Эволюция галактик ранних типов: наблюдения, моделирование, виртуальная обсерватория

Понимание процессов происхождения и эволюции галактик является одной из наиболее актуальных задач современной астрофизики. Существенный прогресс был достигнут в описании эволюции галактик ранних типов. Массивные эллиптические галактики, наблюдаемые преимущественно в скоплениях, присутствуют уже на z ~ 1 (см. Ziegler, 2000 и ссылки в ней). Современные большие обзоры поддерживают следующие идеи: (1) концепция «downsizing» (период звездообразования тем длиннее, чем меньше масса галактики, что впервые было предложено в работе Matteucci (1994), основываясь на вариациях отношения [Mg/Fe] в эллиптических галактиках, затем в работе Cowie et al., 1996) — (2) идее формирования «сверху-вниз» (top-down), где «сборка» масс галактик осуществляется на меньших красных смещениях для менее массивных галактик (Bundy et al., 2006; Cimatti et al., 2006). Однако, в то время как консенсус достигнут в исследованиях характерных времен звездообразования и химической эволюции, до сих пор не понятно даже для массивных эллиптических галактик, соответствует ли время роста их масс протяженности эпохи звездообразования (Bell et al., 2006; Pozzetti et al., 2007; Scarlata et al., 2007). К тому же, многочисленные слияния небольших галактик не являются единственным механизмом, оставляя место для быстрого коллапса газа в далеком прошлом. Более того, эволюция галактик в скоплениях отличается от эволюции в менее плотном окружении. Локальное соотношение морфология-плотность (Dressier, 1980) было подтверждено в более широких пределах плотности галактик, используя обзор SDSS (Goto et al., 2003b), а затем расширено на более высокие красные смещения (Capak et al., 2007). Эти работы, а также модель ослабления яркости диска для объяснения формирования SO-галактик (Christlein Sz Zabludoff, 2004), указывают на то, что морфология и звездообразование могут подвергаться влиянию различных процессов: увеличение доли галактик ранних типов в большей части обусловлено процессами слияния и взаимодействия галактик (в т.ч. «harassment», Moore et al., 1996), а также приливными эффектами, вызванными пересечением галактиками потенциала скопления, включая динамическое трениезамедление или прекращение звездообразования может вызываться выметанием межзвездной среды динамическим давлением (Gunn & Gott, 1972; Abadi et al., 1999) или «удушением» звездообразования (strangulation), которое предотвращает аккрецию путем устранения внешнего резервуара нейтрального газа (Larson et al., 1980). Также имеется предположение, что балджи линзовидных галактик в скоплениях являются результатами приливных взаимодействий.

Подобные сценарии морфологической трансформации галактик, перемещающихся к центру (или падающих на центр — «infalling») скопления также вызывают преобразование карликовых неправильных или слабых спиральных галактик в карликовые галактики ранних типов, составляющих наиболее представительный класс объектов в близких скоплениях. Однако, до настоящего времени как модели внешних факторов, так и классическая модель отклика на звездообразование («галактические ветра», Dekel & Silk, 1986) не в состоянии воспроизвести наблюдаемые положения карликовых эллиптических галактик на фундаментальной плоскости (Djorgovski & Davis, 1987), связывающей внутреннюю кинематику и структурные свойства галактик (De Rijcke et al., 2005). В работах Geha et al. (2003) и van Zee et al. (2004a) у авторов возникли схожие сложности в объяснении средних возрастов и достаточно высоких металличностей dE галактик, полученных с помощью Ликских индексов: ни один из эволюционных сценариев не мог быть ни подтвержден, ни устранен из рассмотрения. Еще более усложнила ситуацию работа Lisker et al. (2007), где было показано, что карликовые галактики ранних типов (dE/dS0) не являются одним классом объектов. По крайней мере пять подклассов были найдены в скоплении Дева, в том числе: dE (di) с внутренними дискамиdE (bc) с голубыми центральными областями, где имеются признаки недавнего либо текущего звездообразования. При этом яркие галактики с ядрами dE (N), формирующие динамически неравновесное население дисковых карликовых галактик и, по-видимому, являющихся результатами трансформации галактик, относительно недавно прибывших в скопление, отличаются от dE галактик без ядер, формирующих динамически равновесное население в скопление, которые скорее всего оказались в скоплении уже очень давно, а возможно и сформировались в нем.

Карликовые эллиптические (dE) и линзовидные (dSO) галактики — звездные системы низкой светимости (Мв > —18.0 mag), имеющие регулярную морфологию, оказываются численно доминирующим населением в близких скоплениях и группах галактик (Ferguson & Binggeli, 1994). В моделях холодной темной материи и иерархического сценария формирования галактик они рассматриваются как строительные блоки более крупных звездных систем, наблюдаемых ныне (см. например White & Frenk, 1991). Таким образом, их происхождение и эволюция становится одними из важнейших вопросов современной астрофизики. Одна из специфических характеристик, отличающая карликовые dE/dS0 галактик от карликовых неправильных галактик — отсутствие межзвездной среды и текущего звездообразования. Предлагаются несколько сценариев устранения межзвездной среды из карликовых неправильных галактик и, как следствия, их морфологической трансформации в галактики ранних типов (см. подробный обзор в работе De Rijcke et al., 2005): взрывы сверхновых типа core collapse на раннем этапе вспышки звезообразования выметают газ из маломассивных объектов, гравитационное поле которых слишком слабое, чтобы удержать его (Dekel &- Silk, 1986) — выметание лобовым давлением межгалактического газа (Gunn &: Gott, 1972; Abadi et al., 1999) в скоплениях и группах, которое также более эффективно для маломассивных объектовгравитационные взаимодействия с соседями (так называемый «gravitational harassment», Moore et al., 1996, 1998). Однако ни один их них не в состоянии полностью объяснить все наблюдательные проявления этих объектов одновременно. Возможное многообразие сценариев эволюции было предложено в работе van Zee et al. (2004a) и позднее исследовано в работе Lisker et al. (2008) для объяснения свойств различных подклассов карликовых эллиптических галактик.

На диаграмме средняя поверхностная яркость — абсолютная звездная величина, а также на Фундаментальной плоскости (FP, Djorgovski & Davis, 1987), карликовые и гигантские галактики формируют две отдельные последовательности, соединяющиеся в районе Мв = —18 mag (см. Kormendy et al., 2009 и ссылки там). Однако, это бимодальное распределение может быть объяснено как проекция двух известных монотонных зависимостей других структурных параметров галактик ранних типов как функций их светимости: (а) индекса концентрации профиля яркости и (Ь) центральной поверхностной яркости (Graham & Guzman, 2003; Hilker et al., 2003; Karick et al., 2003; Ferrarese et al., 2006). Вопросы: (1) «есть ли плавный переход структурных параметров между гигантскими и карликовыми галактикам ранних типов?» и (2) «Связаны ли эти свойства со сходствами/различиями в путях их эволюции?» в настоящее время являются предметом активного обсуждения.

Звездные населения dE/dS0 галактик разительным образом отличаются от гигантских галактик, указывая на отличия в историях формирования и химической эволюции галактик разных светимостей. Гигантские эллиптические галактики обычно содержат очень старые (> 10 Gyr) высокометалличные ([Fe/H]> 0 dex) звезды высокими отношениями обилия Q-элементов (например, магний) к элементам железного пика (например, железо), что указывает на короткую продолжительность эпохи звезообразова-ния в них (Matteucci, 1994). В то же время, dE/dS0 галактики обычно беднее металлами (—1.0 < [Fe/H] < —0.2 dex) и имеют солнечные отношения а/Fe, соответствующие протяженным историям звездообразования. Средние возрасты звезд в карликовых галактиках ранних типов антикоррелируют со светимостью. Карликовые и гигантские галактики формируют единое монотонное отношение металличность-светимость, покрывающее диапазон в 14 звездных величин по светимости без каких либо признаков излома в районе Мв = —18 mag, поддерживая тем самым сценарий отклика на звездообразование (Dekel & Silk, 1986). Как следствие, продолжительность вспышки звездообразования должна коррелировать с массой, что вступает в противоречие с интерпретацией наблюдаемых свойств звездных населений в карликовых галактиках ранних типов. В то же время, внешние каналы формирования dE/dS0 могут объяснить такие особенности, как увеличение разброса возрастов для слабых галактик и наличие вложенных структур в более ярких, но не в состоянии воспроизвести соотношение масса-металличность.

Исторически dE/dS0 галактики в скоплении Дева были классифицированы на два основных подкласса по присутствию заметного ядра на их фотометрических изображениях (Binggeli et al., 1985). Однако, недавние исследования с использованием космического телескопа им. Хаббла (HST) показали (Ferrarese et al., 2006), что все карликовые эллиптические галактики содержат ядра, в том числе те, которые были ранее классифицированы как объекты без ядер. Часто утверждается, что массы звездных ядер dE/dS0 следуют соотношению между дисперсией скоростей в галактики и массой черной дыры (Мвн vs о~о), установленное для гигантских галактик, если вместо массы черной дыры брать массу звездного ядра, однако данные доступные в данный момент не позволяют однозначно сделать этот вывод. В то же время, происхождение ядер в карликовых галактиках остается открытым вопросом — они могут формироваться как на месте («in situ»), так и являться шаровыми скоплениями, упавшими на центр галактики из-за динамического трения.

Новый класс галактик был открыт около 10 лет назад в скоплении Печь (Drinkwater et al., 2003), названный ультракомпактными карликовыми галактиками (ultracompact dwarfs, UCD). Из-за своей экстремальной компактности объекты выглядели точечными источниками при наземных наблюдениях, однако они оказались существенно крупнее, чем типичные шаровые скопления. Рассматривается несколько альтернативных сценариев их происхождения: (1) UCD являются результатом эволюции первичных флуктуаций плотности (Phillipps et al., 2001) — (2) они формируются путем [возможно многократных] слияний шаровых скоплений или просто представляют собой экстремально яркий конец функции светимости шаровых скоплений (Mieske et al., 2002) — (3) UCD — ядра карликовых эллиптических галактик (dE, N), ободранных приливными силами (Bekki et al., 2003) или карликовые эллиптические галактики с ядрами с очень низкой поверхностной яркостью самой галактики- (4) UCD формируются как приливные суперскопления в процессе слияния галактик (Fellhauer & Kroupa, 2005; Kissler-Patig et al., 2006). Основные вопросы, до сих пор не получившие ответа: «содержат ли UCD темную материю?» — «как их звездные населения соотносятся с населениями ядер dE галактик?» — «что мы можем сказать о внутренней динамике UCD: вращаются ли они, содержат ли они центральные черные дыры?» .

Если процесс приливного обдирания действует на более массивные галактики, то следует ожидать результатов этого процесса, которые будут крупнее и массивнее, чем UCD. Пример такого объекта — М 32, компактная эллиптическая (сЕ) галактика — спутник туманности Андромеды М 31. Ее светимость соответствует типичным dE/dS0 галактикам в скоплениях (Мв = —15.34 mag), но эффективный радиус в 10 раз меньше, т. е. объемная звездная плотность в 1000 раз выше. В течение нескольких десятилетий эти галактики считались уникальными объектами, поскольку их было известно всего 3, включая М 32, а различные проекты по их поискам не приносили результатов. Поэтому даже весомые доказательства в пользу того, что М 32 является линзовидной галактикой, испытавшей сильное обдирание приливными силами (Graham, 2002) не позволяло рассматривать этот механизм как важный фактор эволюции галактик. Для того, чтобы понять важность эффектов приливной потери массы в жизни галактик, необходимо изучать структурные свойства, внутреннюю динамику и звездные населения сЕ галактик. Определение масс черных дыр позволит получить дополнительную информацию об этих объектах, поскольку процесс приливного обдирания должен вызвать их смещение относительно отношения Мвн vs <70.

К исследованиям процессов формирования и эволюции галактик, разумеется, можно подходить с различных сторон. Два традиционных глобальных подхода включают в себя: (1) наблюдательные проекты, нацеленные на исследование кинематики и звездного населения как отдельных объектов, так и целых весьма крупных выборок галактик- (2) детальное численное моделирование эволюции галактик с использованием наших знаний о физике различных процессов, играющих важные роли в жизни галактик.

Однако существует и третий подход, принципиально отличный от двух упомянутых. В настоящее время, увеличивающийся объем высококачественных данных из различных проектов (как наблюдательных, так и связанных с моделированием) становится доступным в архивах крупных обсерваторий и центров данных, которые представляют собой один из важнейших компонентов новой концепции, называемой «Виртуальная Обсерватория» .

Что же такое Виртуальная Обсерватория? Виртуальная Обсерватория представляет собой реализацию концепции электронной науки в астрономииэто мощная виртуальная среда, предназначенная для увеличения возможностей астрономических исследований и научного выхода данных. Она сформирована архивами данных и средствами их анализа, скрепленными воедино набором однородных стандартов и технологий, которые внедряет и поддерживает Международный Альянс Виртуальной Обсерватории1 (International Virtual Observatory Alliance, IVOA).

В несколько упрощенном описании увеличение научного выхода данных означает полу.

1http://ivoa.net чение большего количества научных результатов (например, опубликованных статей или представленных докладов на конференциях) с каждого гигабайта данных, приходящих с данного конкретного инструмента. Это в конечном счете означает увеличение влияния каждого гигабайта данных на общее развитие науки — в точности так же, как публикация научной работы помимо журнала еще и на сервере препринтов увеличивает ее влияние и роль в отрасли.

В традиционном подходе к научной работе львиная доля времени и усилий исследователя затрачивается на разнообразные низкоуровневые операции конвертации форматов, редукции данных и подготовке их к научному анализу, поиску информации, написанию сценариев автоматизированной обработки для многократных операций и других действиях, повторное использование которых зачастую ограничено или вовсе не представляется возможным, тогда как собственно интеллектуальные усилия, анализ и интерпретация подготовленного научного материала, имеющие решающее значение во всем процессе, занимают несравнимо меньшее время. Миссией Виртуальной Обсерватории в широком смысле является разделение творческого, интеллектуального, высокоуровневого процесса от низкоуровневых операций, которые должны либо происходить прозрачно (незаметно) для исследователя, либо быть максимально пригодными для повторного использования в ходе работы над последующими научными задачами. При таких целях на первое место выходят абстрагированные от конкретных инструментов и наблюдателей данные, готовые к научному использованию, сервисы для доступа к ним и широкий набор соглашений для обеспечения прозрачности рутинных операций. Всем этим в той или иной степени занимается Виртуальная Обсерватория и ее успехи к настоящему моменту и само текущее положение дел уже несет в себе новые возможности для эффективных научных исследований, обходящихся без рутинной низкоуровневой составляющей. Виртуальную Обсерваторию иногда называют всемирной сетью (World Wide Web, WWW) для астрономов.

В последние годы Виртуальная Обсерватория достигла существенного прогресса (Chilingarian, 2009bZolotukhin, 2009). Со стороны IVOA мы имеем достаточно широкий набор стандартов, которые охватывают форматы данных (VOTable), описания метаданных ресурсов (Resource Metadata), модель данных для одномерных спектров (Spectrum Data Model) и значительно более сложную и емкую Characterisation Data Model, язык запросов к данным (ADQL), протоколы доступа к спектрам и изображениям (SIАР, SSAP), протокол коммуникаций между различными приложениями на рабочей станции пользователя (SAMP), механизмы аутентификации и авторизации, и другие. Многие стандарты находятся еще на разных стадиях разработки. К настоящему моменту в Виртуальной Обсерватории стало возможным работать даже с чрезвычайно сложными наборами данных — например, ЗО-спектроскопией (Chilingarian et al., 2006, 2008а) и результатами N-body симуляций.

В то же самое время, разработчики приложений создали впечатляющий набор VO-инструментов, начиная от самых общих и заканчивая узкоспециализированными юшент-скими средствами. Поставщики данных и сервисов внесли свой вклад в VO, предоставляя доступ к огромным коллекциям и архивам данных в диапазоне длин волн от радио до гамма. Совсем недавно стали появляться сервисы доступа к теоретическим моделям (например, коллекция теоретических спектров звездных атмосфер в Spanish-VO или синтетические модели pegase. 2 / pegase. hr звездных популяций (Fioc & Rocca-Volmerange, 1997; Le Borgne et al., 2004) в VO-France, доступ к результатам космологических симуляций в Italian VO). Также нельзя не упомянуть первые прототипы сервисов для анализа данных и научно-значимых сервисов, ассоциированных с архивами данных, например моделирование спектрофотометрических свойств взаимодействующих галактик в базе данных GalMer (Chilingarian et al., 2010a).

Виртуальная Обсерватория используется для научных исследований с 2004 года. Первой работой с научно-значимым результатом стало открытие оптически слабых запыленных квазаров в работе Padovani et al. (2004), которая стала примером исследования во многих диапазонах длин волн, выполненного полностью в рамках инфраструктуры VO. Три года спустя исследования запыленных AGN (Active Galaxy Nuclei, активные ядра галактик) были продолжены (Richards et al., 2007). В ближайшее время должны появиться работы, эксплуатирующие VO на качественно более сложном уровне, с применением более утонченных и общих моделей данных и технологических достижений.

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена исследованиям механизмов происхождения и эволюции галактик ранних типов различных светимостей — от ультракомпактных карликовых галактик, имеющих светимости всего лишь в несколько раз превышающие светимости ярких шаровых скоплений, до гигантских галактик крупнее и ярче Млечного Пути. В ходе исследований используются результаты наблюдений и численного моделирования, а также беспрецедентные возможности, предоставляемые Виртуальной Обсерваторией. Традиционная парадигма астрономических исследований подразумевает изобретение, создание и использование новых телескопов и наблюдательных методов. Виртуальная Обсерватория (Virtual Observatory, VO) позволяет видоизменить эту парадигму, поскольку для новых открытий используются существующие данные из архивов и каталогов.

В работе сделан акцент на исследование эволюции галактик низких светимостей. Несмотря на то, что карликовые галактики ранних типов составляют более 70 процентов населения плотных областей Вселенной (скоплений, богатых групп), их происхождение и эволюция до сих пор остаются не до конца понятными, особенно механизм потери холодного газа и, как следствие, остановки звездообразования. Рассматриваемые в настоящее время сценарии: (1) выметание газа лобовым давлением горячей межгалактической среды, (2) выметание газа галактическими ветрами, возникающими вследствие нагрева межзвездной среды звездным ветром массивных звезд и вспышеками сверхновых звезд, (3) потеря газа вследствие приливного воздействия со стороны соседных галактик и общего потенциала скопления или группы галактик.

Недавние исследования показали огромное разнообразие наблюдательных проявлений диффузных эллиптических галактик: встречаются вращающиеся и невращающиеся галактики (по-видимому поддерживаемые анизотропными дисперсиями скоростей), многие из них содержат вложенные структуры — диски, бары, некоторые показывают наличие межзвездной среды, ряд объектов обнаруживает кинематически выделенные ядра. Все эти проявления позволяют связать происхождение карликовых эллиптических галактик с дисковыми карликовыми галактиками поздних типов, испытавшими морфологическую трансформацию и потерявшими газ за время жизни в скоплениях или группах.

Для аргументированного выбора сценария эволюции карликовых эллиптических галактик было решено исследовать связь звездной кинематики и параметров звездного населения (возраст, металлнчность, обилие а-элементов), применяя панорамную спектроскопию близких галактик, мультиобъектную спектроскопию большой выборки более далеких объектов и заново проанализировав опубликованные данные для близких галактик, доступные в Виртуальной Обсерватории.

Компактные эллиптические (сЕ) и ультракомпактные карликовые (иСЭ) галактики представляют собой два класса звездных систем, предположительно формирующихся путем приливного «обдирания» более массивных объектов. Оба класса представлены всего несколькими десятками известных членов, включая недавно открытые объекты переходного типа. Поскольку все эти объекты очень маленькие и плотные, для поддержания их в равновесии требуются гораздо более высокие значения внутренних дисперсий скоростей по сравнению с карликовыми эллиптическими и сфероидальными галактиками схожих светимостей. Для исследования механизмов приливного обдирания было решено проанализировать свойства звездных населений и внутренней кинематики известных иСБ, а также предпринять поиск новых сЕ галактик методами Виртуальной Обсерватории, после чего назрела необходимость численного моделирования процессов потери звездной массы дисковыми галактиками за счет приливного взаимодействия с потенциалом центральной доминирующей сБ галактики скопления.

Для исследования более массивных систем, помимо наблюдений было решено численно промоделировать «продукты» взаимодействия галактик различных морфологических типов, для чего потребовалась разработка методов моделирования цветов и спектров «синтетических» галактик, которые можно было бы напрямую сравнивать с результатами наблюдений.

В результате исследований, выполненных автором за период с 2003 г. по 2010 г., разработан ряд оригинальных методов анализа спектральных и фотометрических данных. Главным достижением является метод восстановления кинематических параметров (лучевые скорости, дисперсии скоростей) и определения параметров звездного населения (возраст, металличность) по спектрам, интегрированным вдоль луча зрения. Приложение этой методики к спектральным данным для карликовых галактик ранних типов позволило впервые получить пространственно разрешенную информацию о звездных населениях в этих объектах для статистически значимой выборки галактик. С использованием методов Виртуальной Обсерватории были открыты многочисленные компактные эллиптические галактики в близких скоплениях, которые до этого считались уникальными объектамиих спектры были исследованы той же методикой, что позволило судить о сценариях их эволюции.

Актуальность темы

.

В настоящее время исследование эволюции галактик является одной из основных и наиболее популярных задач современной астрофизики. Галактики ранних типов представляют основное население скоплений галактик и некоторых массивных групп, в соответствии с известной зависимостью морфология-плотность. Механизмы эволюции галактик весьма разнообразны, но в общем все они могут быть разделены на две категории. Внутренние механизмы связаны с процессами, происходящими в самой галактике вне связи с окружением, такими как, к примеру, обогащение межзвездной среды металлами в процессе звездообразования, формирование баров и спиральных ветвей в дисках галактик в результате развития неустойчивостей. Внешние механизмы обусловлены гравитационным или газодинамическим взаимодействием галактики с соседями в скоплении или группе, потенциалом самого скопления, либо межгалактической средой в нем. Очевидно, что эффективность различных эволюционных механизмов будет сильно отличаться для галактик разных масс и в разном окружении.

Механизмы эволюции карликовых галактик ранних типов, являющихся самым многочисленным населением в скоплениях, исследованы гораздо хуже, чем для гигантских систем (как эллиптических, так и спиральных). Принимая во внимание последние данные о параметрах звездного населения в с1Е/с130 галактиках, а именно: относительно высокие металличности и молодые возрасты, первоначальная идея о том, что они являются прошедшим пассивную эволюцию «строительным материалом» для более крупных звездных систем, не выдерживает критики. Таким образом, вопрос о происхождении и эволюции карликовых галактик ранних типов является краеугольным камнем для понимания эволюции звездных систем в целом.

Известно, что взаимодействия галактик играют важнейшую роль в их эволюции, однако роль процессов приливного «обдирания» галактик, приводящего к образованию компактных звездных систем, была не столь очевидна из-за очень малого числа известных объектов данного типа. Таким образом, поиск новых компактных и ультракомпактных галактик и исследование их динамики и характеристик звездного населения является актуальной проблемой для понимания влияния окружения на эволюцию галактик.

Классическая методика определения параметров звездного населения путем измерения Ликских индексов была предложена как эмпирическая более 25 лет назад, а ее первое астрофизическое обоснование было дано в 1994 году. С того времени компьютерные методы эволюционного моделирования шагнули далеко вперед, и появилась возможность синтеза распределений энергии в спектрах целиком с высоким спектральным разрешением, а не только параметров отдельно взятых спектральных деталей. Соответственно, учитывая также прогресс в методиках наблюдений и инструментальной базе, создание качественно нового способа оценки параметров звездного населения, использующего полную информацию, содержащую в спектрах, является актуальной проблемой для анализа современных спектральных данных.

Исследование и интерпретация оптических и инфракрасных цветов близких галактик является одной из важнейших задач современной наблюдательной космологии в связи с вводом в эксплуатацию новых телескопов для крупных фотометрических обзоров. Однако до текущего момента не существовало надежных способов приведения звездных величин и цветов галактик в единую систему отсчета, то есть учета так называемых А—поправок, в особенности в случае ограниченного набора наблюдательных данных.

Цель работы.

Разработка методов анализа фотометрических и спектральных данных, необходимых для изучения эволюции галактик: создание методики анализа абсорбционных спектров, в т. ч. с низкими отношениями сигнал-шумсоздание гибкой методики декомпозиции профилей яркости галактикпоиск простой и достаточно точной аналитической зависимости для вычисления ¿-¡—поправок в зависимости от минимального набора параметров, известных о галактике.

Разработка методов доступа к результатам численного TreeSPH. моделирования эволюции изолированных и взаимодействующих галактикалгоритмов визуализации этих результатовсоздание методики моделирования цветов и спектров, применение этой методики для сравнения результатов численного моделирования и наблюдательных данных.

Проведение анализа кинематики и звездного населения выборки карликовых галактик с целью выбора сценария их формирования и эволюции из существующих в настоящее время.

Поиск и исследование компактных звездных систем — компактных эллиптических и ультракомпактных карликовых галактик — в близких скоплениях и группах галактик, моделирование их происхождения и эволюции.

Исследование звездного населения гигантских галактик ранних типов с целыо сравнить влияние внутренних и внешних факторов эволюции на галактики разных масс.

Научная новизна работы.

1. Разработан ряд оригинальных методов анализа данных, в том числе: оценка параметров звездного населения и кинематики с помощью анализа спектров, интегрированных вдоль луча зрениямногокомпонентная декомпозиция профилей яркости галактиканалитические приближения fc-поправок для галактик на малых красных смещениях.

2. Впервые получены данные панорамной спектроскопии для карликовых эллиптических и линзовидных галактик в скопленияхполучены поля скоростей и пространственные распределения параметров звездного населениявпервые получены профили параметров звездного населения для карликовых галактик ранних типовполучены параметры звездного населения, оценки химического состава и центральные дисперсии скоростей для статистически значимой выборки карликовых эллиптических галактик в скоплении Abell 496.

3. Открыты химическии эволюционно-выделенные ядра, а также несколько новых кинематически-выделенных ядер в карликовых эллиптических галактикахна основе полученных результатов сделан вывод о наиболее вероятном сценарии формирования dE галактик — выметании газа лобовым давлением межгалактической среды и гравитационным взаимодействием с другими членами скопления («gravitational harassment»).

4. Получены оценки параметров звездного населения для выборки ультракомпактных эллиптических галактик в скоплении Печь, впервые получены оценки количества темной матери в этих объектах и сделан вывод о несовместимости начальной функции масс Солпитера с результатами наблюдений.

5. В скоплении Дева открыта галактика (М59сО) нового типа — переходный объект от ультракомпактных карликовых к компактными эллиптическим галактикам.

6. С помощью методов Виртуальной Обсерватории в близких скоплениях открыты более 20 компактных эллиптических галактик, что превращает этот класс объектов из «уникальных» в «обычные в некоторых условиях окружения» — сделан вывод о важности потери звездной массы галактиками ранних типов за счет приливных взаимодействий с потенциалом скопления.

7. Предложена новая концепция научного исследования в астрономии — последовательное применение «Виртуальная Обсерватория — наблюдательная программа — численное моделирование» .

8. Предложен качественно новый, эффективный метод моделирования спектрофото-метрических свойств изолированных и взаимодействующих галактик по результатам Tree-SPH моделирования (проект GalMer), позволяющий напрямую сравнивать результаты моделирования с фотометрическими и спектральными наблюдениями близких галактик.

9. Впервые получены данные панорамной спектроскопии для галактики типа Е+А (галактики после вспышки звездообразования, «poststarburst») — из наблюдений восстановлены параметры звездного населения и внутренняя звездная кинематика объекта.

10. Путем комбинации публичных архивов данных SDSS и UKIDSS составлен каталог галактик, содержащий оптические спектры, цвета в области от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона спектра, наилучшие аппроксимации спектров моделями звездных населений, А—поправки для 200 тыс. галактик с красными смещениями 0.03 < z < 0.6.

Совокупность представленных в диссертации результатов составляет основу нового направления «исследования эволюции галактик с помощью нового поколения методов анализа данных и численного моделирования» .

Практическая ценность.

1. Предложенная методика аппроксимации спектров дает такую же точность параметров звездного населения, как существующие методики (Ликские индексы), но для данных с отношением сигнал-шум в 2−5 раз ниже, что позволяет существенно сократить продолжительность экспозиции и делает возможным исследования объектов низкой поверхностной яркости, недоступных ранееразработанная методика позволила успешно анализировать наблюдения карликовых эллиптических галактик, имеющих низкие поверхностные яркости, и в будущем позволит провести переобработку уже существующих абсорбционных спектров на качественно новом уровне.

2. Предложенные алгоритмы вычисления^{-поправок} имеют важнейшее значение в современных внегалактических исследованиях в связи с простотой их использования и достигаемой высокой точностью коррекции звездных величин на красных смещениях г < 0.5.

3. Представленная база данных результатов Tree-SPH моделирования изолированных и взаимодействующих галактик GalMer имеет широкие перспективы использования во внегалактических исследованиях, основанных как на наблюдениях, так и на моделированиипредложенный высокоэффективный алгоритм моделирования спектро-фотометрических свойств галактик можно применять к результатам Tree-SPH моделирования, выполняемых в рамках других проектов и научных задач.

4. Предложенная в данной диссертации концепция научного исследования «Виртуальная Обсерватория — наблюдательная программа — численное моделирование» имеет междисциплинарный аспект, поскольку данный подход может применять в любой отрасли науки, где к данным эксперимента или моделирования предоставлен свободный доступ через Интернет.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались автором на 25 научных семинарах в 20 российских и зарубежных институтах и на 45 международных научных конференциях в период с 2004 по 2010 годы, в том числе:

• Spectroscopy for Cosmology and Galaxy Evolution 2005;2015 (Гранада, Испания, 3−5 октября 2007).

• Nuclear Star Clusters Across the Hubble Sequence (Гайдельберг, Германия, 25−27 февраля 2008).

• Gas and Stars in Galaxies: a Multi-Wavelength 3D Perspective (ESO, Германия, 10−13 июня 2008).

• Multi-wavelength Astronomy and the Virtual Observatory Workshop (Виллафранка дель Кастильо, Испания, 1−3 декабря 2008).

• ESO Star Cluster Workshop (Сантьяго, Чили, 9−11 марта 2009).

• Galaxy wars: star formation and stellar population in interacting galaxies (Джонсон-Сити, Теннесси, США, 20−23 июля 2009).

• Nearby Dwarf Galaxies (CAO РАН, Россия, 14−18 сентября 2009).

• ADASS-XIX (Саппоро, Япония, 4−7 октября 2009).

Публикации и личный вклад автора.

Основные результаты диссертации изложены в 24 работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях, а также трудах международных конференций. В работах [19, 20] автору принадлежит создание методики анализа спектров NBursts и ее реализация в виде программного пакета, в работе [13] - аналитические аппроксимации /с-поправок, в работах [9, 16] - разработка базы данных GalMer, создание алгоритмов визуализации и моделирования спектрофотометрических свойств галактик, в работах [1, 22−24] - создание необходимых инфраструктурных компонент Виртуальной Обсерватории для проведения исследований. В оставшихся работах из списка и работе [1] автору принадлежит применение методики NBursts для анализа спектральных данных, а в тех работах, где фамилия автора присутствует первой или единственной в списке — постановка задачи, интерпретация полученных результатов, и доведение их до публикации.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит: 294 страниц, 101 рисунок, 41 таблицу.

Список литературы

насчитывает 434 наименований. В начале каждого раздела приводится ссылка на опубликованный вариант результатов.

2.3.4 Выводы.

Мы провели анализ спектральных и фотометрических данных для уникальной выборки карликовых галактик ранних типов вплоть до объектов малых масс с дисперсиями скоростей a ~ 20 km s.

Хотя карликовые эллиптические и линзовидные галактики с экспоненциальными профилями яркости структурно отличаются от «классических» эллиптических галактик и бал-джей спиральных галактик, формирующих отношение Корменди, их звездные населения следуют одному и тому же тренду, продолжая известные корреляции для сил абсорбционных линий, металличности и возраста как функций о.

Галактики малых масс (<�т < 70 km s -1) имеют солнечные отношения элементов [Mg/Fe], свидетельствуя в пользу длительных эпизодов звездообразования (>~1.5 Gyr).

Основываясь на свойствах наблюдавшихся галактик, мы заключаем, что между карликовыми галактиками поздних и ранних типов должна быть эволюционная связь и что внешние эволюционные агенты (лобовое давление, «harassment») должны играть ключевую роль в морфологической трансформации.

Эволюция даже более массивных галактик, находящихся в центральной части скопления, определяется эффектами окружения: приливное обдирание звездных дисков потенциалом скопления — один из возможных сценариев формирования и эволюции относительно компактных и плотных эллиптических галактик, наблюдаемых только в окрестностях cD.

2.3.5 Параметры 46 галактик в скоплении Abell 496.

В этом разделе представлены таблицы с параметрами морфологии, фотометрии, кинематики и звездных населений для 46 галактик из скопления Abell 496. Еще для двух галактик, обозначенных А1 и А2 мы не проводили аппроксимацию параметров звездного населения и дисперсий скоростей из-за слишком низкого отношения сигнал-шум в данных.

Мы рассчитываем абсолютные величины в фильтре В, приведенные в Таб. 2.7, а также поверхностные яркости в Таб. 2.8 из параметров в фильтре д', используя фотометрические трансформации из работы Fukugita et al. (1995), предполагая SED эллиптической галактики для всех объектов (В — д' = 0.55 mag, R — r' = —0.25 mag), учитывая Галактическое поглощение согласно работе Schlegel et al. (1998), космологическое ослабление поверхностной яркости (0.14 mag) и fc-поправку (К'г = 0.05 mag, К’д = 0.1 mag, Fukugita et al., 1995), Структурные параметры: эффективные радиусы и эффективные поверхностные яркости, рассчитывались напрямую из изображений без применения декомпозиции балдж-диск либо аппроксимации профиля яркости. Полные величины в четырех фильтрах CFHT в Таб. 2.7 были исправлены только за эффекты Галактического поглощения.

Типы вложенных структур в Таб. 2.7: В — бар, D — диск, R — кольцо, S — спиральные ветви. Интенсивность вложенных структур указана как (s) для сильных и (w) для слабых.

2.4 Профили кинематики и звездных населений выборки карликовых галактик ранних типов в скоплении Дева.

Результаты, представленные в данном разделе, опубликованы в работе Chilingarian (2009а).

2.4.1 Выборка и использованные данные.

В рамках этого исследования мы использовали данные наземной спектроскопии среднего разрешения, имеющие различное происхождение. Критерии отбора данных были следующие: (1) только опубликованные данные с доступными продвинутыми калибровками, такими как опорные звездные спектры или спектры сумеречного неба, либо хорошо документированный спектрограф с известным спектральным разрешением- (2) покрытие голубого или зеленого спектрального диапазона (4800А< Л <5400А), содержащего сильные абсорбционные детали- (3) среднее спектральное разрешение не хуже R = 1300, чтобы иметь возможность одновременно исследовать звездные населения и кинематику и бороться с вырождением дисперсии скоростей и металличности- (4) мы отдавали предпочтение данным с достаточным отношением сигнал-шум и пространственным разрешением (т.е. длиннощелевые или IFU спектры). В этом подразделе представлены коллекции данных,.

Заключение

.

Диссертация посвящена исследованиям механизмов происхождения и эволюции галактик ранних типов различных светимостей — от ультракомпактных карликовых галактик до гигантских галактик крупнее и ярче Млечного Пути. В ходе исследований используются результаты наблюдений и численного моделирования, а также беспрецедентные возможности, предоставляемые Виртуальной Обсерваторией.

В Главе 1 представлен ряд новых методов анализа спектральных и фотометрических данных: (1) метод аппроксимации наблюдаемых спектров галакаик моделями, полученными в результате эволюционного моделирования- (2) метод декомпозиции профилей яркости галактик- (3) аналитические аппроксимации ¿-¡—поправок для галактик на небольших красных смещениях в широко используемых фототметрических полосах.

В Главе 2 представлен анализ наблюдений карликовых эллиптических галактик в скоплениях, полученный на панорамном спектрографе MPFS (6-м телескоп БТА CAO РАН), мультиобъектном спектрографе GiraiFe-FLAMES (8-м телескоп VLT, ESO), камере широкого поля Megacam (3.6-м телескоп CFHT) и архивных данных для 30 галактик. Данная работа является первым примером исследования выборки карликовых эллиптических галактик методами панорамной спектроскопии и первой опубликованной выборкой профилей звездного населения в карликовых галактиках ранних типов. Проведенный в работе анализ позволяет утверждать, что окружение играет ключевую роль в эволюции карликовых галактик.

В Главе 3 представлены исследования ультракомпактных карликовых галактик в скоплении Печь, а также открытие с помощью методов Виртуальной Обсерватории и последующие наблюдательные и теоретические исследования компактных эллиптических галактик в скоплениях и группе NGC 5846. Полученные результаты однозначно свидетельствуют в пользу сценария приливного «обдирания» обычных галактик как способа формирования компактных звездных систем.

В Главе 4 представлена база данных GalMer, содержащая результаты TreeSPH-моделирования эволюции изолированных и взаимодействующих галактик, алгоритм для моделирования спектрофотометрических свойств галактик и варианты научного применения базы данных GalMer. Затем приводятся результаты анализа наблюдений Е+А галактики как объекта, находящегося в стадии трансформации из позднего в ранний тип, а также исследования звездных населений в галактике раннего типа промежуточной массы NGC 4245 и семи линзовидных галактиках с барами и чисто экспоненциальными внешними дисками. В заключительной части описывается процедура построения каталога спектральных распределений энергии для сотен тысяч галактик по данным фотометрических обзоров и приводятся примеры использования этих данных для изучения эволюции галактик ранних типов.

На защиту выносятся.

1. NBursts — новая методика одновременного определения кинематических параметров звездных подсистем галактик и параметров их звездных населений по спектрам, интегрированным вдоль луча зрения, основанная на аппроксимации наблюдений синтетическими спектрами звездного населения;

2. Методика автоматизированного поиска компактных эллиптических галактик средствами Виртуальной Обсерватории (workflow) и новая концепция астрономического исследования в эпоху e-Science: Виртуальная Обсерватория — наблюдения — численное моделирование;

3. Методика расчета^{-поправок} для галактик на красных смещениях г < 0.5 при минимальном доступном наборе наблюдательных данных и аналитическое приближения для зависимости /с-поправок от красного смещения для галактик ранних типов;

4. Результаты анализа данных длиннощелевой и ЗБ-спектроскопии для карликовых галактик в скоплении Девы и мультиобъектной спектроскопии объектов в скоплении Abell 496 методом NBURSTS: двумерные поля лучевых скоростей, дисперсий скоростей, SSP-эквивалентных оценок возраста и металличности для 5 галактикрадиальные профили кинематики, возраста и металличности для 31 галактикикаталог параметров, содержащий лучевые скорости, центральные дисперсии скоростей, измерения Ликских индексов, SSP-эквивалентные значения возрастов, металличностей и обилия «-элементов в 46 галактиках в скоплении Abell 496.

5. Открытие эволюционно выделенных ядер в 14 карликовых эллиптических галактиках в скоплении Дева и кинематически выделенных ядер в 4 из них, что позволяет сделать вывод о внешних механизмах эволюции карликовых эллиптических галактик: выметании газа лобовым давлением, приливным эффектам, а также слияниях, обычно не рассматривающихся для галактик столь малых линейных размеров.

6. Каталог параметров звездного населения, дисперсий скоростей звезд, динамических и фотометрических отношений масса-светимость для выборки ультракомпактных карликовых галактик в скоплении Печьвывод о противоречии начальной звездной функции масс Солпитера результатам наблюдений и о малом содержании темной материи в них. Открытие в скоплении Дева карликовой галактики переходного типа от ультракомпактных карликовых к компактным эллиптическим (М59сО) и выводы о ее формировании путем приливного обдирания существенно более массивной дисковой галактики.

7. Открытие второй компактной эллиптической галактики в группе NGC5846, двумерные поля скоростей, дисперсий скоростей и параметров звездного населения для этой галактики. Открытие 22 компактных эллиптических галактик в близких скоплениях галактик методами Виртуальной Обсерватории, каталог их кинематических параметров и параметров звездных населений. Вывод о важности механизма приливного обдирания галактик потенциалом скопления или группы в общей картине эволюции галактик.

8. База данных GalMer, доступная в Виртуальной Обсерватории, содержащая результаты численного TreeSPH моделирования процесса слияния галактик для тысяч конфигураций (орбиты, отношения масс, морфологические типы) — эффективные алгоритмы визуализации результатов моделированияметод моделирования спектрофо-тометрических свойств галактик путем применения моделей звездного населения PEGASE.2/HR к результатам TreeSPH моделирования.

9. Результаты анализа двумерных распределений кинематических параметров и параметров звездных населений, полученные по данным панорамной спектроскопии, для дисковых галактик ранних типов: SDSS J230743.41 + 152 558.4, NGC 4245, NGC 4267, NGC 4340, NGC 4477, NGC 4596, NGC 4643, NGC 4754, NGC 7743. Вывод о сложной истории звездообразования в их центральных областях и о ключевой роли секулярной эволюции в формировании морфологии дисковых галактик ранних типов.

10. Каталог, содержащий параметры звездных населений, апертурную и интегральную фотометрию в оптическом и ближнем ИК диапазонах для 100 000 близких галактиквыводы о трудностях современных сценариев формирования галактик из «красной последовательности» .

Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность своему постоянному соавтору и научному консультанту О. К. Сильченко. Автор признателен поддержке всех своих соавторов и кол-лабораторов, в частности: Victor Afanasiev (SАО RAS, Russia), Francois Bonnarel (CDS, Strasbourg, France), Veronique Cayatte (Observatoire de Paris-Meudon, France), Francoise Combes (Observatoire de Paris-Meudon, France), Sven De Rijcke (University of Ghent, Belgium), Paola Di Matteo (Observatoire de Paris-Meudon, France), Serguei Dodonov (SАО RAS), Florence Durret (IAP, France), Alister Graham (Swinburne University of Technology, Australia), Thorsten Lisker (University of Heidelberg, Germany), Mireille Louys (CDS, Strasbourg, France), Pierre Le Sidaner (Observatoire de Paris-Meudon, France), Gary Mamon (IAP, France), Anne-Laure Melchior (Observatoire de Paris-Meudon, France), Steffen Mieske (ESO, Chile), Reynier Peletier (Kapteyn Astronomical Institute, the Netherlands), Yves Revaz (EPFL-LASTRO, Switzerland), Anatoly Zasov (SAI MSU). Особая благодарность Алексею Моисееву за поддержку наблюдений карликовых галактик на 6-м телескопе CAO РАН, профессору Michael Drinkwater (University of Queensland, Australia), который рецензировал несколько вошедших в диссертацию статей в MNRAS и Science и Ивану Золотухину (ГАИШ МГУ) за помощь в переводе англоязычных статей, вошедших в диссертацию.

Особые благодарности Комитету по Тематике Больших Телескопов РАН за предоставление наблюдательного времени на 6-м телескопе CAO РАН. Мы также благодарны сотрудникам центра астрономических данных Terapix (Парижский Институт Астрофизики) за компетентность и эффективность в обработке изображений Megacam.

Отдельная благодарность родителям: Владимиру и Людмиле Чилингарян за моральную поддержку во время выполнения диссертации.