Эволюция центральных областей галактик
Эволюция центральных областей галактик
О.К.
Сильченко, доктор физико-математических наук, ГАИШ, МГУ им. М.В. Ломоносова
Представления
о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20
лет. До этого считали, что на заре формирования звезд во Вселенной подавляющее
большинство галактик приобрело достаточно «законченный» вид, а потом начало
«эволюционировать». При этом под эволюцией подразумевалось рождение звезд и их
старение, но никак не заметные изменения формы галактик. Исключение составляют
сильно взаимодействующие соседние объекты, в которых могут разрушаться звездные
диски и появляться новые структуры (приливные хвосты, мосты и рукава). Но
сильно взаимодействующих галактик рядом с нами немного. А «нормальные»
галактики, как правило, производят впечатление динамически устойчивых объектов,
мало изменившихся за последние 10 млрд. лет. Грубо говоря, галактике суждено
быть спиральной, если она таковой родилась в силу определенных начальных
условий, и задача ученых – понять, с какими физическими параметрами связана её
«судьба». И хотя до сих пор разделяют понятия «образование галактик» и
«эволюция галактик», в последние годы грань между ними постепенно стирается.
Скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на
протяжении всей своей жизни. Почему же так сильно изменилась парадигма?
Иерархическая концепция
Похоже,
виноваты теоретики-космологи. Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали видимое
население Вселенной – галактики, – космологи пришли, в основном из
теоретических соображений, к выводу, что всю гравитацию и, следовательно,
динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя.
Раз она холодная и бесстолкновительная, у нее только один путь эволюции –
«кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться
на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие
и так далее. А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего
10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться,
сливаться, сливаться... Звезды образуются «попутно», в процессе слияний
структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая
концепция формирования галактик.
Ранние
работы космологов по формированию морфологической последовательности типов
галактик, появившиеся лет 10 назад, в достаточно категоричной форме утверждали:
первыми родились маленькие дисковые (спиральные) галактики, а гигантские
эллиптические, по иерархии – последние в цепочке, образовались не более 5 млрд.
лет назад, и все как одна – слиянием (большим мержингом) спиральных галактик.
Ограничения по массе галактик, установленные еще в рамках стандартной
космологической модели выглядели весьма жестко: до красных смещений z = 3 (в
первый миллиард лет жизни Вселенной) могли образовываться галактики массой не
более 108 М¤, до z = 1 (в первые 6 млрд.. лет жизни Вселенной) не более 1010
М¤, все, что массивнее, образовалось после z = 1. С тех пор спохватившиеся
наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов – 8 м VLT и SUBARU (Земля и
Вселенная, 2004, № 2) – нашли довольно много массивных галактик, с массой
звездного вещества больше 1011 М¤ (при z > 1.5). Оказалось, что население
гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных
окрестностях, уже было полностью на месте ~ 8 млрд. лет назад (z = 1), и
космологи стали менее категоричны. Однако сама иерархическая концепция
формирования галактик продолжает господствовать.
Центральным
элементом иерархической концепции является слияние. Различают, во-первых,
бездиссипативный мержинг – слияние галактик, состоящих только из звезд,
происходит без уменьшения общей энергии системы. Во-вторых, диссипативный мержинг,
происходит в присутствии газа, который высвобождает энергию. При этом в
областях с газом возникают ударные волны и вспышки звездообразования. Хотя
слияние двух тонких звездных дисков всегда приводит к их разрушению, однако
степень этого разрушения зависит от соотношения масс сливающихся объектов. Тут
тоже есть своя классификация. При большом (major) мержинге массы сливающихся
объектов близки, а при малом (minor) мержинге сильно различаются (не менее чем
1:5).
Отметим
еще один важный момент: между слияниями, особенно в поздние эпохи, проходит
иногда до нескольких миллиардов лет. Все это время галактика не дремлет, а
продолжает эволюционировать под действием неустойчивостей, как порождаемых
извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и внутренних, присущих
даже совершенно изолированным галактикам. Эта «спокойная» эволюция получила
название секулярной; хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма
существенным изменениям структуры.
Рассмотрим
подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние –
гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков, как звездных, так и
газовых; внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже
гравитационные), большие и малые слияния.
Эволюция изолированного диска
Тонкий,
звездный галактический диск без газа неустойчив относительно неосесимметричных
возмущений. Это означает, что через несколько оборотов вращения, за характерное
время порядка миллиарда лет, в изначально осесимметричном диске появится бар –
звездное уплотнение, вытянутое вдоль радиуса. Дальнейшая эволюция этого
уплотнения будет происходить уже в направлении, перпендикулярном плоскости
диска: звезды бара, продолжая вращение в диске, будут, кроме того,
раскачиваться вверх-вниз, и вскоре толщина центральной области диска
значительно увеличится по сравнению с толщиной во внешних областях. Так, в
процессе секулярной эволюции даже «чисто» звездного диска, галактика может
«нарастить» балдж (центральная сфероидальная структура в галактике) и
передвинуться по морфологической классификации из совсем поздних типов в более
ранние. А если кроме звезд в диске есть еще и газ? Тогда картина эволюции
меняется радикальным образом. Газ, составляющий обычно не более десятка
процентов от суммарной массы звезд, подчиняется гравитационному воздействию
звезд и тоже концентрируется к бару. Но поскольку, в отличие от звезд, газ
диссипативен, его облака могут неупруго сталкиваться. В баре газовые облака
прерывают свое регулярное вращение по замкнутым галактоцентрическим орбитам, в
ударных волнах теряют энергию, отдают свой момент вращения звездам и
устремляются прямо к центру галактики. Численное моделирование показывает, что
за характерное время порядка миллиарда лет б?льшая часть газа динамически
эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его
центре, в пределах радиуса около 1 кпк. Но поскольку при этом возникают большие
плотности, в данной области должно начаться звездообразование.
Рис.
1 – Эволюция изолированного звездного диска: а) изолированный тонкий звездный диск
с изначально осесимметричным распределением плотности звезд (вид сверху). Ось
симметрии проходит через центр перпендикулярно плоскости рисунка; б) диск с
баром, развившимся через время, равное нескольким периодам вращения галактики:
осевая симметрия распределения плотности звезд нарушена. Рисунки по модельным
расчетам А.В. Хоперского.
Так
выглядит секулярная эволюция изолированного диска в численных моделях,
рассчитанных современными астрономами Д. Фридли и В. Бенцем (1993, 1995). В
этих же моделях отмечается еще одна любопытная особенность: центра галактики
газ может достигнуть, только если он изначально вращался так же, как и звезды.
А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру
галактики, он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное
кольцо. Оно может долго вращаться, не падая на центр, и тогда вспышки
звездообразования не будет.
Эволюция изолированного диска
Что
происходит со структурой дисковых галактик, если они близко встречаются с
другими галактиками, продемонстрировали американские ученые А.Тумре и Ю.Тумре
еще в 1972 г. Даже самый грубый численный эксперимент хорошо воспроизводит
внешние приливные структуры – «мосты», «хвосты» и протяженные спиральные
рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики,
вовлеченной во взаимодействие. Позже, когда численные эксперименты стали более
рафинированными (детальными), как, например, у японского астронома М. Ногучи в
1987 г., выяснилось, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только
внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. А дальше –
все по сценарию, описанному выше для изолированных дисков. В конце концов весь
газ упадет в центр, и возможна мощная вспышка звездообразования.
Большие слияния
Численные
эксперименты, описывающие слияния двух дисковых галактик, с энтузиазмом
проводились последние 10 лет, поскольку такие явления – чуть ли не центральный
эпизод иерархической картины эволюции галактик. Если предоставить газовому
протогалактическому облаку эволюционировать в одиночестве, из него может
образоваться только дисковая галактика: некуда девать лишний момент вращения
газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий
формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 70-е
гг. И чтобы «образовать» практически не вращающуюся сфероидальную эллиптическую
галактику, придумали единственный возможный путь – слияние двух изначально
некопланарных (плоскости не совпадают) звездных дисков. Тогда в численных
экспериментах действительно получается сфероидальное звездное тело с профилем
поверхностной яркости, который наблюдается в реальных эллиптических галактиках.
Но куда денется газ, который изначально должен быть в дисковых галактиках,
«решивших» слиться? Вы, наверно, уже догадались. При столкновении дисков он
теряет энергию в ударных волнах, отдает момент звездам и падает в центр вновь
сформировавшейся эллиптической галактики, где его ожидает вспышка
звездообразования.
Малые слияния
При
малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика –
спутник с массой, например, 10% от массы «хозяйской» галактики. Расчеты
показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска,
спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую
момента, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к центру. В
течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в
пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник
приносит в центр? Большую часть своих звезд и газ, если изначально он у него
был. Если же изначально у него газа не было, все равно во время движения он
сильно возмутил газовый диск хозяйской галактики, усилилась турбулентность, и,
следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание
вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова
стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны
приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.
Вы
уже заметили? Все важные события в жизни галактик кончаются одним и тем же:
механизмы секулярной эволюции приводят к концентрации газа в центре галактики
и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования там. Причем газ, из-за
своей вязкой природы, как правило, представляет собой подсистему с малыми
(относительно скорости упорядоченного вращения) хаотическими скоростями облаков
и геометрией тонкого диска. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды,
скорее всего, также распределятся компактным околоядерным звездным диском. И
если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной
эволюции, разумнее всего поискать в центрах галактик компактные звездные диски,
отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим
содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо
проэволюционировавшего вещества. Там, кроме всего прочего, еще и самое яркое
место в галактике, поэтому легче наблюдать. Первые впечатляющие открытия
околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках, там, где
их найти никто не ожидал.
Диски в эллиптических галактиках
Эллиптические
галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными
звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на
друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в
трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может
иметь отношение видимых осей от 1 : 1 до 1 : 3. Вращается большинство эллиптических
галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками), они являются
динамически горячими системами, то есть у их звезд хаотические движения
(«дисперсия скоростей») преобладают над регулярным вращением. Однако, когда с
появлением чувствительных ПЗС-приемников точность измерений потоков повысилась
до 1% (и лучше!), а динамический диапазон позволил наблюдать самые центральные
области галактик, обнаружились любопытные вещи.
