МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

УДК 520.8; 524.7

Катков Иван Юрьевич

Свойства и происхождение изолированных

линзовидных галактик

01.03.02 – Астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

Москва – 2014

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского Государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, зав. отделом физики эмиссион­ ных звезд и галактик ГАИШ МГУ Сильченко Ольга Касьяновна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизи­ ки математико-механического факультета Санкт-Петербургского уни­ верситета Решетников Владимир Петрович доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой фи­ зики космоса физического факультета Южного Федерального Универ­ ситета Щекинов Юрий Андреевич

Ведущая организация: Институт Астрономии Российской Академии Наук

Защита состоится 22 мая 2014 года в 1400 часов на заседании диссертаци­ онного совета Д501.001.86 в Государственном астрономическом институте имени П.К. Штернберга МГУ, расположенном по адресу: 119992, г. Москва, Университетский пр-т, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского го­ сударственного университета имени М. В. Ломоносова (119991, г. Москва, Ломоносовский пр-т., д. 27, Фундаментальная библиотека) и на сайте:

http://sai.msu.ru/dissovet/2014.html.

Автореферат разослан 21 марта 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук С.О. Алексеев

Общая характеристика работы

Актуальность Одной из важнейших задач современной астрофизики является изучение вопросов формирования и эволюции галактик. Решение этой задачи сопря­ жено с выявлением наиболее значимых физических факторов и процессов, определяющих эволюционный путь галактик. Как описательные методы, так и детальные численные расчеты дают предсказания для свойств рассматрива­ емых галактик, поэтому сравнение их с наблюдениями является решающим фактором при выборе сценария эволюции. Все общепринятые предлагаемые механизмы формирования линзовидных галактик заключаются в морфологи­ ческой перестройке спиральных галактик в линзовидные в результате дина­ мического влияния со стороны окружения [1–7]. Однако около 15% близких галактик поля составляют линзовидные галактики [8], также известны при­ меры сильно изолированных S0 галактик [9]. Для таких галактик эффекты окружения малоэффективны. Актуальность представленных в диссертаци­ онной работе исследований определяется недостатком глубоких наблюдений изолированных линзовидных галактик и отсутствием для этих объектов “ни­ ши” в общепринятых сценариях формирования S0 галактик. Стоит отметить важность наблюдений методами глубокой спектроскопии на крупных теле­ скопах, которые позволяют получить информацию не только о центральных частях галактик, но и уйти в область дисков – основных структурных компо­ нентов любой дисковой галактики. Построение детального сценария форми­ рования и эволюции галактики без учета соотношения свойств структурных компонентов невозможно.

Цель диссертационной работы Исследование линзовидных галактик в сильно разреженном окружении, где динамическое влияние со стороны других галактик минимально и стан­ дартные механизмы формирования линзовидной галактики, обсуждаемые в литературе, малоэффективны. Поставленная цель подразумевает решение следующих задач:

1. Выделение из близких галактик, которые являются наиболее подходя­ щими для проведения детальных исследований, объектов, удовлетворя­ ющих необходимым критериям изолированности. Составление выборки исследуемых галактик.

2. Проведение спектральных наблюдений на крупных оптических телеско­ пах и анализ полученного материала современными методами, в том числе разработанными соискателем.

Научная новизна В настоящей работе впервые строго изолированные линзовидные галак­ тики выделяются в обособленную группу для детального исследования методами глубокой оптической спектроскопии. Впервые выполнены та­ кие исследования с использованием крупных оптических телескопов.

Впервые проведены детальные исследования двух линзовидных галак­ тик NGC 4124 и IC 719 со следами недавнего падения газа на их диски.

Разработаны усовершенствованные алгоритмы вычитания вклада спек­ тра ночного неба для данных длиннощелевой спектроскопии, которые эффективно учитывают вариации инструментального контура вдоль Впервые разработаны методики анализа оптических спектров галактик с использованием эволюционных моделей звездных населений для слу­ чаев: a) непараметрического восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и б) одновременного определения парамет­ ров кинематики и свойств звездных населений при двухкомпонентной декомпозиции спектра.

Практическая значимость Разработанная методика вычитания спектра ночного неба с учетом ва­ риаций инструментального контура вдоль щели может быть применена для спектральных данных с любого спектрографа; кроме того, мето­ дику можно адаптировать к данным многощелевой спектроскопии и к данным панорамной спектроскопии.

Методика непараметрического восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения и методика одновременного определения пара­ метров кинематики и свойств звездных населения при двухкомпонент­ ной декомпозиции спектра могут быть использованы для исследования галактик с заподозренным противовращением звездных дисков, а так­ же для определения свойств звезд балджа и диска в областях, где их вклад в интегральный спектр сопоставим.

Построенная выборка изолированных линзовидных галактик может быть использована другими исследователями для в изучения эффектов окру­ Полученные свойства и параметры изолированных галактик могут и должны быть использованы при построении космогонических сценари­ ев формирования и эволюции внегалактических объектов.

Положения, выносимые на защиту 1. Методика вычитания спектра ночного неба при длиннощелевых наблю­ дениях в случае вариаций инструментального контура спектрографа вдоль щели. Методика непараметрического восстановления функции распределения звезд по скоростям вдоль луча зрения и методика опре­ деления параметров кинематики и свойств звездных населений неразре­ шенных систем путем попиксельной аппроксимации спектров для слож­ ного двухкомпонентного звездного населения.

2. Выборка из 281 линзовидной галактики местного Сверхскопления и его окрестностей, удовлетворяющих сильным критериям изолированности.

3. Измерения среднего возраста и металличности звездных населений струк­ турных компонентов изолированных линзовидных галактик, свидетель­ ствующие об отсутствии у изолированных линзовидных галактик выде­ ленной эпохи формирования балджей и дисков.

4. Оценка доли изолированных линзовидных галактик с наличием мас­ штабной подсистемы ионизованного газа и частоты встречаемости слу­ чаев кинематического рассогласования газа и звезд. Вывод о том, что наиболее вероятным источником газовой аккреции на изолированные линзовидные галактики является подсистема богатых газом карлико­ вых спутников.

5. Детальные спектральные и фотометрические исследования двух линзо­ видных галактик — NGC 4124 и IC 719,— демонстрирующие свидетель­ ства недавнего приобретения их дисками газа извне.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в рецензируемых изданиях:

1. Katkov I. Yu., Sil’chenko O. K., Afanasiev V. L., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 438, issue 4, p. 2798 (2014); Decoupled gas kinematics in isolated S0 galaxies;

2. Katkov I. Yu., Sil’chenko O. K., Afanasiev V. L., The Astrophysical Journal, Vol. 769, issue 2, article id. 105, 10 pp (2013); Lenticular Galaxy IC 719: Current Building of the Counterrotating Large-scale Stellar Disk ;

3. Katkov I., Chilingarian I., Sil’chenko O., Zasov A., Afanasiev V., Baltic Astronomy, Vol. 20, p. 453 (2011); A Complex Stellar Line-of-Sight Velocity Distribution in the Lenticular Galaxy NGC 524 ;

4. Катков И. Ю., Сильченко О. К., Афанасьев В. Л., Астрофизический Бюллетень, том 69, номер 2, стр. 129 (2014); Свойства звездных насе­ лений изолированных линзовидных галактик ;

5. Засов А. В., Сильченко О. К., Катков И. Ю., Додонов С. Н., Письма в Астрономический журнал, том 39, номер 1, стр. 1 (2013); Кинема­ тика и звездное население линзовидной галактики NGC 4124.

В сборниках трудов конференций и препринтах:

1. Katkov I. Yu., arXiv:1403.4006, Isolated lenticular galaxies: properties and evolution;

2. Katkov I. Yu., Chilingarian I. V., ASPC 442, 143 (2010); A new sky subtraction technique for low surface brightness data;

3. Katkov I. Yu., Chilingarian I. V., IAUS 284, 69 (2012); Multi-component parametric inversion of galaxy kinematics and stellar populations using full spectral fitting.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на семинарах и кон­ ференциях:

1. Конференция Astronomical Data Analysis Software and Systems (ADASS­ XX) (Boston, MA, USA), постер: “A New Sky Subtraction Technique for Low Surface Brightness Data”, ноябрь 2. Конференция 8th Serbian Conference on Spectral Line Shapes in Astrophysics (Divchibare, Serbia), доклад: “A Complex Stellar Line-of-Sight Velocity Distribution in the Lenticular Galaxy NGC 524”, июнь 3. 284-й симпозиум Международного Астрономического Союза “The Spectral energy distribution of galaxies” (Preston, UK), 2 постера: “Multi-component parametric inversion of galaxy kinematics and stellar populations using full spectral fitting”; “NBursts+phot: parametric recovery of galaxy star formation histories from the simultaneous fitting of spectra and broad-band spectral energy distributions”, сентябрь 4. Конференция EWASS, SpS4 Structure of galaxy disks shaped by secular evolution and environmental processes (Rome, Italy), постер: “Lenticular Galaxy IC 719: Current Building of the Counterrotating Large-scale Stellar Disk”, июль 5. Конференция Multi-Spin Galaxies (Naples, Italy), доклад: “Decoupled gas kinematics in isolated early-type disc galaxies”, сентябрь 6. Семинар ESO Lunch Talks Seminar (Garching, Germany), доклад: “Full spectral fitting techniques: shedding light on unresolved stellar populations”, декабрь Личный вклад Соискатель самостоятельно разработал методики вычитания вклада ноч­ ного неба в спектр при длиннощелевых наблюдениях с учетом вариаций кон­ тура вдоль щели, методику непараметрического восстановления кинематики звезд по абсорбционным спектрам. Разработка метода двухкомпонентной де­ композиции спектра велась на основе алгоритма попиксельной аппроксима­ ции наблюдаемых спектров NBursts при совместном участии автора этого алгоритма – И. В. Чилингаряна (CfA, ГАИШ МГУ). Соискателем была вы­ полнена первичная редукция спектральных данных SCORPIO/SCORPIO- и анализ всех спектральных данных методом попиксельной аппроксимации спектров. Получение фотометрических оценок и Ликских индексов проводи­ лись О. К. Сильченко (ГАИШ МГУ); первичная редукция данных с телеско­ па SALT – А. Ю. Князевым (SAAO, ГАИШ МГУ). Анализ свойств окруже­ ния близких галактик и составление выборки изолированных линзовидных галактик проводились диссертантом при тесном взаимодействии с Д. И. Ма­ каровым (САО РАН). Обсуждение, интерпретация полученных результатов и написание текстов публикаций – в равных долях с другими соавторами.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии.

Общий объем диссертации 172 страницы, включая 38 рисунков, 6 таблиц и приложения. Библиография включает 174 наименования на 12 страницах.

Во введении приведен обзор литературы по рассматриваемой пробле­ ме, обсуждается актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, научная и практическая ценность полученных результатов. Также формулируются основные результаты и положения, выносимые на защиту, и приводится список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации.

Глава 1 посвящена описанию наблюдений и методов обработки полу­ ченных данных для выборки исследуемых изолированных линзовидных га­ лактик. В начале главы приводится описание режимов наблюдений на 6 мет­ ровом телескопе БТА Специальной Астрофизической Обсерватории РАН и на Большом Южно-Африканском телескопе (SALT, Southern African Large Telescope), действующем в Южно-Африканской Астрономической обсервато­ рии (SAAO, Southern African Astronomical Observatory). Далее излагаются основные этапы первичной редукции наблюдательных данных, полученных на обоих телескопах в режиме длиннощелевых спектральных наблюдений.

Описывается используемая нами методика попиксельной аппроксимации на­ блюдаемых спектров моделями звездных населений NBursts для определе­ ния радиальных профилей лучевых скоростей звезд, дисперсии скоростей, возраста и металличности звездного населения и для выделения чисто эмис­ сионного спектра.

При обработке длиннощелевых спектров протяженных объектов очень низкой поверхностной яркости достаточно остро стоит проблема вычитания вклада в спектр ночного неба. Стандартные методы вычитания спектра ноч­ ного неба не всегда справляются со своей задачей в случае сильных вариаций инструментального контура вдоль щели, что приводит к появлению артефак­ тов в спектре галактики, которые как мы показали, могут внести система­ тические ошибки в оценки металличности звездного населения и дисперсии скоростей звезд. Мы предлагаем несколько новых методов построения модели спектра ночного неба с учетом вариаций инструментального контура.

Также в главе излагаются разработанные нами методы непараметри­ ческого восстановления распределения звезд по скоростям на луче зрения (line-of-sight velocity distribution, LOSVD) и метод одновременного определе­ ния параметров кинематики и свойств звездных населений при двухкомпо­ нентной декомпозиции спектра. Описывается пример использования обоих методик для исследования линзовидной галактики NGC 524, где удалось по спектру, полученному на БТА, выделить динамически горячий, медленно вра­ щающийся компонент (балдж) на фоне быстро вращающегося динамически холодного диска и оценить их параметры звездных населений.

В главе 2 излагается методический аппарат, разработанный в Лаборато­ рии внегалактической астрофизики и космологии САО РАН и используемый нами для исследования статистических свойств окружения галактик Местно­ го Сверхскопления и его окрестностей. Показано, что распределение галак­ тик по индексу изолированности, характеризующему динамическое влияние одной галактики на другую, в плотном окружении качественно отличается от распределения галактик в разреженном окружении.

Была построена представительная выборка из 281 изолированной лин­ зовидной галактики, объекты которой сравнивались по интегральным пара­ метрам с галактиками других морфологических классов и окружений. Ока­ залось, что распределения изолированных галактик и S0 галактик в более плотном окружении по показателю цвета в целом очень похожи и суще­ ственных расхождений между ними не наблюдается. Из полученного списка изолированных S0 галактик были отобраны объекты для дальнейших деталь­ ных исследований с использованием крупных оптических телескопов БТА и SALT. Также в главе приводится краткое описание полученных результатов анализа длиннощелевых спектров для 22 детально исследуемых галактик.

В главе 3 мы представили результаты исследований звездных населений изолированных линзовидных галактик на основе спектральных наблюдений на 6 метровом телескопе БТА и на телескопе SALT Южно-Африканской об­ серватории. Мы обнаружили, что средние возраста звездного населения в на­ шей выборке изолированных линзовидных галактик заполняют полный диа­ пазон значений от 1.5 до > 15 млрд. лет, и, в отличие от S0-галактик в более плотных окружениях, изолированные галактики как правило имеют одинако­ вый возраст звезд в балджах и в дисках. Последнее утверждение позволяет сделать вывод о том, что для галактик в разреженном окружении механизмы омоложения балджа малоэффективны. Широкий диапазон возрастов звезд­ ных населений различных структурных компонентов изолированных S0 га­ лактик, а также анализ обилия -элементов в них, позволяет утверждать, что события звездообразования в изолированных линзовидных галактиках могли случаться в разное время и иметь различную длительность. Линзы и кольца повышенной звездной яркости, обнаруженные в 11 из 18 галактик (61%), имеют дисперсию скоростей звезд и химические свойства звездных на­ селений, как правило, неотличимые от звездных населений дисков. При этом эпоха формирования колец (от 2 до 5 млрд. лет назад, = 0.2 0.5) не зависит от возрастов дисков. Сделан вывод, что вероятно оформление мор­ фологического типа линзовидной галактики в полной изоляции критически зависит от возможных режимов аккреции внешнего холодного газа.

В главе 4 рассматриваются свойства ионизованного газа в изолирован­ ных S0 галактиках. В 13 галактиках из 18 (72 ± 11%) обнаружено наличие протяженных эмиссионных линий, свидетельствующих о крупномасштабной структуре ионизованного газа, при этом в 46 ± 14% (6/13) случаев ионизован­ ный газ оказался кинематически обособлен по отношению к звездам. Доля галактик с протяженными газовыми структурами вполне согласуется с оцен­ ками, приводимыми другими авторами. При этом наша оценка доли силь­ но изолированных галактик с рассогласованной кинематикой ионизованного газа подтвердила ранние подозрения о влиянии окружения на статистику ионизованных структур. Мы показали, что в случае изотропной аккреции га­ за такое процентное соотношение согласуется с предположением о внешнем происхождении газа во всех изолированных галактиках. Анализ диагности­ ческих диаграмм выявил, что ионизованный газ в исследуемых галактиках может быть возбужден как ударным механизмом или излучением пост-AGB звезд, так и фотоионизацией молодыми звездами. Вероятно возбуждение газа зависит от геометрии падения вещества на галактику, что проявляется в види­ мой дихотомии механизмов возбуждения. Для 10 галактик удалось получить оценки обилия кислорода в областях звездообразования, которые оказались близкими к солнечному значению и согласующимися со сценарием приобре­ тения газа из карликовых спутников путем приливной аккреции, исключая механизм аккреции первичного газа из космологических филаментов. Отсут­ ствие корреляции “светимость галактики—металличность газа” подтверждает сделанный вывод о происхождении газа.

Глава 5 посвящена детальному исследованию двух линзовидных галак­ тик, IC 719 и NGC 4124, у которых мы обнаружили следы недавней аккре­ ции газа. Галактика IC 719 является уникальным объектом, потому что на­ ряду с противовращающимся диском ионизованного газа, известным ранее, мы достоверно обнаружили и исследовали противовращающийся вторичный звездный диск. Исследование этой галактики было сделано не только на ос­ нове длиннощелевых данных, но также с привлечением данных панорамной спектроскопии со спектрографом SAURON. Противовращение газа к основ­ ному диску прослеживается до оптических границ галактики. Распределе­ ние интенсивностей эмиссионных линий показывает кольцевую структуру, а в соответствии с диагностическими диаграммами газ в кольце возбужден в основном излучением молодых звезд. Исследуя историю звездообразования методом двухкомпонентной декомпозиции спектров, который излагается в ме­ тодической главе 1, мы также показали, что история аккреции газа на IC заключалась в двух событиях, каждое из которых впоследствии инициирова­ ло вспышку звездообразования в диске галактики.

Вторую часть главы составляют результаты спектрального и фотометри­ ческого изучения локально изолированной линзовидной галактики NGC 4124, у которой обнаружен в центральной килопарсековой зоне наклоненный к ос­ новной плоскости диск ионизованного газа. По всей видимости, формирова­ ние этого диска связано с поглощением небольшого спутника, породившим также и позднюю вспышку звездообразования в центральной области, что подтверждается более низким средним возрастом ( 2 млрд. лет) звездного населения в центральной области по сравнению с возрастом звездного насе­ ления диска ( 5 7 млрд. лет).

В заключении обсуждаются основные результаты диссертации в кон­ тексте недавно предложенной О.К. Сильченко концепции формирования лин­ зовидных галактик [10] и дальнейшие перспективы исследования.

В приложении А приводится таблица свойств окружения галактик из выборки 281 объектов. Приложение B состоит из иллюстративного матери­ ала для каждой галактики из списка 22 объектов, которые наблюдались на БТА и SALT. Приводятся радиальные профили скорости звезд и газа, диспер­ сии скоростей звезд и газа, возраста и металличности звездного населения.

Цитированная литература 1. Spitzer L., Jr., Baade W. Stellar Populations and Collisions of Galaxies. // Astrophys. J. 1951. — March. Vol. 113. P. 413.

2. Icke V. Distant encounters between disk galaxies and the origin of S 0 spi­ rals // Astron. and Astrophys. 1985. — March. Vol. 144. Pp. 115–123.

3. Byrd G., Valtonen M. Tidal generation of active spirals and S0 galaxies by rich clusters // Astrophys. J. 1990. — February. Vol. 350. Pp. 89–94.

4. Moore B., Katz N., Lake G. et al. Galaxy harassment and the evolution of clusters of galaxies // Nature. 1996. — February. Vol. 379. Pp. 613–616.

5. Gunn J. E., Gott J. R., III. On the Infall of Matter Into Clusters of Galaxies and Some Effects on Their Evolution // Astrophys. J. 1972. — August. Vol.

6. Quilis V., Moore B., Bower R. Gone with the Wind: The Origin of S0 Galaxies in Clusters // Science. 2000. — Juny. Vol. 288. Pp. 1617–1620.

7. Larson R. B., Tinsley B. M., Caldwell C. N. The evolution of disk galaxies and the origin of S0 galaxies // Astrophys. J. 1980. — May. Vol. 237. Pp. 692–707.

8. Naim A., Lahav O., Buta R. J. et al. A comparative study of morphological classifications of APM galaxies // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 1995. — Juny. Vol. 274. Pp. 1107–1125.

9. Sulentic J. W., Verdes-Montenegro L., Bergond G. et al. The AMIGA sample of isolated galaxies. II. Morphological refinement // Astron. and Astrophys.

2006. — April. Vol. 449. Pp. 937–949.

10. Sil’chenko O. K., Proshina I. S., Shulga A. P., Koposov S. E. Ages and abun­ dances in large-scale stellar discs of nearby S0 galaxies // Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 2012. — November. Vol. 427. Pp. 790–805.