Звездное население ядер галактик Сильченко, Ольга Касьяновна

Введение к работе

I. Актуальность проблемы

До недавнего времени считалось, что галактики в общем случае состоят из двух основных структурных компонент звездного населения - балджа сфероидальной формы и плоского диска. Предельные морфологические типы демонстрируют только один из двух компонент: эллиптические галактики - только сфероид, неправильные галактики -только диск. Однако в последние годы у многих исследователей появилось и окрепло ощущение, что ядра галактик - речь идет не о сейфертовских ядрах, а об ядрах нормальных, неактивных галактик -представляют собой не центральную часть балджа, а самостоятельную звездную подсистему в галактике. Прежде всего, при высокой поверхностной яркости, они очень компактны, а во многих галактиках, главным образом дисковых, - просто звездообразны. Пионерские работы Лауэра [1] по ядрам эллиптических и Корменди [2] по ядрам дисковых галактик выявили со всей очевидностью, что закон распределения поверхностной яркости Вокулера, в принципе справедливый для эллиптических и балджей спиральных галактик, в центрах галактик не выполняется: ядра имеют свой закон распределения плотности, радиальный масштаб которого, как правило, меньше 3-f5". В самое последнее время, когда стали поступать наблюдательные данные с Хаббловского телескопа, значения этих характерных масштабов еще уменьшились, и во многих случаях радиусы ядер оцениваются теперь в десятые и сотые доли секунды дуги [3,4]. Вслед за структурной обособленностью была обнаружена и динамическая обособленность ядер галактик, прежде всего, конечно, ближайших: в М зі и М 32 центральные области радиусом 1" (3 пс) -т. е. практически неразрешенные ядра - как выяснилось, вращаются

очень быстро и совершенно независимо от окружающих их балджей [5,6]; в том же 1988 году появились работы о динамической обособленности ядер и в более далеких галактиках - NGC 4594 [7,8] и ряде эллиптических [9,10] - но тут уже шла речь об областях радиусом несколько сотен парсек, и осталось непонятно: или это реальные размеры динамически выделенных ядер в гигантских галактиках ранних типов, или эффект худшего пространственного разрешения. После этих открытий на повестку дня с неизбежностью встал вопрос о звездном населении ядер галактик: каково оно вообще и отличается ли от звездного населения соседней подсистемы -балджа?

Свойства звездного населения ядер галактик мы до сегодняшего дня знаем плохо - и, может быть, даже не потому, что это тяжелая наблюдательная задача, а в большей мере потому, что интерпретация наблюдательных данных по звездному населению требует дополнительных немалых усилий. Интегральный спектр ядра представляет собой сумму спектров отдельных звезд, имеющих (в общем случае) различные массы, возраста, металличности, и чтобы корректно (или хотя бы физично) решить обратную задачу определения характеристик компонент по интегральному спектру, необходимо очень аккуратно строить модели звездного населения. Те считанные работы, которые все-таки были сделаны в области исследования звездного состава ядер галактик - я имею в виду работы Хекмана [11] и Бика и Аллоин [12], - совершенно неудовлетворительны ни по качеству наблюдательного материала - спектры снимались на маленьких 1.5-метровых телескопах, - ни по качеству моделей, построенных для интерпретации этого наблюдательного материала; а их общий вывод -что звездное население ядер всех галактик относительно ранних типов, от Е до Sb, одинаково, - представляется слишком грубым приближением реальности. В последние годы почувствовалось движение

в области исследования ядер эллиптических галактик - считается, что их население,- это старые звезды примерно одного возраста, а это значительно упрощает задачу интерпретации спектров. Появились обширные массивы спектральных и фотометрических наблюдательных данных для ядер эллиптических галактик [13,14] и самые современные, рафинированные модели для старого звездного населения с учетом вариаций металличности [15+17]. в целом, хотя наши представления о звездном населении ядер эллиптических галактик еще далеко не стабилизировались, но несомненный прогресс в этом направлении уже ощутим, и внимание нескольких сильных групп исследователей в США и Германии к этой проблеме не ослабевает, однако ядра дисковых галактик - значительно более сложные звездные системы - до сих пор представлялись белым пятном.

Между тем, без знания свойств звездного населения ядер галактик всех возможных морфологических типов невозможно создание никаких более или менее убедительных схем формирования и эволюции галактик в целом. Центр галактики - в известном смысле, выделенная точка; на происходящее в нем влияют не только глобальные характеристики галактики и ее эволюция в целом, но и взаимодействие галактики с окружением. Не говоря уже о прямых столкновениях и слияниях галактик, даже параболическое прохождение массивного объекта, как показали теоретические расчеты [18], вызывает существенную перестройку распределения вещества в центре галактики, в частности, образование минибара. Поэтому все схемы формирования и все гипотетические эволюционные события в жизни галактик, в принципе, должны тестироваться на предмет их последствий для ядер галактик - это очень эффективный способ проверки. Например, весьма популярное недавно представление о том, что все эллиптические галактики образовались путем бездиссипативного мержинга карликовых звездных систем, сейчас уже

можно считать потерявшим основу: при численном моделировании бездиссипативного мержинга центральные звездные сгущения - ядра -галактик-продуктов этого процесса получаются слишком большими по сравнению с наблюдениями [19]. Если же обратиться к динамически обособленным ядрам, то пока их находили только в эллиптических галактиках и пока речь шла только о вращении, еще можно было говорить о бездиссипативном мержинге; как только выяснилось, что в эллиптических галактиках динамически обособленные ядра выделены и по металличности [20], появилась необходимость сочетать мержинг и диссипацию; а поскольку в данной работе точно такие же ядра, выделенные и по плотности, и по металличности, обнаружены в спиральных галактиках, встает вопрос: а был ли вообще мержинг? Ибо в процессе слияния галактики не могут сохранить тонкими свои диски, и для спиральных галактик мержинг противопоказан. Таким образом, знание физических свойств звездного населения ядер галактик критично не только для представлений об эволюции самих ядер, но и для представлений об эволюции галактик в целом.

2. Цели работы

Основной целью данной работы являлось исследование звездного населения ядер галактик различных морфологических типов, то есть получение таких физических характеристик, как металличность и возрастной состав звездного населения, и сравнение этих свойств ядер с аналогичными свойствами звездного населения прилегающих участков балджа.

На пути решения этих задач я выделяю следующие промежуточные этапы:

1) Создание теоретической основы анализа интегральных спектров звездных систем, то есть расчет достаточно обширной совокупности

эволюционных моделей звездного населения и на их основе обоснование методов определения металличности и возрастного состава звездного населения по его интегральным цветам и линиям поглощения в интегральном спектре.

2) Получение достаточного количества фотометрических и
спектральных наблюдательных данных для ядер галактик и их
непосредственных окрестностей.

3) Анализ наблюдательных данных; определение по ним, с
использованием методов, разработанных на этапе 1), средней
металличности и возрастного состава звездного населения.

4) Интерпретация полученных результатов; построение гипотез о
связи свойств звездного населения ядер галактик с глобальными
характеристиками "материнских" галактик; обсуждение последствий
полученных результатов для теорий формирования и эволюции
галактик.

3. Научная новизна

і) При эволюционном моделировании интегральных спектров звездных систем с низким и средним спектральным разрешением впервые применен метод "стандартных временных точек", позволяющий нейтрализовать влияние дискретности исходного набора эволюционных .треков звезд.

2) При эволюционном моделировании интегральных спектров низкого
разрешения для звездных систем с несолнечной металличностью
впервые применен метод дифференциальных поправок за металличность,
позволяющий сочетать теоретический и эмпирический подходы при
подборе исходной библиотеки звездных спетров.

3) Предложен новый комплексный метод определения физических
характеристик сложного (разновозрастного) звездного населения по

интегральным спектрам с низким разрешением (50 А) в диапазоне 3000+7500 АА.

1. Предложен новый способ диагностики неданних мощных вспышек звездообразования в звездных системах по интегральным спектрам с низким разрешением в диапазоне 4900+7500 ЛА.

2. По наблюдениям с ЮОО-канальным сканером 6-метрового телескопа САО РАН получена самая большая для северного неба коллекция спектров ядер галактик различных морфологических типов, в диапазоне 3700+5500 АА, со спектральным разрешением 6+8 А.

3. Впервые обнаружено, что звездное население в ядрах 50% дисковых галактик ранних морфологических типов (SO+Sb) имеет промежуточный возраст, от I до 4 млрд. лет.

4. Впервые доказано, что соотношение химических элементов магния и железа в звездах ядер дисковых галактик всех морфологических типов, от SO до Sc, в основном солнечное, и показано кардинальное отличие ядер дисковых галактик от ядер эллиптических галактик по параметру [Mg/Fe].

8) Впервые прослежена единая зависимость
"металличность-светимость" для галактик со старым звездным
населением во всем диапазоне масс, от карликовых сфероидальных
галактик до гигантских эллиптических, и показано, что
индивидуальные отклонения галактик от средней зависимости
коррелируют с формой изофот, причем "ящикообразные" изофоты
сопровождаются избытком металличности до 2 раз.

9) По наблюдениям с новым панорамным мультизрачковым
спектрофотометром 6-метрового телескопа впервые получены
радиальные изменения эквивалентных ширин абсорбционных линий
магния MgIX5l75 и железа FeIA.X5270, 5335 в центральных (до
расстояния Ю" от ядра) областях 13 галактик различных
морфологических типов, от Е до Sb.

10) Впервые открыты химически выделенные (по отношению к
окружающему балджу) ядра в спиральных галактиках с
осесимметричными балджами и сильной концентрацией массы в центре.

11) Предложен и применен к 225 галактикам различных
морфологических типов оригинальный метод поиска химически
выделенных ядер галактик по данным мультиапертурных
фотоэлектрических наблюдений.

4. Научная и практическая ценность работы

Новые данные о физических свойствах звездного населения ядер галактик, полученные в этой работе, должны стать основой всех дальнейших построений в области теорий формирования и эволюции галактик. Так, соотношение содержания магния и железа в ядрах эллиптических и дисковых галактик практически определяет длительность эпохи формирования основного звездного населения и позволяет выбрать между непрерывным и вспышечным характером этого процесса. Существование единой зависимости "металличность - светимость" для галактик со старым звездным населением во всем диапазоне масс, скорее всего, исключает бездиссипативный мержинг как главный механизм формирования всех гигантских эллиптических галактик; однако корреляция отклонений от этой зависимости с формой изофот галактик показывает, что мержинг с известной долей диссипации, сопровождающийся вспышкой звездообразования в ядре, может играть существенную роль в химической эволюции некоторых галактик. Существование в некоторых эллиптических и дисковых галактиках центральных звездных сверхскоплений, обособленных как динамически, так и по свойствам звездного населения (металличности), обязывает теоретиков предусмотреть в эволюции галактик эпизоды, связанные с их формированием. В целом, все эти

результаты могут быть использованы теоретиками Ростовского гос. университета, Института астрономии РАН, ГАИШ, Санкт-Петербургского гос. университета при построении моделей образования и эволюции галактик различных морфологических типов.

Кроме того, обширный наблюдательный материал по спектрам и широкополосным цветам и статистика свойств звездного населения ядер и балджей галактик различных морфологических типов могут быть использованы для разделения тепловых и нетепловых компонент спектров активных ядер сейфертовских галактик и для сравнения характеристик околоядерного пространства в галактиках с разной степенью активности ядра. Эта практическая сторона данной работы может быть интересна исследователям активных ядер галактик в САО РАН и ГАИШ. Для нужд САО на их компьютерах уже реализованы программы эволюционного синтеза интегральных спектров звездных систем.

5. Апробация результатов

Основные результаты этой работы докладывались на следующих совещаниях и семинарах:

- на Всесоюзной конференции "Химическая эволюция галактик" (САО,
1985);

- на Юй Европейской региональной конференции MAC, секция
"Эволюция галактик" (Прага, 1987);

- на совещаниях рабочей группы "Нормальные галактики" (Киев, 1988,
и Тарту, 1987);

- на конференции Южной Европейской обсерватории "Структура,
динамика и химическая эволюция эллиптических галактик" (Эльба,
1992);

- на Симпозиуме МАС К 153 "Балджи галактик" (Гент, 1992);

на международной конференции "Газовые и звездные диски галактик" (САО, 1993);

а также на научных семинарах ГАШ, САО РАН, Института астрономии РАН, Парижского института астрофизики.

Є. На защиту выносятся:

1. Эволюционные модели интегральных спектров звездных систем с низким (50 А) и средним (10 А) спектральным разрешением. Предложено несколько диагностических диаграмм: (I,. ,B-V) '(низкое разрешение) и (<Н>,СаІІК) и (,MgIb) (среднее разрешение) для разделения эффектов возраста и металличности звездного населения, и (T-iiO'^MfJ (низкое разрешение) для поиска недавних мощных вспышек звездообразования.

2. Расчет эволюции распределения гигантских молекулярных облаков в дисках галактик под действием вязкости и динамического трения о звезды. Получена зависимость скорости натекания газа на центр галактики от глобальных характеристик галактики, в частности, от скорости вращения: чем быстрее вращается галактика, тем больше характерное время процесса.

3. Атлас спектров и каталог эквивалентных ширин 12 наиболее заметных спектральных линия поглощения для ядер 100 галактик различных морфологических типов. Спектры получены в результате наблюдения с 1000-канальнмм сканером 6-метрового телескопа.

4. Новая шкала металличности эллиптических галактик и единая зависимость "металличность-светшюсть" для старых звездных систем во всем диапазоне масс галактик (Му от -9^га до -23^й).

5) Обнаружение в ядрах 50% дисковых галактик ранних типов (от SO
до Sb) значительного звездного населения промежуточного возраста,
от I до 4 млрд. лет; обнаружение различия в соотношении магния и
железа в звездном населении ядер эллиптических и дисковых
галактик; и, как следствие, общий вывод о более длительной эпохе
основного звездообразования в ядрах дисковых галактик по сравнению
с эллиптическими.

6) Открытие химически выделенных ядер в дисковых галактиках с
осесимметричными балджами и сильной концентрацией массы в центре.

7. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Последний параграф каждой главы содержит основные результаты и выводы, относящиеся к данной главе, общий объем диссертации - 356 страниц, в той числе 50 рисунков и 26 таблиц; библиография содержит 313 наименований.