Исследование структуры и динамики видимых с ребра галактик тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Мосенков Александр Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ВИДИМЫХ С РЕБРА ГАЛАКТИК

Специальность 01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия

Автореферат диссертации- на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

18 НОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013 005539890

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Решетников Владимир Петрович

Официальные оппоненты: Сильченко Ольга Касьяновна

доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом физики эмиссионных звезд и галактик Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова Осипков Леонид Петрович

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры космических технологий и прикладной астродинамики факультета прикладной математики-процес-сов управления СПбГУ

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал Специальной астрофизической обсерватории РАН

Защита состоится «17» декабря 2013 г. в 15 ч. 30 м. на заседании диссертационного совета Д 212.232.15 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 28, ауд. 2143 (Математико-механический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан «. НОЛЯМ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В.В.

Введение

В диссертационной работе изучаются спиральные галактики, видимые под большим углом к наблюдателю, то есть в ориентации "с ребра". Эти галактики, как и все регулярные галактики (то есть без каких-либо особенностей в строении), представляют собой объекты, состоящие по крайней мере из двух компонентов — диска и балджа. Ориентированные таким образом галактики вызывают особый интерес, так как только в этом случае представляется возможным изучить вертикальную структуру дисков и балджей, которая может быть достаточно сложной, и отражать различные физические процессы, происходившие или происходящие в данный момент в галактике. Кроме того, появляется уникальная возможность изучать распределение пыли и газа в плоскости галактики, исследовать изгибы, изломы и обрывы дисков па периферии. Изучение влияния темного гало па толщину галактик также является важной проблемой, которая может быть разрешена только благодаря исследованию видимых с ребра галактик.

В литературе можно найти большое количество работ, посвященных галактикам, видимым с ребра. Изучались как отдельно взятые галактики, так и выборки, состоящие из десятков и даже сотен галактик ([1-3]). Были созданы специальные каталоги плоских галактик, содержащие множество видимых с ребра галактик поздних морфологических типов ([4-6]).

При изучении галактик были установлены важные наблюдательные факты ([1, 2, 7, 8]). Как правило, поверхностная яркость дисков (прямо зависящая от поверхностной плотности диска) изменяется с расстоянием от центра по экспоненциальному закону с характерным параметром - радиальным масштабом (или шкалой) к. Распределение поверхностной яркости перпендикулярно плоскости диска хорошо описывается с помощью экспоненциального закона (или более сложных законов, как, например, с помощью модели самогравитирующего изотермического слоя), причем характерный вертикальный масштаб ¿о оказы-

вается практически постоянным по всему диску. Балдж галактик описывается эмпирическим законом Серсика, в который, помимо прочих структурных параметров, входит показатель Серсика, характеризующий профиль распределения поверхностной яркости балджа.

Изучение зависимостей между структурными параметрами балджей и дисков представляет важную научную задачу. Результаты этого анализа необходимы для проведения численного моделирования, а также построения и уточнения теорий, связанных с формированием и эволюцией галактик.

Диссертация посвящена структурному и динамическому исследованию видимых с ребра галактик различных морфологических типов в двух диапазонах длин волн (оптический и ближний ИК). В эпоху развития виртуальных обсерваторий и больших цифровых обзоров неба становится крайне важным изучать представительные, статистически полные выборки галактик, содержащие объекты разных морфологических типов. В ходе обзора литературы автором было обнаружено, что существующие структурные исследования видимых с ребра галактик были выполнены в основном для небольших выборок, в которых разброс галактик по морфологическим типам очень невелик.

Для обработки большого количества наблюдательных данных требуется создание специального программного обеспечения, настроенного под работу с известными обзорами неба. Массовая фотометрическая декомпозиция видимых с ребра галактик (разложение изображения галактики на балдж и диск) па данный момент не реализована ни в одном известном автору пакете автоматической декомпозиции галактик.

Обзор литературы показывает, что существование некоторых корреляций между структурными параметрами галактик (см., напр., В1гуаеу & Мкгопоуа 2002) объясняется в действительности использованием применяемых для анализа галактик моделей, а также характеристиками изучаемых выборок галактик. Такие зависимости являются псевдокорреляциями и не дают нового знания о структуре галактик.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время внегалактическая астрономия переживает эпоху обзоров, результатами которых являются данные о сотнях тысяч и миллионах галактик. Анализ такого количества объектов становится трудоемким процессом, а исследование каждого объекта вручную требует очень больших человеческих ресурсов.

Таким образом, возникает необходимость в разработке алгоритмов, позволяющих производить анализ изображений галактик в автоматическом режиме, сводя участие исследователя на данном этапе работы к минимуму, и тем самым решая проблему обработки большого числа изображений галактик. Применение методов автоматического анализа изображений к выборке дисковых галактик даст массив морфологических и структурных параметров для каждой галактики. Наличие такого массива позволяет провести статистические исследования этих параметров: получить функции распределения, найти корреляции параметров друг с другом, а также другими параметрами (кинематическими и фотометрическими), определить зависимость параметров от фотометрической полосы, в которой получено изображение.

Поиск различных корреляций интересен по двум причииам. Во-первых, они могут служить инструментом, позволяющим делать косвенные оценки различных характеристик галактик по уже известным параметрам. Во-вторых, наличие таких корреляций накладывает определенные ограничения на различные теории формирования и эволюции галактик: любая успешная теория должна объяснять такого рода зависимости.

Раисе многими авторами было произведено детальное исследование выборок галактик разных морфологических типов в разных цветовых полосах, в том числе с получением структурных параметров компонентов галактик. Декомпозиция (фотометрическое разложение изображений галактик па нссколь-

ко компонентов, в первом приближении на балдж и диск) больших выборок галактик за последние несколько лет были проведены неоднократно. Однако детальное изучение вертикальной структуры дисков видимых с ребра галактик в разных цветовых полосах было проделано лишь несколькими авторами, причем па небольшом статистическом материале и в основном для галактик в узком диапазоне морфологических типов (как правило, поздних). Очевидно, что для формирования полной картины о вертикальной структуре галактик необходимо выполнить исследование, в котором будут изучены галактики разных типов, разной поверхностной яркости, относительной толщины диска и прочих характеристик.

Цели и задачи работы

Основная цель работы состоит в исследовании структуры и динамики видимых с ребра галактик. Основными задачами работы являются следующие:

• Построение каталога видимых с ребра галактик на основе обзора БОЯй 0117.

• Разработка специального программного обеспечения, предназначенного для массовой обработки изображений галактик, видимых с ребра (включая выполнение двумерной декомпозиции, анализ формы балджа, изучение вида распределения поверхностной яркости перпендикулярно плоскости диска в зависимости от радиуса и пр.).

• Выполнение качественной двумерной декомпозиции для большой выборки видимых с ребра галактик, как ранних, так и поздних типов, с применением разработанного программного пакета.

• Анализ полученных результатов: построение распределений структурных параметров, а также различных корреляций между ними для выявления общих закономерностей и различий у галактик разных морфологических

типов.

• Анализ известных масштабных соотношений на основе исследований, проведенных разными авторами.

Научная новизна работы

В ходе работы над диссертацией разработаны новые методы исследования галактик, видимых с ребра, получен ряд новых результатов.

1. Разработан ряд оригинальных методов для анализа изображений видимых с ребра галактик, встроенных в новый программный пакет DEÇA, с помощью которого в автоматическом режиме можно надежно исследовать большие выборки регулярных галактик (по только галактик, видимых с ребра, по и произвольной ориентации в пространстве).

2. На основе обзора SDSS построен самый большой каталог видимых с ребра галактик, содержащий сведения о примерно 6000 галактик.

3. Для почти 500 галактик разных морфологических типов выполнен анализ наблюдаемого распределения яркости (декомпозиция) в нескольких фотометрических полосах: i (SDSS), J (2MASS), H (2MASS), К, (2MASS) и К (UKIDSS).

4. Распределение видимого сжатия балджей для подвыборок с индексом Сер-сика п < 2 говорит о том, что такие балджи являются трехосными структурами, наблюдаемыми в разных проекциях. Балджи с п > 2 являются, по-видимому, сфероидами, сплюснутыми у полюсов, и с умеренными сжатием. Трехосность балджей у галактик поздних типов может являться признаком наличия бара, который вырос в вертикальном направлении на долговременной шкале эволюции.

5. Для изученной выборки галактик эффективный радиус балджа ге ь, радиальный масштаб И и вертикальный масштаб диска гд хорошо коррелируют друг с другом. Однако наблюдается заметный тренд для отношения ге>ь//г при уменьшении величины показателя Серсика п. Так как показатель п является одним из индикаторов Хаббловского типа (но не единственным!), существование такого тренда ставит под сомнение гипотезу о том, что Хаббловская последовательность является независимой от масштабных параметров входящих в галактику компонентов. Найденная корреляция между параметрами г0 и ге,ь является новой и ранее не была описана.

6. Зависимость между сжатием диска го/1г и относительной массой сферического компонента (включая темное гало) подтверждена не только для галактик без балджа, по и для галактик с массивными балджами.

7. Анализ исследований разных авторов для разных типов галактик впервые показал, что некоторые открытые ранее и активно обсуждаемые в литературе корреляции между параметрами галактик являются псевдокорреляциями. Они не несут новой информации о структуре галактик. Например, оказалось, что зависимость относительной толщины диска от его центральной поверхностной яркости является следствием применения модели абсолютно прозрачного экспоненциального диска для описания распределения поверхностной яркости дискового компонента, а также следствием характеристики исследуемой выборки галактик.

Научная и практическая ценность

Научная и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Составлен самый большой на данный момент каталог видимых с ребра галактик. Каталог содержит около 6000 объектов и является ценным источником наблюдательного материала при изучении вопросов формирования

и эволюции галактик.

2. Созданная автором программа БЕСА является единственной в своем роде программой, предназначенной для массового фотометрического исследования галактик, видимых с ребра, с возможностью декомпозиции изображения галактики на балдж и диск, учета обрывов и изгибов дисков, а также исследования формы балджа.

3. Полученные результаты декомпозиции для нескольких больших выборок галактик, видимых с ребра, являются уникальными, так как позволяют проанализировать вертикальную структуру дисков и балджей у галактик разных морфологических типов (БО-Бс!) и изучить наблюдаемые соотношения между структурными параметрами галактик. Данные результаты могут быть использованы другими авторами при выполнении численного моделирования и проверок предсказаний теории формирования п эволюции галактик.

4. Критический анализ нескольких масштабных соотношений галактик, некоторые из которых оказались в действительности исевдокорреляциями, не дающими новой информации о структуре галактик. Данный факт должен учитываться при анализе разного рода зависимостей (не только в области астрофизики), когда используются сложные модели для описания наблюдаемых явлений и вводятся множественные допущения касательно принимаемых моделей.

Апробация и внедрение результатов работы

Результаты работы докладывались автором па семинаре кафедры астрофизики математико-механического факультета СПбГУ, па семинаре астрофизических подразделений ГАО РАН и на семинаре для молодых ученых ГАО РАН. Автор принимал участие в представлении докладов на 9-ти научных коп-

фсрспциях, а именно:

1. Международная конференция "Dynamics and Evolution of Disc Galaxies" (31 мая-4 июня 2010г., г. Пущино).

2. Международная конференция для молодых ученых "Fifty years of Cosmic Era: Real and Virtual Studies of the Sky" (21-25 ноября 2011 г., г. Ереван, Армения).

3. Всероссийская конференция "Актуальные проблемы внегалактической .астрономии" (17-19 апреля 2012 г., г. Пущино).

4. Международная конференция "Galaxies: Origin, Dynamics, Structure and Astrophysical Disks" (14-15 мая 2012 г., г. Сочи).

Г). 220 съезд Американского Астрономического Общества. AAS 2012 (10-14 июня 2012 г., г. Апкоридж, США).

6. XXX конференция "Актуальные проблемы внегалактической астрономии" (8-11 апреля 2013 г., г. Пущино).

7. Всероссийская конференция "Современная звездная астрономия — 2013" (10 12 июня 2013 г., Пулково).

8. Всероссийская конференция ВАК—2013 "Многоликая Вселенная" (23-27 сентября 2013 г., г. Санкт-Петербург).

9. Международная молодежная конференция "Science and progress" (30 сен-тября-4 октября 2013 г., г. Санкт-Петербург).

Пакет программ DEÇA используется на кафедре астрофизики СПбГУ. Результаты исследования внедрены в учебный и научный процесс.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы (160 наименований) и приложения. Общий объем диссертации — 152 страницы, включая 50 рисунков и 16 таблиц.

Во Введении отражена краткая история проблемы, основные результаты в области исследования галактик, видимых с ребра, содержание диссертационной работы, актуальность темы, цели и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна, кратко представлено содержание диссертации.

В Главе 1 кратко описываются основные методы анализа изображений галактик, представляется обзор используемых в работе моделей для количественного описания глобальной фотометрической структуры галактик. Обсуждаются современные пакеты для выполнения фотометрической декомпозиции.

В Главе 2 дается описание разработанной автором программы DECA, предназначенной для массового исследования структурных параметров галактик, видимых с ребра. Приводятся результаты тестирования программы на выборке модельных галактик, показывающие надежность выдаваемых программой результатов.

В Главе 3 описывается составленная автором выборка галактик, видимых с ребра. Использованы наблюдательные данные 2MASS обзора. Произведена декомпозиция 165 галактик в полосе J, 169 галактик в полосе Н и 175 галактик в полосе К$. Обсуждаются основные результаты декомпозиции: распределение параметров, корреляции между структурными параметрами диска и бал-джа, а также масштабные соотношения, включающие кинематические данные. Показано, что для галактик, видимых с ребра, наблюдается бимодалыюсть в распределении параметра балджа тг, рапсе найденная для галактик, видимых иод промежуточными углами. Галактики с классическими балджами (п > 2) и псевдобалджами (п < 2) по-разному ведут себя па фундаментальной плоскости

для дисков, что, вероятно, говорит о различной физической природе данных объектов.

В Главе 4 описывается процедура составления каталога видимых с ребра галактик, отобранных из обзора SDSS DR7. Обсужда.ется методика выделения галактик, видимых с ребра, содержащих различные особенности в строении (такие как изгибы дисков, сильные пылевые полосы вдоль плоскости диска, следы взаимодействия с другими галактиками, B/PS структуры в центральных частях галактик). Приводятся основные статистические свойства составленного каталога, делаются выводы о его полноте. Каталог содержит 5747 галактик с углами наклона г, близкими к 90°. Видимые с ребра галактики с особенностями выделены в отдельную выборку, насчитывающую 1865 объектов.

В Главе 5 описывается процедура составления нескольких выборок галактик из каталога, представленного в Главе 4. SDSS-выборка в полосе г содержит 192 галактики с угловым диаметром d{B) > 40" без наличия существенных особенностей в структуре и без визуального присутствия сильной пылевой полосы. UKIDSS-выборка получена с помощью пересечения созданного каталога галактик, видимых с ребра, с UKIDSS обзором. К отобранным галактикам с d(B) > 50" были добавлены видимые с ребра галактики такого же углового размера из каталогов RFGC и 2MFGC, присутствующие в UKIDSS обзоре. Далее описывается алгоритм массовой декомпозиции сформированных выборок с помощью программы DEÇA. Проводится анализ и обсуждение полученных результатов. В частности, выяснено, что галактики с яркими и тусклыми бал-джами имеют различные распределения структурных параметров балджей и дисков. Показано, что относительная толщина дисков не зависит от вклада балджа в общую светимость галактики, то есть, например, топкие диски могут наблюдаться как в галактиках ранних, так и поздних типов. Также найдено, что размеры балджей и дисков связаны между собой. Кроме того, обнаружено, что в исследованных выборках почти половина галактик имеет B/PS балджи. Видимое сжатие балджей % = Ь/а (где а и Ь - большая и малая ось балджа

соответственно) имеет несколько характерных пиков, при этом большинство балджей, по видимому, являются сжатыми с полюсов сфероидами со средним значением сжатия (дь) « 0.63. Другие максимумы в распределении дь, вероятно, связаны с B/PS балджами (т.е. с присутствием баров). Отсутствие корреляции между эффективной поверхностной яркостью балджа и показателем Серсика замечено впервые.

В Главе 6 сравниваются результаты декомпозиции разных выборок галактик, видимых с ребра. Обсуждается известная корреляция между депро-ецированной центральной поверхностной яркостью дисков и их относительной толщиной. Показано, что данная корреляция является пссвдокоррсляцией. Она проявляет себя как следствие процедуры редукции центральной поверхностной яркости в модели абсолютно прозрачного экспоненциального диска. Кроме того, показано, что относительная толщина диска в галактиках разных морфологических типов коррелирует (с большим разбросом) с относительной массой сферического компонента: диски, погруженные в массивное темное гало, являются, в среднем, более топкими.

В Выводах и Заключении приводится краткое обсуждение результатов исследования галактик, видимых с ребра, и перечислены основные выводы диссертационной работы.

В Приложении А приведен список галактик 2MASS-Bbi6opKn из Главы 3.

В Приложении В приведен список галактик UKIDSS-выборки из Главы 5.

В Приложении С приведен список галактик SDSS-выборки из Главы 5.

Положения, выносимые на защиту

1. Каталог видимых с ребра галактик, отобранных из обзора SDSS DR7.

2. Программный пакет DEÇA, предназначенный для массовой декомпозиции регулярных галактик и включающий специальный блок для фотометрического анализа галактик, видимых с ребра.

3. Результаты декомпозиции для почти 500 видимых с ребра галактик в нескольких фотометрических полосах.

4. Новые корреляции между структурными параметрами балджей и дисков, как, например, соотношение между толщиной диска и эффективным радиусом балджа.

5. Галактики с разными типами балджей имеют разные распределения структурных параметров (эффективного радиуса балджа, видимого сжатия балджа, показателя Серсика и др.).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 6-ти печатных работах, из них 2 статьи - в рецензируемых журналах, 1 статья - в сборнике трудов конференции и 3 в сборниках тезисов докладов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

1. Moscnkov А. V., Sotnikova N. Ya., Reshctnikov V. P. 2MASS photometry of edge-on spiral galaxies - I. Sample and general results // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2010. - Vol. 401, 1. - P. 559-576

2. Sotnikova N.Ya., Reshctnikov V.P., Moscnkov A.V. Bulges and discs of spiral galaxies: edge-on perspective // Astronomical and Astrophysical Transactions. Journal of the Eurasian Astronomical Society, 2012. - Vol. 27, - 2. - P. 325-334

3. Mosenkov A.V., Sotnikova N.Ya., Reshetnikov V.P. Photometry of edge-on spiral galaxies: structural parameters and scaling relations of bulges // Fifty years of Cosmic Era: Real and Virtual Studies of the Sky, Proceedings of the Conference of Young Scientists of CIS Countries, held 21-25 Nov 2011, in Yerevan, Armenia -Yerevan, - 2012. - P. 187-192

4. Kautsch S.J., Bizyaev D., Mosenkov A.V., Sotnikova N.Ya., Reshetnikov V.P., Hillyer R.W., Yablokova N.V. The Catalog of Edge-on Disk Galaxies Found in SDSS // Bulletin of the American Astronomical Society, 2012. - Vol. 220, - P. 433.01

5. Savchenko S.S., Mosenkov A.V. Spiral structure and bulge/disc decomposition analysis // Conference abstracts. International Student Conference "Science and Progress", held 30 Sep - 4 Oct 2013, in St. Petersburg, - Russia, - 2013., SOLO, - P. 136

6. A.B. Мосенков, В.П. Решетников, Н.Я. Сотникова, Структурные характеристики галактик, видимых с ребра // Всероссийская астрономическая конференция, Тезисы докладов, Санкт-Петербург, 23-27 сентября 2013, с.191

Личный вклад автора

В работе [1] автором выполнен поиск и отбор галактик, затем выполнена декомпозиция. Интерпретация осуществлена совместно. В работах [2], [3], [5] и [6] автором произведена обработка наблюдательного материала, интерпретация осуществлена совместно. В работе [4] совместно осуществлен отбор галактик, видимых с ребра, также описаны некоторые статистические свойства построенного каталога.

Список литературы

/і

1. van der Kruit P. C., Searle L. Surface Photometry of Edge-On Spiral Galaxies. II - the Distribution of Light and Colour in the Disk and Spheroid of NGC891 // A&A. 1981. Vol. 95. P. 116.

2. Pohlen M., Dettmar R.-J., Liitticke R., Schwarzkopf U. Three-dimensional modelling of edge-on disk galaxies // A&AS. 2000. Vol. 144. P. 405-428.

3. Bizyaev D., Mitronova S. Photometric parameters of edge-on galaxies from 2MASS observations // A&A. 2002. Vol. 389. P. 795-801.

4. Karachentsev I. D., Karachentseva V. E., Parnovskij S. L. Flat galaxy catalogue // Astronomische Nachrichten. 1993. Vol. 314. P. 97-222.

5. Karachentsev I. D., Karachentseva V. E., Kudrya Y. N. et al. The revised Flat Galaxy Catalogue. // Bulletin of the Special Astrophysics Observatory. 1999. Vol. 47. P. 5.

6. Mitronova S. N., Karachentsev I. D., Karachentseva V. E. et al. The 2MASS-se-lected Flat Galaxy Catalog // Bulletin of the Special Astrophysics Observatory. 2004. Vol. 57. P. 5-163.

7. Barteldrees A., Dettmar R.-J. Parameters of stellar disks from CCD surface photometry of edge-on galaxies // A&AS. 1994. Vol. 103. P. 475-502.

8. Yoachim P., Dalcanton J. J. Structural Parameters of Thin and Thick Disks in Edge-on Disk Galaxies // AJ. 2006. Vol. 131. P. 226-249.

Подписано к печати 08.11.13. Формат 60x84 Vie . Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,00.

_Тираж 100 экз. Заказ 5912._

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043, 428-6919



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201450644

Мосенков Александр Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДИНАМИКИ ВИДИМЫХ С

РЕБРА ГАЛАКТИК

Специальность 01.03.02 - астрофизика и звездная астрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор В.П. Решетников

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Введение..................................................................... 5

1 Методы анализа изображений галактик 23

1.1 Введение..............................................................................................................................23

1.2 Основные задачи поверхностной фотометрии................................................24

1.3 Модели описания фотометрических компонентов галактик..................26

1.4 Методы декомпозиции изображений галактик..............................................28

1.5 Пакеты программ для анализа фотометрической структуры галактик............................................................................................................................................30

1.6 Заключение........................................................................................................................31

2 Пакет программ DECA 33

2.1 Описание алгоритма......................................................................................................33

2.2 Каталог SExtractor........................................................................................................37

2.3 Определение фона неба..............................................................................................38

2.4 Построение PSF ..............................................................................................................39

2.5 Выделение объекта........................................................................................................40

2.6 Поиск начальных приближений ............................................................................41

2.7 Выбор оптимальной модели......................................................................................44

2.8 Тестирование на модельной выборке галактик ............................................45

2.9 Тестирование на выборке реальных галактик................................................53

2.10 Выводы..................................................................................................................................56

3 Структура видимых с ребра галактик по данным 2MASS обзора 57

3.1 Введение..............................................................................................................................57

3.2 Выборка галактик..........................................................................................................57

3.3 Результаты декомпозиции. Сравнение с другими авторами..................61

3.4 Распределения структурных параметров..........................................................67

3.4.1 Диски......................................................................................................................67

3.4.2 Балджи...................:'..................................... 70

3.5 Известные соотношения............................................... 75

3.6 Выводы................................................................. 79

4 Каталог видимых с ребра галактик в обзоре SDSS DR7 81

4.1 Введение ..............................................................................................................................81

4.2 Критерии отбора..............................................................................................................82

4.3 Выделение галактик с особенностями................................................................86

4.4 Характеристика каталога..........................................................................................87

4.5 Выводы..................................................................................................................................93

5 Исследование структуры галактик с помощью программы DECA 95

5.1 Введение............................................................... 95

5.2 Выборки галактик из SDSS и UKIDSS обзоров...................... 95

5.3 Декомпозиция изображений галактик................................ 98

5.4 Сравнение результатов декомпозиции................................ 101

5.5 Структурные параметры галактик разных типов ................... 102

5.6 Относительная толщина дисков...................................... 104

5.7 Соотношение масштабов дисков и балджей.......................... 106

5.8 Морфология балджей галактик....................................... 109

5.9 Трехкомпонентная декомпозиция галактик с B/PS балджами ..... 116

5.10 Выводы................................................................. 118

6 Истинные и ложные корреляции между параметрами компонентов галактик 119

6.1 Введение............................................................... 119

6.2 Выборки галактик..................................................... 119

6.3 Масштабные соотношения для дисков галактик..................... 120

6.4 Динамические свойства галактик..................................... 124

6.5 Выводы................................................................. 130

Выводы.................................................................... 132

Заключение Приложение

Введение

В диссертационной работе изучаются спиральные галактики, видимые под большим углом к наблюдателю, то есть в ориентации "с ребра". Ориентированные таким образом галактики вызывают особый интерес, так как только в этом случае представляется возможным изучить вертикальную структуру дисков и балджей, которая может быть достаточно сложной, и отражать различные физические процессы, происходившие или происходящие в данный момент в галактике. Кроме того, появляется уникальная возможность изучать распределение пыли и газа в плоскости галактики, исследовать изгибы, изломы и обрывы дисков на периферии. Проблема влияния темного гало на толщину дисков также может быть исследована только для галактик, видимых с ребра. Все это говорит о важности изучения этих объектов и, прежде всего, построения ЗБ модели галактик.

Систематическая морфологическая классификация галактик берет свое начало в известных работах Хаббла ([1, 2]). В этих и в последующих работах [3] было обнаружено, что галактики, как правило, состоят из звездного диска и центрального утолщения — балджа. Во многих галактиках присутствует центральная перемычка —бар, от которого отходят спиральные рукава. Галактики, таким образом, стало возможным разделить на типы, отличающиеся массивностью балджа, бара, а также углом закрутки спиральных ветвей. Стали выделять галактики ранних типов — эллиптические и линзовидные (Е, ЭО, БОа, Эа), и галактики поздних типов — с большим вкладом диска в общую светимость вплоть до полного отсутствия балджа (ЭЬ, Эс, Бё, Бш, 1т, 1гг). Смыкающиеся яркие структуры, или кольца, которые наблюдались у некоторых галактик, также стали учитывать в морфологической классификации. Различные отклонения в структуре от указанных типов (пекулярные галактики, галактики неправильной формы) стали рассматривать как результат гравитационного взаимодействия с другими объектами, происходящие в настоящий момент, или уже состоявшиеся

([4, 5]).

Предложенная морфологическая классификация галактик побуждала иссле-

дователей строить возможные гипотезы их формирования и эволюции. Этот вопрос остается одним из ключевых во всей внегалактической астрономии. Многие проблемы еще далеки от разрешения, тогда как в некоторых наступили определенные положительные изменения. Очевидно, что без совместного взаимодействия теоретических концепций, численного моделирования и, конечно же, наблюдательного материала, проблему формирования и эволюции галактик решить невозможно. Именно последнему аспекту - наблюдательному проявлению формирования и эволюции галактик на примере исследования представительных выборок галактик, видимых с ребра, и посвящена данная диссертационная работа.

Понимание того, что галактики имеющие столь вытянутую форму (отношение большой и малой осей а/Ъ для галактик с ребра варьируется в пределах от 3-х до 20-ти), часто лишенные всякого центрального утолщения, являются в действительности не каким-то особым типом галактик, а представляют собой все тот же класс объектов из камертона Хаббла, возникло не сразу. Особенно странным казалось существование очень вытянутых "иглоподобных" галактик, тогда как по теории (см., напр., [6, 7, 8]) данные объекты должны являться динамически неустойчивыми, и, следовательно, не наблюдаться. Так, например, не существует эллиптических галактик с индексом больше Е7. Позднее в работах (см., напр., [9]) было показано, что такие "вытянутые" галактики на самом деле являются галактиками, видимыми под углом 90° к лучу зрения, то есть ориентированы к наблюдателю с ребра (см. Рис. 1).

Здесь надо заметить, что гигантские эллиптические галактики, сформировавшиеся в результате большого мержинга, часто содержат небольшой диск ([10, 11]), особенно хорошо заметный благодаря наличию пылевой прожилки, пересекающей галактику (он особенно выделяется при наблюдении в положении с ребра). В данной работе этот тип объектов рассматриваться не будет, мы ограничиваемся только галактиками морфологических типов Э0 - Бс1. Иррегулярные галактики и взаимодействующие галактики с ребра также не являются объектом нашего исследования, хотя в течение данной работы необходимые комментарии, относящиеся к этим объектам, сделаны будут.

(а) N005866

(Ь) N005907

(с) N001055 ((1) N00891

Рис. 1: Некоторые близкие галактики, видимые с ребра. Изображения (а), (Ь), (с) взяты из обзора БОБв, (ё) — изображение получено на телескопе с диаметром зеркала 2.2 м (г. Мауна Кеа) в ближней ИК области спектра (композиционное изображение из двух кадров на длинах волн 1.2 и 1.6 мкм.).

С начала XX века исследователи стали пытаться описать наблюдательные данные при изучении галактик, а именно описать распределение поверхностной яркости галактик в зависимости от расстояния до центра. Появились формулы Рейнолдса-Хаббла ([12, 13]), Вокулера ([14]), Серсика ([15]), модель экспоненциального изотермического диска ([16, 17]) и пр. Основной целью данных исследований являлось стремление описать видимую структуру галактики с помощью простых математических законов, а затем сравнивать галактики по изменениям значений параметров, входящих в эти эмпирические законы. Однако любые наблюдательные данные нуждаются в теоретической интерпретации, поэтому стали строиться различные гипотезы, объясняющие видимые распределения параметров галактик, их структуру и корреляции между структурными параметрами.

В литературе можно найти множество работ, посвященных галактикам, видимым с ребра. Изучались как отдельно взятые галактики ([18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]), так и выборки, состоящие из десятков ([26, 27, 28, 29, 30]) и даже сотен галактик ([31, 32]). Были созданы специальные каталоги плоских (а/Ь > 7) галактик ([33, 34, 35]), а также каталог видимых с ребра галактик, отобранных из обзора Sloan Digital Sky Survey ([36]). Пионерскими исследованиями этих объектов можно назвать несколько работ ([18, 18, 37, 38, 39, 27]), в которых были установлены важные наблюдательные факты.

Как правило, поверхностная яркость дисков (прямо зависящая от поверхностной плотности диска) изменяется с расстоянием от центра по экспоненциальному закону с характерным параметром - радиальным масштабом (или шкалой) h. Распределение поверхностной яркости перпендикулярно плоскости диска хорошо описывается с помощью экспоненциального закона (или более сложных законов, как, например, с помощью модели самогравитирующего изотермического слоя), причем характерный вертикальный масштаб zq оказывается практически постоянным по всему диску.

Тонкий и толстый диски, выделяющиеся в нашей Галактике, также наблюдаются в других галактиках ([40, 41, 42, 43, 44]). Как установлено для Млечного Пути, дисперсия скоростей и металличность для молодых и старых звезд

различается, что позволяет судить о существовании двух дисков - тонкого и толстого (более старого). Однако основная масса звезд в дисковых галактиках приходится на звезды с возрастом в миллиарды лет, поэтому будем относить фотометрически определяемую толщину zq к старому звездному диску (население II).

Одним из важных наблюдательных фактов, полученном в работах [45, 46, 47], является существование у многих галактик нескольких экспоненциальных дисков, что связано, вероятно, с присутствием бара (и других компонентов) в этих галактиках. Авторы выделяют три типа дисков по виду профиля: I — состоящий из одного экспоненциального диска, II — с загибающимся профилем (второй экспоненциальный профиль становится круче после радиуса обрыва первого экспоненциального профиля), III — профиль загибается вверх (то есть становится более пологим после радиуса обрыва первого экспоненциального диска).

Особый интерес вызывают так называемые тонкие (а/b > 7) или сверхтонкие галактики {а/Ь > 10). Такие галактики часто называют плоскими, не проявляющими какие-либо признаки наличия балджа, или чисто дисковыми галактиками. Морфологический тип у таких галактик Scd-Sd. Однако не все галактики без балджа имеют тонкие диски. Так, например, иррегулярные галактики имеют довольно толстые, "раздутые" диски ([48, 49]), клочковатую структуру и низкую поверхностную яркость (см. [50]). Доля тонких дисковых галактик в ближней Вселенной оценивалась в разных работах (см. [51] и ссылки внутри), и по всей видимости составляет около 15% среди всех дисковых галактик. Природа формирования и эволюции этих объектов вызывает множество вопросов, поэтому изучение тонких и сверхтонких галактик является важной научной задачей.

Другой интересной проблемой является исследование структуры балджей галактик. Как было показано во многих работах [52, 53, 54, 55], в галактиках выделяются несколько типов балджей, что, по-видимому, говорит о разных процессах эволюции, приведших к их формированию. Классические балджи по своим характеристикам (фотометрическим, кинематическим и динамическим) напоминают гигантские эллиптические галактики, хотя и отличаются от них (масса балджей может быть меньше массы эллиптических галактик cD на порядки).

Показатель Серсика п > 2 характерен для галактик с классическими балджами, что говорит о большей концентрации звездного вещества к центру. Псевдобал-джи больше напоминают диски галактик, но существенно меньшего размера. Такие балджи обладают более пологими профилями с п < 2.

Кроме того, около 45% всех балджей демонстрируют ящикоподобную (В) и арахисоподобную (PS) форму ([31, 56]). Такие B/PS балджи, хорошо наблюдаемые у многих галактик с ребра, вероятно, являются самыми толстыми, выдающимися частями бара, погруженного в тонкий внешний диск. Разные видимые формы таких баров (В, PS) являются следствием разной ориентации бара к наблюдателю. Если бар наблюдается так, что его большая ось оказывается перпендикулярной лучу зрения (мы видим бар со стороны), то форма такого балджа/бара будет арахисоподобной. Если же бар ориентирован к нам под некоторым углом, то форма балджа/бара будет ящикоподобной. В случае, когда большая ось оказывается параллельна лучу зрения, то балдж/бар выглядит почти сферическим. В работах [53, 57] было предложено, что галактики с B/PS балджами состоят из внутреннего тонкого диска (дископодобный балдж), который был сформирован внешним баром (B/PS балдж, имеющий заметную арахисоподобную или ящикоподобную форму) на долговременной шкале эволюции. В свою очередь, B/PS балдж окружен внешним звездным диском. Таким образом, по классификации этих авторов, можно определять по крайней мере три разных с точки зрения формирования типа балджей: классический, дископодобный и B/PS балдж.

Галактики представляют собой очень сложные многокомпонентные объекты, исследование которых еще далеко от завершения. Обширный наблюдательный материал, полученный за все время наблюдений и особенно за последние несколько десятилетий, когда появилась возможность использовать ПЗС-мат-рицы, новые технологии построения телескопов и компьютерные программы для обработки наблюдательных данных, помог исследователям установить многие характеристики галактик. Было открыто существование ряда наблюдательных закономерностей, таких как соотношение Талли-Фишера, Фундаментальная плоскость для эллиптических галактик и балджей, соотношение Корменди, со-

и

отношение между светимостью балджа (а также профилем балджа) и массой черной дыры, природа которых до конца не выяснена. Остаются открытыми и множество вызывающих жаркие споры вопросов, например, формирование и эволюция различных подсистем галактик, влияние скрытой массы на глобальные характеристики дисков и балджей галактик, существование достаточно большой доли сверхтонких галактик в ближней Вселенной, а также многие другие.

Изучение галактик включает в себя множество научных методов и подходов, где одним из основных, несомненно, является поверхностная фотометрия. Детальное изучение распределения поверхностной яркости на изображении галактики способно дать важную информацию о ее структуре и входящих в нее фотометрических компонентах. Благодаря развивающимся методам изучения галактик, которые сопутствуют появлению колоссального количества наблюдательных данных, внегалактическая астрономия переживает новый этап развития, и, как можно надеяться, благодаря этому многие загадки Вселенной будут решены. Данная диссертационная работа вносит свой вклад в разрешение существующих проблем в этой области астрофизики.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена структурному и динамическому исследованию галактик, видимых с ребра, различных морфологических типов, в двух диапазонах длин волн (оптический и ближний ИК). В ходе исследования используются данные нескольких обзоров неба, таких как ЭБЭЗ, иКГОЗБ и 2МА88.

Для составления представительной выборки галактик, видимых с ребра, использовались как известные каталоги плоских галактик (БРСС, 2МГСС), так и специально созданный в этой работе каталог видимых с ребра галактик, отобранн�