Нα-обзор галактик и групп галактик местного объема

Оглавление
і /
Введение З
1 Наблюдения, первичная редукция и фотометрия наблюдательных данных 16
1.1 Наблюдения на 6-метровом телескопе БТА................. 16
1.2 Наблюдения на 2.2-метровом телескопе МРС............... 18
1.3 Методика наблюдений.................................... 19
1.4 Первичная редукция..................................... 20
1.5 Фотометрия ................................................ 22
1.6 Вычисление темпа звездообразования в галактиках........ 25
2 Карликовые спутники галактики М 31 27
2.1 Наблюдения и обработка данных.............................. 28
2.2 Свойства галактик в ближайшей группе М31 29
2.3 Обсуждение результатов..................................... 32
3 Группа галактик вокруг М 81, видимая в линии На 36
3.1 Наблюдения галактик в группе М 81...................... 37
3.2 Основные свойства и характеристики галактик в группе . . 38
3.3 Зависимости между глобальными параметрами галактик . . 45
3.4 Эволюционный статус населения группы................... 50
4 Облако галактик Гончие Псы I в линии На 52
4.1 Индивидуальные свойства и основные параметры галактик в
рассеянной группе СУпІ................................. 53
си
1
»
4.2 Сравнительный анализ населения двух групп CVnl и М 81 . 61
4.3 Сравнение наших значений SFR с данными других авторов 67
4.4 Активность звездообразования в группах CVnl и М 81 ... 68
5 Группа спутников вокруг галактики NGC 6946 ТО
5.1 Наблюдения галактик группы NGC 6946 ..................... 71
5.2 Основные параметры и свойства спутников NGC 6946 .... 72
5.3 Обсуждение результатов.............................. 74
6 Наблюдения в линии На южных галактик 76
6.1 Особенности выборки южных галактик.................. 77
6.2 Распределение галактик Местного Объема по глобальным параметрам............................................ 81
7 Звездообразование, распределение и кинематика газа в слабых карликовых галактиках 88
7.1 Наблюдения в лилиях На и HI......................... 89
7.2 Кинематика и крупномасштабное распределение HI .... 90
7.3 Зависимость звездообразования и эмиссии в На от плотности
HI.................................................. 96
7.4 Краткие выводы...................................... 98
Заключение 101
Литература 104
А. Сводная таблица 264 галактик Местного Объема 112
Б. Атлас На изображений галактик Местного Объема 120
2
Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Наши представления о процессах образования звезд в галактиках все еще остаются фрагментарными, несмотря на заметные успехи последних десятилетий. До последних лет исследования были направлены преимущественно на изучение наиболее ярких и массивных объектов. Карликовые системы, особенно низкой поверхностной яркости, оставались вне поля зрения в первую очередь из-за трудностей наблюдения и отсутствия измеренных с хорошей точностью расстояний до этих объектов. Невозможно получить полную картину эволюции галактик, если пренебрегать карликовыми галактиками, которые играют ключевую роль в образовании и эволюции галактик, будучи элементами, из которых путем слияния образовывались крупные системы. Карликовые галактики интересны также тем, что являются самым распространенным типом галактик во Вселенной.
С появлением и широким распространением крупноформатных ПЗС матриц, высокочувствительных к красным лучам, стало возможным проведение Яа-обзоров даже карликовых галактик с низкой поверхностной яркостью. Очевидно, что изучать такие объекты легче всего в Местном Объеме. Наиболее полно выборка Местного Объема представлена в Каталоге близких галактик Karachentsev et al. (2004). В нем содержится 450 галактик, расстояния до которых не превышают 10 Мпк. В последние годы было открыто еще около 50 ранее неизвестных близких карликовых систем. Была проведена огромная работа по уточнению расстояний до этих галактик, в основном но светимости звезд ветви красных гигантов. Для большинства галактик Местного Объема индивидуальные расстояния были измерены с точностью лучше 10%. Для целей изучения звездообразования важно то, что в карликовых галактиках отсутствуют спиральные
3
волны плотности. Тем не менее, иррегулярные галактики имеют темпы звездообразования на единицу светимости примерло такие же, что и спиральные Hunter & Gallagher (1986). Почти 75% галактик Местного Объема показывают эмиссию в линии нейтрального водорода 21 см. Прогресс, достигнутый в последнее десятилетие, позволил построить функцию водородных масс галактик до предела 1 х 105Мо. Для понимания эволюции звездных и газовых составляющих галактик важно также иметь систематические данные по потокам, излучаемым галактиками в линии На. К сожалению, только малая часть галактик Местного Объема была изучена в На до12000 года. Но последние обзоры, сделанные van Zee (2000), Gil de Paz et al. (2003), James et al. (2004), Helmboldt et al. (2004), Hunter & Elmegreen (2004) и Meurer et al. (2006) существенно улучшили ситуацию в этой области. Мы поставили задачу получить На изображения для всех галактик Местного Объема, которые не наблюдались ранее в линии На. В основном, с упором на наблюдение карликовых галактик, чтобы иметь полный набор данных об Яа-потоках членов Местного Объема и создать атлас изображений всех галактик Местного Объема в лилии На.
Изучение галактик Местного объема в линии На дает нам важную информацию об истории звездообразования, его темпах в прошлом и настоящем. В последнее время интерес к таким данным особенно повысился в связи с исследованием процессов звездообразования на разных красных смещениях, и в связи с новыми идеями формирования начальной функции масс звезд.
Цели и задачи исследования:
1. Получение наиболее полного наблюдательного материала в линии На для галактик Местного Объема.
2. Составление атласа На изображений галактик Местного Объема.
3. Определение современных темпов звездообразования для галактик в пределах 10 Мпк.
4. Изучение влияния окружения галактики на темп звездообразования в ней для населения вириализированной группы М 81 и рассеянного облака CVnl.
4
5. Анализ структуры и кинематики нейтрального и ионизированного водорода в предельно слабых (—12.5 < Мв < —9.5) карликовых галактиках.
Научная новизна
• В данной работе получены наблюдательные данные в линии На для 109 галактик Местного Объема, причем для 83 из них — впервые. Основную часть в этом обзоре составляют карликовые галактики разных морфологических типов, что является особенно важным для полноты картины звездообразования в Местном Объеме.
• Впервые измерены На--потоки и определены темпы звездообразования для всех известных (на момент наблюдения) членов самых близких групп вокруг М 31, М 81, NGC 694G, в ближайшем рассеяном облаке CVnl, а также ряде южных галактик ноля с абсолютными величинами Мв от —21т до —8т.
• Полученные из наших наблюдений и собранные из литературы с единообразной редукцией данные составили сводку темпов звездообразования у 264 галактик Местного Объема (58% всей выборки МО).
• Для эволюционного статуса галактик впервые предложена диаграмма {р*> /*}) которая основывается на значениях глобального темпа звездо-бразования, интегральной светимости и водородной массы галактик.
• Приведен атлас На изображений для всех 109 наблюдавшихся нами галактик Местного Объема, воспроизводящий детали недавнего звездообразования в них с характерным разрешением ~30 пк.
Научная и практическая ценность работы
Приведеній,іе в диссертации данные На наблюдений галактик Местного
Объема могут быть в дальнейшем использованы для:
а) изучения механизмов звездообразования в галактиках;
б) оценки глобального темпа звездообразования в Местном Объеме;
в) изучения зависимости звездообразования от морфологического типа галактик;
г) проверки современных сценариев эволюции галактик;
д) изучения зависимости глобального темпа звездообразования от красного смещения галактик;
е) изучения групповых свойств карликовых галактик;
ж) уточнений теорий формирования начальной функции звездных масс.
I
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. I.D. Karachentsev, S.S.Kajsin, Z. Tsvetanov, H. Ford, "Ha imaging of the Local Volume galaxies. I. The NGC 6946 galaxy group"// 2005, A&A, Vol.434, PP.935-938
2. C.C. Кайсин, И.Д. Караченцев, "Обзор галактик Местного Объема в линии На: Слабые спутники М 31"// 2006, Астрофизика, Том 49, стр. 337- 349
3. С.С. Кайсин, А.В. Каспарова, АЛО. Князев, И.Д. Караченцев, "На обзор Местного Объема.: изолированные южные галактики"// 2007, Письма в Астрономический Журнал (ПАЖ), Том 33, стр. 323-331
4. I. Karachentsev and S. Kaisiri, "A view of the M81 galaxy group via the Ha window"// AJ, 2007, Vol.133, PP.1883-1902
5. S.S. Kaisin and I.D. Karachentsev, "Canes Venatici I cloud of galaxies seen in the Ha line"// A&A, 2008, Vol.479, PP.603-624
6. Karachentsev I.D,, Karachentseva V.E., Huchtmeier W., Makarov D., Kaisin S., Sharina М., Makarova L., "Mining the Local Volume"; in "Galaxies in the Local Volume"// (Eds.) Koribalski, B.S., Jerjen. H., Springer, 2008, astro-ph/0710.0520
7. A. Begum, J. N.Chengalur, I. D. Karachentsev, S. S. Kaisin, М. E. Sharina, "Gas distribution, kinematics and star formation in faint dwarf galaxies"// MNRAS, 2006, Vol.365, PP.1220-1234
6
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Проведен систематический обзор галактик Местного Объема с расстояниями D < 10 Мик. Получены На изображения, измерены На потоки и определены глобальные темпы звездообразования у 109 галактик, из них для 83 галактик — впервые.
2. В четырех ближайших группах: М 31, М 81, CVnl и NGC 6946 изучена структура На областей для всех галактик, входящих в эти группы. Для членов компактной группы М 81 и рассеянного облака CVnl измерен глобальный темп звездообразования и сделан вывод, что темп звездообразования в основном зависит от внутренних факторов галактики и лишь в слабой степени -- от ее внешнего окружения.
3. Предложена диагностическая диаграмма {])*,/*}, которая характеризует эволюционный статус, т.е. историю прошлого и будущего процесса звездообразования. Для Irr и BCD галактик с помощью этой диаграммы получено свидетельство о вспышечном характере звездообразования в этой популяции галактик.
4. В процессе обзора впервые обнаружен ряд пекулярных объектов с необычными эмиссионными свойствами: Гирлянда — приливная цепочка Я//-областей около галактики NGC 3077, NGC 4460 — изолированная линзовидная галактика с мощной вспышкой звездообразования в околоядерной области, NGC 4605 — Sd галактика с мощной эмиссией по всему диску.
Личный вклад автора
Все наблюдательные данные па 6-м телескопе БТА получены и обработаны лично автором. Обработка данных, полученных на 2.2-м MPG телескопе ESO, выполнена автором при участии A.B. Каспаровой. Для анализа На изображений использованы программы, написанные автором. Вклад автора в анализ и обсуждение результатов равноправен с другими соавторами. Составление атласа На изображений галактик Местного Объема проводилось непосредственно автором.
7
Апробация результатов
Основные результаты диссертации докладывались на общем семинаре CAO РАН, конкурсе - конференции научных работ CAO РАН, а также на 2-х международных конференциях:
1. VII International Conference "Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology”, Kiev, Ukraine, 2007
2. The international conference ”Galaxies in the Local Volume”, Sydney, 2007 Краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из Введения, семи Глав, Заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 154 наименования и 2-х Приложений. Общий объем диссертации составляет 159 страниц, в том числе 20 рисунков и 18 таблиц. Представленная диссертация является результатом работ, выполненных в течение 2001-2007 гг.
Во Введении приводится обоснование актуальности работы. Сформулированы цели и задачи, научная новизна, научная и практическая ценность результатов. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту, и приводится список работ, в которых опубликованы результаты данной дисертации. В конце кратко представлено содержание диссертации.
Первая глава диссертации посвящена описанию процедуры На наблюдений, редукции наблюдательных данных, полученных в основном на 6-м телескопе БТА, а также 2.2-м MPG телескопе ESO с применением современных высокочувствительных светоприемников — ПЗС матриц и фотометрии наблюдательных данных. Глава носит обзорный характер, в ней дано краткое описание использовавшегося прибора SCORPIO (Spectral Camera with Optical Reducer for Photometrical and Interferometrical Observations), Афанасьев и Моисеев (2005). Приведены основные его параметры: кривые чувствительности, спектральный диапазон, светосила. Приведены основные характеристики светоприемников на приборе SCORPIO, характеристики узкополосного интерференционного На фильтра и среднеполосных светофильтров для континуума SED607 и SED707. Так как диапазон лучевых скоростей наблюдавшихся галактик был небольшой, то
8
для всех наблюдавшихся объектов мы использовали один и тот же На фильтр.
Кратко описаны основные параметры прибора WFI, установленного в Кассегреновском фокусе 2.2 метрового телескопа MPG в ESO, приведены характеристики установленного на нем светоприемника и кривые пропускания использовавшихся свегофильтров.
Далее описывается методика наблюдений галактик в линии На. Дается порядок проведения первичной редукции наблюдательных данных и детально описываются понятия электронного нуля <BIAS>, “темпового тока” <DARK>, “плоского поля” <FLAT>, описывается процедура их получения и использования при редакции данных. Рассматривается процедура удаления космических частиц с изображений и исправление за косметические дефекты матрицы. Также кратко уделено внимание методике устранения интерференционного узора <FRINGES> на изображениях. Описывается процедура вычитания фона неба вокруг галактик и вычитания континуального изображения галактики из снимка в линии На. Рассмотрены основные ошибки, которые возникают при фотометрии, и причины, влияющие на точность измерения и предел фотометрических данных; приводится формула для расчета глобального темпа звездообразования в галактиках согласно Gallagher et al. (1984).
Во Второй главе диссертации представлены результаты наблюдений 10 карликовых спутников ближайшей к Млечному Пути группы вокруг Андромеды (М 31) и одной галактики поля And IV. Рассматриваются индивидуальные свойства наблюдавшихся галактик и обсуждаются полученные результаты. Подтверждено, что для сфероидальных (dSph) спутников Андромеды, как и для dSph спутников Млечного Пути, На потоки этих карликовых систем находятся ниже порога детектирования. Были собраны из литературы оценки темна звездообразования и для остальных спутников Андромеды и, таким образом, получена сводка данных для всех известных на момент исследования членов группы М 31. Показано, что карликовые dSph и dE спутники Андромеды, в соответствии с ожиданиями, имеют экстремально низкие значения как содержания нейтрального водорода, так и современных темпов звездообразования, выступая аналогами сфероидальных спутников Млечного Пути (Mateo 1998). Две спиральные галактики группы М 31 (сама М 31 и М 33) и три иррегулярных ее члена (1C 10, 1C 1613, VVLM) выглядят как типичные объекты Местного Объе-
9
ма по их темпам звездообразования и массам нейтрального водорода HI. Отношение детектированной массы нейтрального водорода к светимости у 10 спутников заключено в интервале от 1 до 10_3 в единицах массы и светимости Солнца; у других недетектированных в HI спутников (NGC 147, NGC 221) это отношение может быть даже ниже значения Зх10“5Мо/Ьо. Все clSph и dE спутники М 31 имеют современные темпы звездообразования (SFR) порядка или менее 1О“бМ0/год. Было обнаружено, что одиночная галактика дальнего фона And IV имеет рекордно высокое отношение M(HI)/Lß — 12M0/LO) обладая громадными запасами газа для дальнейшего звездообразования.
Третья глава посвящена изучению относительно компактной вириа-лизованной группы галактик вокруг М 81. Излагается краткая история изучения галактик вокруг М 81 и звездообразования некоторых ее ярких членов. Описываются условия наблюдений. Приводятся основные характеристики наблюдавшихся галактик: интегральные потоки в линии На и темпы звездообразования, описывается введение двух безразмерных параметров р* и /*, характеризующих прошлое и будущее процесса звездообразования в галактике: р* = \g\{SFR)T^/Ьв) и /* = \g[Mni/(SFR)To]> где То — возраст Вселенной, принятый равным 13.7 млрд.лет согласно Spergel et al. (2003). Приводится описание особенностей структуры эмиссионных областей у всех наблюдавшихся галактик. Обсуждаются общие результаты исследования группы М 81. Показано, что процессы звездообразования в галактиках одной и той же группы характеризуются громадным разнообразием. У некоторых, относительно ярких галактик, (NGC 3077, М 82) основная эмиссия исходит из центральной области. В других ярких дискообразных галактиках (NGC 297G, NGC 4605, NGC 2403. М 81) На эмиссия распределена более-менее равномерно по всему диску. У иррегулярных галактик с типичной светимостью Магеллановых облаков (Holm II, IC 2574, NGC 2366) наблюдается наличие мощных очагов звездообразования, причем довольно часто такие очаги (сверхассоциации) располагаются на окраинах этих галактик. Для dir и BCD галактик низкой светимости характерной особенностью являются мелкие компактные НИ-области (Holm I, DDO 87, UGC 4483, DDO 165) или же отдельные диффузные эмиссионные уплотнения (ККН 34, ККН 37). Наконец, отметим случаи, когда dir галактики очень низкой (М& = — 10m, — llm) светимости (KDG 52, KDG 73, BK3N) не показывают признаков На эмиссии, хотя содержат
10
голубое звездное население, судя по снимкам, полученным на телескопе Хаббла (HST).
Из анализа результатов вытекает, что глобальный темп звездообразования в галактиках хорошо кореллируст с их свстимостыо, линейным диаметром и массой нейтрального водорода. Из полученных данных следует, что окружение спиральных и неправильных галактик очень слабо влияет на темпы звездообразования в них. Например, восемь галактик, находящихся на далекой периферии группы, т.е. будучи практически изолированными, имеют почти такие же средние темпы звездообразования, что и галактики тех же типов S, Im, BCD и dir, но с близкими массивными соседями. Имеется явное свидетельство в пользу того, что звездообразование в dir и BCD галактиках группы происходит скорее в режиме бурной вспышечпой активности, чем в виде вялотекущего процесса. Принимая в качестве “зоны ответствен пости” М 81 сферу радиуса 2 Мик. мы получили суммарный теми звездообразования E[SFR] = (5.5±0.1)Мо/год, который приходится на объем около 34 Мпк3. Следовательно, средний темп звездообразования в этой зоне составляет psfr = ОЛбМэ/год на Мпк3. Согласно данным Nakamura et al. (2004), Martin et al. (2005), Hanish et al. (2006), средний темп звездообразования в единичном объеме в настоящую эпоху, т.е. при красном смещении (Z =0) лежит в интервале (0.02 —О.ОЗ)М0/год на Мпк3. Следовательно, группа М 81 демонстрирует в 5-8 раз более высокую активность звездообразования, чем средний местный объем. Заметим, что половина суммарного На потока группы приходится на одну сверхактивную галактику М 82. Однако, даже после ее исключения избыток в psfr для группы М 81 и ее окрестностей сохраняется. В этом смысле, утверждение Miller (1996) о высокой активности процесса звездообразования в группе М 81 сохраняет свою силу. Возможно, что у бурной активности этой группы есть две причины: тесное сближение массивных галактик М 81 и М 82 и наблюдаемое обилие волокон нейтрального водорода в центральной области группы (Yun et al., 1994)
Четвертая глава посвящена изучению рассеянного облака галактик Гончие Псы I (CVnI).
Кратко описывается история изучения этой аморфной группы. Отмечается, что около трех дюжин галактик этого комплекса, были ранее исследованы в линии На: Kennicutt et al. (1989), Hoopes et al. (1999), van Zee(2000), Gil de Paz et al. (2003), James et al. (2004) и Hunter & Elmegreen (2004),
11
однако, более половины других членов облака осталось вне поля зрения этих авторов. Отмечаются условия наблюдений и приводится журнал наблюдений. Приведены основные параметры 78 галактик, расположенных в облаке CVnl, в том числе и глобальные темпы звездообразования. Описываются индивидуальные особенности наблюдавшихся галактик, в частности, структура их HII областей. Обсуждаются полученные результаты. Приведено распределение 78 галактик в облаке CVnl по значениям SFR и абсолютной синей звездной величины Mß в сравнении с 41 галактикой из группы М 81. Показано, что яркие члены облака и группы М 81 следуют линейной зависимости SFR ос Ьв, а слабые карликовые галактики в обеих этих группах с Mß > — 13m демонстрируют систематический сдвиг относительно главной последовательности. Однако их смещение вниз но шкале SFR может быть существенно уменьшено при учете новых сценариев звездной эволюции, предложенных Weidner & Kroupa (2005).
В соотношении между SFR и водородной массой галактики Мщ спиральные и иррегулярные галактики показывают более крутую зависимость SFR от Mffi, чем от светимости Тд, а именно, SFR ос М]ц. Это свидетельствует о том, что карликовые dlrr галактики сохраняют относительно большие запасы газа для поддержания звездообразования (с наблюдаемыми сейчас темпами), чем спиральные галактики. Приведено распределение галактик групп CVnl и М 81 на диагностической диаграмме {р*,/*} “прошлое-будущее", характеризующей прошлое и будущее процесса звездо- ' образования в галактике при предположении о постоянстве наблюдаемого сейчас темпа звездообразования.
Члены облака CVnl, в целом располагаются довольно симметрично относительно начала координат, имея медианные значения р* = +0.02 и /* = —0.03. Это означает, что наблюдаемые темпы звездообразования у галактик облака оказались вполне достаточными для воспроизводства их наблюдаемой светимости (барионной массы). При этом галактики CVnl обладают запасами газа, достаточными для поддержания наблюдаемых темпов звездообразования на протяжении еще одного Хаббловского времени То, т.е. они находятся как раз на середине своего эволюционного пути. Для сравнения, медианные значения р* и /* у членов группы М 81 составляют, соответственно, —0.30 и +0.12, т.е. типичная величина SFR, взятая на единицу светимости у них в два раза ниже, чем у галактик CVnl. Но это различие легко объяснимо наличием в группе М 81 большого числа карликовых сфероидальных галактик, у которых современный темп звездообра-
12
зования может быть подавлен приливным “обдиранием” газа. В отличие от спиральных, у иррегулярных галактик низкой светимости процесс звездообразования происходит скорее всего в виде вспышек, чем в режиме равномерного “тления” (Dohm-Palmer et al. 2002, Dolphin et al. 2003, Skillman 2005, McConnachie et al. 2005, Young et al. 2007). Наиболее выразительными представителем карликовой галактики в стадии вспышки являются UGCA 281=Mkn 209 и UGC 6541=Мкп 178, у которых удельный темп звездообразования на единицу светимости в 20 раз и, соответственно, в 7 раз выше среднего значения. Аналогичным чуть меньшим избытком удельного SFR обладает известная “взрывающаяся” галактика М 82 в группе М 81.
Исследована зависимость между активностью звездообразования в галактике и близостью ее к другим соседям, которая характеризуется так называемым “приливным индексом” TL Наши данные не показывают зависимости между SFR и TI. Hunter & Elmegreen (2004) и Noeske et al. (2001) также не обнаружили связи между SFR у галактики и ее окружением. На окраине облака был обнаружен весьма интересный объект -изолированная (TI = —0.7) линзовидная галактика NGC 4460. В центре ее имеет место мощная вспышка звездообразования, которая способна исчерпать наличный запас газа галактики всего за 170 млн.лет. Вероятно, здесь мы наблюдаем редкое событие — взаимодействие S0 галактики с межгалактическим HI облаком.
Дается сравнение значений SFR по нашим данным с оценками других авторов. Приведена оценка средней плотности звездообразования SFR в облаке CVnI: Psfr = 0.12М©год_1Мпк“3.
Пятая глава диссертации посвящена наблюдениям в линии На небольшой группы галактик вокруг гигантской спирали NGC 6946, расположенной на низкой галактической широте В — 12°, в зоне сильного поглощения. Центральная галактика группы, NGC 6946, выделяется мощными очагами звездообразования вдоль спиральных ветвей и наличием пекулярного изолированного молодого звездного комплекса на окраине одного из рукавов (Efremov, 2007). Кратко описывается история обнаружения этой группы. Описываются условия наблюдений галактик группы. Приводятся основные параметры галактик- спутников NGC 6946 и отмечаются их индивидуальные свойства. Обсуждаются результаты наблюдений. Сделан вывод о том, что по интегральному темпу звездообразования спутники NGC 6946 располагаются в интервале 0.002 — 0.052М©/год, что, в общем-то, является
13