Почему в дисках линзовидных галактик не идет звездообразование? Что такое эффект Батчера — Эмлера? Какие существуют концепции эволюции дисковых галактик? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Ольга Сильченко.

Хаббл сформулировал свою классификацию галактик окончательным образом в 1936 году. И эта схема, которая в астрономическом простонародье получила название «вилка Хаббла», предполагает, что слева находятся эллиптические галактики (это сфероиды однородного красноватого цвета), а справа — две ветви спиральных галактик. Спиральные галактики отличаются от эллиптических тем, что это плоские диски, и в этих плоских дисках заметны очаги звездообразования, организованные в спиральную структуру. Хаббл поместил между двумя такими большими классами галактик то, что он назвал гипотетическим классом линзовидных галактик.

Линзовидные галактики, с одной стороны, имеют однородный красноватый цвет, как эллиптические, то есть вроде бы не содержат видимого звездообразования, а с другой стороны, это галактики дисковые, то есть у них большой звездный диск, как у галактик спиральных. И в общем, как сейчас уже известно, эти диски поддерживаются вращением, то есть у них есть заметный момент. Общий предрассудок, что у линзовидных галактик балджи больше, чем у спиральных галактик, сейчас уже развеян. В результате детального исследования структур линзовидных галактик выяснилось, что в линзовидных галактиках встречаются как большие балджи, так и очень маленькие, бывают вообще линзовидные галактики практически без балджи, с одними дисками.

Но встает вопрос: почему в дисках спиральных галактик идет звездообразование, а в дисках линзовидных галактик звездообразование не идет? И существует ли какая-нибудь генетическая связь между спиральными и линзовидными галактиками, если структура у галактик очень схожая, а современное состояние звездообразования у них очень разное? Исторически возобладала идея о том, что линзовидные галактики — это спиральные галактики, в дисках которых выключили звездообразование. Механизмы выключения звездообразования предлагаются самые разные, и опять же исторически сложилось так, что с самого начала предложения по этим механизмам были связаны в основном с влиянием плотного окружения.

В 1977 году наблюдатели Батчер и Эмлер открыли свой эффект, он с тех пор так и называется — эффект Батчера — Эмлера. Они наблюдали состав галактик в скоплениях на красном смещении 0.4 и обнаружили, что состав скоплений галактик на этом красном смещении отличается от состава массивных скоплений рядом с нами, например от скопления Кома. Если рядом с нами массивные скопления галактик содержат в основном красные галактики, то на красном смещении 0.4 в таких же массивных скоплениях было много галактик голубых. Все закричали: «Эврика! На z=0.4 мы видим скопления в прошлом», — тогда еще в линзовидных галактиках шло звездообразование, а потом оно как-то выключилось, и на сегодняшний момент в скоплениях преобладают линзовидные галактики без звездообразования. Статистика морфологических типов галактик в скоплениях была очень хорошо сделана знаменитым Аланом Дресслером в 1980 году. Действительно, оказалось, что в близких скоплениях доминирующее население до 60% всех галактик — это линзовидные галактики, то есть это дисковые галактики без звездообразования.

Эффект Батчера — Эмлера стал основой большинства механизмов превращения спиральных галактик в линзовидные, которые были предложены теоретиками.

Потом подоспели космологи и подложили временную шкалу. Дело в том, что иерархическая концепция предполагает, что массивные скопления галактик начали образовываться совсем недавно, в частности, красное смещение 0.4 — 3–4 миллиарда лет назад. Это очень подходящий момент, для того чтобы начать гравитационным скучиванием собирать массивные группы и скопления. И именно с этим событием падения спиральной галактики из разреженного окружения в плотное под действием гравитации можно было бы и связать, казалось бы, событие выключения звездообразования в диске. Например, галактика попадает в окружение плотных соседей, и они гравитационно воздействуют на нее, обдирая приливным влиянием внешние области газового диска. Если газ из диска исчезает — естественно, прекращается и звездообразование. Или если у галактики был внешний резервуар холодного газа, то приливное гравитационное влияние этот резервуар может с нее содрать, она лишится источников внешней аккреции газа, собственный газ быстро израсходуется на звездообразование, и дальше уже источников газа не будет, и звездообразование само собой тихонечко затухнет.

Есть еще варианты с действием горячей межгалактической среды. Как известно, в богатых скоплениях есть рентгеновский газ, он наблюдается, и эта горячая межгалактическая среда динамическим давлением действительно обдирает газ из внешних областей спиральных галактик, если они быстро движутся через эту горячую межгалактическую среду. Ram pressure, лобовое давление горячей среды, напрямую наблюдается в ближних скоплениях, например в скоплениях в Деве, напрямую наблюдается и в рентгене, и в радиодиапазоне, как летящая спиральная галактика теряет газ из внешних областей, видны хвосты, которые по форме, по динамике полностью согласуются с предсказаниями теории о динамическом воздействии горячей межгалактической среды.

Казалось бы, когда предложено такое большое количество механизмов, можно уже успокоиться и не волноваться, проблема решена. Но дело в том, что выбрать из этих механизмов — это тоже отдельная проблема, и когда механизмов много, то теоретики идут стенка на стенку, каждый выбирает свой любимый механизм, и это мешает сформулировать согласованную и общепринятую теорию формирования линзовидных галактик из спиральных. Однако в какой-то момент все согласились об эпохе, когда произошло это массовое вылупление линзовидных галактик. С запуском хаббловского космического телескопа стало возможно исследование детальной морфологии далеких галактик на красных смещениях до единицы. И специально запущенный проект исследования морфологий галактик в далеких скоплениях под руководством Алана Дресслера показал, что, действительно, морфологический состав скоплений галактик меняется скачком на красном смещении 0.4. Это оказалась выделенная эпоха, скопления прослеживались примерно до красного смещения 0.8, и в скоплениях на красном смещении 0.7–0.8 доминировали спиральные галактики, а после красного смещения 0.4 они куда-то исчезали, и начинали доминировать линзовидные галактики.

Рекомендуем по этой теме:
8466
FAQ: Эволюция галактик

Эта красивая картинка с как бы заменой числа спиральных галактик на число линзовидных галактик произвела сильнейшее впечатление на мировое сообщество, и, казалось бы, вопрос с эпохой формирования линзовидных галактик был окончательно решен. Однако мы задались вопросом: как отразится это событие массового вылупления линзовидных галактик на свойствах звездного населения их дисков в настоящую эпоху рядом с нами? Ведь если линзовидные галактики в массе своей вылупились всего 4 миллиарда лет назад, это значит, что еще 4 миллиарда лет назад в дисках близких к нам линзовидных галактик шло звездообразование, и это значит, что возраст звезд в близких к нам линзовидных галактиках во внешних областях должен быть порядка 4–5 миллиардов лет.

Мы можем это измерить, мы можем исследовать близкие галактики с большой детальностью, с большой точностью. И мы действительно сделали такие спектральные наблюдения на шестиметровом телескопе в Специальной астрофизической обсерватории Академии наук, и мы дотянулись до внешних дисков линзовидных галактик, до которых до нас никто, в общем, не дотягивался.

Мы сделали хорошие накопления, померили возраст звезд с высокой точностью и пришли к совершенно неожиданным результатам.

Оказалось, что внешние диски близких линзовидных галактик, как правило, очень старые, у 60% галактик возраст звезд в дисках больше 10 миллиардов лет. Это означает, что на красном смещении 2 звездообразование, может быть, и шло, но потом оно точно было остановлено, ни о каком красном смещении 0.4 и 0.5 речи уже не идет. Причем есть корреляция с окружением — именно в плотном окружении самые старые диски у линзовидных галактик. То, что наблюдает эффект Батчера — Эмлера на красном смещении 0.4, судя по всему, не имеет никакого отношения к формированию внешних дисков линзовидных галактик. Может быть, звездообразование шло в центральной области, и отсюда голубой цвет на z=0.4, но старые внешние диски линзовидных галактик были уже на красном смещении 2. И этот удивительный факт совершенно не вписывается в современные представления о формировании линзовидных галактик.

Подумав, я сформулировала новую концепцию именно для эволюции дисковых галактик — как линзовидных, так и спиральных. Получается, что если диски линзовидных галактик очень старые, то это население возникло на красном смещении 2, и, таким образом, линзовидные галактики были как бы первичным населением. То есть не линзовидные галактики сформировались из спиральных, а, скорее всего, спиральные галактики сформировались из линзовидных.

Посмотрим на нашу собственную Галактику: у нее есть толстый диск с возрастом около 12 миллиардов лет, и у нее есть тонкий диск, в котором самые старые звезды имеют возраст 8–9 миллиардов лет. Это означает, что 10 миллиардов лет назад наша собственная Галактика была линзовидной, у нее был толстый старый диск без признаков звездообразования. Потом, через миллиард лет, началось новое звездообразование, связанное, скорее всего, с тем, что началась аккреция газа, нашелся внешний источник аккреции газа, и началось звездообразование, началось формирование тонкого диска.

Эта судьба, скорее всего, типична для судеб всех дисковых галактик: сформировались сначала все галактики как линзовидные, и большинство из них потом, после красного смещения 1, нашло источник внешней аккреции газа — может быть, действительно начали падать спутники. Если нашелся хороший стабильный источник внешней аккреции газа, пошло звездообразование в тонком диске, и галактика стала спиральной. Если же судьба галактики сложилась так, что внешний источник аккреции не нашелся — например, галактика попала в плотное окружение (в плотном окружении с аккрецией внешнего холодного газа большие проблемы), — тогда линзовидная галактика, которая изначально сформировалась как линзовидная, просто останется линзовидной из-за того, что у нее нет источника аккреции внешнего холодного газа, нет топлива для звездообразования, для формирования тонкого диска. И тогда действительно все становится на свои места и с возрастом звезд в дисках, и с общим направлением эволюции дисковых галактик.