Свойства и происхождение изолированных линзовидных галактик тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи УДК 520.8; 524-7

Катков Иван Юрьевич

Свойства и происхождение изолированных линзовидных галактик

01.03.02 - Астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

27 КАР 2014

005546439

Москва - 2014

005546439

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского Государственного университета имени

Научный руководитель:

• доктор физико-математических наук, зав. отделом физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ Сильченко Ольга Касьяновна

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики математико-механического факультета Санкт-Петербургского университета Решетников Владимир Петрович

• доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики космоса физического факультета Южного Федерального Университета Щекинов Юрий Андреевич

Ведущая организация: Институт Астрономии Российской Академии Наук

Защита состоится 22 мая 2014 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д501.001.86 в Государственном астрономическом институте имени П.К. Штернберга МГУ, расположенном по адресу: 119992, г. Москва, Университетский пр-т, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (119991, г. Москва, Ломоносовский пр-т., д. 27, Фундаментальная библиотека) и на сайте: http://sai.msu.ru/dissovet/2014.html. Автореферат разослан 21 марта 2014 года.

М. В. Ломоносова.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

С.О. Алексеев

Общая характеристика работы

Актуальность

Одной из важнейших задач современной астрофизики является изучение вопросов формирования и эволюции галактик. Решение этой задачи сопряжено с выявлением наиболее значимых физических факторов и процессов, определяющих эволюционный путь галактик. Как описательные методы, так и детальные численные расчеты дают предсказания для свойств рассматриваемых галактик, поэтому сравнение их с наблюдениями является решающим фактором при выборе сценария эволюции. Все общепринятые предлагаемые механизмы формирования лпнзовидных галактик заключаются в морфологической перестройке спиральных галактик в линзовидные в результате динамического влияния со стороны окружения [1—7]. Однако около 15% близких галактик поля составляют линзовидные галактики [8|, также известны примеры сильно изолированных БО галактик [9]. Для таких галактик эффекты окружения малоэффективны. Актуальность представленных в диссертационной работе исследований определяется недостатком глубоких наблюдений изолированных липзовндных галактик и отсутствием для этих объектов "пиши" в общепринятых сценариях формирования БО галактик. Стоит отметить важность наблюдений методами глубокой спектроскопии на крупных телескопах, которые позволяют получить информацию не только о центральных частях галактик, по и уйти в область дисков - основных структурных компонентов любой дисковой галактики. Построение детального сценария формирования и эволюции галактики без учета соотношения свойств структурных компонентов невозможно.

и

Цель диссертационной работы

Исследование линзовидных галактик в сильно разреженном окружении, где динамическое влияние со стороны других галактик минимально и стандартные механизмы формирования линзовидной галактики, обсуждаемые в литературе, малоэффективны. Поставленная цель подразумевает решение следующих задач:

1. Выделение из близких галактик, которые являются наиболее подходящими для проведения детальных исследований, объектов, удовлетворяющих необходимым критериям изолированности. Составление выборки исследуемых галактик.

2. Проведение спектральных наблюдений на крупных оптических телескопах и анализ полученного материала современными методами, в том числе разработанными соискателем.

Научная новизна

• В настоящей работе впервые строго изолированные линзовидные галактики выделяются в обособленную группу для детального исследования методами глубокой оптической спектроскопии. Впервые выполнены такие исследования с использованием крупных оптических телескопов.

• Впервые проведены детальные исследования двух линзовидных галактик NGC 4124 и 1С 719 со следами недавнего падения газа на их диски.

• Разработаны усовершенствованные алгоритмы вычитания вклада спектра ночного неба для данных длнниощелевой спектроскопии, которые эффективно учитывают вариации инструментального контура вдоль щели.

• Впервые разработаны методики анализа оптических спектров галактик с использованием эволюционных моделей звездных населений для случаев: а) нспарамстричсского восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и б) одновременного определения параметров кинематики и свойств звездных населений при двухкомпоиентной декомпозиции спектра.

Практическая значимость

• Разработанная методика вычитания спектра ночного неба с учетом вариаций инструментального контура вдоль щели может быть применена для спектральных данных с любого спектрографа; кроме того, методику можно адаптировать к данным многоцелевой спектроскопии и к данным панорамной спектроскопии.

• Методика непараметрического восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и методика одновременного определения параметров кинематики и свойств звездных населения при двухкомпоиентной декомпозиции спектра могут быть использованы для исследования галактик с заподозренным противовращением звездных дисков, а также для определения свойств звезд балджа и диска в областях, где их вклад в интегральный спектр сопоставим.

• Построенная выборка изолированных линзовидных галактик может быть использована другими исследователями для в изучения эффектов окружения.

• Полученные свойства и параметры изолированных галактик могут н должны быть использованы при построении космогонических сценариев формирования и эволюции внегалактических объектов.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика вычитания спектра ночного неба при длиннощелевых наблюдениях в случае вариаций инструментального контура спектрографа вдоль щели. Методика нспарамстрнчсского восстановления функции распределения звезд по скоростям вдоль луча зрения и методика определения параметров кинематики и свойств звездных населений неразрешенных систем путем иоппкеельной аппроксимации спектров для сложного двухкомпонентного звездного населения.

2. Выборка из 281 лннзовидной галактики местного Свсрхекоплсния и его окрестностей, удовлетворяющих енльным критериям изолированности.

3. Измерения среднего возраста и металличностн звездных населений структурных компонентов изолированных линзовидных галактик, свидетельствующие об отсутствии у изолированных линзовидных галактик выделенной эпохи формирования балджей и дисков.

4. Оценка доли изолированных линзовидных галактик с наличием масштабной подсистемы ионизованного газа и частоты встречаемости случаев кинематического рассогласования газа и звезд. Вывод о том, что наиболее вероятным источником газовой аккреции на изолированные линзовидные галактики является подсистема богатых газом карликовых спутников.

5. Детальные спектральные и фотометрические исследования двух линзовидных галактик NGC 4124 и 1С 719, демонстрирующие свидетельства недавнего приобретения их дисками газа извне.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в рецензируемых изданиях:

1. Katkov I. Yu., Sil'chcnko О. К., Afanasiev V. L., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 438, issue 4, p. 2798 (2014); Decoupled gas kinematics in isolated SO galaxies;

2. Katkov I. Yu., Sil'chcnko О. K., Afanasiev V. L., The Astrophysical Journal, Vol. 769, issue 2, article id. 105, 10 pp (2013); Lenticular Galaxy 1С 719: Current Building of the Coxinterrotating Large-scale Stellar Disk;

3. Katkov I., Chilingarian I., Sil'chenko 0., Zasov A., Afanasiev V., Baltic Astronomy, Vol. 20, p. 453 (2011); A Complex Stellar Line-of-Sight Velocity Distribution in the Lenticular Galaxy NGC 524;

4. Катков И. IO., Снльчснко О. К., Афанасьев В. Л., Астрофизический Бюллетень, том 69, номер 2, стр. 129 (2014); Свойства звездных населений изолированных линзовидиых галактик;

5. Засов А. В., Сильченко О. К., Катков И. Ю., Додонов С. Н., Письма в Астрономический журнал, том 39, номер 1, стр. 1 (2013); Кинематика и звездное население линзовидпой галактики NGC 4124В сборниках трудов конференций и препринтах:

1. Katkov I. Yu., arXiv: 1403.4006, Isolated lenticular galaxies: properties and evolution;

2. Katkov I. Yu., Chilingarian I. V., ASPC 442, 143 (2010); A new sky subtraction technique for low surface brightness data;

3. Katkov I. Yu., Chilingarian I. V., IAUS 284, 69 (2012); Multi-component parametric inversion of galaxy kinematics and stellar populations using full spectral fitting.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на семинарах и конференциях:

1. Конференция Astronomical Data Analysis Software and Systems (ADASS-XX) (Boston, MA, USA), постер: "A New Sky Subtraction Technique for Low Surface Brightness Data", ноябрь 2010

2. Конференция 8th Serbian Conference on Spectral Line Shapes in Astrophysics (Divcliibarc, Serbia), доклад: "A Complex Stellar Line-of-Sight Velocity Distribution in the Lenticular Galaxy NGC 524", июнь 2011

3. 284-й симпозиум Международного Астрономического Союза "The Spectral energy distribution of galaxies'' (Preston, UK), 2 постера: "Multi-component parametric inversion of galaxy kinematics and stellar populations using full spectral fitting"', "NBursts+phot: parametric recovery of galaxy star formation histories from the simultaneous fitting of spectra and broad-band spectral energy distributions", сентябрь 2011

4. Конференция EWASS, SpS4 Structure of galaxy disks shaped by secular evolution and environmental processes (Rome, Italy), постер: "Lenticular Galaxy 1С 719: Current Building of the Counter-rotating Large-scale Stellar Disk", июль 2012

5. Конференция Multi-Spin Galaxies (Naples, Italy), доклад: "Decoupled gas kinematics in isolated early-type disc galaxies", сентябрь 2013

6. Семинар ESO Lunch Talks Seminar (Garching, Germany), доклад: "Full spectral filling techniques: shedding light on unresolved stellar populations", декабрь 2013

Личный вклад

Соискатель самостоятельно разработал методики вычитания вклада ночного неба в спектр при длиннощелевых наблюдениях с учетом вариаций контура вдоль щели, методику непараметрнческого восстановления кинематики звезд по абсорбционным спектрам. Разработка метода двухкомпонентной декомпозиции спектра велась на основе алгоритма попиксельной аппроксимации наблюдаемых спектров NBURSTS при совместном участии автора этого алгоритма - И. В. Чилингаряпа (CfA, ГАИШ МГУ). Соискателем была, выполнена первичная редукция спектральных данных SCORPIO/SCORPIO-2 и анализ всех спектральных данных методом попиксельной аппроксимации спектров. Получение фотометрических оценок и Ликских индексов проводились О. К. Сильчспко (ГАИШ МГУ); первичная редукция данных с телескопа SALT - А. К). Князевым (SAAO, ГАИШ МГУ). Анализ свойств окружения близких галактик и составление выборки изолированных лиизовидных галактик проводились диссертантом при тесном взаимодействии с Д. И. Макаровым (CAO РАН). Обсуждение, интерпретация полученных результатов и написание текстов публикаций - в равных долях с другими соавторами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 172 страницы, включая 38 рисунков, 6 таблиц и 2 приложения. Библиография включает 174 наименования на 12 страницах.

Во введении приведен обзор литературы по рассматриваемой проблеме, обсуждается актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, научная и практическая ценность полученных результатов. Также формулируются основные результаты и положения, выносимые на защиту,

и приводится список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации.

Глава 1 посвящена описанию наблюдений и методов обработки полученных данных для выборки исследуемых изолированных линзовидных галактик. В начале главы приводится описание режимов наблюдений на 6 метровом телескопе БТА Специальной Астрофизической Обсерватории РАН и на Большом Южно-Африканском телескопе (SALT, Southern African Large Telescope), действующем в Южно-Африканской Астрономической обсерватории (SAAO, Southern African Astronomical Observatory). Далее излагаются основные этапы первичной редукции наблюдательных данных, полученных на обоих телескопах в режиме длнннощслсвых спектральных наблюдений. Описывается используемая нами методика иопнкселыюй аппроксимации наблюдаемых спектров моделями звездных населений NBURSTS для определения радиальных профилей лучевых скоростей звезд, дисперсии скоростей, возраста п мсталлнчности звездного населения и для выделения чисто эмиссионного спектра.

При обработке длнннощслсвых спектров протяженных объектов очень низкой поверхностной яркости достаточно остро стоит проблема вычитания вклада в спектр ночного неба. Стандартные методы вычитания спектра ночного неба не всегда справляются со своей задачей в случае сильных вариаций инструментального контура вдоль щели, что приводит к появлению артефактов в спектре галактики, которые как мы показали, могут внести систематические ошибки в оценки мсталлнчности звездного населения н дисперсии скоростей звезд. Мы предлагаем несколько новых методов построения модели спектра ночного неба с учетом вариаций инструментального контура.

Также в главе излагаются разработанные нами методы непарамстрп-ческого восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения (line-of-sight velocity distribution, LOSVD) и метод одновременного определе-

ния параметров кинематики и свойств звездных населений при двухкомпо-нентной декомпозиции спектра. Описывается пример использования обоих методик для исследования линзовидной галактики NGC 524, где удалось по спектру, полученному на БТА, выделить динамически горячий, медленно вращающийся компонент (балдж) на фоне быстро вращающегося динамически холодного диска и оценить их параметры звездных населений.

В главе 2 излагается методический аппарат, разработанный в Лаборатории внегалактической астрофизики и космологии CAO РАН и используемый нами для исследования статистических свойств окружения галактик Местного Свсрхскоплснпя и его окрестностей. Показано, что распределение галактик по индексу изолированности, характеризующему динамическое влияние одной галактики на другую, в плотном окружении качественно отличается от распределения галактик в разреженном окружении.

Была построена представительная выборка из 281 изолированной линзовидной галактики, объекты которой сравнивались по интегральным параметрам с галактиками других морфологических классов и окружений. Оказалось, что распределения изолированных галактик и SO галактик в более плотном окружении по показателю цвета В — J в целом очень похожи и существенных расхождений между ними не наблюдается. Из полученного списка изолированных SO галактик были отобраны объекты для дальнейших детальных исследований с использованием крупных оптических телескопов БТА и SALT. Также в главе приводится краткое описание полученных результатов анализа длиннощелевых спектров для 22 детально исследуемых галактик.

В главе 3 мы представили результаты исследований звездных населений изолированных линзовндных галактик на основе спектральных наблюдений на 6 метровом телескопе БТА и на телескопе SALT Южно-Африканской обсерватории. Мы обнаружили, что средние возраста звездного населения в нашей выборке изолированных линзовндных галактик заполняют полный дна-

пазон значений от 1.5 до > 15 млрд. лет, и, в отличие от ЭО-галактик в более плотных окружениях, изолированные галактики как правило имеют одинаковый возраст звезд в балджах и в дисках. Последнее утверждение позволяет сделать вывод о том, что для галактик в разреженном окружении механизмы омоложения балджа малоэффективны. Широкий диапазон возрастов звездных населений различных структурных компонентов изолированных БО галактик, а также анализ обилия а-элсмснтов в них, позволяет утверждать, что события звездообразования в изолированных линзовидных галактиках могли случаться в разнос время и иметь различную длительность. Линзы и кольца повышенной звездной яркости, обнаруженные в 11 из 18 галактик (61%), имеют дисперсию скоростей звезд н химические свойства звездных населений, как правило, неотличимые от звездных населений дисков. При этом эпоха формирования колец (от 2 до 5 млрд. лет назад, г = 0.2 — 0.5) не зависит от возрастов дисков. Сделан вывод, что вероятно оформление морфологического типа лпизовидной галактики в полной изоляции критически зависит от возможных режимов аккреции внешнего холодного газа.

В главе 4 рассматриваются свойства ионизованного газа в изолированных галактиках. В 13 галактиках из 18 (72 ± 11%) обнаружено наличие протяженных эмиссионных линий, свидетельствующих о крупномасштабной структуре ионизованного газа, при этом в 46 ± 14% (6/13) случаев ионизованный газ оказался кинематически обособлен по отношению к звездам. Доля галактик с протяженными газовыми структурами вполне согласуется с оценками, приводимыми другими авторами. При этом наша оценка доли сильно изолированных галактик с рассогласованной кинематикой ионизованного газа подтвердила ранние подозрения о влиянии окружения на статистику ионизованных структур. Мы показали, что в случае изотропной аккреции газа такое процентное соотношение согласуется с предположением о внешнем происхождении газа во всех изолированных галактиках. Анализ диагности-

чсскпх диаграмм выявил, что ионизованный газ в исследуемых галактиках может быть возбужден как ударным механизмом или излучением пост-AGB звезд, так и фотоионизацией молодыми звездами. Вероятно возбуждение газа зависит от геометрии падения вещества на галактику, что проявляется в видимой дихотомии механизмов возбуждения. Для 10 галактик удалось получить оценки обилия кислорода в областях звездообразования, которые оказались близкими к солнечному значению и согласующимися со сценарием приобретения газа из карликовых спутников путем приливной аккреции, исключая механизм аккреции первичного газа из космологических филаментов. Отсутствие корреляции "светимость галактики—металличность газа" подтверждает сделанный вывод о происхождении газа.

Глава 5 посвящена детальному исследованию двух линзовидных галактик, 1С 719 и NGC 4124, у которых мы обнаружили следы недавней аккреции газа. Галактика 1С 719 является уникальным объектом, потому что наряду с противовращающимся диском ионизованного газа, известным ранее, мы достоверно обнаружили и исследовали противовращающппся вторичный звездный диск. Исследование этой галактики было сделано не только на основе длиннощелсвых данных, но также с привлечением данных панорамной спектроскопии со спектрографом SAUR.ON. Противовращение газа к основному диску прослеживается до оптических границ галактики. Распределение интенсивностей эмиссионных линий показывает кольцевую структуру, а в соответствии с диагностическими диаграммами газ в кольце возбужден в основном излучением молодых звезд. Исследуя историю звездообразования методом двухкомпонентной декомпозиции спектров, который излагается в методической главе 1, мы также показали, что история аккреции газа на 1С 719 заключалась в двух событиях, каждое из которых впоследствии инициировало вспышку звездообразования в диске галактики.

Вторую часть главы составляют результаты спектрального и фотомстри-

чсского изучения локально изолированной лннзовидной галактики NGC 4124, у которой обнаружен в центральной килопарсековой зоне наклоненный к основной плоскости диск ионизованного газа. По всей видимости, формирование этого диска связано с поглощением небольшого спутника, породившим также и позднюю вспышку звездообразования в центральной области, что подтверждается более низким средним возрастом (и 2 млрд. лет) звездного населения в центральной области по сравнению с возрастом звездного населения диска (и 5 — 7 млрд. лет).

В заключении обсуждаются основные результаты диссертации в контексте недавно предложенной O.K. Снльченко концепции формирования лнн-зовндных галактик [1()| и дальнейшие перспективы исследования.

В приложении А приводится таблица свойств окружения галактик из выборки 281 объектов. Приложение В состоит из иллюстративного материала для каждой галактики из списка 22 объектов, которые наблюдались на БТА н SALT. Приводятся радиальные профили скорости звезд и газа, дисперсии скоростей звезд и газа, возраста и металличности звездного населения.

Цитированная литература

1. Spitzer L., Jr., Baade W. Stellar Populations arid Collisions of Galaxies. // Astrophys. J. 1951.-March. Vol. 113. P. 413.

2. Icke V. Distant encounters between disk galaxies and the origin of S 0 spirals // Astron. and Astrophys. 1985.-March. Vol. 144. Pp. 115-123.

3. Byrd G., Valtonen M. Tidal generation of active spirals and SO galaxies by rich clusters / Astrophys. .J. 1990. - February. Vol. 350. Pp. 89-94.

4. Moore В., Katz N.. Lake G. et al. Galaxy harassment and the evolution of clusters of galaxies / / Nature. 1996. — February. Vol. 379. Pp. 613-616.

5. Gunn J. E., Gott J. R., III. On the Infall of Matter Into Clusters of Galaxies and Some Effects on Their Evolution // Astrophys. J. 1972.—August. Vol. 176. P. 1.

6. Quilis V., Moore B., Bower R. Gone with the Wind: The Origin of SO Galaxies in Clusters // Science. 2000.-Juny. Vol. 288. Pp. 1617-1620.

7. Larson R. B., Tinsley B. M., Caldwell C. N. The evolution of disk galaxies and the origin of SO galaxies // Astrophys. J. 1980. — May. Vol. 237. Pp. 692-707.

8. Nairn A., Lahav O., Buta R. J. et al. A comparative study of morphological classifications of APM galaxies // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 1995. — Juny. Vol. 274. Pp. 1107-1125.

9. Sulentic J. W., Verdes-Montenegro L., Bergond G. et al. The AMIGA sample of isolated galaxies. II. Morphological refinement // Astron. and Astrophys. 2006. - April. Vol. 449. Pp. 937-949.

10. Sil'chenko O. K., Proshina I. S., Shulga A. P., Koposov S. E. Ages and abun-. dances in large-scale stellar discs of nearby SO galaxies // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 2012.-November. Vol. 427. Pp. 790-805.

I

, I

A

Подписано в печать 18.03.2014г. Формат 60x84/1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Условный печатный лист 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №1979А. Отпечатано в типографии «ТриКард». г.Москва, Варшавское шоссе, д.26 www.3card.ru | e-mail: 7891942@7891942.ru тел.: (495) 789-19-42

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи УДК 520.8; 524.7

04201457751

Катков Иван Юрьевич

Свойства и происхождение изолированных линзовидных галактик

01.03.02 - Астрофизика и звездная астрономия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д. ф.-м. н.

Сильченко Ольга Касьяновна

Москва - 2014

Содержание

Введение ........................................................................6

Газ в линзовидных галактиках........................................8

Актуальность..................................................................9

Цель диссертационной работы..............................................10

Научная новизна..............................................................11

Практическая значимость....................................................11

Положения, выносимые на защиту..........................................12

Публикации....................................................................13

Апробация работы............................................................14

Личный вклад................................................................15

Структура и объем диссертации............................................16

Глава 1. Наблюдения и методика анализа спектральных данных 22

1.1. Спектральные наблюдения............................................22

1.1.1. Наблюдения на 6 метровом телескопе БТА ................22

1.1.2. Наблюдения на SALT..........................................24

1.2. Первичная редукция данных SCORPIO/SCORPIO-2..............25

1.3. Вариации инструментального контура спектрографа..............27

1.4. Вычитание вклада ночного неба......................................29

1.4.1. Методика деконволюции......................................30

Сравнение с интерполяцией..................................33

1.4.2. Методика интерполяции в частотном домене ..............35

1.5. Анализ редуцированных данных......................................36

1.6. Непараметрическое восстановление LOSVD ........................39

1.7. Двух-компонентный анализ спектров................................43

1.8. Выводы..................................................................48

Глава 2. Выборка изолированных линзовидных галактик .... 50

2.1. Методический аппарат................................................50

2.1.1. Алгоритм кластеризации......................................50

2.1.2. Свойства изолированности галактик........................52

2.2. Построение выборки изолированных линзовидных галактик ... 54

2.3. Сравнение свойств изолированных линзовидных галактик с другими типами галактик ................................................56

2.4. Результаты спектральных наблюдений..............................65

1С 875 ..........................................................67

1С 1502 ..........................................................67

1С 1608 ..........................................................68

1С 3152..........................................................69

1С 4653 ..........................................................69

NGC 16..........................................................70

NGC 1211 ......................................................70

NGC 2350 ......................................................71

NGC 2917......................................................72

NGC 3098 ......................................................74

NGC 3248 ......................................................74

NGC 3375 ......................................................75

NGC 4240 ......................................................75

NGC 6010 ......................................................75

NGC 6615 ......................................................76

NGC 6654 ......................................................76

NGC 6798 ......................................................77

NGC 7351 ......................................................78

NGC 7693 ......................................................78

UGC 4551 ......................................................78

UGC 9519........................... 79

UGC 9980 ........................... 79

2.5. Выводы................................. 80

Глава 3. Свойства звездных населений изолированных линзовид-

ных галактик................................ 81

3.1. Осреднение значений параметров звездных населений ...... 81

3.2. Обсуждение результатов....................... 82

3.2.1. Сравнение свойств звездных населений различных структурных компонентов галактик................................82

Балджи vs. диски..............................................87

Дисковые подструктуры: линзы и кольца..................89

3.2.2. Эпоха формирования звездного компонента и ее длительность ............................................................92

3.2.3. Сценарий формирования......................................94

3.3. Выводы..................................................................96

Глава 4. Ионизованный газ в изолированных линзовидных галактиках ..................................... 97

4.1. Статистика обособленных газовых структур............ 97

4.2. Дихотомия механизмов ионизации газа............... 98

4.3. Металличность газа..........................103

4.4. Происхождение газа..........................106

4.4.1. Соотношение "светимость-металличпость".........110

4.5. Выводы.................................111

Глава 5. Следы внешней аккреции газа в галактиках 1С 719 и

NGC 4124..................................113

5.1. Формирование противовращающегося звездного диска в галактике 1С 719 ................................ИЗ

5.1.1. Введение............................113

5.1.2. Наблюдения..........................115

5.1.3. Внутренняя кинематика и звездное население.......116

Однокомпонентная модель спектра.............116

Непараметрическое восстановление кинематики звезд . . 117

Двухкомпопентная модель..................117

5.1.4. Ионизованный газ.......................124

5.1.5. Обсуждение..........................127

5.2. Кинематика и звездное население линзовидной галактики NGC 4124130

5.2.1. Введение............................130

5.2.2. Наблюдения и обработка данных..............133

Спектральные наблюдения..................133

Фотометрия..........................135

5.2.3. Результаты анализа......................137

5.2.4. Обсуждение..........................140

5.3. Выводы.................................143

Заключение...................................144

Литература...................................148

Введение

Проблема сценариев формирования и эволюции галактик является ключевым вопросом современной внегалактической астрономии и наблюдательной космологии. Галактики формируются под воздействием огромного количества физических факторов, зачастую недостаточно детально известных теоретикам, и основной проблемой здесь является выделение наиболее важных из них, которые для данного морфологического типа галактик являются определяющими в ходе формирования и эволюции.

Тип линзовидиых (ЭО) галактик был предложен Эдвином Хабблом как гипотетический в 1936 году, чтобы заполнить промежуточную позицию между эллиптическими и спиральными галактиками. Предполагалось, что объекты этого типа обладают крупномасштабными звездными дисками, как спиральные галактики, но не имеют заметных областей звездообразования и спирального узора в звездных дисках. Их гладкий красноватый вид и, вероятно, старый средний возраст звезд роднит их с эллиптическими галактиками. Промежуточное положение липзовидпых галактик между чисто сфероидальными звездными системами и спиральными галактиками, у которых вклад балджа в общую светимость монотонно убывает с переходом от ранних типов к поздним (слева направо вдоль морфологической последовательности Хаббла), дает основание для естественного предположения, что БО-галактики должны обладать большими балджами. Однако детальные фотометрические исследования изображений ЭО-галактик показали, что балджи в них могут быть как очень большими, так и крошечными [1]. Ввиду этих результатов становится все более популярной старая идея Ваи ден Берга [2] о том, что лиизовидные галактики на самом деле па схеме Хаббла должны составлять последовательность, параллельную спиральным галактикам, и связь между (близким) положением на схеме 80(а,Ь,с) и спиральных галактик соответствующих подтипов задается отпоше-

нием светимостей "балдж/диск" [3, 4|. Казалось бы, это изменение понимания эволюционного смысла последовательности Хаббла усиливает общепринятую точку зрения о формировании линзовидных галактик путем прекращения звездообразования в спиральных галактиках: эволюционную стадию трансформации галактики-'прародителя" к результирующей SO-галактике намного проще представить, когда у обоих галактик одинаковые соотношения "балдж/диск". Однако следует заметить, что если вклад балджа в полную светимость у SO галактики такой же, как у близкой ей на морфологической схеме спиральной галактики, то это оставляет возможность обратного преобразования, превращения SO-галактики в спиральную, что было бы совсем невозможно при наличии у SO-галактики большего балджа.

В литературе обсуждается большое количество физических процессов, которые могли бы прекратить звездообразование в диске спиральной галактики. Перечислим некоторые из них: 1) прямые столкновения галактик [5, 6]; 2) приливные эффекты от темного гало скопления/группы [7]; 3) "насилие (harassment)" - гравитационное приливное воздействие галактик друг па друга при достаточно быстром пролете |8|; 4) лобовое давление горячей межгалактической среды (ram pressuie) (9, 10]; 5) "голодание (starvation)" - прекращение звездообразования в результате исчезновения внешних резервуаров с газом, до того обеспечивавших аккрецию газа на диск галактики и питание процессов звездообразования [11]. Все эти процессы тесно связаны с плотным окружением галактик, потому что только скопления и богатые группы галактик с их массивными темными гало могут обеспечить необходимую плотность горячей межгалактической среды для лобового давления и близкое взаимное расположение галактик для возникновения приливных эффектов.

Известно, что липзовидпые галактики являются доминирующим населением близких скоплений галактик, где их доля достигает 60% [12]. Однако и среди галактик поля число SO-галактик весьма заметно: по оценкам обзора АРМ [13],

в ближней Вселенной доля линзовидных галактик составляет около 15%, и они находятся иа втором месте по частоте встречаемости после спиральных. Более того, существуют примеры совершенно изолированных линзовидных галактик [14]. Возникает (до сих пор не поднимавшийся) вопрос о происхождении таких галактик. Под действием каких физических механизмов они были сформированы, и насколько эти механизмы отличаются от тех, что работают в плотном окружении?

Несмотря иа видимый дефицит механизмов морфологической трансформации изолированных галактик по сравнению с членами скоплений и групп, неправильно считать, что изолированные галактики эволюционируют абсолютно обособленно, как в сценарии "замкнутой системы (closed box)"; па это указывают некоторые недавние исследования. В недавней работе [15] было показано, что совершенно изолированная спиральная галактика раннего типа NGC 7217 за последние 5 млрд. лет испытала по меньшей мере два события падения спутников. В локально изолированной SO-галактике NGC 4124 мы также обнаружили следы малого мержинга, который по всей видимости произошел 2-3 млрд. лет назад и спровоцировал центральную вспышку зведообразовапия (см. [16| и Главу 5).

Газ в линзовидных галактиках

До недавнего времени считалось, что линзовидные галактики по сравнению со спиральными имеют существенно меньшее количество холодного газа, однако в последних работах было показано, что атомарный и/или молекулярных газ по-видимому присутствует в большинстве линзовидных галактик ([17-19]), при этом менее чем в половине случаев протяженный диск холодного газа испытывает текущее звездооразование [20]. Бертола, Бузой и Зейлингер [21] показали, что в линзовидных галактиках кинематика газа достаточно часто обособленна

от звезд (decoupled) и что по крайней мере в 40% случаев газ в SO имеет внешнее происхождение. Те же авторы в работе [22] основываясь па большей выборке SO галактик обнаружили, что половина всех близких SO галактик с протяженными структурами ионизованного газа имеют обособленную кинематику газа. В недавней работе Дэвиса и др. [23] на основе данных панорамного спектрографа SAURON было показано, что в SO галактиках скопления Девы, всегда наблюдается совпадение кинематики газовой и звездной подсистем, в то время как лиизовидпые галактики в группах и в поле проявляют рассогласованную кинематику газа в 50% случаев. Такая статистика свойств газовой подсистемы в липзовидиых галактиках свидетельствует о сильном влиянии окружения галактик. Для галактик, расположенных в разреженных областях космического пространства, ожидается высокая доля случаев рассогласования кинематики газа.

Таким образом, исследования свойств изолированных линзовидных галактик позволит сконцентрироваться на эволюционных механизмах, связанных либо с внутренними нсустойчивостями дисков, либо только с внешней аккрецией газа и/или спутников. Следует заметить, что аккреция газа и/или события малого мсржипга могут не только остановить звездообразование в диске, по и наоборот, спровоцировать его [24, 25].

Актуальность

Одной из важнейших задач современной астрофизики является изучение вопросов формирования и эволюции галактик. Решение этой задачи сопряжено с выявлением наиболее значимых физических факторов и процессов, определяющих эволюционный путь галактик. Как описательные методы, так и детальные численные расчеты дают предсказания для свойств рассматриваемых галактик, поэтому сравнение их с наблюдениями является решающим факто-

ром при выборе сценария эволюции. Все общепринятые предлагаемые механизмы формирования линзовидных галактик заключаются в морфологической перестройке спиральных галактик в линзовидные в результате динамического влияния со стороны окружения [5-11]. Однако около 15% близких галактик поля составляют линзовидные галактики [13], также известны примеры сильно изолированных галактик [14]. Для таких галактик эффекты окружения малоэффективны . Актуальность представленных в диссертационной работе исследований определяется недостатком глубоких наблюдений изолированных линзовидных галактик и отсутствием для этих объектов "ниши" в общепринятых сценариях формирования БО галактик. Стоит отметить важность наблюдений методами глубокой спектроскопии на крупных телескопах, которые позволяют получить информацию не только о центральных частях галактик, но и уйти в область дисков - основных структурных компонентов любой дисковой галактики. Построение детального сценария формировании и эволюции галактики без учета соотношения свойств структурных компонентов невозможно.

Цель диссертационной работы

Исследование линзовидных галактик в сильно разреженном окружении, где динамическое влияние со стороны других галактик минимально и стандартные механизмы формирования линзовидной галактики, обсуждаемые в литературе, малоэффективны. Поставленная цель подразумевает решение следующих задач:

1. Выделение из близких галактик, которые являются наиболее подходящими для проведения детальных исследований, объектов, удовлетворяющих необходимым критериям изолированности. Составление выборки исследуемых галактик.

2. Проведение спектральных наблюдений на крупных оптических телескопах и анализ полученного материала современными методами, в том числе разработанными соискателем.

Научная новизна

• В настоящей работе впервые строго изолированные линзовидные галактики выделяются в обособленную группу для детального исследования методами глубокой оптической спектроскопии. Впервые выполнены такие исследования с использованием крупных оптических телескопов.

• Впервые проведены детальные исследования двух линзовидных галактик NGC 4124 и 1С 719 со следами недавнего падения газа на их диски.

• Разработаны усовершенствованные алгоритмы вычитания вклада спектра ночного неба для данных длиииощелевой спектроскопии, которые эффективно учитывают вариации инструментального контура вдоль щели.

• Впервые разработаны методики анализа оптических спектров галактик с использованием эволюционных моделей звездных населений для случаев: а) непараметрического восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и б) одновременного определения параметров кинематики и свойств звездных населений при двухкомпоиентпой декомпозиции спектра.

Практическая значимость

• Разработанная методика вычитания спектра ночного неба с учетом вариаций инструментального контура вдоль щели может быть применена для спектральных данных с любого спектрографа; кроме того, методику

можно адаптировать к данным многощелевой спектроскопии и к данным панорамной спектроскопии.

• Методика непараметрического восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и методика одновременного определения параметров кинематики и свойств звездных населения при двухкомпонептпой декомпозиции спектра могут быть использованы для исследования галактик с заподозренным противовращением звездных дисков, а также для определения свойств звезд балджа и диска в областях, где их вклад в интегральный спектр сопоставим.

• Построенная выборка изолированных линзовидных галактик может быть использована другими исследователями для в изучения эффектов окружения.

• Полученные свойства и параметры изолированных галактик могут и должны быть использованы при построении космогонических сценариев формирования и эволюции внегалактических объектов.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика вычитания спектра ночного неба при длипиощелевых наблюдениях в случае вариаций инструментального контура спектрографа вдоль щели. Методика непараметрического восстановления функции распределения звезд по скоростям вдоль луча зрения и методика определения параметров кинематики и свойств звездных населений неразрешенных систем путем поппксельной аппроксимации спектров для сложного двухкомпо-нептного звездного населения.

2. Выборка из 281 лиизовидной г