V •/ санкт-петербургский государственный университет на правах рукописр климанов сергей александрович детальное исследование галактик типа м 51

\/ I о *•» v «•/ " САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописр КЛИМАНОВ Сергей Александрович ДЕТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЛАКТИК ТИПА М 51 Специальность 01.03.02 астрофизика и радиоастрономия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург - 2003 Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Решетников Владимир Петрович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Сильченко Ольга Касьяновна кандидат физико-математических наук Тихонов Антон Валерьевич Ведущая организация:

Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Защита диссертации состоится 24 июня 2003 г. в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.232.15 по защите диссерта ций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Ста рый Петергоф, Университетский пр., д. 28, ауд. 2143 (математико механический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ Автореферат разослан " ^ " Ш! 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.В.

//%%/ О- Общая характеристика работы Актуальность проблемы Двойные системы, похожие на эффектную галактику М51 в созвез дии Гончих Псов, представляют собой отдельный и очень интересный тип объектов. Такие системы состоят из главной спиральной галактики и от носительно небольшого спутника, который находится вблизи конца одной из спиральных ветвей основного компонента.

Впервые на эти объекты как на разновидность двойных галактик обратили внимание Воронцов-Вельяминов [1] и Арп [2]. В [1J Воронцов Вельяминов впервые употребил термин "двойные галактики типа М 51", основываясь на изображениях нескольких систем со слабыми спутниками на конце спиральных ветвей, сходных по виду с М 51. В "Морфологическом каталоге галактик" Воронцов-Вельяминов отметил объекты, которые, по его мнению, можно отнести к этому типу. Всего им было отобрано и изуче но около 160 систем типа М 51 [3]. Главный вывод Воронцова-Вельяминова о происхождении этих объектов был следующий - внутри крупных галак тик образуются более мелкие, которые впоследствии отделяются и удаля ются от центральной галактики [3]. Однако, наблюдательный материал, которым располагал автор, был очень неполным. Кроме того, его выбор ка оказалась очень неоднородной из-за отсутствия четких критериев для отбора галактик типа М51.

Похожие недостатки характеризуют и выборку Арпа, который отметил 54 отобранных им системы типа М51 в "Атласе пекулярных галактик" [2].

На основании спектрального изучения нескольких объектов он высказал гипотезу о происхождении спутников в системах типа М51, согласно ко 7 торой они могли быть выброшены из центральных галактик 10 — 10 лет назад.

Отчасти выводам Воронцова-Вельяминова и Арпа о происхождении рассматриваемых объектов, вероятно, способствовало преобладающее в те годы мнение о том, что гравитационное возмущение не способно объяснить многие из наблюдаемых форм взаимодействующих галактик. Однако, в своей пионерской работе братья Тумре [4] убедительно продемонстриро вали, что даже относительно простая гравитационная модель может удо влетворительно воспроизвести многие из их наблюдаемых особенностей.

В частности, они построили модель прототипа рассматриваемых здесь си стем - галактики М51. Используя метод моделирования пробными части цами и подобрав соответствующим образом начальные параметры, авторы добились того, чтобы спутник, движущийся по вытянутой орбите почти перпендикулярно к плоскости главной галактики, в проекции казался ле жащим на конце спиральной ветви. Численное моделирование как самой галактики М51, так и других подобных систем впоследствии производи лось неоднократно разными авторами.

Изучались и другие характеристики галактик. Например, Лаурикай нен и Сало [5J провели фотометрическое изучение нескольких систем, отне сенных ими к типу М51. Авторы отмечают, что во многих рассмотренных объектах спутники демонстрируют признаки усиленного темпа звездооб разования, что может ожидаться в случае переноса вещества от главной галактики к спутнику. Найдено, что взаимодействие в системах типа М может сильно искажать профили поверхностной яркости галактик. Авто ры делают вывод, что даже взаимодействия с относительно небольшими спутниками могут играть важную роль в эволюции галактик.

Хотя к настоящему времени накопились большое количество новых данных о галактиках, которые можно отнести к типу М51, они, тем не менее, остаются одним из наименее изученных типов объектов как с на блюдательной, так и с теоретической точек зрения. Например, для многих главных галактик отсутствуют данные об их кинематических характери стиках, знание которых важно для исследования взаимодействующих си стем. Это относится и к спутникам, которые представляют собой трудные объекты для изучения (ввиду своей слабости, вплоть до 19т). Их звездные величины, лучевые скорости и морфологические типы известны лишь для небольшого числа галактик. Кроме того, системы типа М51 в качестве отдельного класса двойных галактик в течение более двух десятилетий практически не исследовались. Отсутствовала даже хорошо определенная, однородная выборка этих объектов.

Между тем, системы типа М51 представляют собой удобные объекты для изучения влияния маломассивных спутников на структуру спираль ных галактик. Согласно численным расчетам, даже относительно маломас сивные спутники могут производить значительные возмущения централь ных галактик, формируя при этом длинные хвосты, мосты, перемычки и сами спиральные ветви. Кроме того, изучение близких тесных пар, каки ми являются галактики типа М 51, может помочь лучше понять эволюцию галактик на больших z, где их слияния происходят гораздо чаще.

-д»— НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА им. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО ШШОГО ГОС. УНИВЕРСИТЕТА Цели и задачи работы Основной целью настоящей работы является детальное изучение галактик типа М51. Это подразумевает составление новой выборки систем этого типа и решение на основе ее изучения следующих задач:

статистический анализ выборки, построение оптической функции све тимости галактик, исследование их кинематики и структуры, а также рассмотрение вопроса об их происхождении и возможных путях эволюции.

Научная новизна Построена новая, хорошо определенная выборка галактик типа М51, состоящая из 32 систем, что позволило сформулировать количественные критерии для отнесения системы к типу М51. Впервые построена оп тическая функция светимости галактик типа М51 и сделана оценка их распространенности в локальном объеме Вселенной. Получены кривые вращения 12 главных галактик в линиях На и [Nil], из них для 7 впервые, а также определены лучевые скорости их спутников, из них для 6 - впервые. На основании этих данных сделано заключение, что соотношение Талли-Фишера для галактик типа М51 может отличаться от того, которое существует для галактик поля. Произведен поиск систем типа М51 в глубоких полях Хаббла и впервые сделан вывод о том, что пространственная плотность этих объектов может возрастать с z.

Научная и практическая ценность Сформулированы критерии для отнесения галактик к типу М51, которые могут использоваться для дальнейшего поиска кандидатов в эти системы. Создан пакет программ, который может использоваться для вычисления функции оптической светимости галактик двумя часто применяемыми в современной практике методами. Наблюдательный ма териал, полученный в работе (кривые вращения), может использоваться для изучения кинематики взаимодействующих галактик.

Апробация работы Основные результаты данной работы представлялись на всероссийской конференции "Актуальные проблемы внегалактической астрономии" (Пу щино, Россия, 25-27 апреля, 2002), а также на семинарах кафедры астро физики СПбГУ.

Структура и краткое содержание работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цити руемой литературы, содержащего 116 наименований и двух приложений, содержит 22 рисунка и 13 таблиц. Общий объем диссертации 115 страниц.

Во Введении отражена краткая история проблемы, ее актуальность, цели исследования, основные положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна, кратко представлено содержание диссертации.

В Главе 1 рассмотрены составление и статистический анализ новой выборки галактик типа М51. В разделе 1.1 описана процедура составле ния выборки, сформированной на основе списка объектов, представлен ного Воронцовым--Вельяминовым [3]. При изучении изображений систем, входящих в этот список, было установлено, что он по своему составу очень неоднороден. Для достижения большей однородности часть объектов была исключена, в результате чего была получена новая, хорошо определенная выборка галактик типа М51, содержащая 32 объекта.

В разделе 1.2 производится статистическое изучение этой выборки, ко торое позволило получить ряд новых характеристик галактик. В частно сти, на основе специально построенной эмпирической зависимости была получена оценка видимых звездных величин 24 спутников с точностью 0.5т для которых, ввиду их слабости, такие данные отсутствовали. Об суждается влияние эффектов селекции на различные свойства выборки.

Найдено, что главные компоненты в системах типа М51 являются ярки ми галактиками со средней светимостью, близкой к светимости Млечного Пути (~ — 20.тО), а отношение светимостей компонентов для большинства рассматриваемых систем находится в диапазоне 1/30-1/3 (в фильтре В).

Предполагается, что гравитационное возмущение во взаимодействую щих системах может приводить к образованию бара и генерации крупно масштабного двухрукавного узора в дисках галактик. Изучение морфоло гии систем типа М 51 показало, что среди главных компонентов преобла дают галактики с барами и хорошо выраженной двухрукавной структу рой. Таким образом, повышенная доля таких галактик в выборке может служить свидетельством в пользу указанного предположения. Также от мечается, что среди главных компонентов преобладают галактики позд них хаббловских типов, что может быть результатом селекции, так как в выборку, как правило, отбирались галактики с ясно видимой спиральной структурой.

Измерение угловых расстояний между компонентами позволило уста новить, что спутники в системах типа М 51 находятся вблизи границ звезд ных дисков главных галактик. Эти измерения вместе с предыдущими ре зультатами позволили сформулировать формальный критерий для отне сения системы к типу М51 - это двойная система, в которой: 1) отноше ние светимостей компонентов в полосе В заключено в пределах 1/30-1/3, 2) спутник находится вблизи конца спиральной ветви главной галактики на расстоянии, не превышающем двух ее оптических диаметров.

На основе данных космической обсерватории IRAS был оценен темп звездообразования в системах типа М51. Он оказался довольно высоким, ~ 9М0/год, что в несколько раз превышает средний темп звездообразо вания в изолированных галактиках. Был сделан вывод о том, что уси ление звездообразования может быть следствием взаимодействия между компонентами систем. Был найден ряд корреляций между скоростью звез дообразования и различными характеристиками галактик. Однако, ввиду небольшого количества данных, они нуждаются в дальнейшем подтвер ждении.

Глава 2 посвящена построению оптической функции светимости (ФС) рассматриваемого типа галактик. Особое внимание уделено увеличению объема изучаемой выборки путем включения в нее новых кандидатов, ото бранных из существующих каталогов двойных галактик на основании уже полученных критериев отбора систем типа М51. Процедура составления расширенной выборки, насчитывающей 46 систем, приводится в разде ле 2.1. Именно эта выборка использовалась для нахождения ФС галактик типа М51.

Процесс построения ФС описан в разделе 2.2. Вначале приводится краткий обзор и сравнение существующих способов ее вычисления. В ра боте были использованы два из них. Первый способ (SWML-метод, [б]) основан на применении принципа максимального правдоподобия. Он поз воляет получить ФС без использования предположения о какой-либо ее функциональной форме. Его преимуществом является независимость ре зультатов от случайных флуктуации плотности галактик. Вследствие это го, однако, нахождение формы и нормализацию ФС приходится произ водить независимо друг от друга. В этом способе сначала составляется функция правдоподобия, характеризующая вероятность попадания галак тик в рассматриваемую выборку, и производится параметризация непре рывной ФС в виде конечного числа параметров. Оценки этих параметров находятся посредством решения системы уравнений правдоподобия.

Второй способ получения ФС ((1/Кпах) - метод, [7]) достаточно прост в вычислениях и позволяет получить форму и плотность ФС одновременно, однако при этом используется предположение об однородном распределе нии объектов в пространстве. Нахождение ФС производится посредством вычисления максимального объема Vma.x, который характеризует макси мальное расстояние, на котором галактика данной светимости может по пасть в выборку, ограниченную по видимой звездной величине.

Сравнение результатов обоих методов показало, что ФС галактик типа М51 можно описать функцией Шехтера со параметрами ф* = 1.4 х 10~ Мпк~3, а = —1.3, М* = —20.Ш3. При этом доля галактик типа М51 среди двойных галактик может составлять 4%, среди спиральных 0.7% и среди всех галактик поля 0.3%. Однако, вследствие относительно небольшого статистического объема выборки, эти результаты следует рассматривать в качестве предварительных.

В Главе 3 рассматриваются кинематика и структура галактик типа М51, а также затрагиваются вопросы о возможном происхождении этих систем и их эволюции.

В разделе 3.1 обсуждается глобальная кинематика галактик типа М 51, для изучения которой на 6-м телескопе САО РАН были проведены спек тральные наблюдения 12 систем. По результатам обработки спектров этих объектов были получены кривые вращения главных галактик в линиях На и [Nil], a также определены лучевые скорости спутников (для многих объектов это было сделано впервые) с точностью ~ 20 км/с. На осно вании сравнения наших данных с ранее опубликованными было сделано заключение о том, что наши результаты не содержат значительных систе матических ошибок.

В разделе 3.2 рассматривается структура галактик типа М51 и обсу ждаются возможные сценарии их происхождения. В частности, на основа нии полученных данных установлено, что среднее отношение орбитальной массы системы к суммарной массе компонентов составляет величину 1.6 2.4. Был сделан вывод о существовании в системах типа М51 умеренно массивных темных гало в пределах 1.5-2.0 стандартных оптических ра т диусов 25 /кв.сек. Найдено также, что спутники в целом удовлетворяют приливному ограничению на свои размеры.

Данные о кинематике 20 объектов позволили установить, что соотно шение Талли-Фишера для систем типа М51 может отличаться от того, которое существует для относительно изолированных галактик. Для рас OJ_|"l fi\ tr\ сматриваемых систем оно имеет вид: L(B) ocVmoa- (для изолирован ных L(B) ocV^Q-^, [8]). Это соотношение находится в хорошем согласии с тем, которое найдено для членов тесных двойных пар галактик и далеких спиральных галактик, находящихся на z ~ 0.5. Было сделано предположе ние, что причиной более пологого соотношения Талли-Фишера для систем типа М51 является индуцированное взаимодействием активное звездооб разование в галактиках.

Для изучения эволюции встречаемости галактик типа М 51 были иссле дованы кадры глубоких полей Космического телескопа Хаббла и отобрано 7 кандидатов в рассматриваемые системы в диапазоне красного смеще ния z = 0.2 — 1.1. На основании этих данных было найдено, что про странственное обилие галактик типа М51 может возрастать с увеличени ем красного смещения. Показатель степени в функции n(z) = HQ (1 + z)m (no = n(z = 0)), характеризующей темп эволюции пространственной плот ности, составляет т = 3.6l0'g. ^та величина примерно соответствует росту числа двойных и взаимодействующих галактик.

При рассмотрении вопроса о происхождении систем типа М51 было сделано предположение о двух возможных основных путях их формирова ния и эволюции. Во-первых, спутники в этих системах могут иметь "кос мологическое" происхождение, при котором они являются галактиками, образовавшимися из маломассивных "субгало", которые в рамках моделей с холодной скрытой массой должны во множестве образовываться внутри гало массивных галактик. При определенных условиях (вытянутость ор биты и потеря значительного количества массы при сближениях) такие галактики могут избежать слияния с главными компонентами к z = О и наблюдаться вместе с ними в настоящее время как системы типа М51.

Во-вторых, спутники могут быть захвачены основной галактикой при слу чайном сближении. Поскольку темп взаимодействий между галактиками растет с z, такое событие в прошлом могло быть вполне вероятным. По лученное выше указание на рост пространственного обилия галактик типа М 51 свидетельствует в пользу второго сценария. В любом случае, рассмат риваемые варианты, конечно, являются упрощением реальной картины и должны быть тестированы численными расчетами.

В Заключении произведено краткое обсуждение результатов деталь ного изучения галактик типа М51 и перечислены основные выводы дис сертационной работы.

В Приложении А приведены таблицы, содержащие главные наблю даемые характеристики галактик выборки, а также характеристики, по лученные в настоящей работе.

В Приложении В представлены изображения систем, входящих в рассматриваемую выборку.

На защиту выносятся:

1) Новая выборка галактик типа М51, содержащая 32 системы.

2) Результаты построения оптической функции светимости галактик типа М 51 и оценка их распространенности в локальном объеме Вселенной.

3) Результаты спектральных наблюдений 12 систем типа М51.

4) Результаты поиска галактик типа М 51 в глубоких полях Космиче ского телескопа Хаббла.

Основное содержание диссертации изложено в следующих ра ботах:

1. S.A. Klimanov, V.P. Reshetnikov, "Statistical study of M51 type galaxies", Astronomy and Astrophysics, 2001, V.378, P.428-440.

2. C.A. Климанов, В.П. Решетников, А.Н. Буренков, "Кинематическое исследование галактик типа М51", Письма в Астрон. журн., 2002, Т.28, С.643-652.

3. В.П. Решетников, С.А. Климанов, "О структуре и эволюции галактик типа М51", Письма в Астрон. журн., 2003, Т.29, С.488-496.

4. С.А. Климанов, "Оптическая функция светимости галактик типа М51", Астрофизика, 2003, Т.46, С.191-206.

Личный вклад автора:

В работе [1] автором выполнен сбор наблюдательный данных, ин терпретация результатов произведена совместно. В работе [2] автором произведена обработка наблюдательного материала, интерпретация осуществлена совместно. В работе [3] вклад соавторов одинаков.

Список литературы [1] Воронцов-Вельяминов Б.А., Астрон. журн., 1957, Т.34, С.8.

[2] Агр Я, Astrophys. J. Suppl. Ser., 1966, V.14, P.I.

[3] Воронцов-Вельяминов Б.А., Астрон. журн., 1975, Т.52, С.692.

[4] Toomre A., Toomre J., Astrophys. J., 1972, V.178, Р.623.

[5] Laurikainen E., Salo Я, Mon. Notic. Roy. Astron Soc., 2001, V.324, P.685.

[6] Efstathiou G., Ellis R.S., Peterson B.A., Mon. Notic. Roy. Astron. Soc., 1988, V.232, P.431.

[7] Huchra J., Sargent W.L.W., Astrophys. J., 1973, V.186, P.433.

[8] Sakai S., Mould J.R., Hughes S.M.G. et ai, Astrophys. J., 2000, V.529, P.698.

ЛР № 040815 от 22.05.97.

Подписано к печати 13.05.2003 г. Формат бумаги 60X84 1/16. Бумага офсетная.

Печать ризографическая. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 2927.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии НИИХ С116ГУ с оригинал-макета заказчика.

198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26.