Тэорыя ўтварэння эліптычных галактык
Эліптычныя галактыкі — адзін з асноўных тыпаў галактык у Сусвеце, разам са спіральнымі і няправільнымі галактыкамі. Яны, як правіла, маюць круглую або авальную форму, з гладкім, раўнамерна размеркаваным святлом без выразнага спіральнага рукава. У параўнанні са спіральнымі галактыкамі, эліптычныя галактыкі звычайна ўтрымліваюць менш газу і пылу, маюць меншую хуткасць утварэння новых зорак і пераважаюць старыя, жаўтлявыя да чырванаватых зорак. Вялікае пытанне: як утвараюцца эліптычныя галактыкі? Астраномы распрацавалі некалькі дадатковых тэорый і сцэнарыяў утварэння, выкарыстоўваючы сучасныя назіранні тэлескопаў і касмалагічнае мадэляванне для картаграфавання гісторыі галактык ад ранняга Сусвету да нашых дзён.
Характарыстыкі эліптычных галактык як ключ да іх паходжання
Перш чым абмяркоўваць тэорыю, важна зразумець фізічныя характарыстыкі эліптычных галактык, якія даюць падказкі аб працэсе іх утварэння. Эліптычныя галактыкі звычайна маюць «гладкую» структуру, таму што іх зоркі размеркаваны па выпадковых арбітах, а не круцяцца пераважна ў адной плоскасці, як спіральныя галактыкі. Акрамя таго, многія эліптычныя галактыкі вельмі масіўныя і размешчаны ў цэнтрах скопішчаў галактык, што сведчыць аб шчыльным асяроддзі і частых міжгалактычных узаемадзеяннях. Іх спектры святла часта паказваюць мала халоднага газу, што прыводзіць да нізкага ўзроўню зоркаўтварэння. Гэтыя характарыстыкі прыводзяць да высновы, што эліптычныя галактыкі зведалі буйныя дынамічныя падзеі, якія парушылі арбіты зорак і спажывалі або выкідвалі іх газ, які ўтвараў зоркі.
Тэорыя зліцця галактык
Адной з найбольш пераканаўчых тэорый утварэння эліптычных галактык з'яўляецца тэорыя зліццяў галактык, у прыватнасці, буйных зліццяў. У гэтым сцэнарыі дзве спіральныя або багатыя газам галактыкі сутыкаюцца і зліваюцца, ствараючы новую, большую і больш сферычную сістэму. Калі адбываецца сутыкненне, магутныя гравітацыйныя сілы парушаюць рух зорак, дэфармуючы спіральныя рукавы і ствараючы больш ізатропнае размеркаванне зорак — характэрнае для эліптычных галактык.
Падчас зліцця міжзоркавы газ падвяргаецца інтэнсіўнаму сцісканню, што выклікае выбух зоркаўтварэння (зоркаўтварэнне). Гэты выбух зоркаўтварэння можа спажываць значную колькасць газу за адносна кароткі час (з касмічнага пункту гледжання), а астатні газ можа быць выцеснены вятрамі ад звышновых або актыўнасцю галактычнага ядра. Пасля таго, як газ разрэджваецца, астатняя галактыка акунаецца ў большасці старых зорак, што надае ёй «чырвоны» і пасіўны выгляд, характэрны для эліптычных галактык.
Назіральныя доказы гэтай тэорыі паходзяць ад узаемадзейнічаючых галактык, такіх як сістэмы з прыліўнымі хвастамі , марфалагічнымі скажэннямі і падвойнымі ядрамі. Некаторыя эліптычныя галактыкі таксама дэманструюць тонкія структуры, такія як «абалонкі» або слабыя рабізны, якія лічацца рэшткамі мінулых дынамік зліццяў.
Невялікія зліцці і паступовы рост
Не ўсе эліптычныя галактыкі ўтвараюцца ў выніку аднаго масіўнага сутыкнення. Лічыцца, што многія галактыкі, асабліва вельмі масіўныя, растуць за кошт нязначных зліццяў: больш буйныя галактыкі неаднаразова «з'ядаюць» меншыя галактыкі. Гэты працэс паступовы, але на працягу мільярдаў гадоў ён можа значна павялічыць масу і змяніць структуру галактыкі.
Невялікія зліцці могуць «павялічваць» памер эліптычных галактык без істотнага павелічэння іх цэнтральнай шчыльнасці. Гэта адпавядае назіранню, што масіўныя эліптычныя галактыкі ў маладым Сусвеце часта выглядаюць больш кампактнымі, чым тыя, што ў сучасным Сусвеце. Іншымі словамі, эліптычныя галактыкі маглі спачатку сфармавацца кампактна, а потым паступова пашырацца з-за акрэцыі малых спадарожнікаў.
Мадэль маналітнага абвальвання (маналітнае абвальванне)
Да таго, як тэорыя зліцця стала дамінуючай, мадэль маналітнага калапсу была папулярнай для тлумачэння эліптычных галактык. У гэтым сцэнарыі эліптычныя галактыкі ўтварыліся вельмі рана, калі гіганцкая газавая хмара хутка сціскалася пад дзеяннем гравітацыі, а затым на кароткі перыяд хутка ўтварала зоркі. Пасля выбуху зоркаўтварэння газ вычарпаўся або нагрэўся, таму зоркаўтварэнне спынілася, пакінуўшы папуляцыю старых зорак.
Гэтая мадэль тлумачыць, чаму многія эліптычныя галактыкі маюць вельмі старыя зоркі і адносна высокую металічнасць у сваіх цэнтрах. Хуткае зоркаўтварэнне прыводзіць да ўзнікнення шматлікіх звышновых, якія ўзбагачаюць газ цяжкімі элементамі, і гэта ўзбагачэнне затым «замыкаецца» ў наступным пакаленні зорак на працягу гэтага кароткага перыяду.
Аднак сучасныя назіранні сведчаць аб тым, што Сусвет развіваўся іерархічна — вялікія структуры ўтварыліся ў выніку зліцця меншых, — таму чыста маналітны калапс лічыцца няпоўным. Тым не менш, асноўная ідэя застаецца актуальнай для апісання ранняй фазы: эліптычныя галактыкі маглі вельмі хутка зведаць зоркаўтварэнне ў раннія дні, а затым развівацца шляхам зліццяў і акрэцыі.
Астуджэнне газу, гало цёмнай матэрыі і іерархічная эвалюцыя
Сучасныя тэорыі ўтварэння галактык нельга аддзяліць ад ролі цёмнай матэрыі. Галактыкі ўтвараюцца ўнутры «гало» цёмнай матэрыі, якая забяспечвае гравітацыйны «каркас». Барыённы газ (звычайны газ) трапляе ў гэтае гало, астывае, а затым утварае зоркі. У касмалогіі ΛCDM (лямбда-халодная цёмная матэрыя) спачатку ўтвараюцца невялікія гало, якія затым зліваюцца ў большыя гало. У шчыльных асяроддзях, такіх як скопішчы галактык, хуткасць зліццяў і ўзаемадзеянняў вышэйшая, таму ўтварэнне эліптычных галактык адбываецца часцей — што адпавядае таму факту, што эліптычныя галактыкі часта знаходзяцца ў цэнтрах скопішчаў.
Касмалагічнае мадэляванне паказвае, што масіўныя эліптычныя галактыкі могуць праходзіць дзве фазы: пачатковую фазу хуткага зоркаўтварэння з паступаючага газу (часта называюць зоркаўтварэннем in situ), а затым фазу росту праз акрэцыю зорак з іншых галактык (ex-situ), галоўным чынам праз зліцці. Гэта спалучэнне прыводзіць да ўтварэння галактык з шчыльнымі ядрамі і больш дыфузнымі зорнымі гало.
Роля звышмасіўных чорных дзірак і зваротнай сувязі (зваротная сувязь АГН)
Амаль усе буйныя галактыкі маюць у сваім цэнтры звышмасіўную чорную дзірку. У эліптычных галактыках гэтая чорная дзірка адыгрывае вырашальную ролю ў стрымліванні ўтварэння зорак праз механізм зваротнай сувязі актыўнага галактычнага ядра (АЯГ). Калі матэрыя падае на чорную дзірку, вызваляецца велізарная энергія ў выглядзе выпраменьвання і струменяў. Гэтая энергія можа награваць газ або нават выкідваць яго з галактыкі, не даючы яму астыць і стаць дастаткова шчыльным для ўтварэння зорак.
Зваротная сувязь ад актываванага ядра галактык (АГН) дапамагае растлумачыць, чаму масіўныя эліптычныя галактыкі застаюцца згаслымі, нягледзячы на тое, што яны гравітацыйна здольныя прыцягваць газ. Без гэтага механізму мадэляванне часта прыводзіць да галактык, якія працягваюць утвараць зоркі занадта доўга, што супярэчыць назіранням.
Уплыў навакольнага асяроддзя: скопішчы галактык і страта газу
Асяроддзе таксама фармуе эліптычныя галактыкі. Унутры скопішчаў галактык гарачае міжгалактычнае асяроддзе можа выцягваць газ з галактык, якія рухаюцца праз яго, працэс, які называецца выцягваннем ціску тараннай прасторы. Акрамя таго, паўторныя гравітацыйныя ўзаемадзеянні з шматлікімі суседзямі могуць парушаць структуру спіральных галактык і памяншаць іх запасы газу. У выніку спіральныя галактыкі могуць ператварацца ў лінзападобныя (S0) галактыкі або нават развівацца ў эліптычныя галактыкі праз паўторныя зліцці і разбурэнні.
У шчыльных асяроддзях утварэнне эліптычных галактык становіцца больш эфектыўным з-за двух фактараў: павелічэння магчымасцей сутыкненняў і больш моцных механізмаў дэгазацыі. Вось чаму залежнасць паміж марфалогіяй і шчыльнасцю паказвае, што эліптычныя галактыкі часцей сустракаюцца ў рэгіёнах з высокай шчыльнасцю галактык.
Выснова
Сучасныя тэорыі ўтварэння эліптычных галактык разглядаюцца як вынік спалучэння некалькіх працэсаў, а не аднаго механізму. Буйныя зліцці могуць ператвараць спіральныя галактыкі ў эліптычныя сістэмы з выпадковымі зорнымі арбітамі і хуткімі, але кароткімі перыядамі зоркаўтварэння. Паўторныя невялікія зліцці дапамагаюць эліптычным галактыкам расці і пашырацца з цягам часу. У той жа час інтэнсіўная пачатковая фаза, падобная да мадэлі маналітнага калапсу, застаецца актуальнай для тлумачэння старэння зорнай папуляцыі. Усе гэтыя працэсы адбываюцца ў межах іерархічнай касмалогіі цёмнай матэрыі, прычым зваротная сувязь ад звышмасіўных чорных дзірак і ўплыў асяроддзя кластара, якое можа выдаляць газ, адыгрываюць вырашальную ролю.
З з'яўленнем тэлескопаў новага пакалення і мадэлявання з высокім разрозненнем астраномы ўсё часцей могуць «чытаць» гісторыю эліптычных галактык па іх зорным размеркаванні, хімічным складзе і слядах тонкай структуры. Эліптычныя галактыкі, якія здалёк здаюцца простымі і гладкімі, насамрэч маюць касмічную гісторыю, напоўненую сутыкненнямі, паступовым ростам і экстрэмальнымі фізічнымі працэсамі, якія фарміруюць аблічча Сусвету і па сённяшні дзень.
