Поздравляем коллег с присуждением премии имени И.С. Шкловского 2023 года

Поздравляем с присуждением премии имени И.С. Шкловского 2023 года

	доктора физико-математических наук Засова Анатолия Владимировича (Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова),
	доктора физико-математических наук Сильченко Ольгу Касьяновну (Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова),
	доктора физико-математических наук Моисеева Алексея Валерьевича (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук)

за цикл работ «Приливные и аккреционные структуры в дисковых галактиках: динамика и звездообразование».

Результаты исследования последних двух десятилетий наглядно показали, что галактики являются открытыми звездно-газовыми системами. Взаимодействие с соседними галактиками и межгалактической средой является не просто результатом определенного и случайного стечения обстоятельств, а неотъемлемой частью эволюции галактик, которое во многом определяет их наблюдаемые свойства. К тому же, результаты внешнего воздействия на галактику, будь то динамическое возмущение приливными силами от крупных соседей, воздействие окружения на газовую среду галактик (аккреция, газодинамическое давление), либо поглощение мелких галактик, зависят от особенностей внутреннего строения и состава галактик. Поэтому исследование этих процессов позволяет лучше понять, чем обусловлены наблюдаемые свойства галактик и каковы особенности их эволюции.

А.В. Засов, О.К. Сильченко и А.В. Моисеев являются руководителями научных программ по изучению приливных и аккреционных структур в дисковых галактиках методами длиннощелевой и 3D спектроскопии на 6-м телескопе БТА САО РАН. Наблюдения отдельных объектов проводились также по их инициативе на ряде крупных зарубежных инструментов (оптические телескопы 10-м SALT и 4.2-м WHT, радиотелескопы WSRT и IRAM). В статьях последних лет также использовались данные наблюдений, которые были получены на новом 2.5-м телескопе КГО ГАИШ МГУ, с помощью аппаратуры, разработанной под руководством А.В. Моисеева. Основной состав исполнителей программ составляют научные сотрудники ГАИШ МГУ и САО РАН.

В цикле работ исследовались как системы взаимодействующих галактик, так и галактики, структура которых несет следы аккреции или разрушения спутников, имевшие место в прошлом. Спектральные и фотометрические исследования позволили получить уникальный материал по кинематике, звездному составу и металличности газа для 14 галактик во взаимодействующих системах с различным типом взаимодействия. Это близкие или сливающиеся галактики, галактики со звездно-газовыми хвостами или перемычками, системы типа М51, где взаимодействие с небольшим спутником деформирует форму спиральных ветвей, а также кандидаты в приливные карлики — гравитационно-связанные карликовые системы, возникшие из вещества, покинувшего галактику при приливном взаимодействии. Более чем в десятке работ, в основном в журнале МNRAS, опубликовано детальное исследование кинематики газа и звезд, металличности газа (отношения обилий О/Н) с использованием нескольких методов, а также звездного состава различных областей диска и условий звездообразования в галактиках.

Каждая рассмотренная в работах галактика по-своему уникальна, но есть общие особенности: некруговое движение газа, стимулирующее (до определенного предела) рождение очагов звездообразования, а также более пологий радиальный градиент металличности газа, свидетельствующий о перемешивании вещества. Применяя методы спектральной диагностики состояния ионизованной плазмы, авторам удалось отделить эмиссионные области приливных структур, которые соответствуют стандартным областям HII, возбуждаемым массивными звездами, в отличии от областей, возбуждаемых более жестким изучением или ударными волнами. Последние, как правило, соответствуют более разреженному газу с более высокой дисперсией скоростей эмиссионного газа. Во взаимодействующих галактиках они обычно находятся там, где наблюдается прямое столкновение газовых систем двух галактик.

Условия формирования очагов звездообразования в приливных структурах имеют свои особенности, отличные от существующих во внутренних областях галактических дисков. Поэтому их изучение важно для более глубокого понимания процесса рождения звезд. Спецификой звездообразования в приливных структурах является низкая средняя плотность газа. Она требует особых условий для его быстрой гравитационной конденсации: пониженная металличность, замедляющая процесс остывания; низкие угловые скорости газа, что способствует процессу гравитационной конденсации; наличие ударных волн, связанных с некруговой скоростью газа, а в некоторых случаях — статическое или динамическое давление окружающей межгалактической среды.

В различных галактиках перечисленные обстоятельства играют разную роль, что было показано в цикле опубликованных работ. В частности, удалось подтвердить предсказанное в численных экспериментах усиление плотности газа и темпов звездообразования из-за деформации орбит на краю диска в основании спиральных ветвей приливной природы (области henge clumps). Показано, что газовые потоки во взаимодействующих системах могут, по-видимому, через аккрецию газа возбудить рождение звезд и тем самым проявить спутники очень низкой яркости, существующие в системе или сформировавшиеся на предыдущих эпизодах сближения галактик (например, карлик вблизи NGC 4656). В нескольких случаях существование молодых приливных карликов как гравитационно-связанных объектов подтверждается исследованиями, но они являются (с большой вероятностью) короткоживущими образованиями, и условия их формирования пока не вполне понятны. В системе Arp 194 приливной карлик наблюдается на заключительной стадии разрушения и падения на диск родительской галактики.

Аккреция внешнего холодного газа сейчас стала считаться ключевым фактором для эволюции дисковых галактик. Поддержание в дисках галактик, в частности, в диске Млечного Пути, солнечной металличности звезд на протяжении последних десяти миллиардов лет требует постоянного «разбавления» межзвездной среды газом с низкой металличностью. Источником такого газа могут быть или поглощаемые малые спутники, или филаменты крупномасштабной структуры Вселенной, наполненные первичным газом, который еще не прошел через звезды. Измеренные в ближней Вселенной типичные темпы звездообразования и массы газа в спиральных галактиках обнаружили очень короткое время исчерпания газа при его текущем обилии и темпах звездообразования. Это стимулировало развитие физической картины (сценария) эволюции спиральных галактик, в которой содержание газа в их дисках является постоянной во времени величиной: сколько газа в единицу времени пришло в диск извне, столько его и расходуется на звездообразование, за вычетом газа, ушедшего из диска под действием «впрыска» энергии молодыми звездами (т.н. обратная связь). Таким образом, темпы аккреции внешнего газа, его физические и геометрические характеристики являются определяющими параметрами для эволюции конкретной дисковой галактики.

Уверенным случаем обнаружения пришедшего в галактику извне газа в наблюдениях является случай, когда вращение газа не согласуется с кинематикой звездного диска галактики: газ, аккрецирующий на галактику, наследует орбитальный момент источника аккреции, который может не совпадать по направлению с моментом вращения галактического диска. Поиск и исследование таких объектов долгие годы являются предметом особого интереса. Наиболее зримым следствием процессов аккреции вещества с иным орбитальным моментом являются галактики с полярными кольцами. Авторами был составлен самый обширный на сегодняшний день каталог кандидатов в такие объекты, ряд которых был подтвержден в наблюдениях на 6-м телескопе САО РАН. Также была изучена металличность и состояние ионизации газа полярных структур, изучено содержание в них молекулярного газа. Благодаря их уникальной морфологии в нескольких галактиках была восстановлено трехмерное распределение массы темного гало.

Если галактики с большими полярными газовыми кольцами являются довольно редким феноменом, то со временем выяснилось, что внутренние полярные и наклонные газовые диски обнаружены от нескольких до десяти процентах близких линзовидных галактик поля, в которых до события аккреции не было собственного газа в диске. Такой «чистый» случай аккреции позволяет на основании наблюдательных спектральных характеристик исследуемых галактик сделать заключение как об источнике внешнего газа и о динамике самого процесса аккреции, так и о дальнейшей судьбе аккрецированного газа.

В течение последних двадцати лет коллегам удалось детально исследовать несколько десятков галактик с аккрецированными газовыми структурами. Интересной оказалась статистика металличностей (обилий кислорода), рассчитанных по эмиссионным линиям, наблюдаемых в спектре аккрецированного газа. Во внешних аккрецированных кольцах выборки линзовидных галактик, в самом широком диапазоне светимостей и радиусов, металличность газа оказалась однородной и лишь немного ниже солнечной (около 70% от солнечной), что согласуется с измерениями металличности газа в больших полярных кольцах. Это плохо укладывается в предположение о массовой аккреции внешнего газа из космологических филаментов крупномасштабной структуры Вселенной, в которых ожидается газ, не прошедший еще через звезды, и следовательно, имеющий металличность, близкую к нулевой. Даже с учетом возможного «загрязнения» первичного газа филаментов окружающими областями звездообразования в галактиках, его металличность вряд ли может подняться выше трети солнечной.

Недавно авторы нашли единственный пока случай линзовидной галактики, в которой натекание внешнего газа возможно происходит из филамента крупномасштабной структуры — кольцевая линзовидная галактика с протяженным диском низкой поверхностной яркости UGC 4599. Крупномасштабный внешний звездный диск в этой галактике сформировался благодаря такому же механизму, как и кольцо вокруг уникальной эллиптической галактики Объект Хога, детальное исследование которой было также выполнено на 6-м телескопе БТА. Во всех остальных случаях более вероятным источником внешнего газа является скорее всего поглощение карликового спутника, богатого газом. Иногда, например, в UGC 5936, можно непосредственно наблюдать этот спутник в процессе его разрушения большой хозяйской галактикой.

Именно в линзовидных галактиках наблюдается рассогласованное вращение протяженных газового и звездного дисков, что встречается значительно чаще, чем в спиральных. Возникает вопрос: не связан ли морфологический тип галактики с направлением прихода в нее внешнего холодного газа? На качественном уровне можно ожидать, что если газ приходит плавным потоком в плоскости галактического диска и имеет орбитальный момент, который совпадает по направлению с моментом вращения диска галактики, то он просто увеличивает количество газа в диске, не провоцируя нагрева и дополнительной турбулентности. В таком газе будет идти нормальное звездообразование, «надстраивающее» внешние части галактического диска. Именно этот процесс способен объяснить быстрое возрастание момента и построение тонких звездных дисков, которые наблюдаются в спиральных галактиках в последние 8 млрд лет. Если же газовый поток приходит под углом, то пересекая потенциальную яму галактического диска, он развивает ударные волны, греется, и звездообразование в таком газе будет подавлено, даже несмотря на большое его количество.

Коллеги впервые представили наблюдательные доказательства ранее предсказанного теоретиками эффекта ударной ионизации газа во внутренних областях галактик с полярными кольцами. Они исследовали звездообразование во внешних кольцах выборки богатых газом линзовидных галактик, в том числе и в тех, где наблюдается рассогласованное вращение газового и звездного диска. Действительно, при одной и той же массе холодного газа, галактики с рассогласованным вращением газа и звезд показывают более низкие темпы звездообразования: отклоняются от стандартного соотношения Кенниката-Шмидта. Подавленное звездообразование, отсутствие спиральных ветвей, для которых необходимо наличие динамически холодных, неустойчивых к не осесимметричным возмущениям тонких звездных дисков, отличает линзовидные галактики от спиральных при схожести структурных параметров. Авторам удалось отыскать механизм формирования хаббловской морфологической последовательности галактик.

Таким образом, был получен и проанализирован уникальный материал спектральных и фотометрических наблюдений нескольких десятков галактик различных типов, масс и светимостей. Их динамика и структурные особенности говорят о том, что галактика испытывает сильное внешнее воздействие: приливные силы, аккреция газа на диск, мержинг, динамическое давление со стороны межгалактической среды. Также было выявлено, как эти процессы влияют на звездообразование в галактиках, на металличность и градиент металличности газа в дисках галактик, на их морфологический тип и на формирование протяженных внешних дисков. Проведенные исследования продемонстрировали на конкретных примерах большое разнообразие результатов взаимодействия галактик с окружением и безусловное влияние этих процессов на эволюцию галактик различных масс и типов.

Серия работ по астрофизике галактик, получившая премию РАН имени И.С. Шкловского за 2023 год

Желаем коллегам крепкого здоровья и бодрости духа, осуществления задуманных проектов и многих лет плодотворной работы, дальнейших успехов на поприще исследований в области нашей любимой астрофизики и радости от новых достижений!