Фотометрические свойства и звездное население баров галактик тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

1 ты /

московским государственный университет

им. М.ВЛОМОНОСОВА

Физический факультет Кафедра астрофизики и звездной астрономии

На правах рукописи УДК 520.82 + 524.7 + 524.722.3

ГУСЕВ Александр Сергеевич

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЗВЕЗДНОЕ НАСЕЛЕНИЕ

БАРОВ ГАДАКТИК

(01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор

А.В.Засов

москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6 Глава I. Многоцветная поверхностная фотометрия галактик с

перемычкой 11

§1. Введение к главе I 11

§2. Наблюдения и обработка 15

2.1. Используемые инструменты и приемная аппаратура 15

2.2. Журнал наблюдений 19

2.3. Методика обработки изображений 19

2.4. Фотометрические системы 23 §3. [/5У/?-фотометрия галактики NGC 523 25

3.1. Общие сведения о галактике 25

3.2. Полученные результаты и их анализ 27

3.2.1. Фотометрические профили 27

3.2.2. Распределение цвета 30

3.2.3. Двухцветная диаграмма 33

3.3. Обсуждение результатов 34 §4. Í7SУ-фотометрия галактики NGC 1620 36

4.1. Общие сведения о галактике 36

4.2. Полученные результаты и их анализ 37

4.2.1. Фотометрические профили 37

4.2.2. Распределение цвета 39

4.2.3. Двухцветная диаграмма 41

4.2.4. Моделирование кривой вращения и отношение M/L 43

§5. SVRZ-фотометрия галактики NGC 5605 47

5.1. Общие сведения о галактике 47

5.2. Полученные результаты и их анализ 49

5.2.1. Фотометрические профили 49

5.2.2. Распределение цвета 52

5.2.3. Двухцветные диаграммы 55 §6. ВVRI-фотометрия галактики NGC 5665 58

6.1. Общие сведения о галактике 58

6.2. Полученные результаты и их анализ 61

6.2.1. Фотометрические профили 61

6.2.2. Распределение цвета 64

6.2.3. Двухцветные диаграммы 67 §7. £/ВУЯ/-фотометрия галактики NGC 6217 70

7.1. Общие сведения о галактике 70

7.2. Полученные результаты и их анализ 73

7.2.1. Фотометрические профили, морфология галактики 73

7.2.2. Распределение цвета 78

7.2.3. Двухцветные диаграммы 83

7.2.4. Звездные агрегаты 86

7.3. Обсуждение результатов 89 §8. t/VR-фотометрия галактики NGC 7292 92

8.1. Общие сведения о галактике 92

8.2. Полученные результаты и их анализ 93

8.2.1. Фотометрические профили 93

8.2.2. Распределение цвета 95

8.2.3. Двухцветная диаграмма 98

8.2.4. Моделирование кривой вращения и отношение M/L 100

§9. UBVR-фотометрия галактики NGC 7678 103

9.1. Общие сведения о галактике 103

9.2. Полученные результаты и их анализ

9.2.1. Фотометрические профили

9.2.2. Распределение цвета

9.2.3. Двухцветная диаграмма

9.3. Обсуждение результатов

§10. С/М-фотометрия галактики NGC 7743

10.1. Общие сведения о галактике

10.2. Полученные результаты и их анализ

10.2.1. Фотометрические профили

10.2.2. Распределение цвета

10.2.3. Двухцветная диаграмма §11. Выводы к главе I

Глава П. Особенности звездного населения бара Большого

Магеллановою Облака 123

§1. Введение к главе II 123

§2. Население БМО: общий обзор 125

§3. Выборка скоплений 127

§4. Полученные результаты и их анализ 129

4.1. Распределение скоплений по возрастам 129

4.2. История звездообразования в баре и диске БМО 132

4.3. Пространственное распределение скоплений различных возрастных групп 134

§5. Обсуждение результатов 139

§б. Выводы к главе II 141

Глава Ш. Фотометрические свойства баров галактик 142

§1. Введение к главе III 142

§2. Исторический обзор 144 §3. Средние поверхностные яркости и интегральные показатели

цвета баров 147

105 105 107

109 111 113

113

114 114 116 118 120

3.1. Выборка галактик 147

3.2. Анализ фотометрических данных 151

3.2.1. Средние поверхностные яркости баров 151

3.2.2. Интегральные показатели цвета баров 154 §4. Особенности звездного населения в барах 158

4.1. Анализ фотометрических данных 158

4.1.1. Двухцветные диаграммы 158

4.1.2. Изменение цвета вдоль большой оси бара 162

4.1.3. Возможная природа аномальных показателей цвета в барах 164

4.2. Моделирование звездного населения баров галактик 166

4.2.1. Описание метода и исходных параметров 166

4.2.2. Анализ результатов моделирования 169

4.2.3. Альтернативная модель звездного состава 175

4.3. Обсуждение результатов 179 §5. Выводы к главе III 182

Заключение 183

Список литературы 185

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивые равновесные образования в галактиках - бары - являются объектами пристального внимания астрофизиков. Вопросы образования и эволюции баров, их влияние на динамику газа и звезд, на процессы звездообразования, на ядерную активность и эволюцию галактик - относятся к числу самых интересных и до конца не разрешенных проблем внегалактической астрономии. Особенный интерес к барам связан с тем, что среди галактик с перемычкой наблюдается повышенный процент галактик с признаками ядерной активности и со вспышками звездообразования (Arsenault, 1989; Friedli, Benz, 1995) и взаимодействующих галактик (Elmegreen et al., 1990). Вместе с тем, обнаружение слабоконтрастных баров в инфракрасном диапазоне позволяет утверждать, что эти структурные детали характерны для большинства наблюдаемых спиральных галактик (Mulchaey, Regan, 1997).

Вопрос о влиянии баров на процессы звездообразования в галактиках до сих пор окончательно не решен. С одной стороны, для галактик с перемычкой наблюдается избыточное излучение в УФ- и ИК-диапазонах по сравнению с галактиками без бара (см. работу Соловьева (1975), в которой изучался показазатель цвета U-B SB-галактик, и работу Hawarden et al. (1986), в которой отмечен избыток излучения SB-галактик на 25ц), что свидетельствует в пользу того, что бар стимулирует процессы звездообразования. С другой стороны, Moss, Writtle (1993) пришли к выводу, что наличие бара не влияет на современную активность звездообразования в галактиках.

Действенным способом изучения свойств баров является анализ их фотометрических характеристик. Планомерные фотометрические исследования баров, ведущиеся уже полтора десятилетия, начиная с пионерской работы Элмегрина и Элмегрин (Elmegreen, Elmegreen, 1985), подарили астрофизикам открытие ряда интересных особенностей. Одной из них стало отмеченное

впервые Пенсом и Вокулером (Репсе, de Vaucouleurs, 1985) для галактики NGC 4027 отклонение на двухцветных диаграммах точек, характеризующих показатели цвета бара, влево от нормальной последовательности цветов галактик (НПЦ).

Двухцветные диаграммы являются хорошим индикатором особенностей состава звездного населения в галактиках. Нормальная последовательность цветов галактик на двухцветных диаграммах является геометрическим местом точек, характеризующих показатели цвета старых звездных систем: вдоль НПЦ располагаются точки, характеризующие интегральные показатели цвета нормальных галактик. Любое "выпадание" от НПЦ точек, характеризующих исправленные за поглощение показатели цвета галактики в целом или какой-либо ее части, свидетельствует об особенностях звездного населения данной галактики или ее части (например, о вспышке звездообразования). Это является следствием того, что нестандартное звездное население различным образом проявляет себя на разных длинах волн.

Есипов и др. (1993) рассмотрели на двухцветной диаграмме (U-B)q+(B-V)0 изменение показателей цвета перемычки NGC 151 вдоль большой оси бара. Более голубой цвет внеших областей бара авторы данной работы связали с увеличением вклада в общую светимость молодых звезд (с возрастом менее 109 лет) на периферии бара. С другой стороны, смещение точек, показывающих цвета бара, влево от НПЦ на двухцветной диаграмме они объяснили низким содержанием в нем звезд промежуточного возраста (-109 лет). Возникла необходимость проверить данную гипотезу и выяснить, является ли аномальное положение на двухцветных диаграммах общим свойством баров. Это является весьма актуальной задачей, поскольку исследование звездного состава баров важно для понимания процессов, происходящих в галактиках, таких, как движение газа и звезд в области бара и звездообразование в баре. Планомерного изучения цветовых особенностей баров галактик ранее не проводилось.

Таким образом, целью настоящей работы являлось:

- получение общей картины распределения яркости и цвета в барах для галактик различных типов и изучение положения баров на двухцветных диаграммах, с использованием как результатов собственных фотометрических исследований, так и данных, взятых из литературы;

- выявление различий между составом звездного населения в баре и в диске Большого Магелланового Облака (БМО) - ближайшей к нам галактике с перемычкой, путем прямого подсчета числа звездных скоплений БМО с известными возрастами;

- расчет эволюции цвета и светимости звездных систем с помощью численного моделирования, построение модели, объясняющей наблюдаемые цветовые особенности баров.

- проведение анализа фотометрических и кинематических особенностей галактик с барами, с использованием новых данных наблюдений на Майданакской обсерватории.

Полученные в ходе работы результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 7 работах, приведенных в начале списка литературы в хронологическом порядке. Вклад соискателя в работы, выполненные в соавторстве, заключался в следующем:

в работе [2] (Гусев, Есипов, 1996) соискателем была осуществлена обработка просканированных на АМД изображений галактик и звездных стандартов, проведены анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы работы;

в работе [3] (Артамонов и др., 1997) соискателем была полностью осуществлена обработка фотопленок с изображениями галактик и звездных стандартов, проведены анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы работы;

Остальные 5 работ были выполнены соискателем без соавторов.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. В последнем параграфе каждой главы приводятся выводы, полученные в соответствующей главе.

Объем диссертации составляет 195 страниц, в ней содержится 73 рисунка (включая 8 фотографий) и 28 таблиц. Список литературы насчитывает 197 наименований.

Во Введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы, приводятся основные результаты, выносимые на защиту.

В Главе I приводятся результаты многоцветной поверхностной фотометрии 8 галактик с перемычкой, наблюдавшихся на Майданакской обсерватории: NGC 523, NGC 1620, NGC 5605, NGC 5665, NGC 6217, NGC 7292, NGC 7678 и NGC 7743. Помимо данных о фотометрических свойствах баров галактик, при анализе результатов были получены новые данные о структурных особенностях галактик, происходящих в них процессах звездообразования, выявлены области активного звездообразования, определены их размеры, мощность вспышки и возраст. Для двух галактик с известной кривой вращения (NGC 1620 и NGC 7292) проведено моделирование кривой и определены параметры компонент галактик и их массы, получены зависимости отношения M/L от радиуса.

Глава II посвящена изучению особенностей звездного населения бара Большого Магелланового Облака на основе имеющихся данных о звездных скоплениях БМО с известными возрастами. Проанализированы полученные распределения скоплений по возрастам и их пространственное распределение как в баре БМО, так и в галактике в целом.

В Главе III рассмотрена совокупность всех имеющихся на сегодняшний день фотометрических данных по барам галактик. Изучено распределение числа галактик различных морфологических типов в зависимости от средней поверхностной яркости и интегральных показателей цвета баров и галактик в

целом. Рассмотрены положения баров галактик на различных двухцветных диаграммах. С использованием метода эволюционного моделирования получены количественные характеристики состава звездного населения систем, модельные показатели цвета которых соответствуют наблюдаемым показателям цвета баров.

В Заключении кратко суммированы основные результаты, полученные в диссертации, отмечается их новизна и практическая ценность.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Получение оригинального материала по двухмерной многоцветной широкополосной фотометрии 8 спиральных галактик с перемычкой, выявление областей активного звездообразования и оценка их параметров.

2. Анализ особенностей звездного населения бара БМО по распределению звездных скоплений различного возраста; вывод о неравномерном распределении скоплений по возрастам внутри бара (наиболее заметен относительный недостаток в баре скоплений с возрастом 5-108-нб-109 лет по сравнению с галактикой в целом).

3. Составление каталога средних поверхностных яркостей и показателей цвета баров галактик по опубликованным и полученным автором данным (78 объектов) и обнаружение систематических цветовых особенностей звездных баров по анализу их положения на двухцветных диаграммах.

4. Интерпретация особенностей показателей цвета баров в рамках эволюционных моделей звездного населения; вывод о дефиците в барах звезд промежуточного возраста ((1-4-9)-109 лет) по сравнению с галактиками в целом.

ГЛАВА I. МНОГОЦВЕТНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ФОТОМЕТРИЯ ГАЛАКТИК С ПЕРЕМЫЧКОЙ

§1. Введение к главе I

Галактики, исследованные в данной главе, относительно малоизученные; их многоцветная поверхностная фотометрия, как правило, ранее не проводилась. Вместе с тем, многоцветная поверхностная фотометрия (наряду со спектрофотометрией) является важнейшим (а для слабых внешних областей галактик единственным) способом исследования галактик в оптическом и ближнем ИК-диапазонах и позволяет получить информацию о структурных особенностях, характере звездообразования в галактиках, выявить и исследовать очаги активного звездообразования в них Применяя данные фотометрии к исследованию кривых вращения галактик, можно получить информацию о кинематике галактик: определить параметры компонент галактик и их массы (в т.ч. скрытую массу), получить зависимость отношения М/Ь от радиуса как для галактик в целом, так и для их компонент. Изучению данных вопросов и посвящена настоящая глава. Однако, особое внимание в исследованиях уделялось изучению фотометрических свойств баров (перемычек) галактик.

Всего в данной главе было исследовано 8 галактик.

В §2 настоящей главы приводятся сведения о наблюдениях и методике обработки изображений галактик. В разделе 2.1 даются краткие сведения об используемых при наблюдениях телескопах, приемной аппаратуре (ЭОПе, ПЗС-камере) и светофильтрах. В разделе 2.2 приводится журнал наблюдений галактик. В разделе 2.3 описывается методика обработки фотографических и ПЗС-изображений. В разделе 2.4 рассматриваются используемые фотометрические системы.

В §3 приводятся результаты поверхностной í/BVK-фотометрии галактики NGC 523, полученной с помощью ЭОПа. В разделе 3.1 содержатся общие сведения о галактике и обзор литературы по NGC 523. Раздел 3.2 посвящен анализу полученных результатов (анализируются фотометрические профили и распределение яркости в галактике, ее морфология, рассматривается распределение цвета в галактике, изучаются обнаруженные в ней области активного звездообразования, анализируется положение отдельных областей NGC 523 на двухцветной диаграмме (U-B)q^(B-V)q). В разделе 3.3 проводится обсуждение результатов. На основании данных проведенной фотометрии и анализа кривой вращения высказывается гипотеза о возможном слияниив случае NGC 523 двух галактик в одну.

В §4 приводятся результаты поверхностной C/BV-фотометрии галактики NGC 1620, полученной с помощью ЭОПа. В разделе 4.1 содержатся общие сведения о NGC 1620 и краткий обзор литературы по галактике. Раздел 4.2 посвящен анализу полученных результатов (анализируются фотометрические профили и распределение яркости в галактике, определяются параметры балджа и бара NGC 1620, рассматривается распределение цвета в галактике, области повышенного звездообразования, анализируется положение отдельных областей NGC 1620 на двухцветной диаграмме (U-B)q+(B'V)q и обсуждение полученных результатов, проводится моделирование кривой вращения NGC 1620, рассматриваются зависимости отношения M/L от радиуса для галактики в целом и ее компонент: диска и балджа).

В §5 приводятся результаты поверхностной BVRI-фотометрии галактики NGC 5605, проведенной с использованием ПЗС-приемника. В разделе 5.1 содержатся общие сведения о галактике и обзор литературы по ее исследованию. Раздел 5.2 посвящен анализу полученных результатов фотометрии: анализируются фотометрические профили и распределение яркости в галактике, ее морфология, рассматривается распределение цвета в галактике, изучаются обнаруженные в ней области активного

звездообразования, проводится анализ положений отдельных областей NGC 5605 на двухцветных диаграммах (B-V)q+(V-R)q и (B-V)q+(V-[)q, проводится обсуждение полученных результатов.

В §6 приводятся результаты поверхностной ЙУ7?/-фотометрии галактики NGC 5665, проведенной с помощью ПЗС. В разделе 6.1 содержатся общие сведения о галактике и обзор литературы. Раздел 6.2 посвящен анализу полученных результатов (изучаются и анализируются фотометрические профили и распределение яркости в галактике, ее морфологические особенности, рассматривается распределение цвета в галактике, изучаются обнаруженны