«Распад звездных скоплений и карликовых галактик»

Галактический
“каннибализм”
• Расторгуев А.С.,
д.ф.-м.н., профессор каф.
экспериментальной
астрономии МГУ им.
М.В.Ломоносова, зав.
отделом изучения
Галактики и переменных
звёзд ГАИШ МГУ
http://lnfm1.sai.msu.ru/~rastor
• Содержание:
• Наше место во Вселенной. Мир галактик
• Барионный мир, “тёмная материя” и “тёмная
энергия”
• Как астрономы изучают историю Вселенной и её
строение
• Роль первичных флуктуаций и гравитационный
коллапс
• Звёздные скопления, рассеянные и шаровые. Жизнь
и смерть звёздных скоплений
• Астрономические проекты, изменившие взгляд на
Галактику и её спутники
• Поиск следов взаимодействия Галактики со
спутниками и их распада: “малый” каннибализм
• “Взвешиваем” Галактику !
• Происхождение галактик: “большой” каннибализм
Наше место во Вселенной
Мир галактик
Наша Галактика – Млечный Путь:
вид с вулкана Мауна-Ки (Гавайи)
Наша Галактика – Млечный Путь:
оптический диапазон
Звёзды, перемешанные
с облаками пыли
HST: глубокое поле
галактик больше,
чем звёзд!
~300 тыс./кв. град.
Хаббловкая схема классификации галактик
по морфологическим типам (внешний вид,
строение): начало ХХ века
“Камертонная” диаграмма
Обычные спиральные
Эллиптические
Спиральные с баром (перемычкой)
Краснее
Мало газа
Почти без
структур
Голубее
Много газа
Сложное
строение
Та же диаграмма,
только не
схематическая
Данные:
КТ “SPITZER”
Непростые вопросы:
Есть ли связь между галактики разных
типов на Хаббловской диаграмме?
Что можно сказать об эволюции галактик?
Примеры
эллиптических
галактик
M87 E1 (центр скопления в Деве)
M49 E2
M84 E3
M110 (группа M31) E2
• Правильные эллипсоидальные формы
• Практически нет газа, пыли и молодых
горячих (голубых) звёзд; видны в основном
старые (красные) звёзды
• Вращаются, как правило, медленно
NGC 1132
Спиральные галактики:
Дисковидные; показывают богатство и многообразие
форм и сложное многокомпонентное строение
Много газа и пыли (последнее – плохо…)
Много молодых горячих (голубых) звёзд
Быстрое вращение (~200-300 км/с)
Спиральный узор
M66
M33
M74
M51
Туманность Андромеды: M31
NGC 2841
М 101
NGC 4921
М 81
М 109
NGC1097
NGC4526
NGC1891
M95
NGC5866
Пыль в галактиках
• Пыль (графито-силикатные пылинки размером
~0.1-1 мкм), сосредоточенная в тонком диске
спиральных галактик, сильно затрудняет их
изучение:
– поглощает свет звёзд (ослабляет их блеск)
– рассеивает свет звёзд (искажает их цвета)
• Пример: в направлении центра Галактики
(Стрелец) видимый свет далёких звёзд
ослабляется примерно в 100 млн. раз (!)
• Что же делать? – Наблюдать в инфракрасном
диапазоне (1 – 20 мкм). Здесь поглощение в
10-30 тыс. раз меньше, чем в оптике.
Пропускание
Пропускание
Пропускание
“Окна” прозрачности земной атмосферы
Местная Группа галактик (Млечный Путь,
Туманность Андромеды (M31) и их спутники)
Диаметр ~ 2 Мпк
Местная Группа – периферийная часть Местного
Сверхскопления галактик (с центром в скоплении в Деве)
Диаметр ~ 40 Мпк
Близкие сверхскопления галактик
400 лет изучения галактик
• ~1610: Галилей “разрешил” на звезды
видимую туманность Млечного Пути
• ~1750: Кант: “Млечный Путь – диск,
состоящий из звезд”; идея о том, что
туманности - это “островные вселенные”
• Конец XVIII в. (Гершель)- начало XX в.
(Каптейн, Шепли, ван Рейн): модели
Млечного Пути, оценки его размеров
• Середина XIX в.: Парсонс открыл
спиральное строение некоторых
туманностей и обнаружил их вращение
400 лет изучения галактик
• 1916: Эйнштейн сформулировал основные
положения ОТО – общей теории относительности
• 1920: “Великий спор” Шапли и Кертиса о
природе “спиральных туманностей”. Кертис:
“островные вселенные” типа Млечного Пути
• 1923/24: Хаббл по наблюдениям на новом 2.5-м
телескопе Маунт Вильсон (США) окончательно
установил звёздную природу “спиральных
туманностей” М31 и М33 и оценил их расстояния
• 1929: Хаббл и Слайфер по красным смещениям
линий в спектрах галактик обнаружили
расширение Вселенной
400 лет изучения галактик
• 1933/35: Цвикки по скоростям галактик в
скоплении Coma показал, что массы
одного лишь светящегося вещества
недостаточно для их гравитационной
устойчивости. Рождение концепции
“темной материи”, в которую долго не
верили…
• 1962: М.Шмидт открыл самые далекие
объекты – квазары
• 1940/65: Гамов предсказал, а Пензиас и
Вильсон обнаружили “микроволновый
фон” - реликтовое излучение (Т = 2.73 К)
400 лет изучения галактик
• 197Х: “Плоские” кривые вращения как
серьезный аргумент в пользу преобладания
скрытой массы в галактиках
• 198Х: Астрономия становится всеволновой
наукой. Начало изучения
крупномасштабного строения Вселенной
• 199Х: Эра крупных наземных (~10 м) и
космических (Хаббл) телескопов. Открытие
неоднородностей реликтового излучения.
• 1998/02: Открытие “темной энергии” и
ускорения расширения Вселенной
Барионы, “тёмная материя”
и “тёмная энергия”
• Барионы: протон, нейтрон, электрон
(высокостабильные частицы), Λ,Σ,Ξ,Ω гипероны, мезоны: частицы, из которых
состоит обычное вещество
“Плоские” кривые вращения других галактик –
свидетельства в пользу преобладания “тёмной
материи” - скрытой массы на периферии
V02 G M ( R )
12
V ( R )  V0  const 

 M ( R )  R ~ 10 M Sun
2
R
R
в сфере ~100 кпк – в 10 раз больше массы
светящегося вещества !
км/с
Тёмное гало
Диск
… у некоторых тянутся
до 40-50 кпк
кпк
• Основные факты и соображения:
– Плоские кривые вращения многих спиральных
галактик и большие скорости галактик в
скоплениях (скрытая масса). Эксперименты OGLE,
MACHO – поиск явлений микролинзрования
– Барионные осцилляции (неоднородности в
распределении галактик - крупномасштабная
структура Вселенной)
– Анизотропия космического фонового
(реликтового) излучения: эксперименты РЕЛИКТ,
COBE, WMAP
– Ускорение расширения Вселенной (из расстояний
до далёких галактик по SN Ia): “тёмная энергия”
– Теория первичного нуклеосинтеза: H (70%), 4He
(25%) + немного D, Li, 3He по массе. Дейтерий:
доля барионного вещества Ωb ≈ 0.04
T0 = 2.73 K
WMAP: Угловое
распределение
флуктуаций CMB
(реликтового
излучения):
4% барионной массы
23% “темной материи”
73% “темной энергии”
• M.Kowalsky (2008):
Надёжные ограничения на вклад
массы и “тёмной энергии”:
Доля “тёмной энергии”
Использованы данные по
Сверхновым типа 1a, результаты изучения
барионных акустических осцилляций
(BAO, Eisenstein et. al., 2005) и
неоднородностей реликтового излучения
(CMB, WMAP-5, 2008)
Доля тяготеющей массы
Вклад обычного вещества в полную
плотность энергии составляет
не более 4% - в 6 раз меньше вклада
“тёмной материи” !!!
• “Тёмная материя” даёт основной вклад
в тяготение на масштабах ~1 Мпк
• Ведутся поиски кандидатов в частицы
“тёмной материи” – WIMP, MACHO,…
• “Тёмная энергия” - антитяготение, она
дополнительно ускоряет расширение
Вселенной и проявляется на
масштабах более 1 Мпк
• Природа “тёмной материи” и “тёмной
энергии” пока не ясна – это вызов всей
современной космомикрофизике
Как астрономы изучают
историю Вселенной
и её строение
Красное смещение z как
мера расстояния и возраста галактик
• Эффект Доплера: изменение длины
волны (или частоты) принимаемых
колебаний (звук, свет) при радиальном
движении источника (приближении,
удалении)
• Δλ / λ = v / c (c – скорость звука или света,
v – скорость источника)
• В астрономии ЭД – основной способ
измерения скоростей звёзд и галактик
• При удалении источника света Δλ > 0 –
видим смещение спектральных линий в
красную сторону (красное смещение)
• z = Δλ / λ – “красное смещение”
• Хаббл и Слайфер (1929) – первое
обнаружение красных смещений
галактик; гипотеза расширения
Вселенной:
красные смещения
близких галактик
пропорциональны
их расстояниям:
• v ≈ H·R,
• H ≈ 72 км/с/Мпк постоянная Хаббла
Примеры спектров трёх далёких галактик с красным
смещением z = ∆λ/λ = 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20
(снизу вверх)
Hα
Å
• Чем дальше галактика, тем больше
скорость её удаления от нас
• Чем галактика дальше, тем больше
времени требовалось на то, чтобы её свет
дошёл до нас
• Галактики мы видим такими, какими они
были в момент испускания света, т.е.
τ ≈ R / c лет назад (нерелятивистский
случай) – заглядываем в прошлое !
• Связь z = Δλ / λ со скоростью удаления
• Нерелятивистский случай (близкие скопления
галактик): v << c
• z≈v/c
• Общий случай:
v
1
c
z 1 
v
1
c
v  c  z  
• Вывод: измерение красного смещения
z (по спектрам объектов) позволяет
найти их возраст и расстояние до них
Связь красного смещения
z = (λobs-λ0)/λ0 с возрастом (млрд. лет)
Пример: галактику с z = 1 мы видим
такой, какой она была около
7.7 млрд. лет назад; тогда ей было
от роду менее 6 млрд. лет
HST: глубокое поле взгляд в прошлое:
галактики на разных
стадиях формирования
Фрагмент
HDF:
красные
смещения
Краткая история Вселенной
z~1100
375000
лет
• Особая фаза истории Вселенной – так наз.
“эпоха рекомбинации”: при охлаждении
плазмы до температуры ~3000 K протоны
и электроны объединяются в атомы
водорода; начинается эра господства
атомов (z~1100, возраст Вселенной
~375000 лет).
• Реликтовое излучение – нынешний
слабый (T0≈2.73 K) “след” этой эпохи
“отрыва” излучения от вещества: при
дальнейшем расширении Вселенной
излучение “остыло”
Роль первичных флуктуаций
и гравитационный коллапс
Масштаб наблюдаемых флуктуаций CMB
недостаточен для формирования
структур, состоящих только из
барионного вещества
WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Дипольный компонент
реликтового излучения:
движение Солнечной системы
со скоростью ~270 км/с
После ввычитания вкладов
всех факторов остаточные
флуктуации порядка
δT / T ~ 0.00001
• Начиная с эпохи z ~ 1000 начальные флуктуации
барионного вещества за счёт гравитационного
коллапса могли вырасти только в 1000 раз (т.е.
до уровня 0.01), в то время как современные
наблюдаемые флуктуации (галактики) намного
выше ( > 1)
• Без учёта доминирующей роли “тёмной
материи” образование галактик за время
порядка 2-3 млрд. лет было бы
невозможным !
• Парадигма: благодаря подавляющему
вкладу в тяготеющую массу, первичные
флуктуации вначале приводят к
образованию массивных сгустков
холодной “тёмной материи”, в которые
“стекает” обычное (барионное) вещество и
впоследствии превращается в скопления
галактик, галактики и звёзды
Моделирование крупномасштабных структур
(иерархическое скучивание холодной
тёмной материи вследствие гравитационной
неустойчивости)
Начало расчётов:
120 млн. лет
Конец расчётов:
современная эпоха
Формируется
множество “субгало” –
“зародышей” галактик,
волокон и узлов –
скоплений галактик
Эволюция темной материи
Cosmic Web Slow Motion
structure formation stills
• SDSS
Legacy
Survey:
Survey
Видимая
губчатая
структура
Вселенной:
узлы,
волокна,
пустоты
(“войды”)
Звёздные скопления –
рассеянные и шаровые:
(а) как измерить возраст звёзд
и расстояния до них?
(б) как они живут?
“Столкновения” звёзд, космические приливы,
динамическое трение и что остаётся в конце…
• Звездные скопления вообще – это
связанные взаимной гравитацией
компактные устойчивые группы
звезд (d ~ 10 – 50 пк, масса ~ 100 –
1000000 солнечных).
• Отличаются от звездных ассоциаций
(ОВ, Т) – обширных (d > 200 пк) групп
крайне молодых звезд, почти не
связанных гравитационно. Ассоциации, в
отличие от скоплений, изначально
неустойчивы, расширяются и очень
быстро распадаются.
Диаграмма ГР
(Герцшпрунга-Рассела):
спектр-светимость,
7 классов светимости
Большинство звёзд (карлики)
населяют главную
последовательность
Сравнение
абсолютного блеска
звёзд с видимым
позволяет оценить
расстояние до звёзд
II-BG
Абс. зв. вел.
цвет-абсолютная величина
– основной “инструмент”
изучения звёздных
населений галактик
Ia
Ib-SG
III-G
IV-SubG
V-ГП
VI-SD
VII-WD
Спектр. класс
Начнем с рассеянных скоплений
• Приведем самые общие
характеристики:
• Населяют ДИСК Галактики
• Возраст < 10 млрд. лет
• |h| < 1 кпк (тонкий диск)
• Число звезд: от ~10 до
~5000, диаметр ~2-10 пк
• Общее число РЗС:
– пока известно ~2000 в пределах
~5 кпк от Солнца
– полное число в диске Галактики
оценивается в
~ 30000-50000
Вид дисковой
галактики
с ребра
Некоторые рассеянные скопления
(M = Messier)
Плеяды = М45,
~100 млн. лет, ~120 пк
Гиады = NGC1647
~650 млн. лет, 46 пк
Ясли = Praecepe =
NGC2362,
~300 млн. лет, 160 пк
Χ+h Per = NGC869/884,
~7 млн. лет, ~2,3 кпк
• Молодые:
Orion clusters (ближайшая к нам
область звездообразования):
NGC2366
NGC6231
NGC6530
Лебедь: NGC6913 (M29)

h+ Per
все с возрастом от ~2 до
10 млн. лет и, как
правило, связаны с
облаками газа
Протозвёздные
“коконы”
Скопления рождаются
на глазах:
Скопление M 16
и “колонны”
молекулярного газа
• Старые:
NGC2682 (M67) 4 млрд. лет
NGC2243
Melotte 66
NGC2420
6 млрд. лет
6 млрд. лет
~10 млрд. лет
NGC188
~10 млрд. лет
Вплотную приближаются
по возрасту к ШЗС!


Фон этих слайдов – тоже звездное скопление
Шаровые звездные скопления –
старейшие объекты Галактики
• Населяют обширное
Гало
ГАЛО Галактики
• Возраст от 10 до
13-14 млрд. лет
• Массы M~104–106 (107?)M0
• Размеры > 30 пк
• Очень плотные (до 104–105 */пк3 ) вблизи Солнца 0.1 */пк3
• В 100 раз меньше химических элементов
тяжелее гелия, чем в РЗС
Шаровые
скопления:
Одно из самых
массивных и
ярчайших шаровых
скоплений Галактики
47 Tuc = NGC 104,
в нем миллионы звезд
Сравнение диаграмм “цветРЗС – сводная звездная величина” РЗС и ШЗС
свидетельствует о различиях их
диаграмма
возрастов (в ШЗС нет ярких, т.е.
молодых и горячих, звезд ГП)
ШЗС
Время жизни на ГП по данным
расчётов Женевской группы
(Maeder et al., 1992)
Солнце
Население шаровых скоплений – старые звезды
• На диаграмме ГР в оптике видны звезды малой
массы (< 0.7-0.8 солнечной)
• Звезды большей массы за время > ~10 млрд.
лет успели далеко проэволюционировать и
превратились в белые карлики, нейтронные
звезды и черные дыры.
• Свидетельства: рентгеновское излучение из
ядер ШЗС, пульсары, прямые наблюдения WD.
• Большой (> 100 раз) дефицит тяжелых
химических элементов
• Все яркие звезды (выше ТП, а также WD)
находятся на стадиях эволюции позже ГП
• Нет газа и пыли
Центральная область 47 Tuc (HST)
Звезды в ядре
“упакованы” в
~100000 раз
теснее, чем
вблизи Cолнца,
их взаимные
расстояния
порядка 1000
а.е!
Шаровых скоплений
много и в других
галактиках, особенно
в гигантских
эллиптических.
М87 = Дева А,
центральная галактика
сверхскопления в Деве.
Более 30000 скоплений!
Звездообразные объекты
- шаровые скопления
КГ
ГВ
ТП
ГП
Второй критерий –
близость лучевых
(доплеровских)
скоростей звёзд
• Красные гиганты, звёзды
горизонтальной ветви,
точка поворота:
• Характерный для старых
скоплений Галактики
вид диаграмм “цвет –
звёздная величина” с
красными и белыми
звёздами – один из
главных критериев,
позволяющий выявить
скопление или
карликовую
эллиптическую
галактику на плотном
звёздном фоне
Как живут и умирают
звёздные скопления ?
Звезды живут своей жизнью,
непрерывно меняясь в ходе
эволюции; меняют блеск и цвет,
стареют и умирают…
А скопление в целом – своей
Факторы, обеспечивающие
динамическую эволюцию
звездных скоплений
• Парные сближения звезд  “испарение”
звезд, потеря массы и энергии, сжатие
• Приливные силы со стороны Галактики и
приливные “удары”  ускорение распада
• Динамическое трение в звездном фоне 
изменение орбиты, приближение к центру
галактики, ускорение распада
• Все дороги ведут к их гибели…
Парные сближения звезд
• Основной механизм эволюции
звездных скоплений и
“испарения” звезд
• Его эффективность
характеризуется “временем
релаксации”

• РЗС:
~ 106 – 107 лет
• ШЗС:
~ 109 – 1010 лет
• За это время скопление
приходит в полное равновесие
 relax
3
V

2 2
100 G m n
Время жизни в 20-40 раз
больше
ψ

G ( m1  m2 )
tg 
v02 b
2
• Относительное
движение по
гиперболической
орбите
b – прицельный параметр
• Следствия: изменение вектора полной скорости
и энергии звезды (обмен кинетической энергией)
• Это “двигатель” динамической эволюции
скоплений с характерным временем порядка
времени релаксации,
3
 relax
V

2 2
100 G m n
• Следствия обмена энергией
при парных сближениях:
– увеличение скорости некоторых
звезд выше критической
(аналога второй космической
для скопления)
– звезды вылетают, уменьшая
массу и унося часть энергии
скопления
– изменение структуры скопления:
ядро скопления сжимается и
скопление ускоренно
распадается, за время
релаксации теряя около 1%
звезд
Эти звезды
покидают
скопление
Приливные силы
• Вызываются внешними по
отношению к скоплению массами
(галактикой, массивными
молекулярными облаками,
другими скоплениями и т.п.)
• Полная аналогия с лунносолнечными приливами в земных
океанах
Земные приливы – влияние Луны:
• Картина
распределения
внешних сил
• То же, с точки
зрения земного
наблюдателя
Картина приливных сил, действующих
на звездное скопление в галактике
• Скопление вытягивается в плоскости орбиты
и “поджимается” у полюсов  искажение
формы скопления, облегчение “ухода” звезд
• Аналогия с тесными двойными звездами
Компактный объект
Обычная звезда-гигант
Истечение
газа через
ближайшую
точку
(Лагранжа)
Релятивистские струи
(джеты)
Поток плазмы
Еще один тип приливного воздействия –
приливный “удар” при быстром пролете
мимо ГМО (гигантского молекулярного
облака) или сквозь диск галактики
• Взаимодействие
с ГМО (масса
~105M0) или
пролет сквозь
диск галактики
• Звездам
передается
дополнительная
энергия ΔE > 0
(как будто
скопление
“встряхнули”)
Моделирование
пролета GMC
мимо скопления
Заметно
изменение
структуры и
расширение
скопления
• Массивное скопление в течение жизни
испытывает множество приливных
“ударов” (в диске Галактики тысячи
ГМО)
• Рассеянное скопление может распасться
даже после одного пролета мимо ГМО
• Приливные силы сокращают время
жизни скопления в несколько раз, в
зависимости от его орбиты и
окружения
Звезды
G M 

2
VM
2
V
f
f dyn
2
• Динамическое трение: гравитационная
“фокусировка” звезд позади движущегося
массивного объекта (скопления) 
избыток плотности тормозит скопление.
Сила трения быстрее растет с массой, чем
для обычного гравитационного взаимодействия.
• Динамическое трение приводит к
спиралеобразной эволюции орбиты
спутников галактик и ускоренному распаду
за счет роста влияния приливных сил
Особенно сильно
влияет на
шаровые
скопления и
карликовые
спутники галактик
По-видимому,
самые массивные
из них за время
жизни галактики
приблизились к
ее центру и там
распались.
Область “выживания” шаровых скоплений
под действием различных факторов
за 10 млрд. лет
• а,г) Релаксация
– компактные или
в
маломассивные
• б) Приливы и
а
гравитационные
удары
б
– “рыхлые”
• в) Динамическое
трение
г
– массивные
“Выжившие” скопления
Размеры, пк
• Сближения звёзд, приливные силы
и приливные “удары”,
динамическое трение – все эти
механизмы динамической
эволюции влияют не только на
звёздные скопления, но и на гораздо
более массивные и крупные
спутники гигантских галактик
(карликовые эллиптические dSph, неправильные – Irr и пр.)
Пример: численное моделирование
динамической эволюции изолированного
(без приливных сил) скопления ~6000 звезд
Эволюция массивного
(1500 звезд) рассеянного скопления
в приливном поле Галактики
на протяжении 1.5 млрд. лет
(наблюдатель – в скоплении)
• Центр Галактики – слева
• Скопление движется по орбите вверх
• Синие точки – звезды большой массы
• Красные точки – звезды малой массы
• Легче всего покидают скопления
маломассивные (< 0.5 M0)
звезды
• Звезды большей массы
концентрируются в ядре
скопления
• В итоге растёт длинный (~1 кпк/ млрд.
лет) звездный “шлейф”, вытянутый в обе
стороны вдоль орбиты и состоящий из
звезд, в разное время покинувших
скопление
• Звезды “шлейфа” долго сопровождают
скопление в его движении по орбите, они
имеют близкие скорости и выглядят как
обширное “движущееся скопление”,
выделяемое только по близости
пространственных скоростей звезд
• Вблизи Солнца известны десятки таких
скоплений
Некоторые близкие скопления и их “шлейфы”
Гиады
Ясли
Coma Ber
α Per
Плеяды
IC 2391
IC 2602
Солнце
• Из-за короткого времени жизни
рассеянных скоплений (всего сотни млн.
лет для типичного скопления!) можно
предположить, что весь диск Галактики
состоит из таких перемешанных
“шлейфов” погибших скоплений
• Возможно, и Солнце было когда-то
членом (неизвестного) скопления
• Именно поиск и изучение “шлейфов”
шаровых скоплений и спутников
Галактики дал в последние 10 лет
важную информацию о процессах
формирования структур в наблюдаемых
ныне галактиках
Астрономические проекты,
изменившие взгляд на
Галактику и её спутники:
• HST – космический телескоп Хаббл
SPITZER - космический ИК телескоп
SDSS – Слоановский обзор неба
2MASS – “всенебесный” инфракрасный обзор
Космос нам поможет !
Больше спектров, хороших и разных
ИК-диапазон: видим сквозь пыль
HST (Hubble Space Telescope) NASA
Запущен в 1990
2.4-м зеркало
Крупнейший космический проект
• Преимущества:
– Нет атмосферной турбулентности
– Доступен весь диапазон от УФ до ИК
– Всегда много “погоды”
– Возможность наблюдения слабейших
объектов с предельным разрешением
•
•
•
•
•
•
•
Основные инструменты HST
ACS
камера для обзоров (оптика)
WFC3
камера широкого поля
NICMOS
ИК-камера/спектрограф
COS
UV-спектрограф
STIS
спектрометр/камера (оптика)
FGS
датчики тонкого гидирования
• Направления работы:
Наблюдения с HST принесли
• Прямые изображения
и спектры:
революционные
результаты
во все UV
области
современной
– Заатмосферный
(0.1-0.3
мкм)
– Предельноастрономии
слабые объекты (~30m), в т.ч.
галактики с большими z
– Наблюдения с дифракционным
разрешением (~0.1 угл. секунды)
– Космическая астрометрия – расстояния и
собственные движения звёзд на малом
временном интервале
– Распределение энергии в спектрах
• SPITZER = SIRTF (Space InfraRed
Telescope Facility)
• Зеркало 0.85 м
• ИК: от 3 до 180 мкм
• Запущен NASA в 2003
• Практически свободен
от влияния поглощения
света пылью (NIR/MIR)
• Наблюдения областей
звездообразования:
молекулярные облака,
звёзды с пылевыми
оболочками и т.д.
• Галактика Андромеды (М31) в разных
спектральных диапазонах (оптика – ИК)
• Свечение пыли и пылевых оболочек у звёзд
• Современные успехи астрономии связаны с
– Использованием больших телескопов (с
диаметром зеркал более 5 м; сейчас их более 10)
в местах с хорошим астроклиматом, а также
космических телескопов
– Разработкой и применением
новых панорамных приёмников
ков излучения с высоким квантовым выходом (ПЗС-матриц)
– Применением систем адаптивной и активной
оптики для повышения эффективности
наблюдений (оптика, ИК)
– Наблюдениями во всех диапазонах спектра
(гамма – рентген – ультрафиолет – оптика – ИК –
микроволновый – радио): всеволновая астрономия
• У.Бойл и Дж.Смит –
Нобелевская премия
(2009) за изобретение
ПЗС-приемников
излучения (AT&T Bell
Labs, 1969)
HST WFPC3
Мозаики:
• Большое зеркало + адаптивная оптика +
высокая чувствительность приёмника
излучения: собираем больше света, достигаем
высокого пространственного разрешения и
изучаем предельно слабые объекты даже при
наземных наблюдениях
• Характеристика измеренного потока от объекта
в астрономии: видимая звёздная величина m
• Разность ∆m = m-m0 = -2.5 lg (E/E0)
• 100-кратное различие потока – разность
звёздных величин на 5 единиц
• Слабейшие звёзды, видимые глазом +6m (V)
• Самые слабые доступные телескопам звёзды:
+29…+30m (V)
• Различия в блеске ~3-5 млрд. раз !!!
• SDSS: Sloan Digital Sky Survey (I-III)
(начало - май 1998; http://www.sdss.org/)
• > 150 участников из > 25 институтов
• Задачи мегапроекта:
– Определение блеска звёзд и галактик
– Получение изображений всех объектов ярче 23m
– Изучение крупномасштабной структуры Вселенной,
галактик и скоплений галактик, “тёмной энергии”
– Поиск квазаров
– Поиск Сверхновых
– Поиск новых звездных скоплений и карликовых
галактик
– Поиск экзопланет
• Наблюдения: 2.5-м телескоп в Apache
Point, NM (США)
– светосила 1/5
– поле зрения 2.5°, 120Мpx
камера (30 CCD 2к х 2к)
– 2 оптоволоконных
эшельных спектрографа
(по 1000 волокон !),
спектр. разрешение
R~1850-2200 (±10 км/с)
Состояние проекта:
Январь 2011 г. –
Data Release 8
~14555 кв. градусов
(35% неба)
• 2.5-м зеркальный
телескоп обзора SDSS
• Система Ричи-Кретьена
с двухлинзовым
корректором: широкое
неискажённое поле зрения
Двухканальный оптоволоконный спектрограф BOSS (SDSS)
3800-6150Å (“синий”), 5800-9200Å (“красный”)
1000 оптоволокон диаметром 2”
• Приборы в
фокальной
плоскости 2.5-м
телескопа SDSS
(Apache Point,
NM, USA)
• Зелёный цвет:
блоки
спектрографов
Присоединение оптоволокон к шаблону
Фотометрия: фокальная плоскость SDSS
• 49.2 х 49.2 мм:
• 30 CCD 2k x 2k
(фотометрия)
• 49.2 х 9.6 мм:
• 22 CCD 2k x 400 px
(астрометрия)
• 2 CCD 2k x 400 px
(фокусировка)
• Диаметр поля ~ 650
мм (~ 2.5º)
• Режим
сканирования
• Охлаждение: -80º C
Кривые
реакции
фильтров
5-цветной
системы
SDSS
(ugriz)
(с учетом
пропускания
атмосферы)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Data Release 8: покрытие неба
Изображения: ~14555 кв. град. (~35% небесной сферы)
Красные поля: спектры для обзора SEGUE-2
Статистика:
~457 млн. изображений объектов (u=22m, z=20.5m)
~1 млн. 630 тыс. спектров, из них:
~861000 галактик
~116000 квазаров
~522000 звёзд
SDSS I-III: основные проекты
• SEGUE, SEGUE-2 (Sloan Extension for
Galactic Understanding and Exploration) поиск скоплений, карликовых галактик,
приливных “шлейфов” – следов их
распада
• APOGEE (APO Galactic Evolution Experiment)
– ИК-спектроскопия (1.6 мкм, 300 оптоволокон)
>100000 красных гигантов (строение, кинематика,
хим. состав населений Галактики )
• The Sloan Legacy Survey (расстояния, в т.ч. по
фотометрическим красным смещениям, 3D карты крупномасштабная структура Вселенной)
• BOSS (Barionic Oscillations Spectroscopic
Survey) – расширение SLS (изучение “тёмной
энергии” по крупномасштабной структуре Вселенной)
• MARVELS (Multi-object APO Radial-Velocity
Exoplanet Large-Area Survey) – открытие
экзопланет по вариациям скоростей звёзд
• The Sloan Supernova Survey – поиск
Сверхновых
• SDSS
Legacy
Survey:
Survey
Крупномасштабная
структура и
расширение
Вселенной
Служба Сверхновых SDSS (2005-2007)
~ 500 SN Ia
(термоядерных
Сверхновых)
Уточнение шкалы
расстояний до галактик
• 2 MASS: Two Micron All Sky Survey
• Два 1.3-м телескопа на Mt. Hopkins,
AZ (США) и CTIO (Чили)
• “Всенебесный” фотометрический обзор
• 471 млн. звезд и ~2 млн. далеких
галактик (до 16 зв. вел. в лучах JHK инфракрасных)
• Основное преимущество:
– Инфракрасный диапазон JHK (1.2-2.2
мкм)
– межзвездное поглощение света пылью
в 10000 раз меньше, чем в оптике
– видны далекие звезды и галактики
Башня в Аризоне
и 1.3-м телескоп
Поиск следов взаимодействия
Галактики со спутниками и их
распада:
“малый” каннибализм
Открытые вопросы сценария “тёмных субгало”:
(а) малое число известных галактик-карликов
(б) нет доказательств существования плотных
центральных конденсаций темной материи (~1 кпк)
• Млечный Путь: ~15
спутников (в 19XX)
• Модель: сотни
спутников
• Попытки объяснения малого числа
спутников (маломассивных):
– Не “холодная”, а “тёплая” тёмная
материя, затрудняющая формирование
субгало при гравитационном сжатии
– Подавление звездообразования в
спутниках (нагрев и ионизация газа,
вынос газа Сверхновыми и пр.) –
субгало будут мало похожи на
галактики
– Существенная неполнота поисковых
работ
– И т.д.…
Пример: моделирование неполноты поисков
Точки - обнаружимые спутники
Кружки – “пропущенные” спутники
(Koposov, 2008)
• Чем меньше
светимость
спутника и
чем он
дальше, тем
меньше
шансов его
обнаружить
Яркие
Слабые
Расстояние
• Местная Группа включает около 50
галактик, большинство которых – карлики:
эллиптические и неправильные
• Самые крупные из спутников М31
(Туманность Андромеды): М33
(Треугольник), М32 и NGC205;
NGC205 из
спутников Галактики - Большое и Малое
Магеллановы Облака.
Облака
• Все они динамически взаимодействуют с
Галактикой и Туманностью Андромеды –
главными галактиками группы.
• После появления массовых звёздных
каталогов (SDSS, 2MASS, DENIS, и др.),
содержащих СОТНИ МЛН. (!) звезд,
начались интенсивные поиски новых членов
Местной Группы галактик и следов распада
реальных скоплений и карликовых
галактик-спутников
• Самое сложное в этой задаче – найти
слабые уплотнения на звёздном небе и
отделить звезды “шлейфа” от звезд
ближнего и дальнего галактического фона
• Используются: вид диаграмм ГР и
расстояния звезд, найденные по их
положению на диаграмме ГР
ядро
скопления
“шлейф”
Орбита и
приливные
“шлейфы”
далекого
шарового
скопления
Palomar 5
фон
Диаграммы “цвет-звездная величина”:
разделение звезд “шлейфа” и фона
(мало звезд в выделенной области)
Плоскос
ть
и
Галактик
ни
я
же
дв
и
го
ди
мо
ви
вл
ен
ие
пр
а
На
Приливные
“шлейфы”
далекого
шарового
скопления
NGC 5466
(изофоты)
• Одно из слабейших
шаровых скоплений
Галактики – Palomar 1
и изофоты его
“шлейфа” (SDSS)
• Niederste-Ostholt et
al. (2010)
Приливный “шлейф” ω Cen
Самое массивное
скопление Галактики:
ядро разрушенной
компактной
сфероидальной
галактики?
• На обычных снимках неба (даже
“глубоких”) карликовые галактики, как
правило, с трудом выделяются среди звёзд
ближнего и дальнего фона
• Для их обнаружения используются
дополнительные критерии выделения
(обычно по цветам):
– Фотометрические: в старых звёздных системах
много белых звёзд так наз. горизонтальной ветви
(на эволюционной стадии “горения” гелия)
– Фотометрические: в старых звёздных системах
ярчайшие звёзды – красные гиганты
– Спектральные: близость лучевых скоростей звёзд
• Leo T: вид на небе
• (SDSS)
Диаграмма ГР: много красных
гигантов и голубых звёзд ГВ
• Irwin et al. (2007) – Leo T (dSph, карликовая
сфероидальная галактика)
• Walsh et al. (2007):
две новых карликовых
галактики в Волопасе
• Показаны только
горячие звёзды с
цветами g-r < 0.65m
• Сложная задача выделения звёзд карликовой
галактики Leo V (Лев): убрать галактики и
“лишние” звёзды
• Belokurov et al. (2008)
Belokurov et al.
(2007) - SDSS:
• Пять новых слабых и
далёких спутников
Галактики
• Вид на небе,
плотность звёзд,
диаграммы ГР
Belokurov et al. (2007): “очищенные” (от вклада звёзд
фона и галактик) диаграммы ГР для 4-х галактик
(данные SDSS и 8.2-м телескопа SUBARU)
С помощью массовых каталогов открыто
более десятка новых спутников Галактики
ШЗС
Поиск новых
Воо-Волопас
скоплений и
Вид на небе
карликовых
галактик
Диаграмма ГР
Новое шаровое
скопление Segue1
Фон
CVn – Гончие Псы (Zucker et al., 2007)
Фон
Koposov 1, Koposov 2 – новые шаровые
скопления Галактики (Koposov et al., 2007)
• Расстояние – более 40 кпк от центра Галактики
• Niederste-Ostholt et al. (2010):
карликовая сфероидальная галактика
(dSph) Sgr (Стрелец) по данным каталога
2MASS – родоначальник 4-х звёздных
“шлейфов”
Belokurov et al., 2006
B
A
Раздвоение
потока Sgr
(Стрельца)
• Моделирование раздвоенного потока
Sgr dSph: последовательные ветви
орбиты галактики через 2 млрд. лет
• Приливные “шлейфы” галактики Sgr dSph
(Стрелец) на северном (справа) и южном
(слева) небе (Koposov et al., 2011):
2011) 4
ветви
Все звёзды
Zucker et al.
(2006):
Только голубые
звёзды
• Новая карликовая сфероидальная
галактика UMa II (Большая Медведица)
• Данные SDSS и 8.2-м телескопа SUBARU
(Гававйи)
“Сиротский”
(Orphan)
поток и
кольцо в
Единороге
Газ
Орбита радиусом 25 кпк
• Не исключена его
генетическая связь с
карликовой галактикой
UMa II (в Большой
Медведице)
• С ней также могут быть
связаны несколько шаровых
скоплений
Диск Галактики
Приливные ветви
Солнце
CMa
Галактика в
CMa (Большом
Псе)
CMa
Эта структура могла возникнуть примерно так:
• Поиск и исследование процессов
“малого” каннибализма - распада
скоплений и галактик – сложнейшая
наблюдательная задача
• Показанные здесь результаты получены
в основном в последние 5-6 лет
• Многие полагают, что Галактика в
течение всей своей жизни могла
“съесть” десятки своих маломассивных
компаньонов
• Современные теории эволюции
галактик это учитывают
Тонкий диск
из молодых звёзд
Толстый диск
из красных звёзд
• Тонкие диски галактик: ~200-300 пк
• Толстые диски: ~ 1000-2000 пк
• Происхождение “толстого диска”
галактик связывают с разрушением
спутников галактик (динамическое
трение + приливные силы)
“Взвешиваем” Галактику !
Помимо “плоской” кривой вращения,
скорости и расстояния спутников
Галактики, форма, размеры и скорости
приливных “шлейфов” распадающихся
галактик и далёких шаровых скоплений
накладывают ограничения на
распределение масс в ней
• Выявление связей “шлейфов” с
конкретными галактиками и
скоплениями позволяет:
– восстановить их орбиты (!)
– наложить ограничения на плохо
известное распределение массы в
Галактике, в т.ч. вклад тёмной
материи
– понять происхождение таких
галактических структур, как толстый
диск Галактики, и разобраться с
особенностями его строения и
химического состава
• Орбиты Большого и Малого
Магеллановых облаков и полная
масса Галактики
• Орбитальные скорости определены по их
собственным движениям относительно
квазаров, которые можно считать
неподвижными объектами
(Пример современных возможностей
позиционной астрономии: можно ли
увидеть волос с расстояния 20 км?)
LMC
(Kallivayalil et. al., 2006-09)
Квазары
SMC (Kallivayalil et. al., 2006-09)
Квазары
47 Tuc
• Пространственные скорости БМО и
ММО >350 км/с на расстоянии ~50
кпк
• Для гравитационной связанности
БМО и ММО с Галактикой
необходимо, чтобы полная масса
Галактики вплоть до расстояния
~250 кпк составляла ~1012 M0 (в 10
раз больше “видимой” массы !)
• “Темное” гало ?
• Grillmair, Donatos, 2006): открытие
потока GD-1 протяжённостью ~63° на
небесной сфере:
• Очевидно, это “шлейф” шарового
скопления (пока не отождествлённого)
• Koposov et al.
(2009): поток GD-1
– большАя часть
витка орбиты
скопления
• Сделана попытка
по расстояниям до
звёзд,
формирующих
поток (порядка 20
кпк от центра), и
их скоростям
уточнить
распределение
масс в Галактике
Сравнение наблюдений
с модельной орбитой
V0 ~ 220 км/с
Масса ~ 1000 млрд.
солнечных
Сжатие тёмного
гало ~0.8
• Рассчитанная орбита GD-1 и наблюдения
• Красный кружок – положение Солнца
Происхождение галактик –
“большой” каннибализм
Слияния фрагментов и галактик почти
равных масс – необходимый этап в
процессе формирования спиральных
и эллиптических галактик
История как на ладони
~1’x1’
Скопл. гал. (3.7 млрд.св.лет)
Спирал. гал. (2.6 млрд.св.лет)
Галактика (12.3 млрд.св.лет) при возрасте
Вселенной 13.4 млрд.лет
Что считается хорошо установленным
и вошло в учебники астрономии
• ΛCDM-космология: без начальных малых
флуктуаций тёмной материи пока не
удаётся объяснить образование галактик
за 2-3 млрд. лет
т.к. с эпохи рекомбинации (z ~ 1000)
начальные флуктуации барионного
вещества ( δρ / ρ ~ 10-5 ) могли усилиться
всего в 1000 раз: не было достаточного
времени для фрагментации галактик
Слияние сгустков темной
материи – основной сценарий
образования “зародышей”
галактик
Спиральные галактики:
захват небольших
фрагментов, богатых газом ?
Эллиптические галактики:
слияние фрагментов почти
равных масс ?
Спиральные галактики
?
Эллиптические галактики
Природа углового момента (вращения)
спиральных галактик
Угловой момент (вращение)
может возникнуть при
столкновении (сближении)
фрагментов в плотном
окружении даже в
отсутствие первичного
вращения: при нелобовом
столкновении фрагментов
(сравним: двойные звёзды)
Сценарий рождения спиральной
галактики (фас и профиль)
Взаимодействие галактик – общее
явление во Вселенной
Кольцевые структуры могут
сформироваться при
прохождении спутника
сквозь дисковую галактику
из-за бурного звездообразования,
возбуждённого ударной волной
“Тележное колесо” – кольцеобразная галактика,
результат сквозного пролёта спутника
“Антенна”: мощная
вспышка звездообразования
• Искажение форм, вспышки
звездообразования в сблизившихся
галактиках – следствие приливного
разрушения и динамического трения
• Галактики “поедают” друг друга:
каннибализм в больших масштабах
• Глубокие обзоры показывают, что
это типичное явление и для ранних
этапов жизни галактик
Следы галактического “каннибализма”
Пример: многоядерность в некоторых
эллиптических галактиках
Следы слияний галактик в скоплении галактик MS 1054-03
z = 0.83: ~8 млрд. лет от Большого Взрыва
(van Dokkum et al., 1999): примерно равные фрагменты
• Наблюдения слияний гигантских галактик
• Асимметричные формы
0.4 < z < 1 (4 - 6 млрд. лет
от Большого Взрыва)
HST (Atkinson et al., 2003)
0 < z < 1 (HST North Deep Field)
Conselice et al. (2003)
1 < z < 2 (3.3 – 6 млрд. лет от Большого Взрыва)
Взрыва
HST North Deep Field (Conselice et al., 2003)
Много слияний фрагментов
различающихся масс
2 < z < 3 (2.2 - 3.3 млрд. лет от Большого Взрыва)
Взрыва
HST North Deep Field (Conselice et al., 2003)
Много слияний
фрагментов
близкой массы
Частота слияний (доля массы в звёздах)
• Общий вывод: частота слияний
галактик со временем падает
ик
л
р
а
К
«
“Ги
и»
”
ы
т
г ан
Слияний гигантских
галактик в прошлом
(до 2.2 – 2.5 млрд.
лет) было много, а
сейчас их почти нет
(ещё будут ?)
Слияний “малых”
галактик много и
сейчас
1 + z Время отсчитывается в прошлое
~6 млрд. лет
• Пик частоты “больших” слияний (major merger):
темп слияний в ранней Вселенной (ранее ~2.5
млрд. лет) был небольшим, даже меньше, чем в
современную эпоху (Ryan et al., 2008)
• В эллиптических галактиках газа
практически нет
• Одна из основных идей: они могли
образовываться при слиянии
спиральных галактик
• Звёзды практически не ощущают
столкновения галактик (кроме
искажения их распределения за счёт
приливных сил)
• Газ почти целиком “выметается” из
системы
• Аналогия: столкновение подушек и
шарикоподшипников
Образование гигантской эллиптической галактики при слиянии
4-х крупных галактик (Major Merging; Dubinski, 1998)
Объединение за ~3 млрд. лет (z: 2.0-0.8)
1 Мпк
Проекция x-y
Конечная конфигурация
(облёт)
Проекция x-z
• Взаимодействующие галактики со
сверхмассивными чёрными дырами (SMBH) в
скоплении галактик Abell
• Взаимное расстояние ~ 8 кпк
• Известно 33 таких случая
• Двойственность SMBH – следствие слияний
• Сильное излучение гравитационных волн !
4C +37.11
Внешние механизмы: большой “мержинг”
Barnes,
Hernquist, 1998
Внешние механизмы: большой “мержинг”
Barnes, Hernquist,
1998
Млечный Путь и Туманность Андромеды:
что нас ждёт ?
• Близкая пара (~ 750 кпк = 2.2 млн. св. лет)
• Обе массивные: ~300-500 млрд. солн. масс
• Гигантские: поперечник ~150 кпк (500 тыс.
св. лет)
• Сближаются со скоростью ~170 км/с
• Столкновение в ближайшие 2-3 млрд. лет
неизбежно…
Информация к размышлению:
• Современная астрономия бросает вызов
развитию тончайших технологий:
измерение углов с точностью 1-10 угл.
мксек (GAIA)
• Эре телескопов – 400 лет (Галилей, 1609).
Все наши наблюдения – это всего лишь
мгновенный “снимок” современного
состояния Вселенной. Законы физики +
логика = Знание происхождения и
эволюции космических объектов – это
доказательство могущества науки
• Нобелевские лауреаты последнего
десятилетия по физике за работы в
области астрономии:
• 2002: R.Davies Jr., M.Koshiba,
R.Giacconi – обнаружение космических
нейтрино, открытие космических
рентгеновских источников
• 2006: J.Mather, G.Smoot – открытие
анизотропии космического фонового
(реликтового) излучения
• 2011: S.Perlmutter, B.Schmidt, A.Rees –
открытие ускорения расширения
Вселенной (“тёмной энергии”)
Благодарю за внимание !
• Web:
• http://lnfm1.sai.msu.ru/~rastor/
• Москва, ГАИШ МГУ, 2011