Изолированность угасших ультрадиффузных галактик объяснили их выбросом из скоплений

Распределение звездообразующих (синие звездочки) и угасших (красные звездочки) ультрадиффузных галактик в моделируемом объеме (размеры по каждой оси порядка десятков мегапарсек). В градациях серого показана общая галактическая структура

José Benavides et al. / Nature Astronomy Letters, 2021

Астрономы проанализировали формирование ультрадиффузных галактик с помощью космологических симуляций. Выяснилось, что часть угасших представителей этого класса — то есть галактик, в которых закончилось активное звездообразование — оказывается вдали галактических скоплений. Происходит это за счет взаимодействия с плотным галактическим скоплением, в результате которого ультрадиффузная галактика сначала теряет вещество и перестает формировать новые звезды, а потом отлетает от скопления на несколько мегапарсек. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy Letters.

Ультрадиффузными называют галактики, которые при сравнимых с Млечным Путем размерах содержат в сотни—тысячи раз меньше звезд — то есть они гораздо легче и тусклее, чем типичная крупная галактика, из-за чего их трудно наблюдать. Происхождение галактик с такими свойствами на сегодняшний день окончательно не установлено.

Согласно наблюдениям, ультрадиффузные галактики можно разделить на две группы: в одних происходит сравнительно активное звездообразование (с типичным темпом в диапазоне 0,001–1 масс Солнца в год), а другие уже угасли и не формируют новых звезд. При этом характерное расположение угасших галактик — плотные скопления галактик, а звездообразование обычно наблюдается в ультрадиффузных галактиках вне таких скоплений.

Такие данные согласуются с качественными представлениями о физике галактик. Находясь в скоплении, ультрадиффузная галактика теряет собственное вещество из-за взаимодействия с плотной окружающей средой, и ей становится не из чего делать новые звезды, тогда как вне скопления потери вещества не так интенсивны и материала для звездообразования достаточно.

Тем не менее некоторые угасшие ультрадиффузные галактики находятся вдали от плотных галактических скоплений, где плотности окружающей среды недостаточно, чтобы заставить галактику потерять много вещества. Чтобы объяснить такие наблюдения теоретически, уже не хватает качественных рассуждений и требуются подробные количественные модели и компьютерные симуляции.

Астрономы из Аргентины, Германии и США под руководством Хосе Бенавидеса (Jose Benavides) из Института теоретической и экспериментальной астрономии проследили за эволюцией ультрадиффузных галактик в гидродинамических космологических симуляциях. Ученые поместили в область с линейным размером в 50,7 мегапарсек (типичные расстояния между соседними крупными галактиками в скоплении — порядка мегапарсека, радиус же галактики типа Млечного Пути — около десяти килопарсек) около десяти миллиардов частиц с массами порядка 105 масс Солнца, которые моделировали обычное вещество и темную материю. Помимо гравитации, симуляция учитывала звездообразование, охлаждение и нагрев газа, эволюцию химического состава Вселенной, механизмы обратной связи для звезд и черных дыр и магнитные поля.

Авторы идентифицировали галактики по субгало (уплотнениям модельных частиц), которые содержали звездную компоненту массы. Для выявленных галактик вычислялись масса (звездная и полная), морфологический параметр (описывающий форму галактики) и характерный радиус — расстояние, в пределах которого содержится половина всей звездной массы галактики.

Отдельно взятую галактику исследователи относили к ультрадиффузным, если ее масса лежала в диапазоне 107,5—109 масс Солнца (отвечает наблюдениям) и среди галактик близкой массы она относилась к пяти процентам наиболее крупных по радиусу. Благодаря таким критериям смоделированные ультрадиффузные галактики по массам и размерам практически совпали с реально наблюдаемыми.

Начав симуляцию с красного смещения z=127, ученые смоделировали почти 14 миллиардов лет эволюции выделенного объема и проследили за итоговым распределением ультрадиффузных галактик в общей пространственной структуре.

Оказалось, что за время симуляции угасает примерно четверть ультрадиффузных галактик. При этом глобальная картина совпала с качественными ожиданиями: угасшие галактики в основном сосредоточены в скоплениях, а формирующие звезды — более равномерно разбросаны по разреженным областям.

Тем не менее астрономы обнаружили в итоговом распределении и изолированные угасшие ультрадиффузные галактики на расстояниях в несколько мегапарсек до ближайших скоплений. Детальнее проследив за их движением и темпом звездообразования во времени, исследователи выяснили, что такие объекты образуются в результате взаимодействия со скоплением на более раннем этапе эволюции (в среднем 5,5±2,5 миллиардов лет назад с длительностью взаимодействия около полутора миллиардов лет).

Сближаясь со скоплением, активно формирующая звезды галактика попадает в плотную среду и теряет материал, в результате чего угасает. При этом при удачной исходящей траектории ультрадиффузная галактика может покинуть скопление после взаимодействия и на масштабе миллиардов лет отлететь на расстояние в несколько мегапарсек от него.

Авторы отметили и другие свойства, которые отличают угасшие ультрадиффузные галактики от звездообразующих и позволят проверить результаты симуляции на адекватность с помощью наблюдений. В частности, форма первых всегда ближе к сфероидальной, тогда как среди вторых встречались и дискообразные, и сферические.

Кроме того, выброшенные из скоплений угасшие галактики по сравнению со звездообразующими галактиками той же звездной массы оказались в несколько раз легче — то есть потеряли не только обычное вещество, но и заметную долю темной материи (об этом же свидетельствуют профили плотности темной материи, которые у краев выброшенных из скоплений ультрадиффузных галактик более резкие, чем у похожих звездообразующих галактик).

Ранее мы рассказывали о том, как астрономы отыскали необычные ультрадиффузные галактики с низким содержанием железа и практически без темной материи.

Николай Мартыненко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.