Субмиллиметровые галактики

21:53 21/12/2017
👁 139

Млечный Путь изучили в субмиллиметровом

Астрофизик Ольга Сильченко о проблеме отождествления субмиллиметровых источников, спутнике IRAS и красном смещении

В галактиках ближней и дальней Вселенной довольно часто идет звездообразование, но в разных галактиках это происходит с разной интенсивностью. Статистика по темпам звездообразования долгое время опиралась на наблюдение в голубых лучах. В 1970–1980-е годы наблюдался расцвет наблюдательной внегалактической астрономии — тогда еще большинство изображений галактик получались с фотографическими пластинками, имевшими наилучшую чувствительность в голубой области. Темпы звездообразования рассчитывались подсчетом ярких голубых звезд, которые являются массивными, а значит, живут очень мало. Получается, если мы видим яркие массивные голубые звезды, это значит, что они только что образовались, и по их количеству можно оценить темпы звездообразования.

Во второй половине 80-х годов XX столетия был запущен спутник IRAS, на котором стоял телескоп, наблюдавший галактики и Вселенную в инфракрасных лучах. Там было четыре инфракрасные полосы: 25 микрон, 60 микрон, 100 микрон и 12 микрон. Все эти полосы с Земли не наблюдаются, так как эти лучи поглощает атмосфера. Именно поэтому для наблюдений такого рода потребовалось запускать спутник.

IRAS сделал обзор всего неба, и оказалось, что есть галактики, которые лучше всего видны именно в инфракрасном диапазоне. В оптике они ничем себя не проявляли, их считали не самыми яркими объектами и не самыми звездообразующими галактиками. В инфракрасных лучах они оказались невероятно яркими, самыми яркими в полном электромагнитном диапазоне галактиками. Если сложить поток, который дает галактика в разных длинах волн от рентгена до радио, получится болометрическая светимость. Самые высокие болометрические светимости оказались именно у галактик, которые лучше всего видны в инфракрасном диапазоне спектра. Тогда же выяснилось, что именно в этих галактиках звездообразование идет с особенно высоким темпом.

Почему мы не видим голубых звезд в оптике? Потому что это звездообразование экранируется большим количеством пыли. Самые мощные вспышки звездообразования в галактиках сидят в пылевых коконах, и вместо ярких голубых звезд мы видим излучение нагретой ими пыли в инфракрасном диапазоне спектра.

При построении распределения энергий в интегральном спектре для близких галактик как раз галактики с самыми высокими темпами звездообразования показали максимум излучения на 70 или 100 микронах — это уже далекий инфракрасный диапазон. Позже, когда начали изучать галактики не только в ближней, но и в дальней Вселенной, чтобы найти галактики с самыми высокими темпами звездообразования на высоких красных смещениях, искали распределение энергии в спектре. Внутри самой галактики в лабораторной системе длин волн оно имеет максимум на 100 микронах, но для нас этот максимум будет сдвинут красным смещением еще дальше. Допустим, если мы хотим посмотреть на красном смещении тройка галактики с максимальными темпами звездообразования, то нам придется умножить эти 100 микрон на 4. Получится, что максимум излучения этих галактик с самыми высокими темпами звездообразования на красном смещении тройка придется уже на длину волны 400 микрон.

У земной атмосферы на субмиллиметровых волнах есть два окна прозрачности. То есть на Земле мы можем видеть излучение на длине волны 450 микрон и на длине волны 850 микрон. Для этих двух длин волн в Соединенных Штатах был построен телескоп. Его установили на высокой горе, где достаточно сухо, где небольшая влажность атмосферы и нет поглощения субмиллиметровых длин волн. Этот телескоп с зеркалом диаметром 15 метров начал в 1990-е годы обзор неба на двух длинах волн, чтобы найти галактики с очень высокими темпами звездообразования на красных смещениях больше двух — на красных смещениях тройка или четверка. Это где-то один-два миллиарда лет после Большого взрыва, самые ранние стадии эволюции Вселенной. Ожидалось, что в массивных галактиках должно быть очень интенсивное звездообразование, искать их нужно как раз на субмиллиметровых длинах волн.

Действительно, обнаружились источники, которые хорошо светят на длинах волн 450 и 850 микрон. Правда, нужно было еще доказать, что это именно далекие галактики. А для этого нужно измерить красное смещение по их спектрам, отождествить эти объекты на небе и померить их спектры так, чтобы увидеть в этих спектрах отдельные эмиссионные линии. Тогда длину волны эмиссионной линии мы можем соотнести с лабораторной длиной волны и определить красное смещение.

Но даже с зеркалом диаметром 15 метров с Земли пространственное разрешение этого телескопа составляет всего 15 секунд. Если посмотреть с лучшим пространственным разрешением (допустим, с хаббловским космическим телескопом), в эти 15 секунд попадают сотни далеких слабых галактик. Сказать, какая же из них дала этот поток на 400 микронах, невозможно: они все годятся на эту роль. Поэтому долгое время были проблемы с отождествлением субмиллиметровых источников.

Позже стали наблюдать те участки неба, на которых виден субмиллиметровый источник, на чуть более длинных волнах, на миллиметрах. При таком наблюдении излучает молекулярный газ в линии CO. Есть специальные интерферометры, которые наблюдают линию CO уже с высоким пространственным разрешением. Интерферометр — это не один телескоп, а серия радиотелескопов. Из-за того, что они разнесены на достаточно большие расстояния на Земле, они строят картинки в радио с высоким пространственным разрешением. Когда участки неба, содержащие субмиллиметровые источники, наблюдали в линиях CO с пространственным разрешением уже порядка двух-четырех секунд, удалось точно локализовать субмиллиметровые источники, сравнить с картами хаббловского космического телескопа на двух микронах и отождествить эти субмиллиметровые галактики. Для них были получены линейчатые спектры, было измерено красное смещение. Оказалось, что эти галактики действительно на красном смещении порядка тройки.

Сейчас существуют уже большие выборки субмиллиметровых галактик. Помимо телескопа в США, появился телескоп SPT, установленный в Антарктиде, где очень сухая атмосфера, поэтому там тоже прекрасно идут наблюдения в субмиллиметровых длинах волн. Составленные выборки субмиллиметровых источников наблюдаются интерферометром ALMA в пустыне Атакама в Чили. Высота плато над уровнем моря — 5 километров, невероятно сухая пустыня — прекрасные условия для наблюдения на миллиметрах. Интерферометр ALMA строит детальные карты и в миллиметровом континууме, и в линиях CO для субмиллиметровых источников.

Теперь мы знаем, что субмиллиметровые галактики расположены в интервале красных смещений от двух до четырех со средним красным смещением порядка тройки. Это очень массивные объекты: средняя звездная масса этих галактик составляет 100 миллиардов солнечных масс. Для таких красных смещений это экстремально массивные галактики, и в них действительно идет невероятно интенсивное звездообразование, средние темпы которого достигают порядка тысячи масс Солнца в год. Для сравнения: в нашей Галактике темпы звездообразования составляют 3 массы Солнца в год.

Чем же вызваны такие мощные темпы звездообразования в субмиллиметровых галактиках? В результате анализа изображений этих галактик, выполненных в высоком разрешении, оказалось, что большинство из них представляет собой множественные галактики, то есть галактики в процессе слияния. Если мы сольем две массивные галактики сравнимых масс и с большим количеством газа, то это бурное событие возмутит газовую компоненту, вызовет столкновение газовых облаков, скопление газа в центре продукта слияний. Все эти условия вызывают мощную вспышку звездообразования в центрах продуктов слияния двух массивных галактик. Субмиллиметровые галактики — это галактики в процессе большого мержинга. Именно из-за этого у них такие колоссальные темпы звездообразования.

Теоретики говорят, что такое интенсивное звездообразование будет продолжаться недолго, не больше нескольких сотен миллионов лет. В результате большого мержинга дисковые галактики разрушат свои диски, а конечный продукт этого слияния будет выглядеть как гигантская эллиптическая галактика с уже потухшим звездообразованием. Самые крупные эллиптические галактики, в которых сейчас звездообразование не идет, как раз считаются продуктом таких больших слияний, то есть потомками субмиллиметровых галактик на больших красных смещениях.

Источник

Добавить комментарий