, а справа налево.

Действительно, если звездный компонент галактик формируется из газа внутри гало темной материи, а любое гало темной материи изначально имеет вполне определенный момент вращения, который оно передает газу, первыми должны формироваться протяженные звездные диски — то есть спиральные галактики «поздних типов».

Некоторые дисковые галактики потом могут встретиться и слиться в одну — вслед за слиянием своих темных гало, которые в рамках популярного и общепринятого космологического сценария иерархически скучиваются под действием гравитации и увеличивают свою массу за счет постоянных слияний друг с другом. А расчеты показывают, что когда сливаются две дисковые галактики сравнимых масс, получается одна большая эллиптическая.

То есть согласно современным космологическим моделям эллиптические галактики должны формироваться последними, хотя они и «ранних типов».

А что же сейчас думают про происхождение линзовидных галактик, которые по структуре дисковые, но по звездному населению — старые? Лишенные спиральных ветвей и очагов интенсивного текущего звездообразования, линзовидные галактики являются одним из камней преткновения в современных теориях формирования и эволюции галактик.

Большинство исследователей считают, что линзовидные звездные системы возникают в результате быстрой потери газа из дисков спиральных галактик под воздействием внутренних, а чаще внешних факторов.

Теряется газ — прекращается звездообразование, и, сохраняя свою дисковую структуру, галактика становится красной. Поскольку из наблюдений известно, что среди населения близких скоплений до 60 процентов всех галактик — линзовидные, идея с внешним воздействием и выметанием газа из диска при «вхождении» спиральной галактики в скопление стала очень популярна.

Как стать спиральной галактикой

Однако если мы аккуратно посчитаем морфологические типы галактик в ближней Вселенной, то выяснится, что среди близких линзовидных галактик хорошо если четверть являются членами скоплений; остальные «проживают» в достаточно разреженном окружении. Есть и совершенно изолированные линзовидные галактики. Эти-то как могли трансформироваться из спиральных?

Недавно появился альтернативный взгляд, согласно которому все было наоборот: спиральные галактики возникли из линзовидных. На красном смещении двойка, 10 миллиардов лет назад, звездообразование в дисках галактик шло не так, как сегодня.

Сегодня звездообразование в дисках спиральных галактик идет в тонком газовом слое, очень холодном, формирующим молекулярные облака при сжатии в спиральных волнах плотности. Время исчерпания молекулярного газа на звездообразование в близких галактик — около 2–3 миллиардов лет.

А 10-12 миллиардов лет назад массивные газовые диски были толстыми и турбулентными, и эффективность звездообразования в гигантских газовых облаках — «сгустках» — была так высока, что весь газ в диске превращался в звезды за время всего в полмиллиарда лет. Тогда все дисковые галактики, быстро закончившие формирование своего звездного населения, были линзовидными.

Некоторым из линзовидных галактик, включая наш Млечный Путь, удалось позже, в последующие 8 миллиардов лет, захватить из внешнего окружения достаточно газа для «строительства» новых звезд уже в тонком диске; а другим галактикам повезло меньше. Первые превратились в спиральные, а вторые остались линзовидными.

Причем известно, что самые неблагоприятные условия для захвата холодного газа извне именно в скоплениях галактик — там холодного газа практически нет, он весь разогрет до температур в десятки миллионов градусов. Именно поэтому в близких к нам скоплениях подавляющее большинство галактик так и остались линзовидными с того далекого времени, когда звездообразование в «сгустках» газа было очень эффективным и быстрым.

Галактика и ее газовый диск

Российские астрономы на шестиметровом телескопе САО РАН (БТА — Большой Азимутальный Телескоп, о его истории можно прочитать здесь) уже давно исследуют близкие линзовидные галактики, чтобы понять, как они могли сформироваться и чем их жизненный путь отличается от такового у спиральных галактик. В 2012 и 2014 годах были опубликованы (здесь и здесь) результаты исследования свойств звездного населения в протяженных дисках 27 линзовидных галактик — их возраста и химического состава.

Выяснилось, что большинство дисков — очень старые, старше 10 миллиардов лет; и чем плотнее окружение галактик, тем меньше вероятность найти в их дисках хоть какое-то количество молодых звезд. Это полностью противоречило идее о том, что плотное окружение совсем недавно остановило звездообразование в дисках нынешних линзовидных, бывших спиральных, галактик.

Теперь же мы при поддержке Российского научного фонда (грант номер 17-12-01335) выполнили детальное спектральное исследование движений, химического состава и физического состояния газа в 18 близких линзовидных галактиках в разреженном окружении. При этом специально выбирались галактики с протяженными газовыми дисками.

Наблюдения на БТА тоже подтверждают новый эволюционный сценарий. Они позволили детально картировать распределение скоростей газа и понять, что в подавляющем числе линзовидных галактик газ явно недавно захвачен извне. Но только если газ «упал удачно», точно в плоскость звездного диска, его плотность растет и в плоскости диска начинается звездобразование.

И такие удачливые линзовидные галактики, которым все-таки удалась аккреция хотя бы небольшого количества газа извне, формируют свои новые молодые звезды в кольцах, а не в спиральных рукавах. Если же газ не упал в плоскость звездного диска и продолжает вращаться на орбитах в наклонной плоскости, то он не формирует новых звезд.

Таким образом, различие между линзовидными и спиральными галактиками определяется интенсивностью и/или геометрией захвата (аккреции) газа: если газ в больших количествах натекает точно в плоскости диска, галактика получит свой тонкий диск и разовьет спиральную структуру. Если же газа мало или он не натекает в плоскости диска, тогда тонкий диск не формируется (в лучшем случае образуется кольцевая «нашлепка» на старом диске) и галактика остается линзовидной.

Метод «спектральной томографии»

Стоит отдельно остановиться на методе наблюдений, с помощью которого изучались движения газа. Традиционная астрономическая спектроскопия со щелевым спектрографом здесь не очень эффективна, так как в результате мы узнаем распределение скоростей только вдоль узкого разреза. Но в объектах со сложной структурой измерения вдоль другого направления могут сильно отличаться.

На помощь приходят методы панорамной (3D) спектроскопии, позволяющие получить спектры от каждой точки, находящейся в поле зрения. По всему миру на современных крупных телескопах имеются приборы для различных реализаций панорамной спектроскопии. Каждый из этих приборов имеет собственные параметры.

При этом шестиметровый телескоп САО РАН остается самым крупным из оптических инструментов, на котором регулярно выполняются исследования движений ионизованного газа с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо. Этот метод наблюдений (в составе многорежимного прибора SCORPIO-2 на БТА) обеспечивает уникальное сочетание большого поля зрения, что важно для близких галактик, с относительно высоким спектральным разрешением.

Высокое спектральное разрешение необходимо, чтобы лучше различать движения газа по лучу зрения. Глядя на картинку, представляющую пример наблюдения со сканирующим интерферометром, легко понять, почему такой материал называют «кубами данных», а саму спектроскопию — трехмерной.

Две координаты X и Y — пространственные, в картинной плоскости, а третья — спектральная. Сам «куб данных» можно представить как набор монохроматических изображений в узком диапазоне длин волн. Если смотреть на куб со стороны наблюдателя, то в каждом пикселе изображения содержится индивидуальный спектр.

Иногда такую методику называют «спектральной томографией». Ее данные позволяют в деталях разобраться, как именно движется ионизованный газ в галактиках.

Измеряя доплеровские смещения спектральных линий в таком «кубике», можно понять, как движется газ по лучу зрения в каждой точке галактики. Подробный анализ таких распределений лучевых скоростей по телу галактики — полей скоростей газа — позволяет восстановить ориентацию плоскости концентрации облаков газа в пространстве, понять, где они совпадают со звездным диском, а где — выходят из его плоскости.

Главный двигатель эволюции галактик

Теоретический сценарий эволюции галактик во Вселенной, предложенный ранее космологами, сейчас подвергается существенной корректировке, и инициаторами этой корректировки выступили наблюдатели. Действительно, огромное количество самых разнообразных наблюдательных данных, в разных диапазонах длин волн, для галактик далеких и близких, оказалось трудно уложить в картину, где главными событиями эволюции всех галактик предлагалось считать слияния.

Большинство галактик ближней Вселенной — спиральные, с тонкими, быстро вращающимися звездными дисками; все их свойства говорят о том, что они ни с чем большим не сливались последние 10 миллиардов лет. А что же тогда главное в эволюции галактик, что определяет их структуру и динамику? Почему галактики такие разные?

Опять же наблюдателями, и к тому же наблюдателями, специализирующимися на свойствах нашей собственной Галактики — Млечного Пути, уже давно был сделан вывод, что в жизни спиральной галактики главное — постоянный приток холодного газа извне. Без этого притока не удается объяснить ни химический состав звезд Млечного Пути, ни темпы формирования новых звезд.

Этот вывод недавно был распространен и на все спиральные галактики ближней Вселенной: у всех у них основой жизни является питание текущего звездообразования потоками газа извне. Насчет источников этого газа можно еще подискутировать — это может быть первичный космологический газ из жгутов крупномасштабной структуры темной материи или это могут быть самые обыкновенные спутники, падающие на свою большую центральную галактику, — но питание газом извне должно быть обязательно.

Но почему же только у спиральных галактик? А если недалеко от спиральной галактики случилась линзовидная — почему на нее газ не падает и звездообразование не зажигает?

Мы в наших работах даем ответ на эти вопросы. Все зависит от доступного количества газа — в скоплениях галактик холодного газа мало, и поэтому там преобладают линзовидные и эллиптические галактики, в которых сейчас звездообразование не идет. Но не только размер резервуара газа имеет значение. Важно также, с какого направления газ падает на галактику.

Это стало особенно важно примерно 8 миллиардов лет назад — до этого времени газа во Вселенной было так много, что он падал со всех направлений сразу. Питаемые им диски были толстыми и турбулентными, но это не мешало им эффективно образовывать звезды, поскольку газа было действительно много.

А вот когда газа стало мало, — на красном смещении единица, — многое стало зависеть от того, с какого направления газ придет в диск галактики, потому что внешние потоки не только несут массу, но вместе с ней — еще и момент вращения.

Если поток газа приходит строго в плоскости диска — он «подкручивает» диск и надстраивает его внешние области. В этом случае галактика может образовывать из этого холодного газа молодые звезды, строить свой тонкий звездный диск и развивать в нем спиральную структуру.

А вот если газ падает в диск плотным потоком под большим углом, то он греется от удара и не может образовывать звезды. Звездный диск галактики остается старым, толстым и динамически горячим. Этот именно тот случай, случай линзовидных галактик с газом, который мы исследовали в нашей работе.

Ольга Сильченко, Алексей Моисеев

Исследование линзовидных галактик выполнено за счет гранта РНФ № 17-12-01335