Один из зачинателей внегалактических исследований, советский астроном Борис Воронцов-Вельяминов, 110-летие которого ученые отметили в этом году, говорил: “…Чтобы понять строение и эволюцию обычных галактик, нужно изу-чать их тогда, когда они поставлены в непростые условия”. Галактики, имеющие полярные кольца, как раз из разряда таких “сложных” объектов. Их исследованием и занялись российские ученые с помощью большого телескопа Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН.
— Удивительная вещь. Борис Воронцов-Вельяминов еще студентом в 20-х годах прошлого века приезжал в эти места, — рассказывает ведущий научный сотрудник САО РАН доктор физико-математических наук Алексей Моисеев (на снимке). — Потом он написал книжку, которая так и называется “Путешествие в Архыз”. А через 40 лет здесь построили обсерваторию с самым большим оптическим телескопом в стране (а на тот момент — и в мире!), на котором он проводил исследования пекулярных (то есть отличающихся от большинства) галактик. Так что сегодня мы продолжаем реализовывать, в том числе, и его идеи с помощью шестиметрового Большого телескопа азимутального (БТА) САО РАН. Опираясь, естественно, на уже совершенно иной аппаратный инструментарий, который позволил вернуться к некоторым старым задачам, решая их по-новому.
Галактики с полярными кольцами редки во Вселенной, их число составляет доли процента от близких галактик. Одна из самых известных таких галактик носит имя NGC 4650A и доступна наблюдениям лишь на южном небе. Ориентированная почти “с ребра”, она окружена внешним кольцом из газа, пыли и звезд, вращающихся в плоскости, примерно перпендикулярной к ее диску. Другой случай — галактика, изучением которой занимались астрофизики на БТА, — NGC 4262. Она принадлежит близкому скоплению галактик Virgo. Ее полярное кольцо почти не содержит звезд, состоит, в основном, из газа и ориентировано почти точно перпендикулярно к центральной галактике.
Само по себе изучение подобных пекулярных систем началось достаточно давно. В начале 90-х годов прошлого века был составлен первый каталог таких образований. “Кандидатуры” для наблюдений отбирали еще на основании фотоснимков. К сожалению, большинство этих объектов сложны для детальных наблюдений — нужны хорошие инструменты для измерения слабых областей, обладающих низкой яркостью… Необходимо строить адекватную геометрическую модель, чтобы понять, как наклонена галактика к лучу зрения, как именно сориентировано в пространстве ее кольцо… На практике таких измерений сделано пока очень мало, поскольку для наблюдений нужен большой телескоп, позволяющий изучать довольно слабые объекты, измерять скорости вращения и т.д. Российский шестиметровый телескоп — отличный инструмент для таких работ. Не только за счет своих крупных размеров, но и потому, что оснащен высокоэффективными приборами — многорежимными спектрографами SCORPIO и SCORPIO-2, разработанными под руководством главного научного сотрудника САО РАН профессора Виктора Афанасьева.
Одной из основных задач ученых было понять условия возникновения галактических полярных колец. То ли они образовались в результате взаимодействия со спутником, разрушенным приливными силами, то ли это захват внегалактического газа, в котором началось звездообразование, а возможно, и столкновение двух галактик с изначально перпендикулярными дисками.
В любом случае, речь идет о захвате материи с иным, чем у центральной галактики, направлением момента вращения. Это вещество как раз и приносится захватом спутника или аккрецией газовых облаков из межгалактической среды в “хозяйскую” галактику. Такая уникальная конфигурация галактической системы дает возможность попытаться понять форму гравитационного потенциала, сравнивая скорости вращения, измеренные сразу в двух плоскостях — в центральном диске и в полярном кольце. Скорость вращения на заданном расстоянии от центра определяется массой системы.
Считается, что у галактик существует и невидимый компонент, астрофизики назвали его темным гало, которое простирается за видимую часть. Согласно современным гипотезам, он состоит из темной материи, которая и составляет основную массу галактики.
— Самые распространенные и наиболее проработанные теории утверждают, что барионные компоненты — звезды и газ — погружены в гало темной материи, — говорит Алексей Моисеев. — Величину этой темной массы теоретически можно измерить, анализируя, например, кривую вращения — распределение скорости вращения звезд на больших расстояниях от центра. Кроме того, есть предположение, основанное на расчетах суперкомпьютеров, что форма темного гало не обязана быть сферической. Тогда какой? Ответить на этот вопрос для конкретно наблюдаемой галактики непросто, поскольку требуется оценить свойства невидимой подсистемы сразу вдоль нескольких направлений.
Чтобы решить задачу измерения формы темных гало, ученым пришлось пройти несколько этапов. Сначала был составлен новый каталог кандидатов в полярные кольца, основанный уже не на фотоснимках, а на современных цифровых изображениях из Sloan Digital Sky Survey (Слоановский цифровой небесный обзор). Затем выясняли, а действительно ли в выбранных галактиках есть полярное кольцо. Или это, скажем, просто случайная проекция двух галактик. Спектральные наблюдения позволяют измерить скорости газа и звезд в проекции на луч зрения и проверить, правда ли имеет место стационарная картина вращения двух подсистем относительно общего центра. Рутинная, но крайне важная часть исследований, которую еще в 90-х годах прошлого века (для старого фотографического каталога) проводили на нашем телескопе ученые из Санкт-Петербурга. Сейчас мы продолжили эту работу на новом наблюдательно-теоретическом уровне в сотрудничестве с учеными СПбГУ, в частности с профессором Владимиром Решетниковым, признанным лидером этого направления в мире.
Наконец, для предварительно отобранных объектов выполнялись подробные спектральные наблюдения, позволяющие в деталях изучить картину движений газа и звезд как в диске галактик, так и в полярных кольцах. Значительный объем теоретических расчетов на основе наших наблюдений провели коллеги из Волгограда, а выпускник Волгоградского госуниверситета, сотрудник московского Института астрономии РАН Сергей Хоперсков, стал первым автором нашей совместной работы, к которой подключился и ГАИШ МГУ.
Изучались движения звезд и газа в галактиках, архивные данные по движению нейтрального водорода, полученные голландскими учеными с помощью сети радиотелескопов в Вестерборке. Данные сравнивались, анализировались полученные результаты. Так подтвердились теоретические выкладки о том, что гало этих галактик не круглые.
Ведь самого гало мы не видим. Но предполагаем, что, если масса вещества в галактике распределяется определенным образом, там должна быть темная материя, которая имеет определенную форму. И она находится за пределами диска галактики: мы не видим звезд, не видим газа, однако есть тяготеющая масса. Это, кстати, более сильный аргумент в пользу существования темной материи, нежели просто результаты измерений скорости вращения галактик. Во всяком случае, именно наличие темной материи пока лучше всего объясняет весь набор полученных нами данных.
В работе ученых САО РАН изучались две галактики, существенно отличающиеся друг от друга. Потому и темные гало в них сильно различаются. Так, в SPRC-7 гало заметно сплюснуто к плоскости кольца. А вот у NGC 4262 все более сложно и интересно. Здесь исследования показывают, что отношение осей в распределении потенциала темного гало сильно меняется в зависимости от расстояния от центра, составляя около 0,4 во внутренних областях и 1,5-2,3 во внешних. Это первая галактика (за исключением нашего Млечного пути), где надежно зафиксировано изменение формы темного гало с радиусом, предсказанное, кстати, в некоторых теоретических моделях формирования галактик.
— Мы занимаемся широким спектром исследований в области физики галактик, — говорит Алексей Моисеев. — Темная материя — один из очень важных компонентов их формирования. Наши наблюдения темного гало косвенно подтверждают ее существование. Но пока убедительных доказательств нет, есть над чем работать. Например, стандартная космологическая модель хорошо объясняет механизм развития Вселенной на больших масштабах. А вот на уровне отдельных галактик все не так ясно. Особенно проблематично сегодня выглядят карликовые галактики. Тут есть серьезные расхождения теории с наблюдениями. Это одно из “полей битвы”. Часть ученых говорит: может быть, теория хороша, стандартная модель правильна, просто для “мелких” объектов мы не можем пока получить точные расчеты. Другие не соглашаются и заявляют: а вот здесь-то мы как раз и поймем, что все вообще неверно, нужно создавать альтернативную модель. Сегодня абсолютного согласия в описании космологической картины нет. Хотя есть, казалось бы, неопровержимые факты. Например, расширяющаяся Вселенная. Это наблюдаемо. Вселенная расширяется с ускорением. И этому есть убедительные доказательства. Но в нашей области знаний существует еще масса “темных” пятен. К ним относится и темная материя. Работа российских ученых с помощью большого телескопа САО РАН — вклад в выяснение истины.
Станислав ФИОЛЕТОВ
Иллюстрации предоставлены А.Моисеевым
Нет комментариев