Ізольованість згаслих ультрадифузних галактик пояснили їх викидом зі скупчень

Астрономи проаналізували формування ультрадифузних галактик за допомогою космологічних симуляцій. З'ясувалося, що частина згаслих представників цього класу - тобто галактик, в яких закінчилося активне зіроутворення - виявляється далеко галактичних скупчень. Відбувається це за рахунок взаємодії з щільним галактичним скупченням, в результаті якого ультрадифузна галактика спочатку втрачає речовину і перестає формувати нові зірки, а потім відлітає від скупчення на кілька мегапарсек. Стаття опублікована в журналі.

Ультрадіффузними називають галактики, які при порівняних з Чумацьким Шляхом розмірах містять в сотні - тисячі разів менше зірок - тобто вони набагато легше і тьмяніше, ніж типова велика галактика, через що їх важко спостерігати. Походження галактик з такими властивостями на сьогоднішній день остаточно не встановлено.

Згідно зі спостереженнями, ультрадифузні галактики можна розділити на дві групи: в одних відбувається порівняно активне зіроутворення (з типовим темпом в діапазоні 0,001-1 мас Сонця на рік), а інші вже згасли і не формують нових зірок. При цьому характерне розташування згаслих галактик - щільні скупчення галактик, а зіроутворення зазвичай спостерігається в ультрадифузних галактиках поза такими скупченнями.

Такі дані узгоджуються з якісними уявленнями про фізику галактик. Перебуваючи в скупченні, ультрадифузна галактика втрачає власну речовину через взаємодію з щільним навколишнім середовищем, і їй стає нема з чого робити нові зірки, тоді як поза скупченням втрати речовини не такі інтенсивні і матеріалу для зіроутворення достатньо.

Проте деякі погаслі ультрадифузні галактики знаходяться далеко від щільних галактичних скупчень, де щільності навколишнього середовища недостатньо, щоб змусити галактику втратити багато речовини. Щоб пояснити такі спостереження теоретично, вже не вистачає якісних міркувань і потрібні докладні кількісні моделі та комп'ютерні симуляції.

Астрономи з Аргентини, Німеччини та США під керівництвом Хосе Бенавідеса (Jose Benavides) з Інституту теоретичної та експериментальної астрономії простежили за еволюцією ультрадифузних галактик у гідродинамічних космологічних симуляціях. Вчені помістили в область з лінійним розміром в 50,7 мегапарсек (типові відстані між сусідніми великими галактиками в скупченні - близько мегапарсека, радіус же галактики типу Чумацького Шляху - близько десяти кілопарсек) близько десяти мільярдів частинок з масами близько 10⁵ мас Сонця, які моделювали звичайну речовину і темну матерію. Крім гравітації, симуляція враховувала зореутворення, охолодження і нагрів газу, еволюцію хімічного складу Всесвіту, механізми зворотного зв'язку для зірок і чорних дір і магнітні поля.

Автори ідентифікували галактики за субгало (ущільненнями модельних частинок), які містили зоряну компоненту маси. Для виявлених галактик обчислювалися маса (зоряна і повна), морфологічний параметр (описує форму галактики) і характерний радіус - відстань, в межах якої міститься половина всієї зоряної маси галактики.

Окремо взяту галактику дослідники відносили до ультрадифузних, якщо її маса лежала в діапазоні 10^7,5 - ¹09 мас Сонця (відповідає спостереженням) і серед галактик близької маси вона відносилася до п'яти відсотків найбільш великих по радіусу. Завдяки таким критеріям змодельовані ультрадифузні галактики за масами і розмірами практично збіглися з реально спостережуваними.

Почавши симуляцію з червоного зміщення z = 127, вчені змоделювали майже 14 мільярдів років еволюції виділеного обсягу і простежили за підсумковим розподілом ультрадифузних галактик в загальній просторовій структурі.

Виявилося, що за час симуляції згасає приблизно чверть ультрадифузних галактик. При цьому глобальна картина збіглася з якісними очікуваннями: згаслі галактики в основному зосереджені в скупченнях, а формуючі зірки - більш рівномірно розкидані по розріджених областях.

Проте астрономи виявили в підсумковому розподілі і ізольовані згаслі ультрадифузні галактики на відстанях у кілька мегапарсек до найближчих скупчень. Детальніше простеживши за їхнім рухом і темпом зіроутворення в часі, дослідники з'ясували, що такі об'єкти утворюються в результаті взаємодії зі скупченням на більш ранньому етапі еволюції (в середньому 5,5 - 2,5 мільярдів років тому з тривалістю взаємодії близько півтора мільярда років).

Зближуючись зі скупченням, активно формуюча зірки галактика потрапляє в щільне середовище і втрачає матеріал, в результаті чого згасає. При цьому при вдалій вихідній траєкторії ультрадифузна галактика може покинути скупчення після взаємодії і на масштабі мільярдів років відлетіти на відстань в кілька мегапарсек від нього.

Автори відзначили й інші властивості, які відрізняють згаслі ультрадифузні галактики від зіроутворюючих і дозволять перевірити результати симуляції на адекватність за допомогою спостережень. Зокрема, форма перших завжди ближча до сфероїдальної, тоді як серед других зустрічалися і дископодібні, і сферичні.

Крім того, викинуті з скупчень згаслі галактики в порівнянні із зіроутворюючими галактиками тієї ж зоряної маси виявилися в кілька разів легше - тобто втратили не тільки звичайну речовину, але і помітну частку темної матерії (про це ж свідчать профілі щільності темної матерії, які у країв викинутих зі скупчень ультрадифузних галактик більш різкі, ніж у схожих зіроутворюючих галактик).

Раніше ми розповідали про те, як астрономи відшукали незвичайні ультрадифузні галактики з низьким вмістом заліза і практично без темної матерії.