25.09.2015

Ученые из САО РАН продолжают поиск изолированных карликовых сфероидальных галактик

Группа ученых из Специальной астрофизической обсерватории в Карачаево-Черкессии с помощью спектрографа SCORPIO, установленного в главном фокусе телескопа, провела наблюдения еще трех карликовых сфероидальных галактик за пределами Местной группы и определила их скорости и точное положение. Все три галактики имеют такие же радиальные скорости, как и находящиеся рядом более массивные галактики, а значит, они скорее всего входят в состав небольших групп галактик, то есть не являются изолированными.

Не так часто приходится писать обзор работ по астрофизике, выполненных в России. Тем приятнее рассказать про результаты наших астрономов, которые были получены на шестиметровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН), расположенном в Карачаево-Черкессии. И хотя новости c САО приходят не каждый день, на телескопе идет чрезвычайно активная жизнь, график наблюдений расписан по дням до конца года.

Работа, о которой идет речь в обсуждаемой статье, была начата более 15 лет назад, когда в 1998 году в радиодиапазоне были обнаружены две карликовые сфероидальные галактики (обозначаются dSph - сокращение от dwarf Spheroidal), не входящие в состав Местной группы галактик. Таких галактик с тех пор было обнаружено не очень много, и еще более редки изолированные галактики dSph, то есть такие, которые не входят в состав групп галактик и гравитационно с ними не связаны.

К 2010 году один из авторов обсуждаемой статьи, Валентина Ефимовна Караченцева, отобрала по результатам работы с каталогом 2MASS девять кандидатов в изолированные галактики, включая две, открытые ею с коллегами (см. V. E. Karachentseva et al., 2010. Isolated dwarf galaxies in the local supercluster and its surroundings). 2MASS - это обзор всего неба, выполненный в инфракрасном спектре. Он имеет не очень хорошее угловое разрешение по сегодняшним меркам, зато отлично подходит для поиска протяженных, но тусклых объектов, таких как галактики типа dSph.

Точечными астрономы называют объекты, которые телескоп не разрешает, показывая их в виде точки (точнее, в виде функции рассеяния точки); все прочие объекты называются протяженными. Таким образом, даже сферически-симметричная галактика будет протяженным источником, если она достаточно близка, а какая-нибудь спиральная галактика, удаленная от нас на несколько мегапарсеков, будет все-таки точечной.

Четыре отобранных галактики уже были исследованы авторами ранее, и две из них действительно оказались изолированными. В новой статье, направленной для публикации в журнал Astronomy & Astrophysics, рассмотрены еще три галактики из этого списка - KKH 65, KK 180, и KK 227 (рис. 2). (Две буквы K в названиях галактик происходят от фамилий их первооткрывателей - В. Е. Караченцевой и И. Д. Караченцева.)

Наблюдения проводились с помощью спектрографа SCORPIO, установленного в главном фокусе телескопа. Ученые определили точное положение и скорости всех трех галактик. Каждая галактика в среднем наблюдалась в течение 100 минут - это очень значительное время для наземных телескопов, но даже при этом полученный спектр был достаточно тусклым (рис. 3).

Карликовые сфероидальные галактики - это очень редкие галактики, которые, однако, составляют большинство из 55 галактик нашей Местной группы. Это парадоксальное на первый взгляд утверждение не содержит противоречий. Большинство из сотен миллионов известных галактик состоят из миллиардов звезд, поэтому могут быть обнаружены на огромных расстояниях (рекорд на сегодняшний день принадлежит галактике EGSY8p7, которая находится на расстоянии 13,4 миллиарда световых лет от нас).

В то же время, карликовые сфероидальные галактики (dSph) содержат не более пары десятков миллионов звезд, по размерам сопоставимы с шаровыми звездными скоплениями, и их трудно обнаружить, даже если они находятся достаточно близко к нам. Изначально малая масса галактик типа dSph ведет к тому, что плотность звезд в них не очень высокая, а это еще сильнее уменьшает яркость галактики. Кроме того, новые звезды в них больше не образуются (о причинах этого см. ниже), а те, которые продолжают гореть, скорее всего являются желтыми или красными карликами, а это не самые яркие звезды. Все это настолько усложняет процесс поиска галактик dSph, что до 2005 года было известно всего девять галактик этого типа.

Надо отметить, что, несмотря на свои скромные размеры, они все-таки считаются галактиками, а не скоплениями, и тут есть четкий критерий. Дело в том, что эти небольшие тусклые галактики находятся внутри гало темной материи, в то время как звездные скопления формировались под действием только собственной гравитации, без помощи темной материи. И, кстати, среди всех известных нам типов галактик отношение темной материи к массе звезд в таких карликовых галактиках максимальное.

И вот таких интересных галактик найдено около 40 в нашей Местной группе, притом что не карликовых там всего около 15, включая нашу Галактику, крупнейшую в скоплении галактику Андромеды и галактику Треугольника. Космологические симуляции, моделирующие эволюцию скоплений галактик, (см., например, статью A. Klypin et al., 2014. MultiDark simulations: the story of dark matter halo concentrations and density profiles) предсказывают существенно большее количество карликовых галактик в Местной группе - до тысячи.

Дело в том, что во Вселенной почти всегда работает простой закон: чем объект массивнее, тем реже он встречается. Например, голубых сверхгигантов меньше, чем желтых карликов, а галактик со светимостью в десятки миллиардов солнечных меньше, чем со светимостью просто в миллиард солнечных. Поэтому если заложить в программу симуляции нашей группы галактик реальные физические законы (в том числе гравитационное взаимодействие с темной материей) и просто запустить туда множество частичек (это так называемая N-body симуляция), то они будут двигаться, образуя галактики именно в такой пропорции: много небольших галактик и чуть-чуть галактик покрупнее (вроде нашей или галактики Андромеды). Эти симуляции не могут служить точным доказательством чего-либо в силу несовершенства физических моделей, но если они достоверно предсказывают многие характеристики нашей Вселенной (такие как скорость формирования галактик, распределение обычного и темного вещества, скорости вращения галактик вокруг своей оси и прочее), то логично допустить, что и избыток карликовых сфероидальных галактик, полученный по результатам симуляции, тоже может существовать в действительности, а не быть ошибкой симуляции.

А раз так, значит эти карлики за счет своего количества (а суммарная масса этих галактик будет больше нашей Галактики примерно в 5 раз) существенно влияют на распределение массы и динамику вращения нашего Сверхскопления. Кроме того, часть свойств галактик типа dSph до сих пор остается загадкой для нас - во всех этих галактиках нет активного звездообразования и почти нет запасов водорода. Значит, либо у них был какой-то чрезвычайно эффективный механизм, отвечающий за образование звезд (что вряд ли), либо газ был гравитационно захвачен другой галактикой (рис. 4).

Это влечет за собой ряд последствий: например, звезды в таких галактиках должны были образоваться приблизительно в одно время и там должно быть мало межзвездного вещества, затрудняющего наблюдения. Все это делает такие объекты крайне увлекательными для изучения. И, конечно, для понимания механизмов образования и эволюции таких галактик надо сравнить их с такими же галактиками, обнаруженными вне нашей Местной группы. Именно такие галактики, носящие названия KKH65, KK180 и KK227, были изучены нашими астрофизиками.

Спектр KK227 (рис. 5) получился чрезвычайно необычным: в нем обнаружилась интенсивная линия магния, нехарактерная для карликовых галактик, к тому же она была сдвинута далеко в красную область. Оказалось, что на небосводе довольно тесно: сквозь эту карликовую галактику просвечивает квазар, который по случайности оказался на одной оси с ней и с нами. В оптическом диапазоне он достаточно тусклый и поэтому на рис. 2 неразличим.

Спектральные наблюдения позволили установить радиальные скорости галактик, а данные открытого Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) - их массы.

Заключительный этап работы состоял в том, чтобы определить, являются ли эти галактики изолированными или они гравитационно связаны с какой-то более массивной галактикой. Последнее более вероятно, потому что, как мы помним, именно такие массивные галактики должны быть ответственны за похищение водорода из карликовых сфероидальных галактик.

Результаты исследования, в целом, подтверждают эту теорию: все три галактики имеют такие же радиальные скорости, как и находящиеся рядом более массивные галактики, а значит, они, скорее всего, входят в состав небольших групп галактик, расположенных не далее, чем в 500 килопарсеках от них. Галактика KK227 принадлежит группе галактик Big Lick, галактика KK180, скорее всего, вращается вокруг галактики UGC 8036, которая находится на отшибе сверхскопления Девы (частью которой является наша Местная группа), а галактика KKH65 является вероятным компаньоном галактики NGC 3414, которая входит в группу галактик Лев II.

Таким образом, на сегодняшний день из девяти кандидатов, предложенных в 2010 году, изучено уже семь и только два из них подходят на роль изолированных карликовых сфероидальных галактик, подтверждая исключительную редкость подобных объектов (или, по крайней мере, исключительную сложность их обнаружения).

Источник: D. I. Makarov, M. E. Sharina, V. E. Karachentseva, I. D. Karachentsev. 6-meter telescope observations of three dwarf spheroidal galaxies with very low surface brightness // Статья подана в журнал Astronomy & Astrophysics.

Марат Мусин

Источники:

1. elementy.ru