Щільне ядро галактики — індикатор швидкого припинення зіркоутворення

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 61

Ріс. 1. Спіральна галактика NGC 300, де зараз йде активне зіркоутворення. Фото з сайту jpl.nasa.gov

Астрофізики проаналізували велику вибірку галактик в діапазоні червоного зміщення z від 0,5 до 3 (тобто таких, світло від яких йшло до нас приблизно від 5,2 до 11,6 млрд світлових років). Їх цікавило, чи пов’язані структурні особливості розподілу зірок у галактиці з активністю зіроутворення в цій галактиці. З’ясувалося, що у «старих» галактик, в яких зірки вже не народжуються, щільність центральної частини підвищена. Це відкриття дає можливість відносно просто передбачати еволюцію галактики.

У першій половині XX століття Едвін Хаббл запропонував класифікацію галактик, згідно з якою спочатку еліптичні галактики в процесі еволюції стають або спіральними галактиками з перемичкою («баром»), або спіральними галактиками без перемички. Ця класифікація отримала назву послідовність Хаббла, або «камертон Хаббла» (оскільки її графічне зображення за формою нагадує камертон). Пізніше стало зрозуміло, що типів галактик багато більше і їх еволюція йде в іншому напрямку: спіральні галактики в основному молоді (в них продовжують формуватися нові зірки), в той час як еліптичні галактики зазвичай мертві (в них догорають зірки, які давно утворилися, і нових там не очікується).

Визначити вік галактики можна, оцінивши вік найстаріших зірок галактики, — але для цього їх треба якось поспостерігати. Коли ж ми говоримо про галактики на значних червоних зміщеннях, то поняття віку взагалі досить умовне. (Червоне зміщення z = 1 вже можна назвати значним: світло від об’єкта, що спостерігається на такому зміщенні, було спущено, коли Всесвіту було близько 5,9 млрд років, тобто коли він був більше ніж удвічі молодшим; детальніше про червоне зміщення див. новину Раніше, далі, червоне, «Елементи», 19.09.2006.) Ми називаємо галактику молодою, якщо там ще не закінчено процес зіркоутворення, тобто там ще є запаси холодного водню, який, стискаючись під дією гравітації, формує зірки. Старою ж ми називаємо галактику, яка вичерпала запаси водню. У той же час, у вже начебто мертвій галактиці може піти нова хвиля зіркоутворення. Причини цього можуть бути різні, наприклад поглинання галактикою свого карликового супутника або якийсь інший вплив, що призводить до перемішування речовини в галактиці. Все це людство дізналося за останні 60-80 років.

Такий прогрес багато в чому пов’язаний зі зміною техніки спостереження: відколи світло від галактик стало падати не на сітківку ока астронома, а на фотопапір і, пізніше, на ПЗС-матрицю, з’явилася можливість точно визначати кольори кожної галактики. Виявилося, що спіральні галактики в основному блакитного кольору (рис. 1), а значить, в них йде активне зіркоутворення, в той час як еліптичні галактики мають червоно-жовті кольори (рис. 2), тобто нових зірок там немає.

Ріс. 2. Еліптична галактика ESO 325-G004. Її жовтоватий колір означає, що в ній майже не утворюються нові зірки. Фото з сайту en.wikipedia.org

Зв’язок між кольором галактики і формуванням нових зірок ґрунтується на двох добре відомих речах: законі зміщення Вина і часу життя зірки на головній послідовності (див. також: Діаграма Герцшпрунга — Рассела). Відповідно до закону зміщення, чим вище температура абсолютно чорного тіла (а зірка — це якраз абсолютно чорне тіло), тим більш блакитним буде його колір. А час життя зірки на головній послідовності визначається тільки її масою: більш важка (а значить, більш яскрава і гаряча) зірка швидше вичерпає запаси ядерного палива і закінчить своє життя спалахом надновою. Таким чином, якщо спостерігається галактика має блакитний колір, то там зараз ще живуть надгіганти, які утворилися зовсім недавно, і швидше за все нові зірки все ще народжуються. Це спрощений підхід, який не враховує, наприклад, того, що частина молодих зірок може бути все ще оповита шаром газу і пилу, а значить, ми їх будемо бачити як великі області інтенсивного інфрачервоного випромінювання, — але він, тим не менш, корисний для розуміння важливості визначення кольору галактики.

У статті групи астрофізиків на чолі з Гільєрмо Барро (Guillermo Barro) з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі, підготовленої для публікації в Astrophysical Journal, розповідається про спробу знайти свідчення переходу галактик з молодих у старі. Ми знаємо, що це відбувається, коли виснажуються запаси «резервуарів» з воднем, розкиданих по галактиці, але виявити такі холодні хмари в галактиках на великих червоних зміщеннях безпосередньо неможливо, тому необхідно знайти якісь вторинні ознаки. І ось такою ознакою, на думку астрофізиків, може виступати щільність зірок у центральній частині галактик.

Згідно з прийнятою на сьогодні точкою зору, в нашому Всесвіті існує сильний взаємозв’язок між структурою галактики і характеристиками зірок, які її населяють. Зокрема, темп зіркоутворення (скільки зірок на рік утворюється в галактиці), маса і морфологія галактики пов’язані між собою: галактики з активним зіркоутворенням зазвичай більше в розмірах і мають менший градієнт щільності речовини (грубо кажучи, речовина в них розподілена рівномірно). А пасивні галактики такої ж маси більш компактні і їх індекс Серсика (параметр, що характеризує, наскільки швидко щільність зірок збільшується при русі до центру галактики) зазвичай вище. Положення галактик на графіку з осями «темп зіркоутворення» — «маса» змінюється з часом, але тим не менш поділ на два класи залишається незмінним. Це дає підстави припускати, що наявність більш щільного ядра безпосередньо пов’язане з процесом зіркоутворення: темп утворення нових зірок у галактиці різко падає тоді, коли щільність зірок у центральній частині галактики перевищує критичне значення.

Робота почалася з вивчення великої вибірки галактик, отриманих телескопом «Хаббл» в рамках довготривалого проекту CANDELS з вивчення позагалактичних об’єктів у ближньому ІК-діапазоні. Ці галактики лежать в інтервалі червоних зміщень 0,5 z

За доступними даними інших телескопів була складена дискретна спектральна щільність випромінювання, яку використовували для визначення червоного зміщення кожної галактики, її маси і маси зірок її центральної частини радіусом 1 кілопарсек.

Ріс. 3. Принципова схема спектрографа. Спектр віддаленої або тьмяної галактики лежатиме в основному в ВК області, до якої фотодіоди матриці не дуже чутливі. Схема з сайту sites.google.com/site/cpektr2013

Темп зіркоутворення неможливо визначити прямим спостереженням у телескоп: зірки не виникають бавовною на небосводі, щоб можна було поставити в журнал ще одну галочку. Цю величину можна отримати тільки за розрахунками, вибравши ту чи іншу модель. Наприклад, можна об’єднати дані ультрафіолетового випромінювання (від яскравих молодих надгігантів, які утворилися зовсім недавно) і інфрачервоного випромінювання (частина якого прийшла від тільки що сформованих зірок, ще оточених коконом з пилу і газу) з певними коефіцієнтами. Проста на словах, навіть ця перша частина дослідження нетривіальна: отримати повний потік випромінювання від галактики в інфрачервоному спектрі неможливо, тому що його енергія і так менше, ніж в оптичному, а при розкладанні в спектр випромінювання ще й «розмазується» по всій довжині ПЗС-матриці, падаючи нижче меж її чутливості (рис. 3).

Тож вченим знову довелося вдатися до моделей, за допомогою яких вони відновили зразковий профіль ВК-випромінювання всього за трьома точками, отриманими космічною обсерваторією «Гершель». Результатом цього етапу став поділ всієї вибірки на два класи: активні блакитні галактики з зіркоутворенням і пасивні червоні.

Потім всі галактики були нанесені на графік залежності щільності зірок в центральній області від маси галактики (рис. 4). Поділ на два класи при цьому залишився. Різні типи галактик лежать у різних, добре різних областях площини графіка за винятком групи компактних, але при цьому дуже активних галактик (на графіку вони позначені зеленими точками). Астрофізики припустили, що це не порушення закономірності, а, швидше, вплив якогось механізму, який відповідальний за дуже швидке зростання щільності зірок в центральній частині таких галактик. Цей процес названо «стисканням», і, на думку авторів, саме він є сигналом про те, що нові зірки скоро припинять з’являтися в цій галактиці.

Ріс. 4. Графіки залежності щільності зірок у центральній області від маси галактики для різних червоних зміщень. Сині точки — галактики з активним зіркоутворенням, червоні точки — пасивні галактики, зелені точки — молоді активні галактики з підвищеною щільністю в центральній частині. Важливо звернути увагу на збільшення числа спокійних галактик з плином часу: на крайньому лівому графіку (відповідає віку Всесвіту приблизно 2,6 млрд років) їх майже немає, в той час як на крайньому правому (вік Всесвіту приблизно 7 млрд років) їх вже значна кількість. Графіки з обговорюваної статті

Стискання відбувається, коли щось порушує динамічно стабільний розподіл речовини в галактиці. Це може бути зіткнення галактик, поглинання галактикою свого карликового сусіда, викиди речовини з активного ядра галактики, гравітаційне захоплення пилу і газу з міжгалактичного середовища — в цьому випадку щільність центральної частини галактик росте дуже швидко. Саме ці процеси, швидше за все, обумовлюють загасання зіркоутворення в ранньому Всесвіті (рис. 5). У більш пізній час, коли такі екстремальні процеси вже рідкісні, зростання щільності центру галактик може бути пов’язаний з банальним тертям: речовина, обертаючись в галактиці по своїх орбітах, втрачає кутовий момент і потихеньку мігрує в центр точно так само, як МКС постійно наближається до Землі через тертя об верхні шари атмосфери.

Ріс. 5. Загальний напрямок еволюції галактик. Молоді галактики блакитного кольору з менш щільним ядром потрапляють спочатку в перехідний клас «зелених» галактик, що вже мають високу щільність зірок в центрі, але в яких все ще йде зіркоутворення, а потім стають пасивними червоними галактиками з яскраво вираженою центральною частиною. По вертикальній осі відзначено відношення маси центральної частини галактики до її повної маси, по горизонтальній — повна маса галактики. Окремо треба відзначити загальне збільшення розмірів галактик у міру зменшення червоного зміщення (зліва направо). Малюнок з обговорюваної статті

Таким чином, можна сказати, що наявність щільного ядра галактики — це необхідна умова для припинення зіркоутворення.

Автори статті спробували встановити універсальний закон міграції галактик з одного класу в інший, який би працював аж до червоного зміщення z = 3. Їм вдалося показати, що, дійсно, протягом як мінімум 6,5 мільярдів років галактики обзаводилися щільним ядром, перш ніж зіркоутворення в них припинялося. Цей процес стабільний, він не залежить від початкової маси галактики, її віку або морфології. Отриманий результат дуже важливий: він дозволяє за непрямими спостереженнями передбачити, які галактики скоро закінчать формувати нові зірки. Раніше у нас не було подібних методів.

Крім цього, вчені встановили, що швидкість збільшення щільності в центрі галактик змінюється в процесі еволюції нашого Всесвіту: швидке нарощування маси в центрі характерно для великих червоних зміщень (тобто відбувалося, коли Всесвіт був молодим), в той час як зараз такі події рідкісні і «стиснення» центральної частини відбувається повільніше і плавніше, часто зберігаючи дискову структуру галактики. Виходить, що еволюція галактик і еволюція всього Всесвіту тісно пов’язані між собою. Такий результат — ще одна цеглинка в будівлю нашого розуміння загальних законів, за якими утворюються і змінюються всі галактики.

Джерело: 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-1916 ing and quiescent galaxies//Стаття подана в Astrophysical Journal.

Марат Мусін