English
Галактики низкой яркости
К.ф.-м.н. Абрамова О.В. под редакцией д.ф.-м.н. Засова А.В.
- Введение
- Характеристики галактик низкой яркости
- Показатели цвета
- Содержание газа и отношение 'MHI/LB-светимость' в галактиках низкой поверхностной яркости
- Кривые вращения
- Дисперсии скоростей
- Начальная функция масс звезд
- Металличность и пыль
- Темп и характер звездообразования
- Протяженные ультрафиолетовые диски (XUV)
- Заключение
- Список литературы
Введение
У большинства авторов галактиками низкой яркости (low surface brightness galaxies
или LSB-галактиками) называются галактики, центральная поверхностная face-on
яркость которых в полосе B слабее 23
, но в определениях встречаются и другие
значения центральной поверхностной яркости, например, О'Нейл [1], Жонг и др. [2]
определяют LSB как галактики, для которых центральная поверхностная яркость в полосе В слабее 22.
Эти объекты гораздо сложнее для изучения и идентификации, чем нормальные галактики (high surface brightness galaxies или HSB-галактики). Большая часть галактик низкой яркости — карликовые галактики (голубые или красные), однако наблюдаются и гигантские LSBGs. О возможности существования гигантских галактик низкой яркости впервые заявил Цвикки (Zwicky) в 1957 году, позднее этот вопрос был исследован Арпом (Arp) в 1965-ом и Диснеем (Disney) в 1976-ом гг., а первый дисковый объект такого типа — гигантская галактика низкой яркости Malin 1 — был открыт в 1987 году [4]. Этот объект является уникальным и выделяется по своим свойствам даже на фоне остальных гигантских галактик низкой яркости, о нем еще пойдет речь ниже. До Malin 1 были известны карликовые эллипсоидальные галактики низкой яркости, открытые в 30-х годах ХХ столетия, такие как галактики местной группы Fornex A и Дракон.
Рис. 1: Оптические изображения трех LSB-галактик (расположены в порядке возрастания массы
HI) [3]
Вклад LSB-галактик в население локальной группы галактик долгое время
недооценивался по причине их низкой яркости и, как следствие, трудностей с их
обнаружением. Однако последние данные наблюдений позволяют предположить, что
LSBGs могут составлять до половины населения Локальной группы галактик. Большой объем статистических данных получен по результатам обзора SDSS [2]: в статье собрана статистика для более чем 12 000 face-on галактик низкой яркости с μ0B от 22 до 24,5(среднее значение — 22,5). Для галактик выборки получены величины радиальных шкал диска (2 кпк < h < 19 кпк) и интегральные абсолютные звездные величины
(-23m < MB < -18m со средним значением -20,06m), подтверждены найденные в более ранних работах корреляции между log h и MB, log h и log D, log D и log MB, в
то время как связи между μ0B и log h, MB, показателями цвета и т.д. не обнаружено.
Авторы отмечают, что более яркие LSB-галактики выборки, как правило, более красные [2].
Рис. 2: Пространственное распределение галактик как функция центральной поверхностной
яркости. LSB-галактики расположены в левой части диаграммы. Видно, что наблюдаемая
пространственная плотность на несколько порядков выше предсказанной законом Фримана [5].
Светимости галактик низкой яркости попадают в диапазон светимостей нормальных галактик, однако при фиксированной светимости LSB-диски имеют более низкую поверхностную яркость и большую шкалу, чем HSB-диски. Существуют галактики низкой яркости разных морфологических типов, и у большинства из них нет балджей. Предполагается, что заметную роль в эволюции этих галактик играет очень протяженное темное гало низкой плотности, а сами они являются объектами, в которых темная материя доминирует на всех расстояниях от центра и наблюдается систематическое увеличение отношения масса/светимость при уменьшении центральной поверхностной яркости.
Большинство LSB-галактик всех светимостей удовлетворяют условию экспоненциального уменьшения яркости диска с R (см., например, [2, 5, 7, 8] и рис. 3). Массивные LSBGs имеют яркий центральный балдж и диффузный диск, который обычно содержит различимые спиральные ветви. Этим они отличаются от многих менее массивных LSBGs, у которых нет заметного ядерного балджа и для которых часто невозможно выявить спиральную структуру. Наличие отчетливого центрального балджа в LSBGs может являться как эффектом селекции (все массивные LSBGs сначала были обнаружены в оптике), так и следствием большого гравитационного потенциала в центре массивной системы.
Рис. 3: Радиальные профили светимости и показателей цвета галактик низкой яркости на примере
LSB-галактики ESO 546-G09 [7].
Галактики низкой яркости имеют в среднем более высокие значения радиальных шкал диска, чем HSBGs сходной светимости (см., например, [2]), а также более быстрое вращение для данной светимости. Радиальные шкалы голубых LSBGs лежат между шкалами нормальных LSBGs дисков и богатых газом карликовых галактик.
Рис. 4: Радиальные шкалы спиральных галактик разных типов [7] (a) и галактик низкой яркости из
SDSS [2] (b) как функция абсолютной звездной величины в полосе B.
Очень мало LSB-галактик обнаруживают высокую активность ядер, но у порядка 50% дисковых LSB-галактик с большой радиальной шкалой (в том числе у Malin 1) ядра показывают некоторую активность и имеется нормальный балдж со светимостью MB от -18 до -20 [5], в то время как звездный диск очень слабый (низкая яркость) и протяженный. В нескольких гигантских LSB-галактиках были найдены AGN. Исследование 21-ой спиральной галактики нормальной и низкой поверхностной яркости, видимых с ребра, показало, что по крайней мере в том, что касается структуры, галактики низкой яркости не являются чем-то исключительным: размеры балджей и дисков, радиальные масштабы и т.д. у них одного порядка и следуют одним и тем же соотношениям [9]. Балджи галактик низкой яркости имеют меньшую металличность звезд по сравнению с балджами в нормальных спиралях, что подтверждает результат, основанный на анализе эмиссионных линий: области звездообразования в LSBGs также менее металличные, чем области звездообразования в HSBGs. Балджи в LSBGs обычно несколько меньше, чем в нормальных галактиках. При этом маленькие балджи бедны металлами по сравнению с балджами больших размеров. Это находится в согласии с моделью секулярной эволюции, в которой балдж формируется независимо от диска, при этом в маленьких балджах идут более слабые процессы звездообразования и более медленная аккреция, приводящая к более бедному металлами звездному населению [9].
Рис. 5: SDSS — изображения трех гигантских галактик низкой яркости Malin 1, UGC 6614, UGC 9024 и галактики промежуточного типа UGC 6879 [31].
Рис. 6: Изображения трех галактик низкой яркости в линии Hα [6].
Гигантские галактики низкой яркости на больших масштабах следуют, как и нормальные галактики, крупномасштабной структуре, и не заполняют пустоты, обнаруженные ранее в крупномасштабной структуре Вселенной. Однако они имеют тенденцию группироваться к внешнему краю ячеек в крупномасштабном распределении галактик. Исследования ближайшего окружения на малых масштабах (< 2 — 5 Мпк) показали, что галактики низкой яркости более изолированы, чем нормальные галактики [6].
Характеристики галактик низкой яркости
Показатели цветаСредние показатели цвета галактик низкой яркости составляют: (U — B) = -0.17±0.05, (B-V) = 0.49±0.04, (V-I) = 0.89±0.04, при этом корреляции между центральной поверхностной яркостью галактики &mu0 и интегральным показателем цвета (B-V) нет [2, 5]. Наиболее голубая из известных галактик низкой поверхностной яркости — это UGC 12695, ее (U-I) = -0.2, но встречаются и довольно красные системы, у которых (B-V) > 1.0. Экстремально красные показатели цвета не наблюдаются, но пока предполагается, что их отсутствие есть результат недостаточной статистики [1].
Основную часть наблюдаемых LSB-галактик условно можно разделить на голубые и красные. Голубые цвета 'голубых' галактик может объяснить комбинация наблюдаемой низкой металличности и низкого содержания пыли в таких галактиках. В то же время комбинация низкой металличности, более сильного поглощения пылью и возрастных эффектов позволяет объяснить тренд в сторону более красных цветов и больших радиальных масштабов для остальных галактик низкой яркости.
Корреляция между показателем цвета (B-V) и радиальной шкалой яркости обнаружена для всех галактик низкой поверхностной яркости, которые наблюдали Бергвалл и др. [7]. Большая часть из 26 галактик выборки (голубые, красные и гигантские галактики низкой яркости) имеет заметный радиальный градиент показателей цвета (оптика — ближний ИК). Для большинства из них (но не для всех) этот градиент цвета вызван наличием радиального градиента среднего возраста звезд (звезды во внешних областях галактики в среднем более молоды, чем звезды, расположенные во внутренних областях этой галактики). Аналогичная связь между радиальными градиентами показателей цвета и возраста звезд наблюдалась ранее и у нормальных спиральных галактик [8]. Заметим, что для SDSS-выборки из 12 282 LSB-галактик Жонг и др. не обнаружили сильной корреляции между показателем цвета (B-V) и радиальной шкалой диска h [2].
Рис. 7: Сравнение данных наблюдений LSB-галактик (треугольники), карликовых LSB-галактик (треугольники с крестом), HSB-галактик (точки) и карликовых галактик (крестики) [28].
Звездное население LSBGs представляет собой смесь молодых и старых звезд с металличностями от 0.0004 до 0.05 и экспоненциальной временной шкалой (exponential infall time-scale) от 0 до 16 гигалет. Широкий диапазон показателей цвета LSB-галактик выборки (от очень голубых до очень красных) свидетельствует о том, что в настоящую эпоху LSB-галактики находятся на самых разных стадиях эволюции.
Рис. 8: Диаграмма (U-B)-(B-V) для 12 282 галактик низкой яркости. Сплошные синие и пунктирные красные линии показывают "очень голубые" и "очень красные" галактики [2].
Вопрос о содержании газа в галактиках низкой яркости и о форме, в которой он там находится, является одним из наиболее интересных, т.к. непосредственно связан с вопросом звездообразования в галактиках и их эволюции. Количество нейтрального водорода в LSB-галактиках сопоставимо с его содержанием в нормальных галактиках, однако его поверхностная плотность меньше средней плотности атомарного водорода в HSBGs и ниже пороговой плотности, необходимой для образования молекулярных облаков и, следовательно, звездообразования и образования металлов [5]. Так же как и в менее массивных LSBGs, распределение атомарного водорода в массивных галактиках низкой яркости обычно следует распределению яркости, определенной по звездам, хотя пики в распределении атомарного водорода не всегда лежат на максимумах в распределении звезд [6].
Рис. 9: Полная масса атомарного водорода как функция расстояния до галактики для массивных LSB-галактик [6].
В галактиках низкой яркости не более 25% массы газа находится в форме H2, а может быть молекулярного водорода в них на один — два порядка меньше, чем атомарного, но в любом случае молекулярного водорода в галактиках низкой яркости заметно меньше, чем в нормальных галактиках (см. ссылки ниже). В настоящее время астрофизики склоняются к тому, что столь малое наблюдаемое количество молекулярного газа в галактиках низкой яркости нельзя объяснить неопределенностью или неточностью принимаемого конверсионного фактора, с помощью которого по наблюдениям СО оценивают содержание молекулярного газа в галактиках [11]. Низкое содержание молекулярного водорода в принципе может объяснить весьма слабое звездообразование, которое наблюдается в LSBGs. Некоторое исключение представляют собой наиболее гигантские галактики низкой яркости, т.к. они могут содержать значительное количество молекулярного водорода в дисках и ядрах [10].
Изначально считалось, что молекулярный газ концентрируется лишь в балджах и ядрах галактик низкой яркости. Однако наблюдения Malin 2 и UGC 6614 показали, что в них молекулярный газ содержится именно в диске. Это важный результат, поскольку он показывает, что в галактиках низкой яркости молекулярный газ может существовать в дисках также, как и в ядерных областях [10]. Кроме того, хотя фактор конверсии для галактик низкой яркости из-за их низкой металличности плохо известен, тем не менее из имеющихся наблюдений CO можно сделать вывод о наличии умеренного количества молекулярного водорода в ядерных областях спиральных LSB-галактик позднего типа, не имеющих балджей. Таким образом, балдж не является необходимым условием для существования молекулярного газа в ядрах галактик низкой яркости [12].
Рис. 10: Светимость в далеком ИК как функция массы молекулярного водорода в ядрах
спиральных галактик. Незакрашенные треугольники, ромбики и квадратик — LSB-галактики [12].
Во многих галактиках низкой яркости вообще нет следов молекулярного водорода, но может так оказаться, что определенные физические условия, в которых находится молекулярных газ, просто не позволяют нам его обнаружить. Причиной этого могут быть низкая металличность (и, как следствие, переоценка конверсионного фактора), низкое содержание пыли и низкая поверхностная плотность газа. По причине наблюдаемого звездообразования при низком содержании молекулярного газа были предложены модели, согласно которым в галактиках низкой яркости звезды формируются из атомарного газа, а не из молекулярного [12].
В LSB-галактиках очень слабые темпы звездообразования, а в некоторых из них никаких проявлений звездообразования не удается обнаружить вообще. Считается, что это следствие низкой плотности атомарного водорода, однако точность определения таких важных параметров межзвездной среды, как вертикальная шкала распределения газа, его объемная плотность и турбулентная скорость, не достаточна для того, чтобы это можно было утверждать однозначно. Кроме того известно, что звездообразование идет и в тех спиральных галактиках низкой яркости, поверхностная плотность атомарного водорода в которых ниже критической для крупномасштабной гравитационной неустойчивости [12]. Из всего этого можно сделать вывод, что для построения исчерпывающей картины звездообразования в LSB-спиралях требуется больше информации о многофазной межзвездной среде.
Рис. 11: Отношение масс H2/HI как функция абсолютной звездной величины в полосе B. Красные и зеленые символы — галактики низкой яркости, черные крестики — HSB, голубые символы — спиральные галактики поздних типов [14].
Отношение массы атомарного водорода к интегральной светимости в полосе B лежит для галактик низкой яркости в достаточно широких пределах, оно растет с уменьшением поверхностной яркости, и эта тенденция не зависит от массы галактики. Отношение MHI/LB меняется от низких значений порядка (MHI/LB)min=0.1 Msun/Lsun до самого большого из известных в настоящее время — (MHI/LB)max=46 Msun/Lsun, которое наблюдается у объекта [OBC97] N9-2. В среднем отношение MHI/LB у больших галактик низкой яркости в два и более раз выше, чем у нормальных галактик и с покраснением цвета оно увеличивается [1].
Спектр масс галактик низкой яркости такой же широкий, как у нормальных галактик, а отношение масса/светимость и глобальное, и локальное выше, чем у нормальных галактик, при этом темная масса, по-видимому, преобладает на всех расстояниях от центра [5]. Очень большие отношения масса/светимость, наблюдаемые у галактик низкой яркости, свидетельствуют о преобладании над диском массивного темного гало, которое затрудняет формирование в дисках таких образований, как бар или спирали, что в свою очередь приводит к сверхнизким темпам звездообразования в этих галактиках [10]. Для ярких массивных спиральных галактик установлена связь между далеким ИК-излучением и массой H2, которая является следствием нагрева частичек пыли в гигантских молекулярных облаках излучением молодых звезд. В некоторых LSB-спиралях эта связь нарушается. Это может быть обусловлено несколькими причинами: возможно, IMF смещена в сторону звезд малых масс или фактор конверсии отличается от общепринятого, или же молекулярный газ находится не в форме облаков, проявляющих себя по СО, а в диффузной среде, тем не менее, большинство наблюдаемых LSB-галактик следуют зависимости H2-FIR, найденной для нормальных галактик [12], т.е. в галактиках низкой яркости, как и в HSB галактиках, CO скорее всего связан с молекулярными облаками и, следовательно, со звездообразованием. В пользу существования в галактиках низкой яркости молекулярных облаков может также свидетельствовать и то обстоятельство, что в некоторых из них присутствуют оптически толстые темные образования, связанные с концентрацией пыли [13]. Кроме того, в галактиках низкой яркости наблюдается следующая зависимость: чем меньше максимальная скорость вращения в галактике, тем меньшее количество молекулярного газа сосредоточено во внутренних областях галактики [12].
Гигантские LSB-спирали, в которых обычно наблюдается молекулярный газ, предположительно являются системами с преобладающим плотным высокометалличным балджем. Высокие скорости вращения, большие динамические массы, кривые вращения, отличающиеся от твердотельных — эти факторы могут влиять на структуру межзвездной среды и, как следствие, на эффективность звездообразования: через динамические эффекты, толщину газового диска, интенсивность UV-излучения и величину давления в межзвездной среде [13]. Однако взаимодействие между этими факторами еще плохо осмыслено и дискуссия о формировании и существовании в галактиках низкой яркости молекулярных облаков, а также о том, в какой форме находится в них и как распределен молекулярный газ, открыта до сих пор.
У тех LSB галактик, в которых наблюдается CO, светимость заметно выше среднего, также в них часто обнаруживается повышенная активность ядра [14]. По-видимому, большая масса галактики и наличие активного ядра повышают вероятность того, что в галактике низкой яркости может быть обнаружено заметное количество CO. Однако не во всех галактиках, в которых наблюдается повышенная активность ядра и светимость выше среднего значения, обнаруживается CO [14]. Число массивных галактик низкой яркости, в которых измерено излучение CO, мало, — всего порядка 10 на настоящий момент. Однако по сравнению с менее массивными LSBGs, это достаточно много.
Кривые вращенияДо последнего времени считалось, что подъем кривых вращения в LSB-галактиках более медленный, чем у аналогичных по массе HSB галактик, что может быть связано с преобладанием холодной темной материи. Однако самые последние наблюдения с хорошим угловым разрешением (в частности, известной гигантской галактики низкой яркости Malin 1) показали, что на полученную форму кривой вращения заметно влияет плохое угловое разрешение, и что кривые вращения карликовых и LSB галактик на самом деле могут подниматься круче. Кроме того, к более пологому подъему кривых вращения может привести комбинация некоторых других систематических эффектов, связанных с обработкой и интерпретацией наблюдений [1, 15].
Рис. 12: Кривые вращения трех LSB-галактик [17]
Модели распределения массы, построенные по кривым вращения, показывают, что галактики низкой яркости обладают менее плотным и более протяженным темным гало, чем нормальные галактики, однако их динамические массы сравнимы с динамическими массами нормальных галактик [5]. Для большинства галактик низкой яркости темные гало лучше всего описываются псевдо-изотермическими сферами с ядрами постоянной плотности (см., например, работы [16, 17], в которых сравниваются между собой различные модели гало — псевдо-изотермические, NFW, ISO).
Рис. 13: На примере LSB-галактики F568-6 показано радиальное распределение поверхностной плотности HI и критической (a) и построение моделей гало (сплошные линии): (b) — изотермического, (c) — NFW [16]
Для некоторых галактик низкой поверхностной яркости дисперсии скоростей газа измерены непосредственно. Так, например, для карликовой LSB-галактики Holmberg II было получено σgas = 6 — 7 км/сек [18], для внешнего диска LSB-галактики NGC 2915 - σgas = 8 — 9 км/сек [19], а в работе [17] приведены дисперсии скоростей газа для 11 галактик низкой поверхностной яркости, которые лежат в интервале от 6 до 10 км/сек. Как видно, все эти значения хорошо согласуются с типичными дисперсиями скоростей газа в нормальных галактиках, — несмотря на низкие темпы звездообразования. В гигантских галактиках низкой яркости, по предположению Пикеринга и др. [16], дисперсии скоростей газа (из-за большого влияния темного гало на кинематику дисков этих галактик) в среднем должны быть выше, чем в нормальных и карликовых галактиках. Рассматривая четыре гигантские LSB-галактики (Malin 1, F568-6, UGC 6614 и NGC 7589), авторы [16] заключают, что из-за того, что вертикальные шкалы атомарного водорода в них выше, чем в нормальных галактиках, и дисперсии скоростей газа также выше, чем в HSB-галактиках.
Звездная кинематика в галактиках низкой поверхностной яркости оказывается
более регулярной и симметричной, чем кинематика ионизованного газа, который часто
обнаруживает наличие некруговых и хаотичных движений, а также движений вне
плоскости диска [21]. Исследуя кинематику ионизованного газа и звезд в 6 LSB-галактиках с балджами, авторы [21] пришли к заключению, что крупномасштабная
асимметрия и мелкомасштабные неоднородности сильнее влияют на кинематику
ионизованного газа, чем звезд, и, как следствие, звезды должны отражать
распределение масс в галактиках низкой яркости лучше, чем ионизованный газ.
На краях дисков рассматриваемых галактик дисперсии скоростей звезд составили
50 км/сек, а в центрах дисков они достигают 200 км/сек. Дисперсии скоростей газа
меньше в несколько раз.
Диски LSB-галактик могут оказаться значительно массивнее, чем предполагается стандартными моделями звездного населения, но вклад барионного вещества в массу диска и его динамику не ясен.
Многие авторы (как, например, МакГауф [22]) предполагают (несмотря на низкую поверхностную яркость дисков) наличие в галактиках низкой яркости массивных звезд с M > Msun, также они не видят никакой аномалии началь