В каких направлениях происходит аккреция газа в линзовидных галактиках? Почему 70% дисковых галактик становятся спиральными, а 15% — линзовидными? Чем объясняется морфологическое различие между спиральными и линзовидными галактиками в окружении сходной плотности? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Ольга Сильченко.

Галактики с полярными кольцами поначалу воспринимались как экзотика. Действительно, наблюдается галактика — дисковая галактика, линзовидная галактика, — но газ находится не в ее звездном диске, а, как правило, почти под прямым углом, то есть вращается в полярной плоскости. Самая близкая к нам галактика такого типа, NGC 2685, получила название «веретено», но впоследствии исследования показали, что основное тело галактики не является «веретеном», это диск, видимый с ребра, а вот газ на расстоянии несколько килопарсеков от центра вращается действительно в плоскости, близкой к полярной.

Такой класс галактик поначалу рассматривался как экзотический, и каталог, составленный в 1990 году Уитмором, содержал всего несколько десятков галактик такого типа, но они сразу привлекли всеобщее внимание, потому что динамикам очень понравилась идея проследить вращение в двух перпендикулярных плоскостях: это как бы позволяет восстановить трехмерную форму потенциала и в первую очередь трехмерную форму потенциала темного гало, а форма темного гало — это проблема, которая всех сейчас интересует.

Рекомендуем по этой теме:
10048
Звездное население галактики

Существуют видимые противоречия между предсказаниями численных моделей, которые хотят, чтобы темные гало были триаксиальными, и наблюдениями, которые в общем намекают на то, что гало скорее сферические. Динамиков много, это вообще очень большое сообщество, и поэтому их интересы всегда очень заметны в обществе. Это, собственно, был их интерес — продвижение галактик с полярными кольцами как тема для наблюдений. Однако исследования со временем показали, что газовые структуры в галактиках, особенно в дисковых галактиках ранних типов, линзовидных галактиках, очень часто по геометрии и вращению совершенно не согласуются с распределением и вращением звездного компонента.

На сегодняшний момент я могу примерно сказать, что около 20% всех линзовидных галактик содержат околополярные газовые структуры разного масштаба — это или совсем маленькие близъядерные диски, или крупномасштабные диски размером в несколько килопарсеков. Но тем не менее такие структуры очень часты, особенно они часты в галактиках вне плотного окружения, где, как мы предполагаем, более хорошие условия для аккреции внешнего газа. Это, в общем-то, естественно. Если у нас происходит аккреция внешнего газа, вам никто не пообещал, что она должна происходить в плотности звездного диска. Допустим, если аккреция газа представляет собой падение спутников из орбитальной группировки, то орбитальный состав спутников может быть очень разным, падать они могут на основной диск галактики под очень разными углами.

Полярная ориентация газового диска выделена динамически, потому что она устойчива.

Если спутник падает под углом, то такой газовый диск неустойчив. Он будет стремиться либо к основной плоскости галактики, к звездному диску, либо к полярной ориентации. С динамической точки зрения только две такие плоскости являются устойчивыми для вращения на протяжении миллиардов лет, а все промежуточные системы неустойчивы.

Поэтому мы наблюдаем либо газ в плоскости, либо газ в полярной плоскости. Но поскольку, предположим, газ может падать с произвольных направлений, то в принципе такие ориентации более или менее равноправны. Поэтому, я полагаю, полярные диски — это рядовое явление в линзовидных галактиках, в галактиках ранних типов. И именно то, что полярных дисков много, как бы намекает на то, что аккреция газа происходит в самых произвольных направлениях.

Полярные диски сейчас опять же используются сторонниками холодной аккреции филаментов. Очень привлекательно увидеть такой газовый диск в ориентации, не похожей на ориентацию основного звездного диска галактики, и тут же прицепить к нему холодный космологический филамент. Но если полярный диск натек из холодного космологического филамента, то это означает, что газ там должен иметь очень маленькую металличность, химический состав, близкий к первичному.

Наши итальянские коллеги — Энрика Йодиче (Enrica Iodice), она как раз возглавила группу по массовому измерению химического состава газа в полярных дисках, — исследовали сейчас полдюжины объектов, и вроде как у них получается, что металличность действительно низкая. Но наше исследование, хотя мы по количеству еще не набрали достаточной статистики, показывает, что если мы к полярным кольцам присоединим еще газ в линзовидных галактиках, который, может быть, находится не в полярной плоскости, но явно имеет кинематику, не связанную с газовым компонентом, то есть тоже недавно аккрецировал, то у таких газовых образований химический состав оказывается близок к солнечному.

Наша группа, молодой исследователь-аспирант Иван Катков и я, поставили задачу выяснить содержание, кинематику и химический состав газа в выборке изолированных линзовидных галактик. Линзовидные галактики в этом смысле хороши тем, что предполагается, что у них нет собственного газа в дисках и он не мешает выявить изначальные свойства аккрецированного газа. И выяснилась любопытная вещь: в выборке изолированных линзовидных галактик более 70% имеют газовые системы, хотя считается, что линзовидные галактики газа лишены, раз там не видно мощных очагов звездообразования, и в 50% случаев, когда мы видим газ, он видимым образом вращается в другую сторону по отношению к звездам, то есть явно имеет кинематику, не связанную с звездным компонентом, не связанную с основным диском галактики.

Мы считаем, что такой газ, естественно, пришел извне, это была внешняя аккреция, скорее всего, недавняя, и из общих соображений, если газ падал с произвольного направления, половина систем будет иметь газ, вращающийся примерно в ту же сторону, половина — вращающийся в другую сторону. То есть в нашей выборке мы исследуем газ, конкретно пришедший извне недавно. Оказалось, что химический состав такого газа всегда близок к солнечному. И это исключает аккрецию внешнего газа из космологических филаментов, поскольку из космологических филаментов должен приходить газ, очень бедный металлами.

Мы считаем, что аккреция происходит из системы спутников, из орбитальной группировки спутников.

Если спутники вращаются, грубо говоря, в сфероидальной системе вокруг дисковой галактики, то направление падения действительно может быть произвольным, распределение момента аккрецированного газа будет произвольным. Карликовые спутники имеют газ меньшей металличности, чем гигантские галактики, существует корреляция «масса — металличность» у галактик, и химический состав приходящего газа будет ниже солнечного, но при небольшом добавочном звездообразовании он очень быстро подтягивается до уровня солнечного химического состава, и мы имеем то, что имеем, — то, что мы наблюдаем в изолированных линзовидных галактиках.

И тут с нашими результатами по аккреции внешнего газа на изолированной линзовидной галактике мы снова выходим на общеконцептуальные вопросы. Когда мы имеем дело с галактиками в разреженном окружении, то, казалось бы, у всех дисковых галактик должны быть системы спутников, у всех дисковых галактик идет аккреция газа извне. Почему же 70% становятся спиральными, а 15% становятся линзовидными? Нам кажется, что тут дело в орбитальных свойствах группировки спутников. Во-первых, если у нас спутники сориентированы в плоскости основного диска галактики, то аккреция будет идти в плоскости основного диска, и тогда такой газ может течь ламинарными спокойными потоками, охлаждаться, уплотняться, и это создает лучшие условия для звездообразования. Если же он падает под большими углами, близкими к полярным, то волей-неволей возникает ударная волна при прохождении потенциала основного диска галактики, газ разогревается, и условия для звездообразования плохие.

Таким образом, если аккреция идет в плоскости основного диска, мы получаем спиральную галактику со стационарным звездообразованием, если же спутники падают под большими углами, скорее всего, условий для стационарного звездообразования не будет, мы получим галактику линзовидную без звездообразования в диске.

Рекомендуем по этой теме:
12815
FAQ: Эволюция галактик

Второй вопрос — это расстояния до ближайших спутников и скорости, с какими они обращаются вокруг основной галактики. Статистика показывает — группа Караче́нцева опубликовала в 2013 году это исследование, — что почему-то у изолированных линзовидных галактик скорость ближайшего спутника значительно больше отличается от скорости основной галактики, чем это наблюдается у спиральных галактик. То есть мы видим, что у спиральных галактик разница скоростей между спутником и основной галактикой меньше, и это улучшает опять же условия для того, чтобы такой спутник в самое ближайшее время упал на основной диск. Если же орбитальная группировка динамически горячая, то есть скорости сильно отличаются от скорости центральной галактики, то условия для аккреции опять же значительно хуже, и мы получаем обедненный газовый состав в основном диске и худшие условия для звездообразования. Может быть, эти два обстоятельства и различия в свойствах группировок спутников вокруг дисковых галактик и объясняют морфологическое различие между спиральными и линзовидными галактиками в тех случаях, когда и те и другие находятся в окружении сходной плотности.