Постановка задачи.
Исторически сложилось так, что в начале 20-го века буквально взрыв в исследованиях звезд и звездных скоплений как в нашей Галактике, так и в других звездных системах создал ту основу, на которой и появилась собственно внегалактическая астрономия. Появление нового направления в астрономии состоялось благодаря работам Герцшпрунга и Рессела, Дункана и Аббе, Ливитт и Бейли, Шепли и Хаббла, Лундмар-ка и Кертиса, в которых устанавливалось почти современное понимание масштабов Вселенной.
В дальнейшем своем развитии внегалактическая астрономия зашла на такие расстояния, где отдельные звезды уже не были видны, но по-прежнему, астрономы, занимающиеся внегалактическими исследованиями, публиковали большое количество работ, которые так или иначе были связаны со звездной тематикой: с выяснением свети-мостей звезд, построением шкал расстояний, изучением эволюционных стадий тех или иных типов звезд.
Исследования звезд в других галактиках позволяют астрономам решать сразу несколько задач. Во-первых, уточнять шкалу расстояний. Понятно, что не зная точные расстояния мы не знаем и основные параметры галактик — размеры, массы, светимости. Открытие в 1929 г. Хабблом [1] зависимости между лучевыми скоростями галактик и расстояниями до них позволяет достаточно быстро определять расстояние до любой галактики на основе простого измерения ее лучевой скорости. Однако мы не можем использовать этот метод, если мы изучаем нехаббловские движения галактик, т. е. движения галактик, связанные не с расширением Вселенной, а с обычными законами гравитации. В этом случае нам нужна оценка расстояния, полученная не на основе измерения скорости, а на основе измерения других параметров. Известно, что галактики на расстояниях до 10 Мпс имеют собственные скорости, которые сравнимы с их скоростью в хаббловском расширении Вселенной. Суммирование двух почти одинаковых векторов скоростей, один из которых имеет случайное направление, приводит к странным и совершенно нереальным результатам, если мы будем использовать зависимость Хаббла при изучении пространственного распределения галактик. Т. е. и в этом случае мы не можем измерять расстояния на основе лучевых скоростей галактик.
Во-вторых, поскольку все галактики состоят из звезд, то изучая распределение и эволюцию звезд какой-либо галактики, мы так или иначе отвечаем на вопрос о морфологии и эволюции самой галактики. Т. е. полученная информация о звездном составе галактики ограничивает разнообразие применяемых моделей по происхождению и эволюции всей звездной системы. Таким образом, если мы хотим узнать происхождение и эволюцию галактик, нам совершенно необходимо изучить звездное население разных типов галактик до максимально глубокого фотометрического предела.
В эпоху фотографической астрономии исследования звездного населения галактик проводились на самых больших телескопах мира. Но все равно даже в такой близкой галактике, как М31, звездное население П типа, т. е. красные гиганты, находилось на пределе фотометрических измерений. Такое техническое ограничение возможностей привело к тому, что звездное население изучалось подробно и глубоко только в галактиках Местной группы, где, к счастью, присутствуют галактики почти всех типов. В 40-е годы Бааде [2] разделил все население галактик на два типа: яркие молодые сверхгиганты (тип I), находяш-иеся в тонком диске, и старые красные гиганты (тип П), занимающие более объемное гало. Позже Бааде [3] и Сэндидж [4] указали на присутствие во всех галактиках Местной группы населения II типа, т. е. старых звезд, которые были хорошо видны на периферии галактик. На снимках более далеких галактик были видны только яркие сверхгиганты, которые Хаббл использовал в свое время для определения расстояний до галактик при вычислении параметра расширения Вселенной.
Технический прогресс 90-х годов в развитии наблюдательных средств привел к тому, что достаточно слабые звезды стали доступны в галактиках и за пределами Местной группы, и появилась возможность реально сравнивать параметры звездного населения многих галактик. В то же время переход на ПЗС матрицы отметился и регрессом в изучении глобальных параметров распределения звездного населения галактик. Стало просто невозможно исследовать галактику размером 30 угловых минут светоприемником размером 3 угловые минуты. И только сейчас появляются ПЗС матрицы, по размерам сравнимые с прежними фотопластинками.
Общая характеристика работы АКТУАЛЬНОСТЬ.
Актуальность работы имеет несколько проявлений:
• Теория звездообразования и эволюции галактик, определение начальной функции масс при разнообразных физических условиях, а также этапы эволюции одиночных массивных звезд требуют получения прямых снимков галактик. Только сравнение наблюдений и теории способно дать дальнейшее движение в астрофизике. Нами получен большой наблюдательный материал, который уже дает побочные астрофизические результаты в виде кандидатов в LBV звезды, подтвержденных затем спектрально. Известно, что в данное время на HST ведется программа прямых снимков галактик «на будуш-ее», т. е. эти снимки востребуются только после вспышки в такой галактике сверхновой звезды П типа (сверхгиганта). Имеюш-ийся у нас архив незначительно уступает тому, что создается сейчас на HST.
• В настоящее время проблема определения точных растояний до галактик, как далеких так и близких, стала основной в работе больших телескопов. Если для больших расстояний целью такой работы является определение постоянной Хаббла с максимальной точностью, то на малых расстояниях целью является поиск локальных неод-нородностей распределения галактик. А для этого необходимы точные значения расстояний до галактик Местного комплекса. В первом приближении у нас уже получены данные по пространственному распределению галактик. Кроме того, калибровка методов расстояний требует точных значений для тех немногих ключевых галактик, которые являются базовыми.
• Только сейчас, после появления современных матриц, стало возможно глубоко изучать звездный состав галактик. Этим сразу открылся путь для воссоздания истории звездообразования галактик. И единственным исходным материалом для этого служат прямые изображения разрешаемых на звезды галактик, сделанные в разных фильтрах.
• История исследования слабых структур галактик насчитывает не один десяток лет. Особенно это стало актуально после получения из радионаблюдений протяженных кривых вращения спиральных и иррегулярных галактик. Полученные результаты указывали на существование значительных невидимых масс и поиск оптического проявления этих масс интенсивно ведется во многих обсерваториях. Полученные нами результаты показывают существование вокруг галактик поздних типов протяженных дисков, состоящих из старого звездного населения — красных гигантов. Учет массы этих дисков может ослабить проблему невидимых масс.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целями данной диссертационной работы являются:
1. Получение максимально большего однородного массива снимков галактик северного неба со скоростями менее 500 км/с и определение расстояний до галактик на основе фотометрии их ярчайших звезд.
2. Разрешение на звезды галактик, наблюдаемых в двух противоположных направлениях — в скоплении Девы и в группе N001023. Определение расстояний до названных групп и вычисление, на основе полученных результатов, постоянной Хаббла в двух противоположных направлениях.
3. Изучение звездного состава периферии иррегулярных и спиральных галактик. Определение пространственных форм галактик на больших расстояниях от центра.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
Для большого количества галактик на б-м телескопе получены глубокие изображения в дв}А цветах, позволившие разрешить галактики на звезды. Проведена фотометрия звезд снимков и построены диаграммы цвет — величина. На основе этих данных определены расстояния для 92 галактик, в том числе и в таких удаленных системах, как скопление в Деве или группа N001023. Для большинства галактик измерения расстояний сделаны впервые.
Измеренные расстояния использованы для определения постоянной Хаббла в двух противоположных направлениях, что позволило оценить градиент скорости между Местной группой и группой N001023, величина которого, как оказалось, мала и не превышает ошибок измерений.
Изучение звездного состава периферии галактик привело к открытию у иррегулярных галактик протяженных толстых дисков, состоящих из старых звезд, красных гигантов. Размеры таких дисков в 2−3 раза превышают видимые размеры галактик по уровню 25″ А/П". Найдено, что галактики на основе пространственного распределения красных гигантов имеют четко выраженные границы.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.
На 6-м телескопе получены многоцветные снимки около 100 разрешаемых на звезды галактик. В этих галактиках измерены цвета и блеск всех видимых звезд. Выделены гипергиганты и сверхгиганты с самой высокой светимостью.
На основании работ, в которых автор принимал самое непосредственное участие, впервые получен большой и однородный массив данных по измерению расстояний для всех галактик северного неба со скоростями меньше, чем 500 км/с. Полученные данные позволяют проводить анализ нехаббловских движений галактик Местного комплекса, что ограничивает выбор модели образования Местного «блина» галактик.
Определен состав и пространственная структура ближайших групп галактик на северном небе. Результаты работ позволяют проводить статистические сравнения параметров групп галактик.
Проведено исследование строения пространства в направлении на скопление галактик в Деве. Найдено несколько сравнительно близких галактик, расположенных между скоплением и Местной группой. Определены расстояния и выделены галактики, принадлежащие самому скоплению, и расположенные в разных частях периферии и центра скопления.
Определено расстояние до скоплений в Деве и Волосах Вероники и вычислена постоянная Хаббла. Измерен блеск ярчайших звезд 10 галактик группы N001023, лежащей на расстоянии 10 Мне. Определены расстояния до галактик и вычислена постоянная Хаббла в этом направлении. Оделан вывод о малом градиенте скорости между Местной группой и группой N001023, что можно объяснить недоминирующей массой скопления галактик в Деве.
На основании исследований пространственных распределений красных гигантов в галактиках поздних типов открыты толстые и протяженные диски из старых звезд. Размеры таких дисков в 2−3 раза больше, чем размеры видимого тела галактики. Найдено, что границы этих дисков имеют довольно резкие края, за пределами которых находится весьма мало звезд.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Результаты работ по разработке и внедрению методики фотометрии звезд на автоматических микроденситометрах АМД1 и АМД2 ОАО РАН.
2. Вывод калибровочной зависимости метода определения расстояний по голубым и красным сверхгигантам.
3. Результаты фотометрии звезд в 50 галактиках Местного комплекса и определение расстояний до этих галактик.
4. Результаты определения расстояний до 24 галактик в направлении на скопление в Деве. Определение постоянной Хаббла.
5. Результаты определения расстояний до галактик группы NOC1023 и определение постоянной Хаббла в противоположном от скопления в Деве направлении. Вывод о малом градиенте скорости между Местной группой и группой NGO1023.
6. Результаты исследования пространственного распределения звезд поздних типов в иррегулярных галактиках. Открытие протяженных дисков из красных гигантов вокруг иррегулярных галактик.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на семинарах ОАО РАН, ГАИШ, АИ ОПбГУ, а также на конференциях:
• Франция, 1993, In ESO/OHP Workshop «Dwarf Galaxies» eds. Meylan G., Prugniel P., Observatoire de Haute-Provence, France, 109.
• ЮАР, 1998, in lAU Symp. 192, The Stellar Content of Local Group Galaxies, ed. Whitelock P., and Gannon R., 15.
• Финляндия, 2000 «Galaxies in the M81 Group and IC342/Maffei Complex: The Structure and Stellar Populations», ASP Conference Series, 209, 345.
• Россия, 2001, Всероссийская Астрономическая конференция, 6−12 августа, Санкт-Петербург. Доклад: «Пространственное распределение звезд поздних типов в иррегулярных галактиках» .
• Мексика, 2002, Cozumel, 8−12 апреля, «Stars as, а Tracer of the Shape of Irregular Galaxies Haloes» .
По теме диссертации опубликовано 35 работ.
1. Тихонов Н. А., Результаты гиперсенсибилизации в водороде астропленок Каз-НИИ техпроекта, 1984, Сообщ. САО, 40, 81−85.
2. Тихонов Н. А., Фотометрия звезд и галактик на прямых снимках БТА. Ошибки фотометрии АМД-1, 1989, Сообщ. САО, 58, 80−86.
3. Tikhonov N.A., Bilkina B.I., Karachentsev ID., Georgiev Ts.B., Distance of nearby galaxies N00 2366,1С 2574, and NOG 4236 from photographic photometry of their brightest stars, 1991, A&AS, 89, 1−3.
4. Georgiev Ts. В., Tikhonov N.A., Karachentsev ID., Bilkina B. I" The brightest stars and the distance to the dwarf galaxy HoIX, 1991, A&AS, 89, 529−536.
5. Георгиев Ц. Б., Тихонов Н. А., Караченцев И. Д., Ярчайшие кандидаты в шаровые скопления галактики М81, 1991, Письма в АЖ, 17, 387.
6. Георгиев Ц. Б., Тихонов Н. А., Караченцев И. Д., Оценки В и V величин для кандидатов в шаровые скопления галактики М 81, 1991, Письма в АЖ, 17, nil, 994−998.
7. Tikhonov N.A., Georgiev Т.Е., Bilkina B.I. Stellar photometry on the 6-m telescope plates, 1991, Оообщ. ОАО, 67, 114−118.
8. Karachentsev I.D., Tikhonov N.A., Georgiev Ts.B., Bilkina B.I., Sharina M.E., Distances of nearby galaxies N0 0 1560, NGO 2976 and DDO 165 from their brightest stars, 1991, A&AS, 91, 503−512.
9. Georgiev Ts.B., Tikhonov N.A., Bilkina B.I., The brightest blue and red stars in the galaxy M81, 1992, A&AS, 95, 581−588.
10. Georgiev Ts.B., Tikhonov N.A., Bilkina B.I., The distribution of blue and stars around the M81, A&AS, 96, 569−581.
11. Tikhonov N.A., Karachentsev I.D., Bilkina B.I., Sharina M.E., Distances to three nearby dwarf galaxies from photometry of their brightest stars, 1992, A& A Trans, 1, 269−282.
12. Georgiev Ts.B., Bilkina B.I., Tikhonov N.A., Getov R., Nedialkov P., The precise coordinates of the supergiants and globular cluster candidates of the galaxy M 81, 1993, Bull SAO, 36, 43.
13. Karachentsev I.D., Tikhonov N.A., Photometric distances to the nearby galaxies 10 10, 10 342 and UA 86, visible throught the Milky Way, 1993, A&A, 100, 227−235.
14. Tikhonov N.A., Karachentsev I.D., Photometric distances to five dwarf galaxies in the vicinity of M 81, 1993, A&A, 275, 39.
15. Karachentsev I., Tikhonov N., Sazonova L., The brightest stars in three irregular dwarfs around M 81, 1994, A&AS, 106, 555.
16. Karachentsev I., Tikhonov N., Sazonova L., NGC 1569 and UGCA 92 — a nearby pair of galaxies in the Milky Way zone, 1994, Letters to Soviet AJ, 20, 90.
17. Karachentsev L, Tikhonov N., New photometric distances for dwarf galaxies in the Local Volume, 1994, A&A, 286, 718.
18. Tikhonov N., Karachentsev L, Maffei 2, a nearby galaxy shielded by the Milky Way, 1994, Bull. SAO, 38, 3.
19. Георгиев Ц., Вилкина В., Караченцев И., Тихонов Н. Звездна фотометрия и раз-стояния до близки галактики: Две различии оценки на парамет’ра на Х’бл. 1994, Оборник с доклади ВАН, София, с. 49.
20. Tikhonov N., Irregular galaxy Casl — a new member of the Local Group, As-tron.Nachr., 1996, 317, 175−178.
21. Tikhonov N., Sazonova L., A colour — magnitude diagram for Pisces dwarf galaxy, AN, 1996, 317, 179−186.
22. Шарина M.E., Караченцев И. Д., Тихонов H.A., Фотометрическое расстояние до галактики N0 0 6946 и ее спутника, 1996, Письма в АЖ, 23, 430−434.
23. Sharina М.Е., Karachentsev I.D., Tikhonov N.A., Photometric distances to NGC 628 and its four companions, 1996, A&AS, 119, n3. 499−507.
24. Georgiev Ts. В., Tikhonov N.A., Karachentsev I.D., Ivanov V.D. Globular cluster candidates in the galaxies NGC 2366,1С 2574 and NGC 4236, 1996, A&A Trans, 11, 39−46.
25. Tikhonov N.A., Georgiev Ts. В., Karachentsev I.D., Brightest star cluster candidates in eight late-type galaxies of the local complex, 1996, A&A Trans, 11, 47−58.
26. Георгиев Ц. Б., Караченцев И. Д., Тихонов Н. А., Модули расстояния до 13 близких изолированных карликовых галактик, Письма в АЖ, 1997, 23, 586−594.
27. Tikhonov N. А., The deep stellar photometry of the ICIO, 1998, in lAU Symposium 192, ed. P. Whitelock and R. Cannon, 15.
28. Tikhonov N.A., Karachentsev I.D., CCD photometry and distances of six resolved irregular galaxies in Canes Venatici, 1998, A&AS, 128, 325−330.
29. Sharina M. E., Karachentsev I.D., Tikhonov N.A., Distances to Eight Nearby Isolated Low-Luminosity Galaxies, 1999, AstL, 25, 322S.
30. Tikhonov N.A., Karachentsev I. D., Distances to the Two New Companions of M 31, 1999, AstL, 25, 332.
31. Drozdovskii 1.0., Tikhonov N.A., The stellar content and distance to the nearby blue compact dwarf galaxy NGC 6789, 2000, A&AS, 142, 347D.
32. Aparicio A., Tikhonov N.A., Karachentsev I.D., DDO 187: do dwarf galaxies have extended, old halos? 2000, AJ, 119, 177A.
33. Aparicio A., Tikhonov N.A., The spatial and age distribution of stellar population in DDO 190, 2000, AJ, 119, 2183A.
34. Lee M., Aparicio A., Tikhonov N, Byin Y.-I, Kim E., Stellar populations and the Local Group membership of the dwarf galaxy DDO 210, 1999, AJ, 118, 853−861.
35. Tikhonov N.A., Galazutdinova O.A., Drozdovskii I.O., Distances to 24 Galaxies in the Direction of the Virgo Cluster and a Determination of the Hubble Constant, 2000, Afz, 43, 367.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.
Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, списка цитируемой литературы и Приложения.
Основные выводы этой главы касаются иррегулярных и в меньшей степени спиральных галактик. Поэтому следует рассмотреть эти типы галактик более подробным образом, сосредоточив основное внимание на различии и сходстве между ними. Мы касаемся в минимальной степени тех параметров галактик, которые никак не проявляются в наших исследованиях.
6.2.1 Вопросы классификации галактик.
Исторически сложилось так, что вся классификация галактик создана на основе снимков, полученных в синих лучах спектра. Естественно, что на этих снимках особо ярко выделяются те объекты, которые имеют голубой цвет, т. е. области звездообразования с яркими молодыми звездами. Такие области образуют в спиральных галактиках эффектно выделяюш-иеся ветви, а в иррегулярных галактиках — разбросанные почти хаотично по телу галактик яркие участки.
Видимое различие в распределении областей звездообразования и стало той начальной границей, которая разделила спиральные и иррегулярные галактики независимо от того, проводится ли классификация по Хабблу, Вокулеру или ван ден Бергу 192,193,194]. В некоторых системах классификации авторы пытались учесть и другие параметры галактик, кроме их внешнего вида [195], но наиболее распространенной осталась самая простая классификация Хаббла.
Естественно, что суш-ествуют физические причины для различия в распределении областей звездообразования в спиральных и иррегулярных галактиках. В первую очередь это разница в массах и скоростях враш-ения, однако первоначальная классификация исходила только из вида галактик. В то же время граница между этими двумя типами галактик весьма относительна, поскольку многие яркие иррегулярные галактики имеют признаки спиральных ветвей или бароподобной структуры в центре галактики. Большое Магелланово облако, которое служит образцом типичной иррегулярной галактики, обладает баром и слабыми признаками спиральной структуры, характерной для галактик типа Sc. Признаки спиральной структуры иррегулярных галактик особенно заметны в радиодиапазоне при изучении распределения нейтрального водорода. Как правило, вокруг иррегулярной галактики суш-ествует протяженное газовое облако, в котором часто видны признаки спиральных ветвей, (например, у ICIO 196], Holl [197], IC2574 [198]).
Следствием такого плавного перехода обш-их свойств от спиральных галактик к иррегулярным является субъективность при морфологических определениях типов галактик разными авторами. Более того, если бы первые фотопластинки были бы чувствительны к инфракрасным лучам, а не к синим, то и классификация галактик была бы иной, поскольку области звездообразования не выделялись бы в галактиках наиболее заметным образом. На таких инфракрасных снимках лучше всего видны те области галактик, где содержится старое звездное население — красные гиганты.
Любая галактика в ИК диапазоне имеет сглаженный вид, без контрастно выделяющихся спиральных ветвей или областей звездообразования, а наиболее ярко проявляются диск и балдж галактики. На снимках в ИК диапазоне Irr галактики видны как дисковые карликовые галактики, ориентированные к нам под разными углами. Это хорошо видно в ИК атласе галактик [199]. Таким образом, если бы классификация галактик изначально проводилась на основе снимков в инфракрасном диапазоне, то и спиральные и иррегулярные галактики попали бы в одну группу дисковых галактик.
6.2.2 Сравнение общих параметров спиральных и иррегулярных галактик.
Непрерывность перехода от спиральных галактик к иррегулярным видна при рассмотрении глобальных параметров у последовательности галактик, т. е от спиральных: Sa Sb Sc к иррегулярным: Sd Sm Im [200]. Все параметры: массы, размеры, содержание водорода указывают на единый класс галактик. Аналогичную непрерывность имеют и фотометрические параметры галактик: светимость и цвет. тиках, мы и не пытались придирчиво выяснять точный тип галактики. Как показал дальнейший опыт, параметры распределения звездного населения в карликовых спиральных и в иррегулярных галактиках примерно одинаковы. Это еш-е раз подчеркивает, что оба типа галактик следует объединять под одним названием — дисковые.
6.2.3 Пространственные формы галактик.
Обратимся к пространственному строению галактик. Уплощенность форм спиральных галактик не требует пояснения. При описании этого типа галактик, на основе фотометрии выделяют обычно балдж и диск галактики. Поскольку протяженные и плоские кривые лучевых скоростей спиральных галактик требуют своего объяснения в виде присутствия значительных масс невидимой материи [201], то в морфологию галактик часто добавляют и протяженное гало. Попытки найти видимое проявление такого гало делались неоднократно [202,203 .
Менее известный факт — это уплощенность форм иррегулярных галактик. Ходж и Хичкок [204], изучив отношение размеров 131 иррегулярной галактики приходят к выводу об уплощенности их пространственных форм. Другой подход к изучению форм иррегулярных галактик состоял в поиске корреляции между расположением областей звездообразования и формой галактики. В статье [205] говорится о существовании корреляции между пространственными распределениями молодого и старого звездных населений. Это легко объяснимо с точки зрения плоских форм галактик. В галактике, видимой нам под большим углом, и старые и молодые звезды будут иметь вытянутое вдоль большой оси распределение. В работе Хантер [206] прямо сказано, что иррегулярные галактики — это дисковые галактики. К сожалению, в этой работе не приводится наблюдательных фактов, подтверждающих высказанное утверждение.
В спиральных галактиках поверхностная яркость диска изменяется вдоль радиуса галактики по экспоненциальному закону. Оовершенно аналогичное изменение поверхностной яркости мы видим и в иррегулярных галактиках [207,208]. Причем во многих случаях отсутствие центрального сгущения или балджа у иррегулярных галактик приводит к тому, что на фотометрических разрезах видна только экспоненциальная дисковая составляющая галактики без признаков других составляющих.
Для выяснения форм иррегулярных галактик вдоль оси Z требуются наблюдения галактик, видимых с ребра. Поиск таких галактик по каталогу LEDA [209] при селекции по скорости вращения, отношению осей и размеров привел нас к составлению списка из нескольких десятков галактик, большая часть которых расположена на больших расстояниях. При глубокой поверхностной фотометрии можно выявить существование подсистем низкой поверхностной яркости и измерить их фотометрические характеристики. Низкая яркость подсистемы вовсе не означает ее малое влияние на жизнь галактики, поскольку масса такой подсистемы может быть достаточно большой из-за большого значения M/L.
UGCB760, ВТА. 1800s.
20 40 60 во RADIUS (arcsec).
50 100 150.
Position (PRCSEC).
Рис. 29: Распределение цвета (У — Я) вдоль большой оси галактики N008760 и ее изофоты до НЕ — 27А5.
На рис. 29 представлены полученные нами на ВТА результаты поверхностной фотометрии иррегулярной галактики 11 008 760. Изофоты этой галактики показывают, что при глубоких фотометрических пределах форма внешних частей галактики близка к овалу. Во-вторых, слабые изофоты галактики продолжаются по большой оси существенно дальше основного тела галактики, где видны яркие звезды и области звездообразования.
Видно продолжение дисковой составляюш-ей за пределы основного тела галактики. Рядом представлено изменение цвета от центра галактики до самых слабых изофот.
Фотометрические измерения показали, что главное тело галактики имеет цвет (У —й) = 0.25, что совершенно типично для иррегулярных галактик. Измерения цвета областей, далеких от основного тела галактики дают значение {V — К) = 1.2. Такой результат означает, что слабые = 27.5'" /П") и протяженные (в 3 раза больше, чем размер основного тела) внешние части этой галактики должны состоять из красных звезд. Узнать тип этих звезд не представлялось возможным, так как галактика находится дальше фотометрических пределов ВТА.
После такого результата стало понятно, что нужны исследования близких иррегулярных галактик, чтобы можно было более определенно сказать о звездном составе и о пространственных формах слабых внешних частей галактик.
О 2 4.
V-I (mag).
Рис. 30: Сравнение металличности красных сверхгигантов гигантских (М81) и карликовых галактик (Holl). Положение ветви сверхгигантов весьма чувствительно отзывается на металличность галактики.
6.2−4 Звездный состав галактик.
Звездный состав спиральных и иррегулярных галактик совершенно одинаков. На основании одной только диаграммы Г — Р почти невозможно определить тип галактики. Некоторое влияние вносит статистический эффект, в гигантских галактиках рождаются более яркие голубые и красные сверхгиганты. Однако масса галактики все же проявляет себя в параметрах рождающихся звезд. В массивных галактиках все тяжелые элементы, образовавшиеся при эволюции звезд, остаются в пределах галактики, обогащая металлами межзвездную среду. Вследствии этого все последующие поколения звезд в массивных галактиках имеют повышенную металличность. На рис. 30 показано сравнение диаграмм Г — Р массивной (М81) и карликовой (Holl) галактик. Явно видно различное положение ветвей красных сверхгигантов, что является индикатором их метал личности. Для старого звездного населения — красных гигантов — в массивных галактиках наблюдается существование звезд в большом диапазоне метал-личности 210], что сказывается на ширине ветви гигантов. В карликовых галактиках наблюдаются узкие ветви гигантов (рис. 3 $) и малые значения металличности [113 iiilliiiliiiiliii" iBIIlliiilii.
-. AWAA .V:.r>: -Гг.-Л.
Рис. 31: Границы галактики 1010 на основе распространенности красных гигантов. Отмечены поля, изученные по снимкам БТА.
6.3 Периферия галактик.
За все прошедшие десятилетия периферия галактик привлекала крайне мало внимания астрономов. Это понятно, поскольку все бурные и впечатляюш-ие процессы звездообразования протекают в центральных частях галактик. Вблизи центра галактик происходит большая часть вспышек новых звезд. Вблизи центра видны массивные газопылевые облака, видна эволюция галактики. На периферии ничего этого не видно. Если же мы хотим изучать действительно слабые внешние части галактик, то нам нужны сверхдлинные экспозиции, чтобы дойти до слабых изофот. Кроме того, необходимо будет преодолеть многие технические трудности, связанные с неоднородностью самих светоприемников и т. д. Вероятно, это и явилось причиной скудного исследования далекой периферии галактик за последнее десятилетие. Немалую роль внес и переход с фотопластинок, имеющих большое поле, на ПЗС системы, имеющие поле в 5−10 раз меньшее. Стало необходимостью получать очень много ПЗС снимков, чтобы охватить всю галактику. И только в последние два-три года появились ПЗС системы с полями 1° X 1°. Трудности оптических наблюдений, и наоборот, легкость радионаблюдений, привели к тому, что основной вклад в изучение периферии спиральных и иррегулярных галактик внесли радионаблюдения в нейтральном водороде. Поскольку водородные диски по размеру превосходят видимые оптические, то изучение кинематики галактик можно проводить точнее на основе радионаблюдений [211]. Из радионаблюдений выяснилось несоответствие кривых вращения с видимым распределением материи в галактиках, что потребовало введения невидимых масс [201]. А это инициировало поиски слабосветящегося гало и усилило интерес к изучению периферии галактик.
6.3.1 Галактики, видимые «плашм.я!' и «с ребра» .
При изучении звездного населения галактики ICIO мы установили что красные гиганты этой галактики тянутся далеко от ее центра (рис. 31) образуя диск или гало 212]. Поверхностная плотность гигантов изменяется по экспоненциальному закону, что соответствует дисковой составляющей (рис. 32). Аналогичное поведение красных гигантов было обнаружено нами и в галактике IC1613.
Рис. 32: Изменение поверхностной плотности красных гигантов в поле F5 галактики ICIO. На границе диска виден скачок плотности гигантов, которая падает за границей диска не до нуля. Подобный эффект наблюдается в спиральной галактике МЗЗ. Масштаб графика в минутах дуги от центра.
Учитывая эти результаты и все сказанное ранее об иррегулярных галактиках, можно было предполагать, что именно старые звезды красные гиганты и образуют протяженную периферию галактик, тем более, что о суш-ествовании красных гигантов на окраинах галактик Местной группы известно со времен В.Вааде. Несколько лет назад в работах Минити и его коллег было объявлено, что они нашли гало из красных гигантов вокруг двух галактик: WLM и NGC3109 [213,214], но в публикациях не исследовался вопрос об изменении плотности гигантов с расстоянием от центра и о размерах таких гало.
Для определения закона изменения поверхностной плотности звезд разного типа, в том числе и гигантов, нужны были глубокие наблюдения близких галактик, распо.
Рис. 33: Изменение плотности звезд в галактиках ВВ0 187 и ВВ0190 от центра к краю. Заметно, что красные гиганты не достигли своей границы и имеют продолжение за пределами нашего снимка. Масштаб графика в секундах дуги. ложенных плашмя, как это наблюдается у ICIO.
Наши наблюдения на 2.5-м Nordic телескопе галактик DD0187 и DDO 190 [78,79] подтвердили, что и у этих иррегулярных галактик, видимых плашмя, наблюдается экспоненциальное падение поверхностной плотности красных гигантов от центра к краю галактики. Причем протяженность структуры из красных гигантов намного превосходит размер основного тела каждой галактики (рис. 33). Край этого гало/диска находится за пределами применяемой ПЗС матрицы. Экспоненциальное изменение плотности гигантов было найдено и в других иррегулярных галактиках [215,216]. Поскольку все исследованные галактики ведут себя одинаковым образом, то можно говорить, как об установленном факте, об экспоненциальном законе изменения плотности старого звездного населения — красных гигантов, что соответствует дисковой составляюш, ей. Однако это еш-е не доказывает суш-ествования дисков.
Подтвердить реальность дисков можно только из наблюдений галактик, видимых с ребра. Наблюдения таких галактик для поиска видимого проявления массивного гало проводились неоднократно с использованием разнообразной аппаратуры и в разных областях спектра [202,203]. Неоднократно объявлялось об открытии такого гало. Наглядный пример сложности этой задачи прослеживается в публикациях. Несколько независимых исследователей объявили об открытии такого гало вокруг N005007 [217,218]. Последовавшие затем наблюдения [219] на светосильном телескопе с суммарной экспозицией в 24 часа (!) закрыли вопрос о существовании видимого гало этой галактики.
Среди близких иррегулярных галактик, видимых с ребра, внимание привлекает карлик в Пегасе, неоднократно исследованный [220]. Наблюдения на БТА нескольких полей позволили нам полностью проследить в нем изменение плотности звезд разных типов как вдоль большой, так и вдоль малой оси. Результаты представлены на рис. 34, 35. Они доказывают, что, во-первых, структура из красных гигантов имеет размер в три раза больше, чем основное тело галактики. Во-вторых, форма распределения по оси Ъ близка к овалу или эллипсу. В третьих, не заметно какого-либо гало, состоящего из красных гигантов.
Рис. 34: Границы галактики Pegasus Dwarf на основе изучения красных гигантов. Отмечены расположения снимков БТА.
RGB v 4 о о.
AGB blue stars Q О О.
PegDw ж ««(Ж жоко* 0 0 оооооаооо.
200 400 600 majoraxis.
Рис. 35: Распределение поверхностной плотности звезд разных типов вдоль большой оси галактики Pegasus Dwarf. Видна граница диска, где происходит резкое падение плотности красных гигантов. о 1.
О О.
Наши дальнейшие результаты основаны на фотометрии снимков НЗТ, полученных нами из архива свободного доступа. Поиск снятых на НЗТ галактик, разрешаемых на красные гиганты и видимых плашмя и с ребра дал нам около двух десятков кандидатов для изучения. К сожалению, недостаточное для нас поле зрения НЗТ иногда препятствовало целям нашей работы — проследить параметры распределения звезд.
После стандартной фотометрической обработки были построены диаграммы Г — Р для этих галактик и выделены звезды разного типа. Их исследование показало:
1) У галактик видимых плашмя падение поверхностной плотности красных гигантов следует экспоненциальному закону (рис. 36).
-|-1−1-1-Е-1−1-1−1-1−1-1−1—<�тГ.
PGC39032 / ш «» .
15 red giants Z ш.
15 1 о.
50 100 150.
РАО.
Рис. 36: Экспоненциальное изменение плотности красных гигантов у карликовой галактики РСС39 032 от центра до края на основе НЗТ наблюдений.
2) Ни у одной галактики, видимой с ребра не наблюдается протяженного, по оси 2, гало из красных гигантов (рис. 37).
3) Форма распределения красных гигантов по оси Ъ имеет вид овала или эллипса (рис. 38).
Учитывая случайность выборки и однообразие полученных результатов по форме распределения гигантов у всех исследованных галактик, можно утверждать, что такой закон распределения красных гигантов имеют большинство галактик. Отклонения от общего правила возможны, например, у взаимодействующих галактик.
Следует отметить, что среди исследованных галактик были как иррегулярные, так и спиральные галактики, не являющиеся гигантскими. Нами не найдено существенных различий между ними в законах распределения красных гигантов по оси 2, за исключением градиента падения плотности гигантов.
6.3.2 Пространственное распределение звезд.
Выделяя на диаграмме Г — Р звезды разных типов, мы можем видеть их распределение на снимке галактики или вычислить параметры их пространственного распределения по телу галактики.
Общеизвестно, что молодое звездное население иррегулярных галактик сосредоточено в областях звездообразования, которые хаотично разбросаны по телу галактики. Однако видимая хаотичность сразу исчезает, если проследить вдоль радиуса галактики изменение поверхностной плотности молодых звезд. На графиках рис. 33 видно, что на общее, близкое к экспоненциальному, распределение накладываются местные флуктуации, связанные с отдельными областями звездообразования.
Для более старого населения — звезд продленной асимптотической ветви гигантов, распределение имеет меньший градиент падения плотности. И самый малый градиент имеет древнее население — красные гиганты. Выло бы интересно проверить эту зависимость для заведомо самого древнего населения — звезд горизонтальной ветви, однако в тех галактиках, где достижимы эти звезды, мы видим их недостаточное количество для статистических исследований. Явно видимая зависимость возраста звезд и параметров пространственной плотности может иметь вполне логичное объяснение: хотя звездообразование наиболее интенсивно происходит вблизи центра галактики, но орбиты звезд со временем приобретают все большие и большие размеры, и за время в несколько млрд. лет звезды могут удалиться на периферию галактик. Трудно пред.
Рис. 37: Падение плотности красных гигантов по оси 2 в нескольких галактиках, видимых с ребра.
Рис. 38: На изображении видимой почти с ребра карликовой галактики отмечены положения найденых красных гигантов. Общий вид распределения — овал или эллипс ставить, как такой эффект можно проверить в наблюдениях. Вероятно, только моделирование эволюции диска галактики может помочь при реигении подобных гипотез [221],[222].
6.3.3 Структура иррегулярных галактик.
Суммируя сказанное в других разделах можно представить себе строение иррегулярной галактики следующим образом: наиболее протяженную по всем координатам звездную систему образуют красные гиганты. Форма их распределения — толстый диск, имеющий экспоненциальное падение поверхностной плотности гигантов от центра к краю. Толщина диска почти одинакова на всем его протяжении. Более молодые звездные системы имеют вложенные в этот диск свои подсистемы. Чем моложе звездное население, тем тоньше тот диск, который оно образует. И хотя самое молодое звездное население, голубые сверхгиганты, распределено по отдельным хаотичным областям звездообразования, в целом и оно подчиняется общей закономерности. Все вложенные подсистемы не избегают друг друга, т. е. в областях звездообразования могут находиться старые красные гиганты. Для самых карликовых галактик, где одна область звездообразования занимает всю галактику, эта схема весьма условна, но относительные размеры дисков молодого населения и старого выполняются и для таких галактик.
Если же для завершения обзора структуры иррегулярных галактик привлечь и радиоданные, то окажется, что вся звездная система погружена в диск или облако нейтрального водорода. Размеры диска из HI, как это следует из статистики 171 галактики [211], примерно в 5−6 раз больше, чем видимое тело галактики на уровне Ив = 25″ *. Для прямого сравнения размеров водородных дисков и дисков из красных гигантов мы имеем слишком мало данных.
В галактике ICIO размеры обоих дисков примерно равны. Для галактики в Пегасе водородный диск почти в два раза меньше, чем размер диска из красных гигантов. А галактика NGC4449, имеющая один из самых протяженных водородных дисков, вряд ли имеет столь же протяженный диск из красных гигантов. ках подтверждается не только нашими наблюдениями. Мы уже упоминали сообщения Минити и его коллег об открытии гало [213,214]. Получив изображение только части галактики, они приняли размер толстого диска по оси Ъ за проявление гало, о чем и сообщили, не пытаясь исследовать распределение звезд в этих галактиках по большой оси.
Мы в своих исследованиях не затрагивали гигантские галактики, но если рассмотреть структуру нашей Галактики, то для нее уже существует понятие «толстый диск» для малометалличного старого населения [223]. Что касается термина «гало», то он применим, как нам кажется, к сферическим, но не к уплощенным системам, хотя это дело только терминологии.
6.3.4 Границы галактик.
Вопрос о границах галактик вероятно не исследован еще до конца. Тем не менее наши результаты могут внести определенный вклад в его решение. Обычно считается, что звездная плотность на краях галактик постепенно сходит до нуля и границ галактик, как таковых, просто не существует. Мы измерили поведение самой протяженной подсистемы, состоящей из красных гигантов, вдоль оси Z. В тех галактиках видимых с ребра, данные о которых мы получили при фотометрии снимков, поведение плотности красных гигантов было единообразным: происходило экспоненциальное падение плотности до нуля (рис. 37). Т. е. галактика по оси Z имеет резко выраженный край, и звездное население ее имеет вполне определенную границу, а не сходит постепенно на нет.
Более сложно исследовать поведение звездной плотности вдоль радиуса галактики в том месте, где звезды исчезают. Для галактик, видимых с ребра, размер диска определять более удобно. У галактики в Пегасе вдоль большой оси видно резкое падение численности красных гигантов до нуля (рис. 36). Т. е. галактика имеет вполне резкую границу диска, за которой практически нет красных гигантов. Галактика Ю10, в первом приближении, ведет себя подобным образом. Плотность звезд уменьшается, и на некотором расстоянии от центра галактики наблюдается резкое уменьшение их численности (рис. 33). Однако в данном случае уменьшение не происходит до нуля. Заметно, что красные гиганты существуют и за пределами радиуса скачка их плотности, но за этим пределом они имеют другое пространственное распределение, чем-то, которое они имели ближе к центру. Интересно отметить, что в спиральной галактике МЗЗ красные гиганты распределены аналогично [224]. Т. е. экспоненциальное падение плотности, скачок и продолжение за радиусом этого скачка. Было предположение, что это поведение связано с массой галактики (ICIO — самая массивная иррегулярная галактика, после Магеллановых облаков, в Местной группе), но нашлась малая галактика с таким же характером поведения красных гигантов (рис. 37). Неизвестны параметры красных гигантов за пределами радиуса скачка, отличаются ли они по возрасту и ме-талличности? Каков тип пространственного распределения для этих далеких звезд? К сожалению, сегодня мы не можем ответить на эти вопросы. Нужны исследования на больших телескопах с широким полем.
Насколько велика статистика наших исследований, чтобы говорить о существовании толстых дисков у галактик поздних типов, как о распространенном или общем явлении? У всех галактик, которые имели достаточно глубокие изображения, мы выявили протяженные структуры 1Ш1фасньГх гигантовА.
Исследовав архив НЗТ мы нашли изображения 16 галактик, видимых с ребра или плашмя, и разрешаемых на красные гиганты. Эти галактики расположены на расстояниях 2−5 Мне. Их список: N002976, ВБ053, 165, К52, К73, 190, 187, иОСА438, Р481 1 1, Р0С39 032, РОС9962, N002366, и0С8320, иОСА442, N00625, N001560.
Экспонециальное падение плотности для галактик плашмя и вид распределения красных гигантов вокруг галактик, видимых с ребра, доказывает, что во всех этих случаях мы видим проявления толстых дисков.
6.4 Диски из красных гигантов и скрытая масса иррегулярных галактик.
Радионаблюдения в Н1 спиральных и карликовых галактик показали малое отличие в поведении кривых вращения галактик. Для обоих типов галактик для объясне.
119 ния формы кривых вращения требуется присутствие значительных масс невидимой материи [211]. Могут ли протяженные диски, найденные нами у всех иррегулярных галактик, быть той искомой невидимой материей? Массы самих красных гигантов, которые мы наблюдаем в дисках конечно совершенно недостаточно. Используя наши наблюдения галактики 1С1613 мы определили параметры падения плотности гигантов к краю и вычислили их полное количество и массу во всей галактике. Оказалась, что Mred/Lgal = 0.16. Т. е. учет массы звезд ветви гигантов незначительно увеличивает массу всей галактики. Однако следует помнить, что стадия красного гиганта — сравнительно недолгий этап в жизни звезды. Поэтому следует внести существенные поправки в массу диска, учитывая количество менее массивных звезд и тех звезд, которые уже прошли стадию красного гиганта. Было бы интересно, на основе очень глубоких наблюдений близких галактик проверить населенность ветвей субгигантов и провести вычисления их вклада в обшую массу галактики, но это дело будущего.
Заключение
.
Подводя итоги работы, остановимся еще раз на основных результатах.
На 6-м телескопе получены глубокие многоцветные снимки около 100 разрешаемых на звезды галактик. Создан архив данных. К этим галактикам можно обращаться при изучении звездного населения, в первую очередь переменных звезд высокой светимости типа LBV. В исследованных галактиках измерены цвета и блеск всех видимых звезд. Выделены гипергиганты и сверхгиганты самой высокой светимости.
Получен большой и однородный массив данных по измерению расстояний для всех галактик северного неба со скоростями меньше чем 500 км/с. Результаты, полученные лично диссертантом весьма значимы среди всего объема данных. Полученные измерения расстояний позволяют проводить анализ нехаббловских движений галактик Местного комплекса, что ограничивает выбор модели образования Местного «бли-на» галактик.
На основании измерений расстояний, определен состав и пространственная структура ближайших групп галактик на северном небе. Результаты работ позволяют проводить статистические сравнения параметров групп галактик.
Проведено исследование распределения галактик в направлении на скопление галактик в Деве. Найдено несколько, сравнительно близких, галактик расположенных между скоплением и Местной группой. Определены расстояния и выделены галактики принадлежащие самому скоплению и расположенные в разных частях периферии и центра скопления.
Определено расстояние до скоплений в Деве, которое получилось равным 17.0 Мпс и Волосах Вероники, равное 90 Мпс. На этой основе вычислена постоянная Хаббла, равная Яо = 77± 7 км/с/Мпс.
На основании фотометрии снимков БТА и HST измерен блеск ярчайших звезд в 10 галактиках группы N001023, лежащей на расстоянии 10 Мпс. Определены расстояния до галактик и вычислена постоянная Хаббла в этом направлении. Сделан вывод о малом градиенте скорости между Местной группой и группой NGC1023, что можно.
121 объяснить сравнительно малой массой скопления галактик в Деве по сравнению со всеми галактиками окружения.
На основании исследований пространственных распределений красных гигантов в галактиках поздних типов открыты толстые и протяженные диски из старых звезд. Размеры таких дисков в 2−3 раза больше, чем размеры видимого тела галактики. Найдено, что границы этих дисков имеют довольно резкие края, за пределами которых находится весьма мало звезд.
Несмотря на проведенные масштабные исследования расстояний до галактик северного неба, на будуш-ее осталось вопросов не меньше, чем их было до начала работ. Но вопросы эти уже другого качества, поскольку сейчас, особенно, в связи с работой космических телескопов, появилась возможность делать точные измерения, которые могут изменить наши представления о ближнем космосе. Это касается состава, строения и кинематики близких групп галактик, расстояния до которых интенсивно определяются ТКОВ методом.
Периферия галактик привлекает к себе все большее внимание, особенно из-за поисков темной материи и истории образования и эволюции дисков галактик. Замечательно, что осенью 2002 года в обсерватории Ловелла будет проведено первое совеш-ание по периферии галактик.
Благодарности.
За те долгие годы, что выполнялась работа по теме представленной мною диссертации, многие люди, так или иначе, оказывали мне помощь в работе. Я благодарен им за эту поддержку.
Но мне особенно приятно выразить благодарность тем, чью помощь я ощущал постоянно. Без высшей квалификации Коротковой Галины, работа над диссертацией затянулась бы на неимоверно долгий срок. Увлеченность и цепкостьв выполнении работы, которые проявляются у Галазутдиновой Ольги, позволили мне за достаточно короткий срок получить результаты по большому числу объектов в Деве и N001023. Дроздовский Игорь своими небольшими сервисными программами оказывал нам большую помощь при фотометрии десятков тысяч звезд.
Я благодарен Российскому Фонду Фундаментальных Исследований, чьи гранты я получил (95−02−5 781, 97−02−17 163,00−02−16 584), за финансовую поддержку в течение восьми лет, что позволило мне более эффективно проводить исследования.
