Динамика и эволюция систем шаровых скоплений в гигантских эллиптических галактиках тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

9

л

... á

САНКТ-ПСТЕРНУИСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДИНАМИКА И ЭВОЛЩИЯ СИСТЕМ ШАРОШХ С КОШЕНИЙ В 1ИГАИТСКИХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ГАЛАКТШОХ

01.03.02 - астрофизика

АВТ0РВ5КРАТ дисоертации на оояокаяяе ученой степени кандидата фгаико-иатвнатичвских наук

На правах рукопиои

БЕЛОВ Владимир Николаевич

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена на кафедре астрофизики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: В.Г.Горбацкий, доктор физико-ыатеыати-ческих наук

Официальные оппоненты: А.Д.Чернин, доктор фкзико-штекнических наук,

Ведущее учреждение: Главная астрономическая обсерватория РАН /г.Санкт-Петербург, Пулково/

Защита состоится " 12_" Сргбрсыл 1593 г. в1^ часов на заседании Специализировалного совета Д 063.57.39 по защите диссертаций на соискенио ученой степени доктора физкко-1атематических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 139034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9, геологический факультет, еуд. 83.

С диссертацией мозно ознакомиться в Научной библиотеке ш.текц Л.М.Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

В.В.Орлов, кандидат.физико-математических наук.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

Актуальность проблемы. Шаровые скопления /НЮ/ представляют собой один из наиболее интересных и до сих пор во многом остающихся загадочными астрофизических объектов. Время возможного распада ЮС, полученное из звездно-динамических расчетов, составляет 10^-10*^ лет, а оценка их возраста на основе теории звездной эволюции дает величину около 10^ лет. Поскольку ШС - ровесники галактик и возможные свидетели их образования, то изучение систем ЮЗ может дать информация о • процессах, происходивших на стадии образования галактик, и об особенностях этих процессов в галактиках разных морфологических типов.

За последние годы накопился достаточно обширный наблюдательный материал, относящийся к системам ШС гигантских эллиптических /<|£Г / галактик. Системы ИЗ различных дГ галактик сильно различаются по своим свойством. Многие из галактик, расположенных в центральных областях скоплений галактик, имеют в 3-5 раз больпе ШС на единицу кассы, чем не находящиеся в центре скоплений Е галактики. Однако существуют и центральные дЕ галактики с малым числом ИС. В ряде случаев, слоте;м НС в ^Е галактиках имевт более плоские профили поверхностной плотности, чем соответствующие профили звездного гало / так обстоит дело, например, в галаятшеах скопления Деэа /. Однако в других случаях, пространственные распределения ШС и излучения гало совпадают / например, в

галактиках А/СС 3311 и Ш*С 1399 /. Системы ШС некоторых д£ галактик / например, 1.37 / имеют центральное уплощение в наблюдаемом профиле поверхностной плотности, которое нельзя объяснить только внутренними причинами / динамическое трениз, разрушение ЕС и пр. /. У большинства дЕ галактик на любом расстоянии от центра металллчность ШС меньше, чем у окружающих их звезд. В некоторых галактиках наблюдается градиент металлнчности ШС к центру / например, в Д/СС 1399 /, однако в других галактиках этого градиента нет / Ш7 /.

Для объяснения наСлпдаемд свойств систем ШС дЕ галактик 'Знло предложено несколько гипотез о происхождении систем КС в галактиках. ШС могли образоваться либо путем развития воз17кет1Й плотности ввпества на догалактической стадии, либо

в результате процессов, происходивших на стадии формирования галактики. Система ЕС может формироваться уже у существующей галактики в течении всей ео зхдзни, например, в результате гравитационной неустойчивости в-«кологалактической среде. Ни одна из этих гипотез, предполагающих действие только внутренних процессов в галактике, не в состоянии дать объяснение всей совокупности свойств систем ЕС д£Г галактик. В последнее врекя получила распространешю идея о том, что существенное влияние на образование и свойства системы ЕС ¡Е галактики шхет оказывать захват ШС из пролетающих шшо, либо поглощаешх менее пассивных галактик. Изучение этого явления мояет пролить свет на эволюцию систем ШС галактик в результате внешних воздействий.

Цель работы состоит в исследовании динамики и эеолюции систем ШС дЕ галактик при приливных взаимодействиях с соседними галактиками и поглощениях галактик.

Новизна и научная ценность работы. Моделирование приливного обмена ЕС производилось ранее в работах, использующих метод решения задачи А/ тел для исследования эволюции скопления галактик. Использование этого кетода еозмояно лишь при ограничении числа рассматриваемых ЕС у каздой галактики единицами, что позволяет получить лишь качественную картину обмена. Подход, примененный в диссертационной работе, заключается в рассмотрении взаимодействия 'только двух галактик, одна из которых имеет число ЕС, близкое к реальному, и изучении формирования и эволюции системы ЕС дЕГ галактики в результате такого взаимодействия методом решения ограниченной аадачн трех тел. На основе такого подхода в диссертации: 1/ исследовано приливное воздействие дЕ галактики на систем ШС пролетающей галактики; 2/ изучена судьба систем ШС галактик, поглощенных дГ галактикой; 3/ рассмотрено влияние взаимодействия дЕ галактики с другими галактиками на ее собственную систему ШС. Получена но только качественная, но и количественная картина обмена ШС д£" галактики с соседними галактиками. Процесс же влияния поглощения галактик на формирование ее системы ЕС в теоретическом плане почти не рассматривался. Исследование этого процесса, проведенное в диссертационной работе, б какой-то мере заполняет этот про-бач.

На защиту выносятся;

1.' Решение задачи о формировании системы шаровых скоплений гигантское Е галактики вследствие приливного взаимодействия с соседними галактиками.

2. Выводы о динамических свойствах снстеиы шаровых скоплений, формирующейся при поглощении гигантской Е галактикой других галактик.

3. Решение задачи о влиянии взаимодействия галактик на динамику я эволвцию собственной система шаровых скоплений гигантской Е галактики.

Лпробштя. Результаты работы докладывались и обсуждались на 8 Межвузовской тсогГ'Тюронтш'.; молодых ученых "Развитие фундаментальных и прикладных исследований" /Ленинград, 1990/, на семинарах кафедры сстро^изихи и лаборатории теоретической астрофизики Л1У, на семинаре Радиоастрономической станции ФИЛИ /Пущина, 1992/, a такяо были продставлены в виде постера lia рабочем СОВСЩаНИИ ПО токе "The globular cluaters-Galnxy connections globular clusters within the context of their parent galaxies" (Santa Cruz, 1992).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из краткого Введения, четырех глав, Заключения, двух Приложений и списка цитируемой литературы /90 наименований/, содержит 19 рисунков. Общий объем диссертации - 127страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко обосновывается Актуальность задач, решаемых в диссертации, формулируется цель работы, излагается содержание диссертации. Приведен список статей, в которых опубликованы основные результаты.

Первая глава носит вводно-обзорный характер. В ней обосновывается постановка аада'и о влиянии приливных взаимодействий и поглощений галактик в скоплениях на формирование систем ШС ¡j£ галактик. В § 1 обсу.кдаются иаблвдаемие свойства систем ШС gF галактик, лрчг.одатсн величины, характеризующие систеуы ШС галактик и перечисляются основные особенности систем ШС галактик /аномально большое содержание ШС в некоторых галактиках, различие <1орин профилей поверхностной плотности системы !1Е к звездного гало у разных вЕ галактик.

наличие градиента метачличности в системах ЕС одних галактик и его отсутствие в других и пр./.

В § 2 обсуждаются существующие гипотезы о происхождении ШС и их систем в дЕ галактиках. Отмечаются характеристики систем ШС, которые объясняются на основе этих гипотез. Особо выделяются свойства систем ШС, пока не находящие объяснения. Сделан вывод об отсутствии в настоящее время гипотезы, способной объяснить все особенности систем № дЕ галактик, что дает основания для дальнейшее разработки гипотез о про-исхонденш систем ШС, одной из которых является предположение о формировании систем ШС ^Е галактик в результате приливных взаимодействий и поглощений галактик в скоплении.

В § 3 описаны результаты тлеющихся работ по численному моделированию приливных воздействий на системы ЮС галактик. В этих работах методом решения задачи М тел рассматривается эволюция скопления галактик, каздая из которых икает не более чем несколько ШС, что позволяет представить дашь качественную картину обмена ШС галактиками в результате приливных взаимодействий. В диссертации предложен другой подход - рассмотреть взаимодействие только двух гачактж, каждая из которых имеет систену ШС с числом скоплений, близким к реальному /несколыго сотен ШС/.

Во второй глава рассматривается вопрос о влиянии приливного взаимодействия <)£ галактики с пролетающей галактикой /типов 5 и Е /на систе;»и ШС обеих галактик. В § 1 описываются модели, принятые для £ и £ галактик, а также первоначальное распределение ШС в родительской галактике.

В § 2 приводится систо1/л уравнений задачи, записываема в предположении о том, что масса ШС пренебрежимо мала по сравнению о массами галактик. Гравитационное взаимодействие ШС друт с другом не учитывается. Это позволяет свести, задачу к изучению поведения системы, состоящей из ШС и двух галактик, доя каздого ШС отдельно, т.е. реиать ограниченную задачу трех тел при рассмотрении движения каздого ШС. В уравнениях учитывается действие динамического трения на ШС, находящееся в с|Е* галактике.

В § 3 приводятся наборы параметров моделей и используемый штод расчета. Для гассч пролетающей галактики приминались значения, состаглягоцие 0.1 и 0.01 от кассы Щ. яС га-

лактики. Еарьируются величины прицельного параметра, начальной скорости столкновения и размеры системы ШС пролетающей галактики. Система уравнений движения решалась методом Рунге-Кутта четвертого порядка о автоматическим выбором шага. Рассматривались гиперболические и параболические пролеты галактики с системой Н - 200 ШС мимо gF галактики, а также пролеты галактики мимо ¡¡Г галактики с системой И - 400 ШС.

В § 4 представлены результаты расчетов и проводится их обсуждение. Получены оценки числа скоплений, вылетевших из пролетающей галактики и доля скоплений, захваченных при этом галактикой. Определены условия захвата ИС взаимодействующими галактиками. Рассчитанные характеристики систем! ИС дГ галактики, образующейся после взаимодействия с несколькими галактиками, /распределение поверхностной плотности системы ЕС, эксцентриситеты орбит и дисперсия скоростей ЕС/ сравниваются о данными наблюдений систем в нескольких галактика::. При определенных значениях па])аметров моделей, рассчитанкче пробили поверхностной плотности системы 1LC ¡jE галактики оказались близким! к наблюдаемым диг галактик. ¡«87, IJGC 1399 и Л^С 3311. Вследствие приливных взаимодействий, большая часть Е.С j£ галактики движется по орбитам с высоким значением эксцентриситета.

В третьей глаяе изучается влияние поглощения jF галактикой других галактик на эволюцию ее систем ШС. В § 1 обсуждается возможность поглощения галактик в скоплении. Хотя теоретические оценки дают очень малую величину вероятности поглощения галактш? в скоплении, наблюдательные данные свидетельствуют о том, что поглощение галактик происходит достаточно часто. Указываются возког-лые причины такого расхождения. Оценивается касса, которую поглощает типичная jF галактика за космологическое время. Приводится краткая характеристика способов численного расчета поглощения галактик и обосновывается выбор метода, используемого в данных расчетах.

В § 2 дается формулировка задачи и приводятся соответствующие уравнения движения. Процесс поглощения галактики сопровождается захватом ее ПС gE "галактикой. Задача состоит в том, чтобы произвести моделирование свойств собственной систем ШС дЕ галактики после того, как произошло поглощение нескольких галактик, и свойств захваченной системы ШС. Pacci.:a-

триваются столкновения gC и эллиптической галактики. Составлена система уравнений движения,'при учете динамического трения, действующего на 11X3 и поглощаемую галактику.

В § 3 приведены параметры моделей и метод расчета. Рассматриваются как лобовые, так и боковые столкновения галактик. Для массы поглощаемой галактики приняты значения 0.1 и 0.01 от кассы д!Г галактики. Делается аналитическая оценка изменения потенциала gC галактики вследствие изменения ее формы из-за взаимодействия с поглощаемой галактикой. Задача решается в два этапа - расчет поглощения галактики с системой, состоящей из 200 ЕС, и расчет влияния поглощения галактики на собственную систему ЕС gf галактики.

В § 4 представлены результаты расчетов. Получеки пространственные распределения захваченных ШС, профили плотности системы ШС <j£ галактики, эксцентриситеты орбит и дисперсии скоростей собственных и захваченных Ii'C. Обсуццается зависимость результатов от параметров используема моделей. Рассчитанные профили плотности скстекл Еахваченных скоплений сходны с каблэдаекшт в галактиках Г.'.37 и fJíC 3311. Дисперсия скоростей захваченных ШС при поглощении галактики с массой, составляющей 0.01 от массы jjF галактики, оказалась близкой к наблюдаемой в галактике 137.

В четвегггой главе дополнительно исследуются эффекты, которые могут.оказать хдо&ше на результаты предыдущих двух глав. В § 1 изучается влияние потенциала центральной галактики на захват ею шаровых скоплений пз соседних галактик. Сравнивается эффективность захвата скоплений гачактжой, как построенной по сферической модели Кинга /тип Е/, так и по трехкомпонентной модели диск + бада + гало /тип S /. Численный расчет взаимодействия центральной массивной галактике с соседним галактихокп показал, что эллипткчеекгя галактика захватывает большее число скоплений из пролетгжцих галактик, чем спиральная. .Сроке того, захваченные П!С в среднем находятся ближе к Е галактике, чем к S галактике.

В § 2 оценивается влияние дгшапгчесхого трения на распределение ШС в tjE галактике. В результате взаимодействия ЕС со звездами gC галактики, оно уменьшает свою скорость движения по орбите, следствием чего является постепенное угленьзе-пие радиуса орбиты !!!С в аЕ галактике. Приведена апалитичес-

кая оценка уменьшения радиуса круговой орбиты ЕС в галактике, задаваемой изотермической сферой. Численно рассчитывается изменение радиуса орбиты ШС со временем, в зависимости от массы ЕС, эксцентриситета орбиты и расстояния до центра галактики, задаваемой сферической моделью Кинга. Получено, что за 1010 лет дикаигческоо трение практически не оказывает влияния на профиль плотности системы ЕС д£ галагшсси, т.е. эволюция этого профиля возможна лишь в результате внесших воздействий на <|£Г галактику,

В 3 делается аналитическая оценка приливного воздействия дЕ- галактики на звезда находящегося в ней шарового скопления. Показывается, что типичное для галшстшси скопление с массой 106и радиусом 50 шс не уменьшает свои раз-мор и массу на расстояниях от центра галактики Ъ > 3 типе.

В Злтслпчетгп перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В Птпто.четггт А выведаны йоркулн, согласно которым задаются начальные скорости ЕС в родительской галактике.

Я Пчтогожеи*;:! Б выведены (¡ор.'.ули для эксцентриситетов орбит ЕС в галактике, задаваемой сферической моделью Кинга.

Основное содержите работы опубликовало в следупдпх статьях:

1. В.Н.Белов. Коделировачие приливного воздействия гигантской эллиптической галактики на систему шаровых скоплений пролетающей галактики. - Вестник ЛУ, 1990, сер. 1, $ 22, вып. 4, с.105-106.

2. В.Н.Белов. Моделирование приливного воздействия гигантской эллиптической галактики на систему шаровых скоплешгй пролетающей галактики. - Лстрон. гурн., 1991, т.68, вып. 2, с.244-252.

3. В.К.Белов. Формирование системы шаровых скоплений при захвате гигантской Е галактикой другой галактики. - Астрон. яурн., 1992, т.69, вып. 4, с.695-704.

4. В.К.Белов. Формирование системы шерових скоплений при взаимодействии гигантской К галактики с другими галактиками. -Кинематика и физика небэейых тел., 1292, т.8, был. 5,

с.63-71.