Рис. 1. Типичная карликовая сфероидальная галактика. На фото с сайта news.slac.stanford.edu изображена открытая в 1938 году Карликовая галактика в созвездии Печь (Fornax Dwarf) — спутник нашего Млечного Пути

Группа учёных из Специальной астрофизической обсерватории в Карачаево-Черкессии с помощью спектрографа SCORPIO, установленного в главном фокусе телескопа, провела наблюдения еще трёх карликовых сфероидальных галактик за пределами Местной группы и определила их скорости и точное положение. Все три галактики имеют такие же радиальные скорости, как и находящиеся рядом более массивные галактики, а значит, они скорее всего входят в состав небольших групп галактик, то есть не являются изолированными.

Не так часто приходится писать обзор работ по астрофизике, выполненных в России. Тем приятнее рассказать про результаты наших астрономов, которые были получены на шестиметровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН), расположенном в Карачаево-Черкессии. И хотя новости c САО приходят не каждый день, на телескопе идёт чрезвычайно активная жизнь, график наблюдений расписан по дням на полгода вперед.

Работа, о которой идёт речь в обсуждаемой статье, была начата более 15 лет назад, когда в 1998 году в радиодиапазоне были обнаружены две карликовые сфероидальные галактики (обозначаются dSph — сокращение от dwarf Spheroidal), не входящие в состав Местной группы галактик. Таких галактик с тех пор было обнаружено не очень много, и ещё более редки изолированные галактики dSph, то есть такие, которые не входят в состав групп галактик и гравитационно с ними не связаны.

К 2010 году один из авторов обсуждаемой статьи, Валентина Ефимовна Караченцева, отобрала по результатам работы с каталогом 2MASS девять кандидатов в изолированные галактики, включая две, открытые ею с коллегами (см. V. E. Karachentseva et al., 2010. Isolated dwarf galaxies in the local supercluster and its surroundings). 2MASS — это обзор всего неба, выполненный в инфракрасном спектре. Он имеет не очень хорошее угловое разрешение по сегодняшним меркам, зато отлично подходит для поиска протяжённых, но тусклых объектов, таких как галактики типа dSph.

Точечными астрономы называют объекты, которые телескоп не разрешает, показывая их в виде точки (точнее, в виде функции рассеяния точки); все прочие объекты называются протяжёнными. Таким образом, даже сферически-симметричная галактика будет протяжённым источником, если она достаточно близка, а какая-нибудь спиральная галактика, удалённая от нас на несколько мегапарсеков, будет всё-таки точечным.

Четыре отобранных галактики уже были исследованы авторами ранее, и две из них действительно оказались изолированными. В новой статье, направленной для публикации в журнал Astronomy & Astrophysics, рассмотрены ещё три галактики из этого списка — KKH 65, KK 180, и KK 227 (рис. 2). (Две буквы K в названиях галактик происходят от фамилий их первооткрывателей — В. Е. Караченцевой и И. Д. Караченцева.)

Рис. 2. Изображения исследованных галактик, полученные с помощью Слоановского цифрового обзора неба; слева направо: KKH 65, KK 180, и KK 227. Галактики здесь — это еле видные облака, занимающие около четверти каждой картинки (а не невидимые точки в самом центре). Изображение из обсуждаемой статьи

Наблюдения проводились с помощью спектрографа SCORPIO, установленного в главном фокусе телескопа. Ученые определили точное положение и скорости всех трех галактик. Каждая галактика в среднем наблюдалась в течение 100 минут — это очень значительное время для наземных телескопов, но даже при этом полученный спектр был достаточно тусклым (рис. 3).

Рис. 3. Спектр одной из наблюдавшихся галактик, KK 180, после часа наблюдений. По горизонтальной оси отложена длина волны. Силу спектральной линии детектируют по её яркости и ширине. Галактика очень тусклая, поэтому в спектре присутствует много шума, который необходимо убрать перед дальнейшей обработкой сигнала. Изображение из обсуждаемой статьи

Карликовые сфероидальные галактики — это очень редкие галактики, которые, однако, составляют большинство из 55 галактик нашей Местной группы. Это парадоксальное на первый взгляд утверждение не содержит противоречий. Большинство из сотен миллионов известных галактик состоят из миллиардов звёзд, поэтому могут быть обнаружены на огромных расстояниях (рекорд на сегодняшний день принадлежит галактике EGSY8p7, которая находится на расстоянии 13,4 миллиарда световых лет от нас).

В то же время карликовые сфероидальные галактики (dSph) содержат не более пары десятков миллионов звёзд, по размерам сопоставимы с шаровыми звёздными скоплениями и их трудно обнаружить, даже если они находятся достаточно близко к нам. Изначально малая масса галактик типа dSph ведёт к тому, что плотность звёзд в них не очень высокая, а это ещё сильнее уменьшает яркость галактики. Кроме того, новые звёзды в них больше не образуются (о причинах этого см. ниже), а те, которые продолжают гореть, скорее всего являются жёлтыми или красными карликами, а это не самые яркие звёзды. Всё это настолько усложняет процесс поиска галактик dSph, что до 2005 года было известно всего девять галактик этого типа.

Надо отметить, что, несмотря на свои скромные размеры, они всё-таки считаются галактиками, а не скоплениями, и тут есть чёткий критерий. Дело в том, что эти небольшие тусклые галактики находятся внутри гало тёмной материи, в то время как звёздные скопления формировались под действием только собственной гравитации, без помощи тёмной материи. И, кстати, среди всех известных нам типов галактик отношение тёмной материи к массе звёзд в таких карликовых галактиках максимальное.

И вот таких интересных галактик найдено около 40 в нашей Местной группе, притом что не карликовых там всего около 15, включая нашу Галактику, крупнейшую в скоплении галактику Андромеды и галактику Треугольника. Космологические симуляции, моделирующие эволюцию скоплений галактик, (см., например, статью A. Klypin et al., 2014. MultiDark simulations: the story of dark matter halo concentrations and density profiles) предсказывают существенно большее количество карликовых галактик в Местной группе — до тысячи.

Дело в том, что во Вселенной почти всегда работает простой закон: чем объект массивнее, тем реже он встречается. Например, голубых сверхгигантов меньше, чем жёлтых карликов, а галактик со светимостью в десятки миллиардов солнечных меньше, чем со светимостью просто в миллиард солнечных. Поэтому если заложить в программу симуляции нашей группы галактик реальные физические законы (в том числе гравитационное взаимодействие с тёмной материей) и просто запустить туда множество частичек (это так называемая N-body симуляция), то они будут двигаться, образуя галактики именно в такой пропорции: много небольших галактик и чуть-чуть галактик покрупнее (вроде нашей или галактики Андромеды). Эти симуляции не могут служить точным доказательством чего-либо в силу несовершенства физических моделей, но если они достоверно предсказывают многие характеристики нашей Вселенной (такие как скорость формирования галактик, распределение обычного и тёмного вещества, скорости вращения галактик вокруг своей оси и прочее), то логично допустить, что и избыток карликовых сфероидальных галактик, полученный по результатам симуляции, тоже может существовать в действительности, а не быть ошибкой симуляции.

А раз так, значит эти карлики за счёт своего количества (а суммарная масса этих галактик будет больше нашей Галактики примерно в 5 раз) существенно влияют на распределение массы и динамику вращения нашего Сверхскопления. Кроме того, часть свойств галактик типа dSph до сих пор остается загадкой для нас — во всех этих галактиках нет активного звёздообразования и почти нет запасов водорода. Значит, либо у них был какой-то чрезвычайно эффективный механизм, отвечающий за образование звёзд (что вряд ли), либо газ был гравитационно захвачен другой галактикой (рис. 4).

Рис. 4. Пролетая мимо одной галактики, другая может захватить с собой часть её звёзд и газа, изменить форму галактики или даже разрушить её. Именно так по нашим представлениям более тяжёлые галактики могут лишать галактики типа dSph водорода. Фото с сайта annesastronomynews.com

Это влечёт за собой ряд последствий: например, звёзды в таких галактиках должны были образоваться приблизительно в одно время и там должно быть мало межзвёздного вещества, затрудняющего наблюдения. Всё это делает такие объекты крайне увлекательными для изучения. И конечно для понимания механизмов образования и эволюции таких галактик надо сравнить их с такими же галактиками, обнаруженными вне нашей Местной группы. Именно такие галактики, носящие названия KKH65, KK180 и KK227, были изучены нашими астрофизиками.

Спектр KK227 (рис. 5) получился чрезвычайно необычным: в нём обнаружилась интенсивная линия магния, нехарактерная для карликовых галактик, к тому же она была сдвинута далеко в красную область. Оказалось, что на небосводе довольно тесно: сквозь эту карликовую галактику просвечивает квазар, который по случайности оказался на одной оси с ней и с нами. В оптическом диапазоне он достаточно тусклый и поэтому на рис. 2 неразличим.

Рис. 5. a — изображение галактики KK 227 в радиодиапазоне; кружочком обведен просвечивающий сквозь нее квазар. b — спектр света, приходящего из этого места; видна интенсивная линия магния. Изображение из обсуждаемой статьи

Спектральные наблюдения позволили установить радиальные скорости галактик, а данные открытого Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) — их массы.

Заключительный этап работы состоял в том, чтобы определить, являются ли эти галактики изолированными или они гравитационно связаны с какой-то более массивной галактикой. Последнее более вероятно, потому что, как мы помним, именно такие массивные галактики должны быть ответственны за похищение водорода из карликовых сфероидальных галактик.

Результаты исследования в целом подтверждают эту теорию: все три галактики имеют такие же радиальные скорости, как и находящиеся рядом более массивные галактики, а значит, они скорее всего входят в состав небольших групп галактик, расположенных не далее, чем в 500 килопарсеках от них. Галактика KK227 принадлежит группе галактик Big Lick, галактика KK180, скорее всего, вращается вокруг галактики UGC 8036, которая находится на отшибе сверхскопления Девы (частью которой является наша Местная группа), а галактика KKH65 является вероятным компаньоном галактики NGC 3414, которая входит в группу галактик Лев II.

Таким образом, на сегодняшний день из девяти кандидатов, предложенных в 2010 году, изучено уже семь и только два из них подходят на роль изолированных карликовых сфероидальных галактик, подтверждая исключительную редкость подобных объектов (или, по крайней мере, исключительную сложность их обнаружения).

Источник: D. I. Makarov, M. E. Sharina, V. E. Karachentseva, I. D. Karachentsev. 6-meter telescope observations of three dwarf spheroidal galaxies with very low surface brightness // Статья подана в журнал Astronomy & Astrophysics.

Марат Мусин http://elementy.ru/novosti_nauki/432580/Uchenye_iz...ikovykh_sferoidalnykh_galaktik