Статья: Эволюция центральных областей галактик

О.К. Сильченко, доктор физико-математических наук, ГАИШ, МГУ им. М.В. Ломоносова

Представления о путях образования и эволюции галактик кардинально изменились за последние 20 лет. До этого считали, что на заре формирования звезд во Вселенной подавляющее большинство галактик приобрело достаточно «законченный» вид, а потом начало «эволюционировать». При этом под эволюцией подразумевалось рождение звезд и их старение, но никак не заметные изменения формы галактик. Исключение составляют сильно взаимодействующие соседние объекты, в которых могут разрушаться звездные диски и появляться новые структуры (приливные хвосты, мосты и рукава). Но сильно взаимодействующих галактик рядом с нами немного. А «нормальные» галактики, как правило, производят впечатление динамически устойчивых объектов, мало изменившихся за последние 10 млрд. лет. Грубо говоря, галактике суждено быть спиральной, если она таковой родилась в силу определенных начальных условий, и задача ученых – понять, с какими физическими параметрами связана её «судьба». И хотя до сих пор разделяют понятия «образование галактик» и «эволюция галактик», в последние годы грань между ними постепенно стирается. Скорее всего, галактики «образуются», то есть формируются и меняют структуру на протяжении всей своей жизни. Почему же так сильно изменилась парадигма?

Иерархическая концепция

Похоже, виноваты теоретики-космологи. Пока астрономы не спеша наблюдали и изучали видимое население Вселенной – галактики, – космологи пришли, в основном из теоретических соображений, к выводу, что всю гравитацию и, следовательно, динамическую эволюцию Вселенной определяет небарионная холодная темная материя. Раз она холодная и бесстолкновительная, у нее только один путь эволюции – «кучковаться» под действием гравитационной неустойчивости, то есть распадаться на маленькие сгустки, которые потом сливаются в большие, затем в очень большие и так далее. А барионная фракция (газ, в основном водород), масса которой всего 10%, обязана следовать за темной материей и тоже фрагментировать и сливаться, сливаться, сливаться... Звезды образуются «попутно», в процессе слияний структур. Таким образом, из недр космологических умозаключений вышла иерархическая концепция формирования галактик.

Ранние работы космологов по формированию морфологической последовательности типов галактик, появившиеся лет 10 назад, в достаточно категоричной форме утверждали: первыми родились маленькие дисковые (спиральные) галактики, а гигантские эллиптические, по иерархии – последние в цепочке, образовались не более 5 млрд. лет назад, и все как одна – слиянием (большим мержингом) спиральных галактик. Ограничения по массе галактик, установленные еще в рамках стандартной космологической модели выглядели весьма жестко: до красных смещений z = 3 (в первый миллиард лет жизни Вселенной) могли образовываться галактики массой не более 108 М¤, до z = 1 (в первые 6 млрд.. лет жизни Вселенной) не более 1010 М¤, все, что массивнее, образовалось после z = 1. С тех пор спохватившиеся наблюдатели с помощью новых гигантских телескопов – 8 м VLT и SUBARU (Земля и Вселенная, 2004, № 2) – нашли довольно много массивных галактик, с массой звездного вещества больше 1011 М¤ (при z > 1.5). Оказалось, что население гигантских эллиптических галактик, как в скоплениях, так и в разреженных окрестностях, уже было полностью на месте ~ 8 млрд. лет назад (z = 1), и космологи стали менее категоричны. Однако сама иерархическая концепция формирования галактик продолжает господствовать.

Центральным элементом иерархической концепции является слияние. Различают, во-первых, бездиссипативный мержинг – слияние галактик, состоящих только из звезд, происходит без уменьшения общей энергии системы. Во-вторых, диссипативный мержинг, происходит в присутствии газа, который высвобождает энергию. При этом в областях с газом возникают ударные волны и вспышки звездообразования. Хотя слияние двух тонких звездных дисков всегда приводит к их разрушению, однако степень этого разрушения зависит от соотношения масс сливающихся объектов. Тут тоже есть своя классификация. При большом (major) мержинге массы сливающихся объектов близки, а при малом (minor) мержинге сильно различаются (не менее чем 1:5).

Отметим еще один важный момент: между слияниями, особенно в поздние эпохи, проходит иногда до нескольких миллиардов лет. Все это время галактика не дремлет, а продолжает эволюционировать под действием неустойчивостей, как порождаемых извне, гравитационным взаимодействием с соседями, так и внутренних, присущих даже совершенно изолированным галактикам. Эта «спокойная» эволюция получила название секулярной; хотя она и спокойная, но тоже может приводить к весьма существенным изменениям структуры.

Рассмотрим подробно основные механизмы структурной эволюции галактик: внутренние – гравитационные неустойчивости тонких холодных дисков, как звездных, так и газовых; внешние – приливные взаимодействия (по своей природе тоже гравитационные), большие и малые слияния.

Эволюция изолированного диска

Тонкий, звездный галактический диск без газа неустойчив относительно неосесимметричных возмущений. Это означает, что через несколько оборотов вращения, за характерное время порядка миллиарда лет, в изначально осесимметричном диске появится бар – звездное уплотнение, вытянутое вдоль радиуса. Дальнейшая эволюция этого уплотнения будет происходить уже в направлении, перпендикулярном плоскости диска: звезды бара, продолжая вращение в диске, будут, кроме того, раскачиваться вверх-вниз, и вскоре толщина центральной области диска значительно увеличится по сравнению с толщиной во внешних областях. Так, в процессе секулярной эволюции даже «чисто» звездного диска, галактика может «нарастить» балдж (центральная сфероидальная структура в галактике) и передвинуться по морфологической классификации из совсем поздних типов в более ранние. А если кроме звезд в диске есть еще и газ? Тогда картина эволюции меняется радикальным образом. Газ, составляющий обычно не более десятка процентов от суммарной массы звезд, подчиняется гравитационному воздействию звезд и тоже концентрируется к бару. Но поскольку, в отличие от звезд, газ диссипативен, его облака могут неупруго сталкиваться. В баре газовые облака прерывают свое регулярное вращение по замкнутым галактоцентрическим орбитам, в ударных волнах теряют энергию, отдают свой момент вращения звездам и устремляются прямо к центру галактики. Численное моделирование показывает, что за характерное время порядка миллиарда лет б?льшая часть газа динамически эволюционирующего изолированного галактического диска скапливается в его центре, в пределах радиуса около 1 кпк. Но поскольку при этом возникают большие плотности, в данной области должно начаться звездообразование.

Рис. 1 – Эволюция изолированного звездного диска: а) изолированный тонкий звездный диск с изначально осесимметричным распределением плотности звезд (вид сверху). Ось симметрии проходит через центр перпендикулярно плоскости рисунка; б) диск с баром, развившимся через время, равное нескольким периодам вращения галактики: осевая симметрия распределения плотности звезд нарушена. Рисунки по модельным расчетам А.В. Хоперского.

Так выглядит секулярная эволюция изолированного диска в численных моделях, рассчитанных современными астрономами Д. Фридли и В. Бенцем (1993, 1995). В этих же моделях отмечается еще одна любопытная особенность: центра галактики газ может достигнуть, только если он изначально вращался так же, как и звезды. А если газ вращается в другую сторону, то в процессе стекания к центру галактики, он выходит из плоскости диска и образует устойчивое наклонное кольцо. Оно может долго вращаться, не падая на центр, и тогда вспышки звездообразования не будет.

Эволюция изолированного диска

Что происходит со структурой дисковых галактик, если они близко встречаются с другими галактиками, продемонстрировали американские ученые А.Тумре и Ю.Тумре еще в 1972 г. Даже самый грубый численный эксперимент хорошо воспроизводит внешние приливные структуры – «мосты», «хвосты» и протяженные спиральные рукава, «вытягиваемые» гравитацией возмущающего объекта из диска галактики, вовлеченной во взаимодействие. Позже, когда численные эксперименты стали более рафинированными (детальными), как, например, у японского астронома М. Ногучи в 1987 г., выяснилось, что внешнее гравитационное воздействие преобразует не только внешние части галактик: во внутренних областях диска возникает бар. А дальше – все по сценарию, описанному выше для изолированных дисков. В конце концов весь газ упадет в центр, и возможна мощная вспышка звездообразования.

Большие слияния

Численные эксперименты, описывающие слияния двух дисковых галактик, с энтузиазмом проводились последние 10 лет, поскольку такие явления – чуть ли не центральный эпизод иерархической картины эволюции галактик. Если предоставить газовому протогалактическому облаку эволюционировать в одиночестве, из него может образоваться только дисковая галактика: некуда девать лишний момент вращения газа. Это было одной из самых серьезных проблем для классических теорий формирования галактик путем «монолитного коллапса», которые развивались в 70-е гг. И чтобы «образовать» практически не вращающуюся сфероидальную эллиптическую галактику, придумали единственный возможный путь – слияние двух изначально некопланарных (плоскости не совпадают) звездных дисков. Тогда в численных экспериментах действительно получается сфероидальное звездное тело с профилем поверхностной яркости, который наблюдается в реальных эллиптических галактиках. Но куда денется газ, который изначально должен быть в дисковых галактиках, «решивших» слиться? Вы, наверно, уже догадались. При столкновении дисков он теряет энергию в ударных волнах, отдает момент звездам и падает в центр вновь сформировавшейся эллиптической галактики, где его ожидает вспышка звездообразования.

Малые слияния

При малых слияниях на большую дисковую галактику падает маленькая галактика – спутник с массой, например, 10% от массы «хозяйской» галактики. Расчеты показывают, что при падении, даже под углом к плоскости основного диска, спутник, после нескольких ударов о него, теряет вертикальную составляющую момента, оседает в плоскость большого диска и начинает «спиралить» к центру. В течение примерно 1 млрд. лет он достигает центра хозяйской галактики, потеряв в пути меньшую часть своего собственного вещества. А что же галактика-спутник приносит в центр? Большую часть своих звезд и газ, если изначально он у него был. Если же изначально у него газа не было, все равно во время движения он сильно возмутил газовый диск хозяйской галактики, усилилась турбулентность, и, следовательно, увеличилась вязкость в глобальном газовом диске. Возрастание вязкости означает интенсивное перераспределение момента вращения и снова стремительные радиальные течения газа к центру. Малые слияния тоже должны приводить к концентрации газа в ядре галактики и к последующей вспышке звездообразования.

Вы уже заметили? Все важные события в жизни галактик кончаются одним и тем же: механизмы секулярной эволюции приводят к концентрации газа в центре галактики и, как следствие, к вероятной вспышке звездообразования там. Причем газ, из-за своей вязкой природы, как правило, представляет собой подсистему с малыми (относительно скорости упорядоченного вращения) хаотическими скоростями облаков и геометрией тонкого диска. Образовавшиеся вновь в центре галактики звезды, скорее всего, также распределятся компактным околоядерным звездным диском. И если мы хотим найти в близких к нам галактиках последствия их секулярной эволюции, разумнее всего поискать в центрах галактик компактные звездные диски, отличающиеся от окружения (балджа, например) более молодым возрастом и большим содержанием металлов, поскольку образовались они позже из хорошо проэволюционировавшего вещества. Там, кроме всего прочего, еще и самое яркое место в галактике, поэтому легче наблюдать. Первые впечатляющие открытия околоядерных звездных дисков были сделаны в эллиптических галактиках, там, где их найти никто не ожидал.

Диски в эллиптических галактиках

Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, всегда считались однокомпонентными звездными системами. Все звезды эллиптической галактики вроде бы похожи друг на друга, имеют одинаковый возраст, одинаковую металличность и распределены в трехмерной сфероидальной структуре, которая в проекции на плоскость неба может иметь отношение видимых осей от 1 : 1 до 1 : 3. Вращается большинство эллиптических галактик медленно (по сравнению с дисковыми галактиками), они являются динамически горячими системами, то есть у их звезд хаотические движения («дисперсия скоростей») преобладают над регулярным вращением. Однако, когда с появлением чувствительных ПЗС-приемников точность измерений потоков повысилась до 1% (и лучше!), а динамический диапазон позволил наблюдать самые центральные области галактик, обнаружились любопытные вещи.

В 1988 г. сделаны два громких открытия: во-первых, в некоторых эллиптических галактиках были обнаружены кинематически выделенные ядра, которые вращались значительно быстрее, чем вся галактика, и часто вокруг совсем по-другому ориентированной в пространстве оси вращения; во-вторых, в подавляющем большинстве эллиптических галактик умеренной светимости были зафиксированы «дискообразные» изофоты. В первом приближении изофоты распределения поверхностной яркости в эллиптических галактиках выглядят как правильные эллипсы. Однако можно заметить малые отклонения изофот от этой формы. Если вдоль большой оси эллипсов с двух сторон торчат наружу «носики», это называется дискообразными изофотами. Такой эффект получится, если внутрь правильного звездного эллипсоида вложить маленький сильно наклоненный к нашему лучу зрения диск. Итак, если у большинства эллиптических галактик умеренной светимости изофоты дискообразные, является ли это доказательством того, что у всех у них в центре есть маленькие звездные диски? Не совсем! Немецкие астрономы Т. Нааб, А. Буркерт и американец Л. Хернквист (1999) построили численную модель большого слияния двух дисковых галактик без газа, в которой получается эллиптическая галактика. Затем получившуюся галактику спроецировали в 50 случайных вариантах пространственной ориентации на картинную плоскость, чтобы сравнить с наблюдениями. Их интересовало, какие изофоты будут у продукта слияния? Оказалось, если массы двух слившихся галактик были изначально неравными, например соотносились как 1 : 3, то в некоторых ориентациях у получившегося в результате звездного сфероида наблюдаются дискообразные изофоты, хотя нет никакого диска! Тогда авторы предположили, что яркие массивные эллиптические галактики образовались слиянием двух дисковых (соотношение масс 1 : 1), а менее массивные эллиптические галактики получились слиянием двух дисковых галактик, из которых одна в 3–4 раза меньше другой. Этим различием начальных условий они объясняли статистически разную форму изофот у ярких и слабых эллиптических галактик. Но уже в следующей работе Т. Нааб и А. Буркерт (2001) признались, что хотя распределение яркости объяснить без дисков можно, но нельзя объяснить наблюдаемую кинематику звезд в эллиптических галактиках. Все дело в тонких различиях формы распределения скоростей звезд на луче нашего зрения. В первом приближении оно похоже на распределение Гаусса: большинство звезд движется в данном месте со средней скоростью вращения, но всегда есть звезды более быстрые и более медленные – из-за наличия хаотической компоненты движения у звезд эллиптических галактик. Так, в модельном продукте слияния двух дисков, который внешне похож на эллиптическую галактику, оказалось чуть больше «быстрых» звезд, а в реальных галактиках по наблюдениям получается чуть больше «медленных» звезд. Причем это справедливо и для гигантских эллиптических галактик, у которых изофоты не дискообразные! В общем, как сказал на одной из конференций в 1999 г. классик исследования эллиптических галактик Д. Бёрстейн: «Внутри абсолютно всех эллиптических галактик есть маленькие диски».

Сейчас, пожалуй, самый лучший и наглядный способ искать внутренние диски в эллиптических галактиках – это двумерная спектроскопия, позволяющая получать двумерные поля скоростей звезд вместо популярных до сих пор спектральных разрезов галактики длинной щелью. На таких полях скоростей внутренние звездные диски видны буквально «глазом». Если внутренний диск достаточно хорошо наклонен к лучу зрения, то в модельной картине его быстрое вращение мы увидим вблизи большой оси изофот, а чуть дальше от большой оси вращение будет замедлено – динамически горячие сфероиды всегда вращаются медленнее, чем диски в том же гравитационом потенциале. Линии равных скоростей – изовелы – как бы «схлопываются» вблизи большой оси. Покажем на примере эллиптической галактики NGC 821, как они выглядят. Изофоты изображения, полученного на космическом телескопе им. Хаббла (КТХ), имеют явно дискообразную форму. Поле скоростей звезд, полученное на спектрографе интегрального поля САУРОН (Spectrographic Areal Unit for Research on Optical Nebulae – Спектральный панорамный прибор для исследования оптических туманностей) на 4-м телескопе Вильяма Гершеля на Канарских островах, демонстрирует компактный диск, видимый практически с ребра. Вблизи поля скоростей, соответствующие приближающейся к нам и удаляющейся от нас половинкам галактики. Дискообразные изофоты, и быстрое вращение можно заметить, только если внутренний диск сильно наклонен к нашему лучу зрения. В выборке из 48 близких галактик ранних типов, двумерные поля которых недавно опубликовала «Команда САУРОН», внутренние диски видны по кинематике (картам движения) более чем в половине всех объектов. Похоже, Д. Бёрстейн прав, и внутренние диски есть во всех эллиптических галактиках.

Химически выделенные ядра галактик

Если в центрах галактик ранних типов с большими балджами (S0 или Sa-Sb) есть компактные звездные структуры, возникшие во вторичной вспышке звездообразования, они должны быть видны не только по форме изофот или изовел. Активное звездообразование – это быстрая химическая эволюция, потому что химические элементы тяжелее азота рождают в основном массивные звезды, которые живут недолго и успевают отдать в межзвездную среду вновь произведенные тяжелые элементы еще до окончания вспышки звездообразования. Поэтому компактные околоядерные диски – продукты вторичных вспышек звездообразования – должны выделяться на фоне окружающих их старых звездных сфероидов более молодым возрастом звезд и повышенным содержанием в них металлов. Двумерная спектроскопия обеспечивает нас полной информацией от протяженного участка галактики, и следовательно, мы можем построить двумерные карты эквивалентной ширины (на самом деле, глубины) линий поглощения в спектре. Линии поглощения в интегральном спектре галактики порождаются более всего звездами, причем известно, какие линии какими именно звездами. Так, за линии поглощения водорода ответственны в основном звезды класса A – довольно массивные, порядка 2М¤, и возраст их не может быть больше 1–2 млрд. лет. Поэтому, грубо говоря, чем глубже линии водорода в интегральном спектре, тем больше относительно молодых звезд в галактике или в галактической структуре, спектр которой мы наблюдаем. Линии поглощения металлов (например, сильный триплет магния на длине волны 5175 ? или многочисленные линии железа) тем глубже, чем больше металличность звезд. Правда, есть один нюанс: в молодых массивных звездах линии металлов всегда слабые (эквивалентная ширина их мала), даже если металличность этих звезд велика. Здесь выручает совместный анализ линий металлов и линий водорода: если их сопоставить, то эффекты возраста и металличности можно разделить и определить одновременно оба параметра.

Рис. 5 – Карты эквивалентной ширины (глубины) линий поглощения, полученные для центра спиральной галактики NGC 3623: а) с Мультизрачковым спектрографом MPFS 6-м телескопа БТА. б) командой САУРОН. На средних и правых картах видны красные области – химически выделенное ядро: оно вытянуто в линиях магния и компактно в линиях железа. Изофотами показано распределение поверхностной яркости звезд.

Химически выделенные ядра в галактиках были открыты нами (Сильченко О.К., Афанасьев В.Л., Власюк В.В. Астрономический журнал, т. 69, с. 1121, 1992) при первых пробных наблюдениях со спектрографом интегрального поля MPFS (Multi-Pupil Fiber Spectrograph – Многозрачковый Волоконный Спектрограф) на 6-м телескопе БТА. В 1989 г. самый первый вариант этого спектрографа был закончен профессором В.Л. Афанасьевым. Прибор поместили в прямой фокус БТА и сняли 12 ярких галактик, выбранных почти наугад. И сразу в 7 из 12 галактик мы обнаружили химически выделенные ядра – эквивалентная ширина линии магния была большой в ядрах и скачком падала на 1–2 ангстрема буквально в «шаге» от ядра, на угловом расстоянии 2" - 3" от центра. Среди этих первых галактик с химически выделенными ядрами были одна эллиптическая, три линзовисных и три спиральные Sa – Sb. С тех пор я упорно продолжала искать химически выделенные ядра с помощью спектроскопии интегрального поля на 6-м телескопе; за эти годы сменилось три модификации спектрографа MPFS, и каждый следующий был чувствительнее и совершеннее предыдущего. В результате удалось обнаружить несколько десятков близких галактик с химически выделенными ядрами.

В настоящее время подошла к успешному завершению программа поиска выделенных ядер в близких линзовидных галактиках. Это самый ранний тип дисковых галактик; они имеют большие балджи и красный цвет. По цвету линзовидные галактики похожи на эллиптические, и всегда считалось, что они состоят исключительно из старых звезд, старше 10 млрд.. лет. На сегодня исследовано 56 объектов, выбранных из разных типов окружения – скоплений, групп и совсем разреженного «поля». Это позволило проверить известную гипотезу о том, что плотное окружение стимулирует по крайней мере внешний «запуск» секулярной эволюции. Сравнив свойства звездного населения, возраст и металличность, в ядрах и в их ближайшем окружении, в кольце между радиусами 3" и 7", по моим расчетам принадлежащем балджу, я обнаружила следующее: средний возраст ядер – 5 млрд. лет в галактиках поля и 8 млрд. лет в галактиках в плотном окружении, а средний возраст балджей – 9 и 14 млрд. лет. При этом средняя металличность ядер обычно в 2 – 3 раза выше, чем в непосредственно примыкающих к ним участках балджей. То есть в большой выборке близких линзовидных галактик обнаружены эволюционно выделенные ядра, образовавшиеся, очевидно, гораздо позже, чем балджи (во вторичной вспышке звездообразования). Разница в средних возрастах ядер в галактиках в плотном и в разреженном окружении может быть объяснена тем, что в плотном окружении ядерная вспышка звездообразования протекала более эффективно и закончилась в более короткие сроки, чем в ядрах изолированных галактик.

Заканчивая представление этого нового и любопытного феномена – химически выделенных ядер галактик, я хочу показать пример такого ядра, где видно все, чего мы можем ожидать от околоядерного звездного диска, образовавшегося внутри балджа дисковой галактики во вторичной вспышке звездообразования. В феврале 2000 г. мы с В.Л. Афанасьевым наблюдали спиральную галактику типа Sa NGC 3623 на MPFS БТА и построили карты эквивалентной ширины линий поглощения водорода, магния и железа для площадки 16"x15", которая покрывалась одной экспозицией MPFS. А в конце марта 2000 г. эта же галактика наблюдалась на Канарских островах со спектрографом САУРОН, у которого поле зрения побольше, чем у MPFS. По результатам наблюдений команды САУРОН удалось измерить все спектральные параметры на площадке 43"x43". Результаты замечательно согласуются: у галактики NGC 3623 химически выделенное ядро. В линии магния оно выглядит, как компактный диск, наклоненный с ребра, радиусом 6", вытянутый с севера на юг, а в линии железа – это компактное (неразрешенное) центральное сгущение. Значит, длительность вторичной вспышки звездообразования менялась вдоль радиуса околоядерного диска.

В галактике NGC 3623 мы видим полную картину последствий вторичной ядерной вспышки звездообразования, находящуюся в согласии с теоретическими предсказаниями моделей секулярной эволюции галактик.

Внутренние полярные кольца

Все механизмы секулярной эволюции галактик приводят к «стеканию» газа в центр галактики. А вот однозначно ли из этого следует центральная вспышка звездообразования? Д. Фридли и В. Бенц (1993) отвечают: нет, только если газ изначально вращался в ту же сторону, что и звезды. А если газ «контрвращался», то есть вращался навстречу звездам, то он в процессе стекания к центру выходит из плоскости галактики и стабилизируется во вращающемся, сильно наклоненном околоядерном кольце, не добираясь до самого центра галактики. Откуда может взяться газ, вращающийся навстречу звездам? Самый распространенный ответ: из соседней галактики, у которой момент направлен в другую сторону по сравнению с галактикой, на которую натек газ (при аккреции момент вращения сохраняется). Опять же, поставка контрвращающегося газа возможна при малом слиянии, которые считаются «дежурным» моментом эволюции дисковых галактик, в том числе нашей собственной Галактики. Например, происхождение толстого звездного диска в нашей Галактике связывают с малым слиянием – поглощением спутника. Галактики с глобальными газовыми дисками, вращающимися противоположно звездам, известны в ближайших окрестностях нашей Местной Группы – например, красивая регулярная спиральная галактика NGC 4826, где весь газ дружно меняет направление вращения на расстоянии 1кпк от центра. Случись с NGC 4826 какая-нибудь встряска, внутренняя или внешняя, и из этого контрвращающегося газового диска тут же образуется внутреннее сильно наклоненное кольцо. В процессе поиска химически выделенных ядер в близких галактиках мы «просмотрели» методом двумерной спектроскопии пару десятков спиральных галактик, и в пяти из них обнаружили внутренние полярные кольца из ионизованного газа: в пределах нескольких сотен парсек от центра газ вращался в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения звезд. Это совершенно неожиданное открытие. Многие западные коллеги до сих пор еще не верят нашим результатам!

Рис. 6 – Спиральная галактика NGC 4826: по виду галактики никто не мог предположить, что внешний газ диска вращается навстречу звездам. Фото Дж. Глиссена (обсерватория Кит-Пик)

В принципе, большие полярные кольца, размером с саму галактику, были известны и раньше. Это галактики с полярными кольцами – очень редкий вид пекулярных объектов. Но мы обнаружили внутренние полярные кольца в обычных спиральных галактиках, в которых внешний газ вращается нормально, в плоскости симметрии галактики и вместе со звездами.

Три из этих пяти галактик расположены в весьма «разреженных» окрестностях и рядом с ними нет «никого, с кем можно было бы повзаимодействовать». Как у них могла образоваться система из вложенных друг в друга, взаимно перпендикулярных газовых дисков? Пока загадка. Занимаясь в последние годы статистикой параметров звездных населений в центрах линзовидных галактик, мы выделили подвыборку таких галактик с внутренними полярными газовыми кольцами. На первых порах нам помогли снимки КТХ: для многих близких галактик в архиве этого телескопа в свободном доступе лежат изображения центральных областей, снятые с уникальным пространственным разрешением.

Я отобрала те объекты, где видны пылевые кольца, перпендикулярные большой оси изофот распределения поверхностной яркости, – такие, например, как на известном снимке SB0-галактики NGC 2787. Пыль и газ обычно в галактиках тесно связаны. Мы предположили, что если есть пылевые полярные кольца, с большой вероятностью должны быть и газовые. И действительно, во всех 8 S0-галактиках, где КТХ «увидел» полярные пылевые полосы, мы с помощью двумерной спектроскопии на MPFS БТА заметили сильно наклонённое к основному диску кольцо ионизованного газа. Еще одну, девятую, S0-галактику с внутренним полярным кольцом, NGC 2732, мы нашли случайно (в архиве КТХ для нее снимка не оказалось). Как и для других S0-галактик, для подвыборки с внутренними полярными кольцами мы определили средний возраст звездного населения в ядрах – и он оказался больше 12 млрд. лет!

Рис. 7 – Центральная область близкой линзовидной галактики NGC 2787, снимок получен КТХ. Обратите внимание на красноватые внутренние полярные пылевые кольца.

Большинство линзовидных галактик с внутренними полярными кольцами расположено в центре групп галактик – в отличие, кстати, от спиральных галактик с теми же внутренними полярными кольцами. По всей выборке средний возраст ядер галактик в плотном окружении – 8 млрд. лет. А из 9 галактик с внутренними полярными кольцами 6 имеют возраст ядра больше 12 млрд. лет! Очевидно, там, где есть полярное кольцо, не было недавней вспышки звездообразования в ядре. По Д. Фридли и В. Бенцу, полярные газовые орбиты устойчивы, и полярный газ не достигает центра и не поставляет материала для звездообразования. Дающий большие возможности метод исследования галактик – двумерная спектроскопия – использован еще не до конца. Ведь мы искали практически «под фонарем» – в центрах галактик. А сколько новых явлений, проливающих свет на эволюцию галактик, мы обнаружили!

Очень удачно то, что все динамические процессы перестройки галактики приводят к концентрации газа в центре. Исследуя центральные области близких галактик, даже с помощью относительно скромных наблюдательных средств, которые пока еще доступны российским астрономам, мы можем восстановить полную эволюционную историю видимой материи во Вселенной и сказать, правы ли космологи, соорудившие такую красивую, но пока не вполне подтвержденную схему, как иерархическая концепция формирования галактик.