Фотометрическое исследование систем скоплений галактик тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Введение

1. Функция светимости сверхскопления Большая Медведица

1.1. Создание выборки скоплений галактик в сверхскоплении Большая Медведица.

1.2. Фотографические наблюдения и обработка.

1.3. Привязка фотографической шкалы величин и результаты фотометрии

1.4. Построение функции светимости скоплений галактик

1.5. Построение составной функции светимости сверхскопления Большая Медведица

1.6. Выводы. . . . .',. , . :.

2. ПЗС-фотометрия галактик ранних типов

2.1. Создание выборок галактик ранних типов.

2.1.1. Выборка галактик в сверхскоплении Большая Медведица

2.1.2. Выборка галактик в сверхскоплении Северная Корона

2.1.3. Выборка галактик в скоплениях, окружающих Гигантскую Пустоту.

2.1.4. Выборка галактик в скоплении А1656 (Coma).

2.2. Наблюдения на 6 м и 1 м телескопах CAO РАН и первичная обработка данных

2.3. Поверхностная фотометрия галактик.

2.4. Выводы.

3. Соотношение Корменди как метод определения относительных расстояний скоплений галактик

3.1. Эмпирические соотношения для галактик ранних типов

3.2. "Фундаментальная плоскость" галактик ранних типов

3.3. Определение соотношения Корменди для нашей выборки

3.4. Зависимость остаточных отклонений СК от светимости галактики

3.5. Выводы.

4. Пекулярные движения скоплений галактик

4.1. Определение пекулярной скорости скопления.

4.2. Некоторые результаты определения пекулярных движений галактик и скоплений галактик.

4.3. Диаграмма Хаббла и пекулярные скорости в сверхскоплении Большая Медведица.

4.4. Диаграмма Хаббла и пекулярные скорости в сверхскоплении Северная Корона

4.5. Пекулярные движения вокруг Гигантской Пустоты.

4.6. Выводы.

Картина распределения галактик и скоплений галактик, которая выявляется в результате измерения красных смещений галактик, искажена пекулярными движениями дополнительными к хаббловскому расширению, возникающими в процессе роста космических структур благодаря гравитации. Сами измерения красных смещений несут большую информацию о распределении галактик и скоплений, позволяют моделировать динамику систем, оценивать массы, но правильная физическая интерпретация полученных данных возможна только при измерении прямых расстояний галактик и скоплений галактик с приемлемой точностью.

Наиболее контрастными структурами на масштабах 30 — 300 Мпк являются сверхскопления галактик и пустоты (области, где отсутствуют богатые скопления галактик). Из обзоров красных смещений галактик следует, что размеры сверхскоплений и пустот достигают 60 — 300 Мпк, а массы (дефицит для пустот) ~ (1016 — 1О17)М0 (здесь и далее мы используем Но = 50 км • с"1 • Мпк"1 и = 0.5).

По распределению и движению скоплений в сверхскоплениях можно проследить за ростом неоднородностей в распределении вещества, находящегося на линейной стадии развития гравитационной неустойчивости или в начале процесса гравитационного коллапса - в наиболее компактных системах.

Если контраст плотности как видимого, так и невидимого вещества в сверхскоплениях и пустотах велик, то это должно проявляться в значительных скоростях движения внутри и в окрестностях этих объектов. Если невидимое вещество распределено более однородно, пекулярные скорости могут быть невелики.

Как правило, определяемые из наблюдений пекулярные скорости скоплений галактик не превосходят 1000 км/с. Большие скорости можно ожи2 дать в редко встречающихся компактных и богатых сверхскоплениях галактик, показывающих вытянутость вдоль луча зрения, если определять расстояния прямо пропорционально красным смещениям составляющих их скоплений галактик. Двумя наиболее интересными в этом отношении сверхскоплениями на северном небе являются Большая Медведица и Северная Корона (Rood 1992).

С теоретической точки зрения, согласно Зельдовичу, Эйнасто и Шан-дарину (Zel'dovich, Einasto & Shandarin 1982), именно пустоты могут дать ключ к пониманию крупномасштабной структуры Вселенной. Гравитационная теория предсказывает: пустоты должны увеличиваться в размерах со скоростями, превышающими скорость глобального хаббловского расширения Вселенной. То есть, галактики (или скопления галактик), находящиеся на границах пустоты, должны иметь пекулярные скорости, направленные от центра пустоты. Самой большой из известных пустот в распределении скоплений каталога Эйбелла (в Северной галактической полусфере, в объеме пространства, ограниченном г ~ 0.14 согласно данным каталога пустот Stavrev (2000)), является пустота с условным названием Гигантская Пустота (ГП), обнаруженная в работе Kopylov et al. (1988) в результате выполнения программы "Северный Конус Метагалактики". Ее диаметр для скоплений галактик с богатством R > 1 равен 300 Мпк.

Чтобы выделить из наблюдаемой непосредственно скорости (cz) дополнительную к хаббловской составляющую - пекулярную скорость, необходимо определить расположение скоплений в пределах сверхскопления или вокруг пустоты вдоль луча зрения каким-либо методом, не использующим прямо красное смещение объектов. Определение относительных расстояний скоплений галактик методами, независящими от красных смещений, и разработка самих методов является одним из актуальных и перспективных направлений в современной астрофизике в последние 15 лет.

К настоящему времени наиболее распространенными и широко применя3 емыми методиками, которые, в принципе, позволяют определять расстояния достаточно далеких скоплений галактик (cz > 10000), являются метод Талли-Фишера (Tully & Fisher 1977) для спиральных галактик и метод, использующий соотношение, известное как "Фундаментальная плоскость" (ФП) (Djorgovski & Davis 1987), а также его разновидность - метод Dn — а (Dressler et al. 1987) - для эллиптических галактик. С наблюдательной точки зрения получение спектральных параметров галактик с необходимой для этих методов высокой точностью требует значительных затрат телескопного времени. Соотношение Корменди (проекция ФП) между эффективным радиусом и эффективной поверхностной яркостью галактики (Kormendy 1977) - более экономичный метод оценки расстояний, поскольку он основан полностью на фотометрических параметрах галактик. Он был бы очень ценным инструментом наблюдательной космологии, если бы с его помощью удалось достичь точности сравнимой с точностью метода ФП. В диссертации сделана первая попытка систематического применения соотношения Корменди для задач, требующих определения расстояний и пекулярных скоростей скоплений галактик. 4

Цель работы

Целью данного диссертационного исследования является: сравнительное изучение функции светимости, прямых фотометрических расстояний скоплений, пекулярных скоростей, диаграмм Хаббла сверхскоплений галактик Большая Медведица и Северная Корона для определения их динамического состояния, а также - задача оценки относительных расстояний и пекулярных скоростей скоплений в окрестности Гигантской Пустоты.

Исследование выполнено на основе однородного фотометрического материала, полученного на 6 м и 1 м телескопах CAO РАН и 2 м телескопе (Таутенбург), и с помощью единого метода оценки фотометрических расстояний скоплений - соотношения Корменди (СК), связывающего эффективный радиус и поверхностную яркость галактик ранних типов (Е и S0).

Научная новизна работы

1. На основе фотографического каталога полных В и R величин 1200 ярких (Мв ~ —19.5) галактик, расположенных в центральных областях 11 скоплений галактик в сверхскоплении Большая Медведица, впервые построены функции светимости отдельных скоплений и составная функция светимости всей системы.

2. По результатам фотометрических ПЗС наблюдений на 6 м и 1 м телескопах CAO РАН впервые определены фотометрические параметры в полосе R для 400 галактик ранних типов в 38 скоплениях в полосе R.

3. Впервые с помощью соотношения Корменди оценены с точностью 4 — 6% относительные расстояния и пекулярные скорости в сверхскоплениях Большая Медведица и Северная Корона, а также в системе скоплений, окружающих Гигантскую Пустоту.

Научная и практическая ценность работы

1. Полученный в работе каталог полных В и R величин галактик в 11 5 скоплениях в сверхскоплении Большая Медведица может быть использован для более детального исследования этих скоплений: определения расстояний скоплений с помощью функции светимости или диаграммы "цвет-величина".

2. Каталог фотометрических параметров 400 галактик ранних типов в 38 скоплениях (z=0.05 - 0.15) предоставляет возможность для решения следующих задач: дальнейшее развитие метода определения относительных расстояний скоплений - соотношения Корменди; определение расстояний скоплений галактик с помощью "Фундаментальной плоскости", если к соотношению Корменди добавить центральную дисперсию скоростей звезд; изучение галактик, не подчиняющихся соотношению Корменди - это радиогалактики как с высокой так и с низкой поверхностной яркостью, галактики предположительно со вспышкой звездообразования типа (Е+А) (Dressler & Gunn 1983).

3. Полученные оценки пекулярных скоростей скоплений в сверхскоплениях и вокруг Гигантской Пустоты имеет важное значение для построения теоретических моделей образования и эволюции крупномасштабной структуры и составляющих ее элементов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Определение функции светимости 11 скоплений в сверхскоплении галактик Большая Медведица и составной функции светимости сверх-скоплния на основе каталога В и R величин 1200 галактик и вывод: функция светимости Большой Медведицы имеет параметры функции Шехтера характерные для поля.

2. Оценка относительных фотометрических расстояний, пекулярных скоростей в сверхскоплении Большая Медведица и вывод: система в целом подчиняется хаббловской зависимости между лучевой скоростью 6 и расстоянием.

3. Оценка относительных фотометрических расстояний и пекулярных скоростей в сверхскоплении галактик Северная Корона и вывод: компактное ядро сверхскопления, состоящее из пяти богатых скоплений, вероятнее всего, преодолев общее расширение Вселенной, находится на стадии быстрого гравитационного сжатия.

4. Оценка относительных фотометрических расстояний и пекулярных скоростей скоплений галактик, окружающих Гигантскую Пустоту, и вывод: статистически значимого движения скоплений от центра пустоты наружу не наблюдается, и 1 а верхний предел на скорость расширения пустоты равен 500 км/с.

5. Каталог фотометрических параметров 400 галактик ранних типов в 38 скоплениях (сг = 15000 — 43000 км/с), полученных с ПЗС матрицей в полосе Ы.

Структура и объем диссертации

Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 23 рисунка и 19 таблиц. Список литературы содержит 127 наименований.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения.

4.6. Выводы

Мы проанализировали диаграммы Хаббла для выборки из 38 скоплений галактик, принадлежащих трем системам: сверхскоплению Большая Медведица, сверхскоплению Северная Корона и окрестностям Гигантской Пусто

75 ты. Для анализа использовались фотометрические расстояния, определенные с помощью соотношения Корменди, и спектральные красные смещения. По результатам проведенного анализа получены следующие выводы:

1. Сверхскопление Большая Медведица в целом подчиняется хаббловской зависимости между лучевой скоростью и расстоянием, но в нем можно выделить две подсистемы со средними лучевыми скоростями 16200 км/с и 19700 км/с. Дисперсия скоростей в подсистемах составляет около 1100 км/с, что указывает на возможную гравитационную связанность каждой из них.

2. Сверхскопление Северная Корона закону Хаббла не подчиняется и является гравитационно связанной и динамически обособленной системой. Качественно картина соответствует следующему: ядро сверхскопления состоящее из 5 или б скоплений, вероятнее всего, находится на стадии гравитационного сжатия.

3. Скопления, окружающие Гигантскую Пустоту, следуют закону Хаббла. Статистически значимого движения скоплений, направленного наружу от центра пустоты не наблюдается. Мы определили верхний предел для ^оттока" на уровне 1а равным 500 км/с с учетом эволюции светимости галактик.

76

Заключение

Скопления галактик, являющиеся основными элементами крупномасштабной структуры Вселенной, и их движения, позволяющие изучать динамику неоднородностей в распределении массы на масштабах сверхскоплений, вызывают большой интерес на протяжении последних 20 лет. Определение относительных расстояний скоплений галактик методами, независящими от красных смещений, и разработка самих методов является одним из актуальных и перспективных направлений в современной астрофизике.

В 4-х главах данной диссертации описаны различные этапы работы по определению пекулярных движений в системах скоплений галактик: создание выборок эллиптических галактик, фотометрические наблюдения, разработка методики применения соотношения Корменди для определения относительных расстояний и пекулярных скоростей, а также анализ полученных данных. Используемые в работе фотометрические данные и применяемая методика являются эффективными для определения пекулярных движений, о чем можно судить по представленным результатам.

В заключение суммируем основные результаты представленной работы:

1. По фотографическим данным, полученным на 2 м Таутенбургском телескопе и прокалиброванным с помощью ПЗС наблюдений на б м и 1 м телескопах CAO РАН, построены функции светимости 11 скоплений в сверхскоплении Большая Медведица и составная функция светимости сверхскопления, которая описывается функцией Шехтера с параметрами характерными для галактик поля.

2. По фотометрическим ПЗС данным (фотометрические параметры более 400 галактик ранних типов), полученным на 6 м и 1 м телескопах, разработана новая методика использования соотношения Корменди для определения расстояний скоплений галактик, с учетом светимости галактик. В трех исследованных системах скоплений: сверхскоплениях

77 тик. В трех исследованных системах скоплений: сверхскоплениях Большая Медведица и Северная Корона и в окрестности Гигантской Пустоты с помощью этого соотношения определены относительные расстояния со статистической точностью 4 — 6% и изучены пекулярные движения скоплений.

3. Показано на диаграммах Хаббла, что сверхскопление Большая Медведица в целом подчиняется закону Хаббла, а сверхскопление Северная Корона, вероятнее всего, находится на стадии гравитационного сжатия. Сравнительный анализ параметров (функции светимости и диаграмм Хаббла) двух сверхскоплений позволяет сделать вывод, что эти сверхскопления находятся на разных стадиях динамической эволюции. По-видимому, формирование галактик и скоплений в сверхскоплении Северная Корона началось в более раннюю эпоху, а в сверхскоплении Большая Медведица, находящемся на относительно более ранней стадии обособления от глобального расширения Вселенной, происходит в настоящую эпоху.

4. Исследование движения скоплений галактик, окружающих Гигантскую Пустоту, показало: статистически значимого движения от центра Пустоты наружу не наблюдается. Верхний предел скорости расширения на уровне 1 и равен 500 км/с с учетом эволюции светимости галактик. Отсюда следует, что дефицит массы в Гигантской Пустоте намного меньше, чем это следует из распределения богатых скоплений галактик. Этот результат можно интерпретировать, предполагая сильный байсинг (смещение) для скоплений галактик относительно общего распределения галактик и "темной материи". По-видимому, справедливо предположение Friedmann & Piran (2001) о том, что гравитационный механизм образования не достаточен для объяснения существования больших пустот.

78

Благодарности

В заключение выражаю искреннюю благодарность: моему руководителю, коллеге и мужу А.И.Копылову за поддержку, инициативу и помощь;

Р.Циннеру за получение наблюдательного материала на 2 м телескопе (Та-утенбург);

Ц.Георгиеву за предоставление программы многоапертурной фотометрии; О.Добродий и Г.Коротковой за помощь в работе по построению функции светимости на начальном этапе.

79

1. Афанасьев В.Л., Липовецкий В.А., Михайлов В.П., Назаров Е.А., Шаповалова А.И. 1986, Отчет

2. САО, No 138 Георгиев Ц.Б. 1991, Извест. САО, 33, 213

3. Драбек С.В., Копылов И.М., Сомов H.H., Сомова Т.А. 1986, Астрофиз. исследов., 22, 64 Aaronson М., Mould J., Huchra J., Sullivan W.T.III, Schommer R.A., Bothun G.D. 1980, ApJ, 239 12

4. Aaronson M., Huchra J., Mould J., Schechter P.L., Tully R.B. 1982a, ApJ, 258, 64

5. Barton E.J., de Carvalho R.R., Geller M.J., 1998, AJ 116, 1573 Bingelli В., Sandage A., Tarenghi M. 1984, AJ, 89, 64

6. Borgani S., Bernardi M., da Costa L.M., Wegner G., Alonso M.V., Willmer C.N.A., Pellegrini P.S.,

7. Colless M., Saglia R.P., Burstein D. et al., 2001, MNRAS, 321, 277

8. Dekel A., Eidar A., Kolatt T., Yahil A., Willick J.A., Faber S.M., Courteau S., Burstein D. 1999, ApJ, 522,1

9. Djorgovski S. & Davis M. 1987, ApJ, 313, 59 Dressler A. 1980, ApJS, 42, 565

10. Dressler A., Lynden-Bell D., Burstein D., Davies R.L., Faber S.M., Terlevich R.J., Wegner G. 1987,

11. ApJ, 313, 42 Dressler A. & Faber S.M. 1990, ApJ, 354, 13 Dressler A. & Faber S.M. 1990, ApJ, 354, 45 Dressler A. & Gunn J.E. 1983, ApJ, 270, 7

12. Faber S.M., Dressler A., Davies R.L., Burstein D., LyndelKBell D., Wegner G. 1987, "Nearly Normal

13. Galaxies: From the Planck Time to the Present" (ed. Faber S.M.), Boston: Springer, p. 175 Fanti R., Gioia I., Lari C., Ulrich M.H., 1978, Ah AS, 34, 341 Fish R.A. 1964, ApJ, 313, 42

14. Flin P., Tre vese D., Cirimele G., Hickson P. 1995, AkAS, 110, 313 Forman W. 1997, ApJ, 475, L97 Friedmann Y., Piran T., 2001, ApJ, 548, 1 Gaidos E. 1997, AJ, 113, 117

15. Garilli B., Maccagni D., Andreon S. 1999, AkA, 342, 408 Gibbons R.A., Fruchter A.S., Bothun G.D. 2001, AJ, 121, 649

16. Giovanelli R., Haynes M.P., Freudling W., da Costa L.N., Salzer J.J., Wegner G. 1998a, ApJ, 505, L91

17. Giovanelli R., Haynes M.P., Salzer J.J., Wegner G., da Costa L.N., Freudling W. 1998b, AJ, 116, 2632

18. Gladders M., Lopez-Cruz O., Yee H. K., Kodama T. 1998, ApJ, 501, 571 Graham A. W. 1996, ApJ, 27

19. Grosbol P. "Reviews in modern astronomy" (ed. Klark Q.), Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1989, 2, 242

20. Gudehus D.H., 1991, ApJ 382, 1

21. Hamabe M. k Kormendy J. 1987, " Structure and Dynamics of Elliptical Galaxies", IAU Symp. 127,ed. de Zeeuw T.), Dordrecht: Reidel, p. 379 Hill J.M., Oegerle W.R. 1993, AJ, 106, 831 Hill J.M., Oegerle W.R. 1998, AJ 116, 1529

22. Hoessel J.G. 1980, ApJ, 241, 493

23. Hudson M.J., Smith R.J., Lucey J.R., Schlegel D.J., Davies R.L. 1999, ApJ, 512, L79

24. Humason M. L., Mayall N. U., Sandage A. R. 1956, AJ, 61, 97

25. Hunsberger S.D. & Charlton J.C. 1998, ApJ, 505, 536

26. Huchra J. R, Henry J. R, Postman M., Geller M. J. 1990, ApJ, 365, 66

27. Huchra J. Geller M., Clemens C., Tokarz S., Michel A. 1992, Bull. Inf. C.D.S., 41, 31

28. J0rgensen I., Franx M. 1994, ApJ, 433, 553

29. J0rgensen I., Franx M., Kjasrgaard R 1995, MNRAS, 273, 1097

30. J0rgensen I., Franx M., Kjasrgaard R 1996, MNRAS, 280, 167

31. J0rgensen I., J0nch-Sorensen H. 1998, MNRAS, 297, 968

32. Kim D.-W. k Elvis M., 1999, ApJ 516, 9

33. Kjaergaard R, J0rgensen I., Moles M. 1993, ApJ, 418, 617

34. Maddox S. J., Efstathiou G., Sutherland W. J. 1990, MNRAS, 246, 433 Mathewson D.S., Ford V.L., Buchhorn M. 1992, ApJ, 389, 5

35. Maurogordato S., Proust D., Cappi A., Slezak E., Martin J.M. 1997, A&AS 123, 411

36. Merrifield M. R. & Kent S. M. 1989, A J, 98, 351

37. Merrifield M. R. k Kent S. M. 1991, AJ, 101, 783

38. Molinari E. k Smareglia R. 1998, AkA, 330, 447

39. Oegerle W.R., Hoessel J.G. 1989, AJ, 98, 1523

40. Owen F.N., Ledlow M.J., Kell W.C., 1995, AJ 109, 140

41. Pahre M.A., Djorgovski S., Carvalho R.R. 1996, ApJ, 456, L7982

42. Poggianti B.M., 1997, Ah AS 122, 399 Postman M., Geller M.J., Huchra J.P. 1988, AJ, 95, 267 Postman M., Huchra J.P., Geller M.J. 1992, ApJ, 384, 404 Prugniel P. k Simien F. 1996, AkA, 309, 749

43. Ries A.G., 2000, in "Cosmic Flows: Towards an Understanding Large- Scale Structure", eds Courteau

44. S., Strauss M.A., Willick J.A., ASP Conf. Series, in press, astro-ph/9908237 Rood H.J. 1992, MNRAS, 254, 67

45. Saglia R.P., Bertschinger E., Baggley G., Burstein D., Colless M., Davies R., McMahan R., and

46. Scodeggio M., Gavazzi G., Beisole E., Pierini D., Boselli A. 1998b, MNRAS, 301, 1001 Schechter P. 1976, ApJ, 203, 297 Schechter P.L. 1980, Aj, 85, 801 Shectman S. A. 1985, ApJS, 57, 77

47. Slinglend K., Batuski D., Miller C., Haase S., Michaud K., Hill J.M. 1998, ApJS, 115, 1

48. Smith R.J., Lucey J.R., Hudson M.J., Schlegel D.J., Davies R.L. 2000, MNRAS, 313, 469

49. Small T.A., Sargent W. L. W., Hamilton D. 1997, ApJ, 487, 512

50. Stavrev K.Y. 2000, AkAS, 144, 323

51. Tonry J.L. 1980, Ph.D., thesis, Harvard University

52. Tonry J.L. k Davis M. 1981, ApJ, 246, 680

53. Tonry J.L., Blakeslee J.P., Ajhar E.A., Dressier A. 2000, ApJ, submitted, astro-ph/0007062

54. Treffers R.R., Richmond M.W. 1989, PASP, 101, 725

55. Tully R.B. & Fisher J.R. 1977, AkA, 54,661

56. Tally R.B., 1986, ApJ 303, 25

57. Ulrich M.-H. 1978, ApJ, 221, 422

58. Valotto C. A., Nicotra M. A., Muriel H., Lambas D. G. 1997, ApJ, 479, 90 Visvanathan N., Sandage A. 1977, ApJ, 216, 214 Yahil A., Sandage A., Tammann G.A. 1980, ApJ, 251, 477 Yamagata T. and Maehara H. 1986, PASP, 38, 661