Карликовая галактика «заплела» рукава Млечного пути, считают ученые

Астрономы открыли самую крупную спиральную галактику

, больше которой никто никогда не видел. Более того, они утверждают, что в настоящее время
мы являемся свидетелями рождения еще одной галактики
в результате столкновения двух галактик.

Невероятная спиральная галактика NGC 6872

была замечена астрономами еще несколько десятилетий назад и считалась
одной из крупнейших звездных систем Вселенной
, однако только недавно было доказано, что она является самой крупной спиралью из всех известных науке.

Особенности крупнейшей галактики NGC 6872

Галактика NGC 6872 по ширине составляет 522 тысячи световых лет

– это в 5 раз больше, чем ширина нашей галактики
Млечный Путь
. Сравнительно недавнее столкновение с другой галактикой, вероятно, вызывало то, что
в одном ее рукаве стали появляться свежие звезды
, что в конечном итоге приведет к образованию новой галактики.

Эти открытия удалось сделать международной группе ученых из Бразилии, Чили и США, которые исследовали снимки космического телескопа НАСА GALEX

. Этот телескоп способен фиксировать ультрафиолетовые лучи
самых молодых и горячих звезд.
Галактика NGC 6872 во всей красе

Необычный размер и внешний вид галактики NGC 6872 связаны с ее взаимодействием с более мелкой галактикой IC 4970

, масса которой составляет всего
одну пятидесятую часть
массы галактики гиганта. Эта странная парочка расположена на расстоянии 212 миллионов световых лет от Земли в
южном созвездии Павлина
.

Астрономы полагают, что крупные галактики, включая нашу собственную, растут за счет слияний с другими галактиками

. Эти процессы длятся миллиарды лет, в течение которых одни галактики поглощают другие, более мелкие.

В желтом кружке показано скопление молодых звезд, которые образуют свежую галактику

Интересен тот факт, что при взаимодействии галактик NGC 6872 и IC 4970 образуется не одна большая, а одна очень мелкая галактика

. Северо-восточный рукав NGC 6872 достаточно сильно выделяется на снимке, здесь едва ли формируются новые звезды, однако на другом его конце (на северо-западном) находится более тусклый объект, который
похож на карликовую галактику
, сказали исследователи.

Проанализировав распределение энергии, команда исследователей обнаружила, что два рукава галактики NGC 6872 состоят из звезд разного возраста

. Самые молодые звезды расположены в районе северо-западного рукава, то есть в районе предполагаемой новой карликовой галактики. Звезды становятся старше ближе к центру NGC 6872.

Проблема нехватки карликовых галактик

Проблема дефицита карликовых галактик (также известная как «проблема исчезнувших карликовых галактик-спутников»). Суть её в том, что число карликовых галактик (по отношению к числу обычных галактик) на целый порядок меньше числа, которое должно быть согласно моделированию по иерархическому распределению структур тёмной материи и общей космологии.

Есть два возможных решения этой проблемы:

1. карликовые галактики разрушаются приливными силами более крупных галактик;
2. карликовые галактики просто не видны, так как их тёмная материя не в состоянии привлечь достаточное количество барионной материи, чтобы они стали видимыми.

Второе решение частично подтверждается недавним (2007 год) открытием обсерваторией Кека восьми ультра-тусклых карликовых галактик (галактик-хоббитов) — спутников Млечного пути. Шесть из них на 99.9% состоят из темной материи (соотношение «массы к свету» составляет около 1000).[11]

Подробное исследование таких галактик и особенно относительных скоростей отдельных звезд в них, позволила астрономам предположить, что мощное ультрафиолетовое излучение гигантских молодых звезд в своё время «выдуло» из таких галактик большую часть газа (поэтому там мало звезд), но оставило тёмную материю, которая именно поэтому сейчас преобладает. [12] Некоторые из подобных тусклых карликовых галактик с подавляющим преобладанием тёмной материи астрономы предлагают искать непрямыми наблюдениями: по «кильватерному следу» в межгалактическом газе, т.е. по притяжению струй газа к этой «невидимой» галактике. [13]

Галактика Андромеды

Расстояние от Земли: 2,52 млн световых лет
Эта галактика является самой близкой галактикой к нашей собственной

, а также одной из самых красивых. Ее можно увидеть ясной ночью в районе созвездия Андромеда. Ранее считалось, что эта галактика является крупнейшей в ближайшей группе галактик, однако позже выяснилось, что Млечный Путь куда массивнее.

Примерно так будет выглядеть небо через 3,75 миллиарда лет, когда галактика Андромеды приблизится к нашему Млечному Пути

Галактика Сомбреро

Расстояние от Земли: 28 млн световых лет
Эта спиральная галактика расположена в районе созвездия Девы

. У нее имеется
яркое ядро
, невероятно крупная центральная часть и ярко выделенный ровный пылевой ободок вроде кольца. Галактика по внешнему виду
чем-то напоминает сомбреро
, поэтому она и получила такое название. В центре этой галактики имеется
крупная черная дыра
, которая очень интересует астрономов.

Эта галактика просматривается даже с помощью любительских телескопов

Крупная галактика Водоворот

Расстояние от Земли: 23 млн световых лет
Известная также под названием Мессье 51

, эта галактика получила название
Водоворот
из-за сходства с водоворотом. Она находится в районе
созвездия Гончие Псы
и имеет мелкого компаньона – галактику NGC 5195. Эта галактика является одной из
самых известных спиральных галактик
и легко просматривается в любительские телескопы.

Галактика Водоворот с компаньоном лучше всего наблюдаема весной и летом

Небесные объекты в созвездии Большой Пёс

Стоит отметить, что на территории созвездия расположено несколько интереснейших астрономических объектов. Кроме того, 4 звезды имеют свои планеты. На самом деле, здесь находится красивейшее открытое скопление Мессье 41, которое содержит около 100 звёзд. Кроме него, имеется одно из самых молодых скоплений-NGC 2362. Примечательно, что большое количество его элементов окружают звезду Тау.

К тому же, из звёзд созвездия собаки выделяется гипергигант — VY Большого Пса. Между прочим, это одна из крупнейших и ярких звёзд среди всех. Попробуйте только представить, её диаметр составляет примерно 2,5-2,9 млрд км. На данный момент, этот космический объект исследуется и изучается. Учёные до сих пор спорят о некоторых свойствах звезды. Например, о её точных размерах. Одни считают, что диаметр VY Большого Пса пока еще всего в 600 раз больше диаметра Солнца. Другие утверждают, что уже больше в 2000 раз.

Возможно, что в будущем учёные определят действительные размеры объекта. Но на сегодняшний день, очевидно, что это большой вопрос.

Помимо всех перечисленных элементов, созвездие Пса включает в себя Карликовую галактику. Удивительно, но её называют неправильной эллиптической галактикой. Но, что важно, она одна из ближайших к нам. Более того, содержит миллиард звёзд. Интересно, что обнаружили её совсем недавно (в 2003 году). К сожалению, Карликовую галактику Большого Пса практически невозможно наблюдать. Так как она скрыта областью Млечного Пути. Однако, астрономы исследовали данный скрытый участок. Они обнаружили в ней большое количество красных гигантов.

Также в области находится эмиссионная туманность NGC 2359, известная под названием Шлем Тора. Кроме всего прочего, в созвездии находятся спиральные галактики NGC 2207 и IC 2163. Как оказалось, эти два космических объекта находятся на расстоянии 80 млн лет между собой. Однако установлено, что они сливаются друг с другом.

Красивая галактика кольцо Объект Хога в созвездии Змеи

Расстояние от Земли: 600 млн световых лет
Названная в честь ученого, который открыл ее в 1950 году

, кольцеобразная галактика имеет
необычное строение и внешний вид
. Эта галактика была первой кольцеобразной галактикой, известной науке. Примерный диаметр ее кольца составляет
100 тысяч световых лет.
На внешней стороне кольца преобладают яркие голубые звезды

, а ближе к центру расположено кольцо из более
красноватых звезд
, которые, вероятно, намного старше. Между этими кольцами находится более темное кольцо. Как именно образовался
Объект Хога
, науке неизвестно, хотя известны несколько других подобных объектов.

Объект Хога, снятый космическим телескопом «Хаббл» в июле 2001 года

Галактика Сигара в созвездии Большая Медведица

Расстояние от Земли: 12 млн световых лет
Галактика М 82

или, как ее еще называют,
Сигара
является спутником другой галактики — М 81. Она примечательна тем, что в ее центре расположена
супермассивная черная дыра
, вокруг которой вращаются еще 2 менее массивные черные дыры. Также в этой галактике звезды образуются со сравнительно большой скоростью. В центре этой галактики молодые звезды рождаются
в 10 раз быстрее
, чем в пределах нашей галактики Млечный путь.

Невероятная по красоте галактика Сигара

В центре ультракомпактной карликовой галактики найдена сверхмассивная черная дыра

Рис. 1.

Скопление Печи, отстоящее от нас примерно на 62 миллиона световых лет, состоит из 58 галактик. Его центр лежит рядом с большой эллиптической галактикой NGC 1399, там же, почти неразличимые на этом снимке, находятся и ультракомпактные карликовые галактики (обведенная
квадратиком
галактика NGC 1427A к ним не относится). Изображение с сайта heritage.stsci.edu

Недавно в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

была опубликована статья Антона Афанасьева, Игоря Чилингаряна, Стефана Миске и их коллег об обнаружении и детальном исследовании сверхмассивной черной дыры в центре одной очень необычной и редкой галактики, UCD3, которая относится к малоизученному пока классу ультракомпактных карликовых галактик. Эта работа, выполненная с помощью спектроскопических наблюдений на одном из самых больших телескопов в мире, позволяет лучше разобраться в загадке возникновения таких галактик.

Космические объекты любого типа — планеты, звезды, галактики — не могут иметь совсем произвольную массу. Их масса определяется различными физическими законами, которые играют наибольшую роль при формировании объекта и дальнейшей его эволюции. Так, например, масса обычной звезды лежит в пределах примерно от 0,1 до 200–300 солнечных масс — именно в этом диапазоне эффективнее всего проявляется гравитационная неустойчивость, или неустойчивость Джинса, ответственная за сжатие протозвездного облака.

У галактик то же самое, но на других масштабах: их массы лежат в пределах от 108 до 1013 солнечных. А вот если двигаться по условной шкале космических масс от галактик в «легкую» сторону, то обнаружится большой пробел: следующими на этой шкале будут шаровые звездные скопления (гравитационно-связанные системы из нескольких десятков или сотен тысяч звезд, которые вращаются вокруг общего центра): их массы лежат в диапазоне от десятков тысяч (~105) до нескольких миллионов (~106) солнечных. То есть разрыв здесь — два порядка, если мерить в солнечных массах. В принципе, ни из чего не следует, что их массы должны перекрываться. Однако очень долго астрономы не наблюдали космических объектов промежуточной массы, которые были бы тяжелее шаровых скоплений, но меньше самых маленьких карликовых галактик, и на первый взгляд это кажется неправильным.

Всё изменилось в начале XXI века, когда на новом поколении телескопов с помощью спектроскопических наблюдений удалось обнаружить несколько необычных объектов недалеко от центра скопления Печи (рис. 1). Они были намного меньше обычных галактик и меньше карликовых галактик, которых, несмотря на их скромные размеры, обнаружено уже довольно много. Обнаруженные объекты ярче и имеют более сложную структуру, чем шаровые скопления, поэтому их отнесли к галактикам и назвали ультракомпактными карликовыми галактиками (ultra-compact dwarf galaxy, UCD).

Сейчас астрономы знают несколько десятков подобных галактик и понимают, что объекты эти, хотя и редкие, но совсем не уникальные: их продолжают находить рядом с центральными областями многих галактических скоплений.

Большой вопрос: как образуются подобные галактики? Дело в том, что отсутствие объектов промежуточных масс (от миллиона и до сотни миллионов солнечных) хорошо объяснено астрофизиками. Слишком массивные шаровые скопления гравитационно неустойчивы, в них нет темной материи и звезды на внешних орбитах будут обладать такой высокой скоростью, что они с легкостью смогут преодолевать притяжение остальных звезд и улетать в космос. У галактик другая история. Если сильно упростить, то они образовались из первородных флуктуаций плотности темной материи в первые моменты после Большого взрыва. Чем плотность этих флуктуаций была выше, тем галактики образовывались быстрее, и наоборот. По современным подсчетам для гипотетических галактик массой в несколько миллионов солнечных время формирования превышает возраст Вселенной — они образуются так медленно, что их еще вообще не должно быть.

Но теперь они обнаружены, так что нужно объяснить, откуда они взялись. А это — настоящий вызов астрофизикам. На сегодня есть три модели, претендующие на объяснение механизма формирования UCD-галактик: 1) это все-таки те самые «почти невозможные» карликовые галактики, сформировавшиеся вокруг первородных флуктуаций, просто мы плохо знаем их физику; 2) это несколько удачно столкнувшихся шаровых скоплений; 3) это остатки более массивных карликовых галактик, внешняя оболочка которых была ободрана приливным взаимодействием со стороны пролетавшей мимо массивной галактики.

У этих моделей есть достоинства и недостатки, каждую из них подтверждают одни наблюдательные факты и опровергают другие. В пользу модели приливного обдирания говорит тот факт, что UCD-галактики (в том числе и та, о которой пойдет речь дальше) в основном обнаруживаются рядом с центрами скоплений галактик: там большая плотность галактик на кубический парсек, поэтому велика вероятность, что две галактики пролетят рядом, гравитационно воздействуя друг на друга.

Тем не менее, главным аргументом в пользу этой модели явилось интересное открытие: на графике «масса-светимость» все UCD-галактики лежат значительно выше основной кривой, на которую попадают все прочие галактики. График этот довольно прост — чем галактика или скопление галактик массивнее, тем ярче они светят. Аппроксимировав известные данные, можно провести линию, которая будет предсказывать, каким должно быть соотношение даже у тех галактик, которые считаются несуществующими (например, в сто раз тяжелее или в сто раз легче тех, что мы наблюдаем). Это соотношение было эмпирически выведено еще в 60-х годах и с тех пор подтверждалось множеством наблюдений. Так вот, многие UCD-галактики лежат выше этой теоретической кривой для галактик своей массы: они избыточно массивные для такой яркости, или, наоборот, для своей массы они слишком тусклы. Если причиной этого окажется сверхмассивная черная дыра (СМЧД) в центре галактики, которая увеличивает полную массу галактики, но, очевидно, не добавляет ничего к ее светимости, то первые две модели, объясняющие появление UCD-галактик через первородные флуктуации и шаровые скопления, станут еще менее убедительными.

Рис. 2.

Архивное изображение центральной части скопления Печи, полученное ИК-телескопом «Спитцер».
На врезках
— снимок галактики UCD3, полученный телескопом «Хаббл», и изображение этой галактики, реконструированное по результатам наблюдений на спектрографе SINFONI. Фото из обсуждаемой статьи в
MNRAS
Все эти соображения мотивировали большую группу астрофизиков, среди которых есть и ученые из России — Антон Афанасьев и Игорь Чилингарян, — провести длительные исследования галактики UCD3 (рис. 2) из скопления Печи (одной из самых изученных подобных галактик), с помощью спектрографа SINFONI (рис. 3), установленного на Очень большом телескопе (Very Large Telescope, VLT, расположен в Паранальской обсерватории в Чили).

Рис. 3.

Установка спектрографа SINFONI на телескоп VLT в Чили. Фото с сайта eso.org

SINFONI принадлежит к новому классу спектрографов, который оснащен интегральным полевым прибором и получает спектр каждого пикселя отдельно, а не всего объекта целиком, как это было раньше. Таким образом один пиксель получаемого изображения теперь несет не какое-то числовое значение, а полноценный набор данных; его даже называют по-другому — пространственным пикселем (spatial pixel) или спакселем. Получается, что плоскому изображению как бы добавляют третье измерение: каждой точке на фотографии соответствует свой спектр. Поэтому такие снимки называют дата-кубом (рис. 4).

Рис. 4.

Пример дата-куба спектрографа MUSE для галактики NGC 4650A. Плоское изображение галактики получает «глубину» — каждый пиксель теперь можно рассмотреть на любой длине волны. Рисунок с сайта eso.org

Полное время наблюдений было нетипично велико для таких больших телескопов: суммарно он смотрел в сторону галактики UCD3 три с половиной часа, а адаптивная оптика позволила достичь фантастического углового разрешения — 0,18 угловых секунд на один пиксель в ИК-диапазоне (для сравнения, у обычных телескопов, работающих в намного более удобном для наблюдений оптическом диапазоне, но без адаптивной оптики, все данные с разрешением выше угловой секунды считаются отличными).

Вся галактика была разделена на четыре концентрических кольца и были получены усредненные спектры каждого участка (рис. 5). Спектр самой центральной части UCD3 показал характерное уширение спектральных линий, которое бывает, когда часть излучающего материала движется на большой скорости от нас, а часть — к нам. Такое явление называется дисперсией скоростей и часто используется учеными для определения динамических свойств многокомпонентных систем. По форме и ширине этого участка спектра можно определить скорости тел и построить динамическую модель движения звезд в центральной части галактики. Далее в эту модель подставляются массы звезд. Точное число звезд в галактике, конечно, не известно, но примерное распределение ученые давно знают и называют начальной функцией масс (НФМ). Численное моделирование с учетом НФМ показало, что массы одних только звезд явно недостаточно, чтобы в центре галактики они вращались настолько быстро, и в модель стали добавлять массу сверхмассивной черной дыры. Оказалось, что движение звезд соответствует законам физики только при массе СМЧД в 3,3 миллиона солнечных. Это уже достаточно сильное открытие — галактика UCD3 примерно в 100 раз меньше нашей, а массы центральных черных дыр в них почти одинаковые!

Рис. 5.

Спектр четырех концентрических участков галактики UCD3: центрального круга —
сверху
, самого внешнего кольца —
снизу
. Наиболее ярко выраженные части спектра находятся
в правой части графика:
это четыре линии поглощения угарного газа (CO). Чем ближе к центру, тем эти линии более широкие, а значит, дисперсия скоростей больше. Это явное указание на присутствие СМЧД в центре галактики. График из обсуждаемой статьи в
MNRAS
Этот результат — также и сильный аргумент в пользу теории приливного обдирания — в далеком прошлом этой галактики был момент, когда мимо нее пролетала более массивная соседка, которая своей гравитацией «содрала» часть звезд и газа с UCD3 (которая в те времена совсем ещё не была ультракомпактной, а была обычной карликовой галактикой). Пока астрономы не могут найти галактику-воровку, и не факт, что она будет найдена, но даже и без этого теория кажется достаточно стройной.

Еще одним подтверждением модели приливного обдирания служит соотношение массы СМЧД и всей галактики: черная дыра составляет 4% от звездной массы галактики — это очень много. Настолько огромные черные дыры не могут и не должны образовываться в таких маленьких и компактных галактиках — им просто не откуда взять достаточно строительного материала!

Более ранние наблюдения других научных групп обнаружили несколько похожих сверхкомпактных карликовых галактик из скопления Девы — M60-UCD1, M59cO, VUCD3. Массы черных дыр у них определены гораздо менее точно, но это все равно около миллиона солнечных. И это единственные UCD-галактики, у которых надежно установлено существование сверхмассивных черных дыр. А вот в недавнем исследовании двух UCD-галактик из группы Центавр А не удалось обнаружить достаточно больших аномалий их спектра (K. T. Voggel et al., 2020. Upper limits on the presence of central massive black holes in two ultra-compact dwarf galaxies in Centaurus A). То есть если там и есть сверхмассивные черные дыры, то их массы не могут превышать всего лишь сотен тысяч солнечных.

Отсутствие четкой предсказуемости наличия черных дыр в центрах UCD-галактик может служить указанием на то, что верными могут оказаться по крайней мере две из трех моделей их образования: часть таких галактик появляются после пролета массивной соседки и последующего сдувания внешнего слоя газа и звезд, а часть галактик может быть экстремальным классом шаровых скоплений, которые по каким-то причинам смогли аккумулировать в себе необычайно большую массу.

Более подробному изучению UCD-галактик пока мешает малая выборка — их и так мало, а компактность и малая яркость накладывают дополнительные ограничения. Ни один из существующих телескопов, что на Земле, что в космосе, не может провести спектроскопические наблюдения подобных галактик на расстоянии больше 25 мегапарсек от Земли (то есть вне Местной группы). Тем не менее, исследование подобных галактик очень важно — оно позволяет не только изучить галактики в области масс, которая раньше считалась пустой (между шаровыми скоплениями и обыкновенными карликовыми галактиками), но и более точно оценить количество и плотность распределения сверхмассивных черных дыр во Вселенной.

Источник:

Anton V. Afanasiev, Igor V. Chilingarian, Steffen Mieske et al. A 3.5 million Solar masses black hole in the centre of the ultracompact dwarf galaxy fornax UCD3 //
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
. 2020. DOI: 10.1093/mnras/sty913.

Марат Мусин