Поиск и детальные исследования голубых компактных галактик с наибольшим дефицитом металлов

Голубые компактные галактики (Blue Compact Galaxies — BCGs) — это маломассивные, богатые газом галактики с темпом текущего звездообразования, который во много раз превышает средний темп за все время жизни галактики. Такие эпизоды интенсивного звездообразования называют вспышками. Длительность вспышек — от единиц до нескольких десятков миллионов лет. Во время вспышек формируется большое количество массивных горячих звезд класса О, В, суммарное излучение которых ионизует огромные массы газа. Это приводит к появлению гигантских зон ионизованного водорода вокруг молодых скоплений звезд. Поэтому характерными деталями оптических спектров BCGs яляются сильные эмиссионные линии, типичные для Н II областей Галактики. В большинстве случаев BCGs удается находить среди множества других галактик по сильным эмиссионным линиям На, Н/3 и [О Ш]АА4959,5007А на спектрах, полученных в обзорах с объективной призмой. Быстрая эволюция массивных О звезд приводит к образованию звезд Вольфа-Райе и вспышкам сверхновых с наблюдаемыми скоростями движения ионизованного газа тысячи км/с. Поэтому, в ряде случаев, в спектрах голубых компактных галактик можно видеть проявления массивных звезд в виде широких линий ионов гелия, азота, углерода, широких компонент линий На, Н/? и [О III]AA4959,5007A. Морфология BCGs достаточно многообразна, что, по-видимому, свидельствует в пользу разного типа родительских галактик. Часто область звездообразования локализована вблизи центра галактики, однако различные случаи нецентральной или нескольких зон интенсивного звездообразования также нередки. Причины «вспышек» могут быть и внешними, и внутренними. Однако для большинства голубых компактных галактик взаимодействия с другими галактиками являются, по-видимому, основным триггером «вспышек» .

Как и для большинства других маломассивных галактик, для BCGs характерна пониженная металличность Z1. Ее типичный диапазон от 1/15 до.

1 В случае BCGs наиболее хорошо в сравнении с другими тяжелыми элементами изучено содержание кислорода О/Н в НИ областях. Поэтому в данной работе под термином металличность Z подразумева.

1/3 Zq. Из более чем 1000 каталогизированных BCGs известны около 3-х десятков галактик с метал личностью от 1/50 до 1/20 Z&. Они представляют специальный интерес, так как, с одной стороны, такие объекты должны быть наиболее близки по многим своим свойствам к первичным карликовым галактикам, формировавшимся 10−13 миллиардов лет назад. С другой стороны, именно среди них есть надежда найти молодые галактики в местной Вселенной, в которых звездообразование началось лишь недавно — менее 1 миллиарда лет назад. Голубые компактные галактики с метал-личностью Z < 1/20 Zq являются очень редкими. Их доля не превышает 2 процента от общего числа известных галактик этого типа. В то время, как более обогащенные галактики при детальном исследовании обнаруживают на перефирии следы старого звездного населения с возрастами миллиарды лет, для нескольких галактик с рекордным дефицитом металлов (eXtremely Metal-Deficient — XMD) никаких следов старого населения не обнаружено. Эти же галактики являются крайними по соотношению между массой нейтрального газа и массой видимых звезд. Масса газа в них достигает 95−99% от всей видимой (барионной) массы.

Формирование галактик из первичного вещества в ранней Вселенной (10−13 млрд. лет назад, эквивалентно z = 3 — 5) является на сегодня одной из наиболее активно исследуемых проблем в наблюдательной и теоретической космологии. К сожалению, возможности даже самых больших телескопов недостаточны для того, чтобы подробно изучать на этих красных смещениях маломассивне галактики — аналоги современных карликов. Альтернативный подход заключается в попытке поиска молодых галактик «под фонарем», то есть в ближней Вселенной. Теоретические модели (Trentham et al. 2001, Verde et al. 2002) не исключают переход (про-то)галактики из чисто газового состояния в галактику со значительным количеством звезд с большой временной задержкой, если по разным обстоятельствам газовый диск (прото)галактики оказался сверхустойчивым. Имеющиеся наблюдательные данные указывают, что число таких объектов должно быть невелико. Открытие таких молодых галактик в близкой Вселенной (по определению, более ярких и протяженных в сравнении с аналогами, расположенными на больших красных смещениях) позволит поставить проблему образования галактик в разряд тех, где модели можно будет ется значение содержания кислорода О/Н, выраженное в единицах солнечного содержания кислорода (0/H)q. Кроме этого, в работе используется величина 12 + log (О/Н). Для солнечной металличности Zq, принято значение 12 + log (0/H)Q = 8.92 (Anders and Grevesse 1989), металличности 1/20 Zq соответствует значение 12 -+ log (О/Н) = 7.62. сопоставить с детальными данными наблюдений. Несколько важных проблем, таких как: оценка содержания первичного гелия 4Не, раннее обогащение вещества во Вселенной, эволюция галактик и роль обмена газом с межгалактической средой — смогут получить свое решение при изучении молодых галактик в близкой Вселенной.

Хотя вероятность нахождения в близкой Вселенной молодых галактик достаточно мала, несколько кандидатов в такие объекты на сегодня известны и интенсивно изучаются. Наиболее известный из них I Zw 18 = Mrk 116 — галактика с наибольшим дефицитом металлов (1/50 Zq). После опубликования в первой половине 70-х годов содержания кислорода для I Zw 18 (Searle and Sargent 1972), именно с нее началось изучение BCGs, как отдельного класса маломассивных галактик и возможных эволюционных связей BCG с другими типами галактик. Тогда же, впервые была выдвинута гипотеза о молодости этого объекта и возможности существования в Локальной Вселенной молодых галактик. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию этой галактики, и огромный прогресс в понимании ее свойств, эволюционный статус I Zw 18 до сих пор является предметом дебатов. Так, по результатам наземных и Hubble Space Telescope (HST) наблюдений, возраста звездного населения на периферии этой галактики сильно расходятся: от 100−500 миллионов лет (Izotov et al. 2001b, Papaderos et al. 2002, Hunt et al. 2003) до 5 миллиардов лет (Ostlin 2000). Последняя работа не учитывала вариации экстинкции и вклада небулярной эмиссии в I Zw 18 при анализе диаграмм цвет-светимость индивидуальных звезд, так что эта оценка возраста может быть весьма завышена.

Другим примером кандидатов в молодые галактики может служить пара галактик SBS 0335—052 Е и W (восточный и западный компоненты) с металличностями Z = 1/42 и 1/50Z®, интенсивно изучаемая в диапазоне длин волн от УФ до радио в течение последних 12-ти лет. Наблюдения с HST показали присутствие в центральной части SBS 0335—052 Е нескольких молодых сверхскоплений (Thuan et al. 1997а), независимо указывающих на текущее и недавнее звездообразование. В ИК диапазоне были выполнены наблюдения с целью оценки вклада пыли в SBS 0335—052 Е. Показано, что пыль локализована лишь в компактной центральной части, где наблюдается наиболее интенсивное звездообразование (Vanzi et al. 2000, Dale et al. 2001, Hunt et al. 2001 и Hirashita et al. 2002). Обе галактики SBS 0335—052 E, W находятся в общем облаке нейтрального водорода (Pustilnik et al. 2001). Спектральные наблюдения в УФ диапазоне cHST указывают на то, что металличность нейтрального газа вблизи восточной галактики намного ниже, чем в гигантской области ионизованного водорода (Thuan and Izotov 1997b). Расположенный на расстоянии 22 кпс от SBS 0335—052 Е западный компонент имеет также низкую металличность, сравнимую с восточным компонентом. Таким образом, ряд наблюдательных данных от УФ до радио наблюдений указывает на низкую металличность ионизованного и нейтрального газа, как в самом SBS 0335—052 Е, так и в его окрестностях. Чтобы дать оценку возраста галактики, необходимо оценить возраст самых старых звезд гало. В этой задаче, однако, имеются факторы, которые вносят неопределенности в окончательные оценки:

• Цвета звездной подложки в галактиках с интенсивным звездообразованием могут искажаться небулярной эмиссией, а также межзвездным поглощением в нашей Галактике и собственным поглощением в исследуемой галактике.

• Возраст галактики оценивается путем сравнения наблюдаемых цветов с расчитанными на основе моделей, параметрами которых являются металличности звезд, начальной функции масс (IMF), истории звездообразования и др. Выбор тех или иных предположений вносит дополнительные неопределенности.

Также как для I Zw 18, для SBS 0335—052 Е вопрос ее эволюционного статуса пока открыт. Имеются работы, указывающие как на молодость этой галактики (Papaderos et al. 1998), так и работы, приводящие аргументы в пользу звездного населения с возрастами более миллиарда лет (Ostlin and Kunth 2001).

Кроме аспектов, связанных с эволюционным статусом XMD галактик, имется ряд направлений, связанных с исследованием физических процессов в галактиках с очень большим дефицитом тяжелых элементов. Область звездообразования в XMD BCG является хорошим «полигоном» для изучения коллективных проявлений массивных молодых горячих звезд О и WR, коллективных проявлений сверхновых второго типа в очень обедненной металлами межзвездной среде. Для примера, спектрофотометрические наблюдения самых малометалличных I Zw 18, SBS 0335—052 Е и То1 1214—277 обнаружили в этих галактиках проявления звезд Вольфа-Райе (Izotov et al. 1997а, Izotov and Thuan 1999a, Legrand et al. 1997, Fricke et al. 2001), что позволило наложить важные ограничения на эволюционные модели массивных звезд с низким содержанием тяжелых элементов.

Выше было сказано, что галактики с металличностью Z < 1/20 Zq составляют не более 2-х процентов от общего числа известных BCGs. Поэтому, для их поиска нужны весьма серьезные усилия. Большинство известных XMD галактик было найдено достаточно случайно, как побочный результат работ по созданию выборок эмиссионных галактик. В качестве примеров таких работ можно привести Первый и Второй Бюраканские Обзоры (FBS, SBS) (Markarian 1967, Markarian et al. 1983, Stepanian 1994), обзор Мичиганского Университета (UM) (Salzer et al. 1989), обзор Tololo (Terlevich et al. 1991), обзор Case (Pesch et al. 1995, Salzer et al. 1995, Ugryumov et al. 1998) и обзор Гамбург/САО (HSS) (Ugryumov et al. 1999). К началу данной работы было известно около трех десятков XMD галактик (см., например, работу Kunth and Ostlin (2000), в которой предствален список 31 XMD галактики). Из них почти половина — близкие иррегулярные (7) и LSB (6) карликовые галактики, и лишь около двух десятков (18) — голубые компактные галактики. Часть объектов попала в список Kunth and Ostlin (2000) по результатам ранней спектроскопии не очень высокого качества, поэтому оценки их металличности имеют довольно большие погрешности (>0.1 dex). Для некоторых объектов оценки содержаний тяжелых элементов выполнены на основе эмпирических, либо устаревших моделей, что тоже приводит к большим неопределенностям в оценке О/Н. Не более десятка из известных XMD галактик были детально изучены при помощи спектральных или фотометрических исследований. В нескольких близких иррегулярных и LSB галактиках, которые удалось разрешить на индивидуальные звезды, найдены красные гиганты с возрастами в миллиарды лет. Это означает, что эти галактики — старые объекты, которые имеют очень низкую металличность вследствие специфической эволюционной истории: либо из-за большой потери металлов, либо очень низкого темпа звездообразования (Kennicutt and Skillman 2001). BCGs, в этом смысле, в силу специфики их внутренних свойств, могут иметь непохожие с LSB и dlr галактиками эволюционные истории, и в частности испытать только один или два эпизода звездообразования за все время жизни. Для понимания эволюционного статуса XMD галактик или их возможных подгрупп необходимо изучение как групповых свойств этих объектов, так и комплексное исследование их отдельных представителей. Это, в свою очередь, требует:

• увеличения числа известных XMD галактик;

• увеличения числа детально исследованных XMD галактик;

• проверки и уточнения значений металличности среди уже известных XMD галактик.

С целью направленного поиска галактик с металличностью Z < 1/20 Zq в 1999 году был начат проект «The Hamburg/SAO Survey for low metallicity blue compact/HII galaxies» (HSS-LM, Ugryumov et al. 2003). В этом обзоре отбор кандидатов основан на опыте предыдущей работы, связанной с обзором HSS. Критерием отбора в этом обзоре была выбрана эквивалентная ширина EWQO Ш]А5007). В обзоре HSS-LM для повышения эффективности при поиске XMD галактик критерий первичного отбора был изменен с целью отбора кандидатов с большими эквивалентными ширинами EW{[О III]A5007) > 150 — 200 А, так как, с одной стороны, подавляющее число известных галактик с экстремальным дефицитом металлов имеет именно такие сильные линии, а с другой стороны, измерение слабой линии [О Ш]А4363, необходимое для определения О/Н классическим методом, возможно в реальной ситуации обзора только для галактик с большими эквивалентными ширинами [О III]A5007.

Вместе с обзором HSS-LM, изначально направленным на эффективный поиск XMD галактик среди слабых (типичная звездная величина тв ~ 17^.5) эмиссионных галактик, дополнительный поиск таких галактик проводился среди объектов «Каталога взаимодействующих галактик Воронцова-Вельяминова». В этом случае работа по изучению таких галактик проводилась в более общем аспекте. Для нас массовая спектроскопия галактик невысокой светимости в рамках этой программы позволяла использовать дополнительный канал поиска XMD галактик среди более ярких объектов.

Цель работы.

Целями данной диссертации являются:

• Систематический поиск галактик с наибольшим дефицитом тяжелых элементов (Z < 1/20 Zq) среди объектов обзора Гамбург/САО (HSS-LM). Поиск таких галактик среди объектов «Каталога взаимодействующих галактик Воронцова-Вельяминова» (VV).

• Уточнение металличности для некоторых известных объектов, включенных в список XMD галактик по ранним измерениям недостаточно высокой точности.

• Детальные исследования новых галактик с Z < 1/20 Z@ для: а) оценки физических условий и определения содержаний химических элементов (О, Аг, S, Ne и N) — б) изучения зон высокой ионизации и расширяющихся оболочек ионизованного газа как проявлений массивных звезд, в частности, звезд Вольфа-Райе и вспышек сверхновых. Сравнение полученных результатов с теоретическими моделями.

• Комплексное спектральное и фотометрическое исследование кандидата в локальные молодые галактики SBS 0335—052 — галактики с самой низкой после I Zw 18 металличностью. Изучение свойств текущей вспышки звездообразования, оценка возрастов звездного населения в этой галактике.

Научная новизна.

Впервые в рамках обзора HSS-LM («The Hamburg/SAO Survey for low-metallicity BCG») поиск BCG/HII галактик с Z < 1/20 Zq проведен целенаправленно, с хорошо определенными и обоснованными критериями селекции кандидатов. Это позволяет, кроме более эффективного поиска XMD галактик, впервые оценить долю таких объектов среди BCG/H II галактик. По результатам поиска среди объектов обзора HSS-LM обнаружено 3 новых галактики из группы XMD. Впервые у одной из галактик «Каталога Ворнцова-Вельяминова» обнаружена металличность Z < 1/20 Zq. Эта галактика является самой малометалличной среди галактик скопления Дева. Суммарно новые галактики составляют около 20% от известных на этот момент XMD галактик.

Для пяти исследованных в данной работе галактик впервые получены с высокой точностью (<0.1 dex) содержания О, а также содержания Ne, Ar, S и N. Отношения Ne, Ar, S и N к О близки к опубликованнымы средним значениям для изученных ранее десяти XMD галактик. Это дает дополнительные свидетельства в пользу моделей, предсказывающих основной вклад массивных звезд в обогащение этими элементами при очень низких металличностях. Для этих же галактик впервые выполнены исследования кинематики ионизованного газа, что позволило обнаружить свидетельства сверхоболочки и оценить динамические массы галактик. Эти результаы в 3 раза увеличивают число XMD галактик, в которых выполнены исследования кинематики ионизованного газа.

Для восточной галактики из пары SBS 0335—052 впервые выполнена глубокая поверхностная фотометрия в линии На. Анализ этих данных показал, что небулярная эмиссия дает значительный вклад всюду по телу галактики. На основе На и UBVRI поверхностной фотометрии этой галактики впервые, с учетом вклада небулярной эмиссии в общее излучение галактики, получена оценка возраста наиболее старого звездного населения: не более 100 или 500 млн лет, в зависимости от закона звездообразования.

Впервые методами панорамной спектроскопии изучена область текущего звездообразования и окружающая ее сверхгиганская НИ область в галактике SBS 0335—052 Е. Получено поле скоростей ионизованного газа, которое дало независимое свидетельство сверхоболочки в северо-западной части галактики. Впервые получено двумерное распределение содержания кислорода по области размером 2.5 кпс. В пределах наблюдаемых неопределенностей вариации содержания кислорода не обнаружены.

Научная и практическая ценность работы.

Новые XMD галактики, найденные по результатам изучения объектов из обзора HSS-LM и «Каталога взаимодействующих галактик Воронцова-Вельяминова», увеличивают список уже известных XMD галактик на 20 процентов. Результаты поиска и детального спектрального исследования этих пяти галактик могут быть использованы в дальнейшем для:

• изучения групповых свойств таких объектов, объединяя данные по этим галактикам с информацией по уже известным XMD галактикам;

• поиска молодых галактик в Местной Вселенной, среди найденных XMD галактик;

• изучения влияния массивных звезд и вспышек сверхновых на окружающую межзвездную среду при очень низких металличностях и сравнения с современными моделями обогащения галактик химическими элементами;

• постановки новых комплексных исследований таких галактик в широком диапазоне длин волн с целью понимания физических условий в молодых галактиках на больших красных смещениях.

Результаты глубокой UBVRI и На фотометрии и методика оценки возраста самых старых звезд в SBS 0335—052 Е с учетом вклада эмиссии ионизованного газа, а также результаты панорамной спектроскопии этой галактики, могут быть использованы для:

• оценки возраста звезд в других XMD галактиках по апробированной методике;

• построения модели, более полно описывающей свойства этой галактики, сравнения с моделями формирования галактик в ранней Вселенной;

Апробация работы.

Основные результаты, полученные в диссертации, изложены в восьми печатных работах, а также докладывались на конференциях:

1. «The Evolution of Galaxies. I. Observational Clues», Гранада, Испания, 2000.

2. Joint European and National Astronomical Meeting (JENAM-2000), Москва, 2000.

3. «Современные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, 2001.

4. «The Evolution of Galaxies. III-From Simple Approaches to Self-consistent Models «, Киль, Германия, 2002.

5. «Chemical Evolution of Dwarf Galaxies — Present Status and Perspectives «, Рингберг, Германия, 2002.

Результаты докладывались на заседании ученого совета С АО РАН, на конкурсах научных работ С АО РАН и семинарах С АО РАН.

Краткое содержание работы.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключеня, списка цитируемой литературы и Приложения, содержащего 7 рисунков и 15 таблиц.

Заключение

.

Поиск и исследование галактиик с экстремальным дефицитом металлов (Z < 1/20 Zq) ведется на протяжении трех десятков лет различными группами астрономов. Причиной этому служит ряд актуальных проблем, которые можно решить исследуя XMD галактики. На сегодняшний день известно около тридцати таких объектов, из которых не более десятка детально исследованы. Подавляющее большинство из них найдены и исследованы в последние десять лет. Данная диссертационная работа является частью этих исследований в промежутке времени с 1999 по 2003 годы. Результатами диссертационной работы являются:

• Обнаружение четырех новых галактик с металличностью Z < 1/20 Zq среди эмиссионных галактик обзора Гамбург/САО (HSS-LM) и «Каталога взаимодействующих галактик Воронцова-Вельяминова» (VV). Число таких редких галактик, наиболее близких по своим свойствам к молодым галактикам в ранней Вселенной, увеличено почти на 20 процентов по отношению к известным на момент начала этой работы. Для одной галактики (VV 499) из «Каталога взаимодействующих галактик Воронцова-Вельяминова» (VV) уточнено значение содержания кислорода.

• Проверка и уточнение значений содержания кислорода для шести галактик, отнесенных ранее в литературе к XMD галактикам. Лишь одна из них — UM 133, действительно являются объектами с содержанием кислорода менее 1/20 от солнечного.

• Выполнение на БТА спектроскопии с высоким отношением «сигнал/шум» пяти новых галактик с экстремальным дефицитом металлов. Определены содержания кислорода, неона, аргона, серы и азота. Число XMD галактик, имеющих эти данные, увеличино в полтора раза. Обилия других тяжелых элементов по отношению к кислороду не зависят от О/Н и близки к средним значениям, выведеным по 10-ти ранее изученным в литературе галактикам этой группы.

• Для 5-ти XMD галактик получены распределения лучевой скорости в линии Новдоль щели спектрографа, по которым оценены амплитуды скорости вращения. Около областей звездообразования в этих галактиках обнаружены характерные детали, соответствующие оболочкам ионизованного газа.

• На основе UBVRI и На поверхностной фотометрии галактики SBS 0335—052 Е получены истинные цвета звезд на периферии галактики. Полученные цвета были сопоставлены с моделями эволюции звездного населения. В зависимости от модели звездообразования, оценка возраста самых старых звезд, видимых в этой галактике, не превосходит 100 (одномоментная вспышка) или 500 (непрерывное звездообразование) миллионов лет. Кроме этого, получены карты интенсивности и эквивалентной ширины в линии На, на основе которых сделаны оценки вклада небулярной эмиссии в общее излучение галактики.

• Анализ поля скоростей SBS 0335—052 Е, полученного методами панорамной спектроскопии. Получено спектральное свидетельство наличия сверхоболочки. Распределение содержания кислорода не показывает значимых градиентов внутри области 1 килопарсек, что предполагает эффективное перемешивание вещества внутри этой области. Найдены доказательства высокоскоростных движений газа вследствие звездного ветра от массивных звезд и вспышек сверхновых. Эти движения могут выступать в качестве механизма перемешивания вещества на временах порядка 106 лет. Получена карта распределения зон высокой ионизации по линии Hell Л4686. Источники такой ионизации до конца пока не понятны.

Благодарности.

В заключение автор выражает благодарность и признательность: Своему научному руководителю — С. А. Пустильнику — за огромную поддержку и помощь в процессе выполнения данной работы. Сотрудникам лаборатории «Структура» — за помощь и участие при проведении многих исследований, представленных в диссертации. Отдельно А. Ю. Князеву — за ценные предложения и советы. А. Н. Буренкову, А. И. Копылову и А. В. Моисееву — за помощь в получении наблюдательного материала на БТА, а также активную помощь при подготовке диссертации.

Ю.И. Изотову — за возможность использовать программу вычисления содержаний химических элементов.

Всем, кто меня толкал на этот шаг и проявлял участие, особенно Ирине.