А. В. ЗАСОВ Звездообразование в галактиках
Три компонента межзвездной среды с Т<10 000 K: 1. Атомарный газ (облака, межоблачная среда) 2. Молекулярный облачный газ 3. Диффузный молекулярный газ (только в областях высокого давления) Горячий компонент: Т = 105 = 106 К
Проблема оценки массы молекулярного газа усложняется тем, что облака непрозрачны в молекулярных линиях Предположение о выполнении теоремы вириала для GMC
Giant Molecular Clouds in Local Group Galaxies LMC, GMC+HI. L. Blitz et al, 2006
L. Blitz et al, 2006
Giant Molecular Clouds in Local Group Galaxies L. Blitz et al, 2006
Самое «слабое звено» - образование плотных облаков молекулярного газа из сплошной разреженной среды Два фактора здесь играют ключевую роль. 1. Наличие пыли (быстрое остывание, экранизация, молекуляризация) 2. Давление газа – выше определенного порога
На больших масштабах (1 -- 2 кпк) и малых масштабах (десятки пк) звездообразование управляется различными факторами: • Большие масштабы: крупномасштабные неустойчивости, наличие спиральных ветвей, внешнее воздействие на галактику • Малые масштабы: тепловая неустойчивость, турбулентность, расширяющиеся оболочки, локальные условия молекуляризации газа, интенсивность нагревающего излучения
• Вывод: Чем больше масса молекулярного газа, тем меньшая часть его принимает участие в звездообразовании, т. е. находится в состоянии гравитационного сжатие. Две возможности: • Наличие диффузного молекулярного газа • Специфические условия, тормозящие образование плотных молекулярных облаков
• Наличие диффузного молекулярного газа • Чем больше относительная масса молекулярного газа, тем медленнее он перерабатывается в звезды. • Сплошная межоблачная молекулярная среда – другой режим звездообразования. Более высокое давление газа – молекуляризация --GMC возникают уже не из HI, а из Н 2
Специфические условия, тормозящие образование плотных молекулярных облаков Могут иметь место в быстро вращающихся внутренних областях дисков, имеющих наиболее высокую угловую скорость
Yu Gao, P. Solomon Ap. J 2004 SFR пропорционален содержанию плотного холодного газа
• Выполняется ли закон Шмидта SFR ρ2 А почему, собственно, он должен выполняться?
Три понятия эффективность звездообразования • SFE – доля массы молекулярного облака, превращающейся в звезды за время его жизни (безразмерная величина, несколько %) • SFE – темп звездообразования в расчете на единицу массы молекулярного облака около (10 -9 лет-1 ) • SFE – темп звездообразования в расчете на единицу полной массы газа (10 -9 – 10 -10 лет-1) Не путать их!
Темпы звездообразования в первую очередь зависят от плотности газа. • А как обстоит дело с эффективностью звездообразования? Какие факторы его определяют? • Это – ключевой вопрос в изучении рождения звезд в галактиках
Засов, Абрамова, 2006 SFE в отдельно взятой галактике меняется вдоль радиуса. Почему?
В 70 -e – 80 -е годы утвердилась простая концепция • Низкая эффективность звездообразования – много оставшегося газа – Scd-Irr • Высокая эффективность звездообразования – газ почти весь израсходован – S 0 -Sa
Зависимость SFR на единицу массы диска от SFR при фиксированном возрасте Т
2004
-20 MR -15 (magnitude) Чем более массивный диск имеет галактика, или чем выше его яркость (поверхностная плотность), тем меньше газа осталось в галактике. Broeils, Rhee, 1997
Эквивалентная ширина Н -морфологичекий тип галактик УДИВИТЕЛЬНО, НО ЗАВИСИМОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ ТЕМПОВ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ ОТ ТИПА ДОВОЛЬНО СЛАБАЯ (СУЩЕСТВУЕТ ЛИШЬДЛЯ СРЕДНИХ ИЛИ МАКСИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ)
• Из общих соображений, характер звездообразования должен зависеть от кинематических свойств галактик. • SFR (в расчете на единицу массы диска) действительно систематически падает с ростом скорости вращения – по причине более низкого содержания газа. • Как обстоит дело с эффективностью звездообразования?
Кинематические особенности диска определяют Условия образования звезд üСжатие газа в спиральных волнах плотности ü Развитие крупномасштабной гравитационной неустойчивости газового слоя ü Толщина звездного, а, следовательно, и газового диска
`
(по Kennicutt)
Эквивалентная ширина Н -- угловая скорость на оптическом радиусе галактик
Парадокс 1: НАБЛЮДАЕМЫЙ ТЕМП ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ И ЭФФФЕКТИВНОСТЬ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ СЛАБО СВЯЗАНЫ • С МОРФОЛОГИЧЕСКИМ ТИПОМ ГАЛАКТИКИ • С УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ ДИСКА • С ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТЬЮ ДИСКА
Условие звездообразования в разных областях одной и той же галактики отличаются сильнее, чем между галактиками. Поэтому целесообразно рассматривать не глобальные величины, а их изменения внутри отдельной гаактики.
Важный механизм, регулирующий звездообразование • Гравитационная неустойчивость газового диска Параметрами являются: • Скорость звука или радиальная дисперсия скоростей С • Эпициклическая частота • Локальная поверхностная плотность газа σ. Для тонкого диска в ВКБ- приближении: Скрит = Gσ/. Наиболее неустойчивая длина волны возмущений с = 2 2 Gσ/ 2
Два аргумента из наблюдений, подтверждающих влияние гравитационной неустойчивости на звездообразование: • Распределение поверхностной плотности газа вдоль радиуса отличается от критической плотности σcr(R) не более чем вдвое, • Полная масса газа (абсолютная и относительная) соответствует ожидаемой при σcr(R) = σcr(R)
Роль спиральной структуры Спиральные ветви – это цепочка взаимосвязанных процессов: ВОЛНА ПЛОТНОСТИ В СТАРОМ ДИСКЕ – возмущение гравитационного поля – возмущение кругового движения газа – появление волн сжатия – рост непрозрачности и давления среды -быстрая молекуляризация газа -ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЕ.
ВОЛНОВАЯ ГИПОТЕЗА • Спирали - результат коллективных волновых процессов во вращающемся диске. Как гребни волн, они движутся через весь диск, вовлекая в свое волновое движение и газ, и звезды. В отличие от диска, их угловая скорость постоянна вдоль радиуса.
Движение газа в спиральных галактиках • Круговые движения >150 км/с • Локальные случайные отклонения от круговых 30 -100 км/с • Систематические отклонения, связанные с баром (в SB-галактиках) 30 – 100 км/с • Систематическеие отклонения в плоскости диска, связанные со волной плотности 10 -30 км/с • Систематичесие движения перпендикулярно диску 10 -20 км/с (есть исключения) • Антициклонические движения между спиральными ветвями в области коротации
• Использование интерферометра Фабри -Перо позволяет по эмиссионным линиям получить оценки скоростей газа с хорошим угловым разрешением одновременно для многих тыяч точек, воссоздеав поле скоростей галактик. В рамках самой общих представлениях о волнах плотности можно восстановить векторное поле скоростей.
Относительная скорость диска и спирального узора меняется с R.
Засов, Абрамова, 2006
Парадокс: НАБЛЮДАЕМЫЙ ТЕМП ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ И ЭФФФЕКТИВНОСТЬ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ ПОЧТИ НЕ РЕАГИРУЮТ НА ПРИСУТСТВИЕ СПИРАЛЬНЫХ ВЕТВЕЙ
СПИРАЛИ НЕ СТИМУЛИРУЮТ, A ЛИШЬ ПРОСТРАНСТВЕННО УПОРЯДОЧИВАЮТ ЗВЕЗООБРАЗОВАНИЕ?
Наиболее четкая зависимость SFE наблюдается от поверхностной яркости (поверхностной плотности) звездного диска Засов, Абрамова, 2006)
Чем выше средняя плотность старого звездного диска на данном R, тем выше эффективность звездообразования: Следствием более высокой плотности диска являются: • Более сильно сжатый газовый диск • Более высокая доля молекулярного газа
Роль турбулентности и расширяющихся оболочек газа Роль двояка. • Отрицательная: увеличение дисперсии скоростей, гравитационная устойчивость • Положительная: возникновение мелкомасштабных (локальных) областей с плотностью, значительно выше средней, провоцирующее мелкомасштабную гравитационную неустойчивость
Еще один фактор, влияющий на условия звездообразования: Чем меньше толщина звездного диска, тем при том же количестве газа тоньше газовый слой, а, следовательно, выше его давление. Толщина звездного диска определяется а) условиями гравитационной устойчивости б) процессами, динамически нагревающими звездный газ
ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ СПЛЮСНУТОСТИ ГАЛАКТИКИ ОТ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЯРКОСТИ ДИСКА Засов, Бизяев, Макаров, Тюрина АЖ 2002
Относительная масса дисков галактик, оцененная по дисперсии скоростей
• СИТУАЦИЯ, ОДНАКО МОЖЕТ БЫТЬ БОЛЕЕ СЛОЖНОЙ • 1. Не- изотермичность звездного диска, наличие толстого диска (особенно существенно – для галактик малой массы) • 2. Балдж и гало играют не одинаковую роль: концентрация массы к центру увеличивает устойчивость звездного диска (Сотникова, Родионов)
Проблема эволюции галактических дисков Может ли SFE на данном R не меняться со временем? Ответ: по крайней мере в околоядерной области и на периферии дисков –НЕТ Меняются следующие факторы: Аккреция газа (для карликов -- выброс газа) Радиальное перемещение газа Изменение химсостава газа и количества пыли
СХЕМА ЭВОЛЮЦИИ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗА В ДИСКЕ Потеря газа приливном взаимодействии Аккреция межгалактического газа Галактический ветер Сброс газа звездами Поглощение мелких галактик Выметание газа при движении в межгалактической среде ГАЗ В ДИСКЕ ГАЛАКТИКИ Расход газа на звездообразование Ионизация газа, уход из галактики
Для галактик со «спокойной» историей звездообразования возможна упрощенная модель: Если эффективность звездообразования (SFE) в галактике (или ее части) остается примерно постоянной, и нет обмена газом с окружением, то Возраст диска Т– Относительная масса газа Мg/Md – SFE связаны одним уравнением Ln Мg/Md =-SFE(1 -r)T, где r –доля газа, возвращаемого звездами в среду.
Доля массы, теряемая одним поколением звезд в процессе эволюции. Кривые относятся к различной металличности. Naab, Ostriker, 2006
РАННИЕ ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКОВ • Две модели образования: монолитный коллапс и мержинг. За и против. • В обоих случаях – появление гигантских сверхоблаков как результат гравитационной неустойчивости. Это важно: масса гравитационно неустойчивой области быстро растет с ростом поверхностной плотности газа • Два подхода к объяснению экспоненциального диска. Гипотеза Lin, Pringle.
Важный канал информации об истории звездообразования • Содержание тяжелых элементов (O/H) • Относительное содержание Мg/Fe • (высокое значение при быстрой остановке звездообразования) Это важно: в замкнутой модели диска относительное количество металлов определяется долей оставшегося газа
Звездообразование на периферии дисков • Молодые звезды все же существуют! Слабое звездообразование идет как на далекой периферии дисков (Ferguson), так и в S 0 -галактиках, содержащих газ. • В Галактике отдельные HII – области – до 18 - 20 кпк от центра.
На периферии дисков: • Нет крупномасштабной гравитационной неустойчивости • Нет звездных спиральных ветвей • Нет условий для тепловой неустойчивости (горячая фаза) • Газовый диск расширяется и становится очень разрежен
Режим низкой плотности (периферия дисков, S 0 -галактики) Звездообразование происходит: • • при наличии локальных неоднородностей При наличии газовых спиральных ветвей При не полном затухании турбулентных движений При внешнем воздействии на галактику (аккреция, мержинг, гравитационное возмущение) Звездообразование в этих случаях обусловлено факторами, приводящими к локальному сжатию газа •
Границы дисков? • Старые звезды: завал яркости на 3 -5 радиальных шкалах (Rcutoff/R 0 меньше для больших R 0). Фотометрический профиль становится в 2 – 3 раза круче. • Наша Галактика: Rcutoff = 12. 4± 0. 1 кпк (H. T. Freudenreich, Astrophys. J. 92, 495 (1998).
Бизяев, Засов, 2002
Бизяев, Засов, 2002 Здесь учтено влияние вертикального градиента потенциала Ф/ z, связанного с темным гало.
Звездообразование в околоядерных дисках • Накопление газа • Динамическая обособленность • Более высокое давление газа, почто полная молекуляризация плотность молекулярного газа • Вспышки звездообразования, связь с активностью ядра • Галактики с ультравысокой ИК светимостью (ULIRG)
Три масштаба околоядерной структуры • Сверхмассивная черная дыра с аккреционным диском и прилегающими областями околоядерного диска – доли парсека • Ядерное скопление и (иногда) ядерный диск - несколько десятков парсек • Околоядерный газо-звездный диск – несколько сотен парсек
: • Околоядерные диски с характерным радиусом 0. 5 – 1 кпс. Наблюдаются в E, S 0 и S- галактиках. Часто динамически обособленные, и наклоненные к плоскости основного диска. Имеют более высокое содержание тяжелых элементов (Сильченко). • Ядерные диски (размером 50 -100 пс) и центральные скопления с массой ~106 Mc. В обоих структурах эпизодически вспыхивает звездообразование, по – видимому, связанное с аккрецией газа.
Ядерные скопления и диски: • Короткий обзор см. A. Seth tt al, a-ph 0606066 • Характерный радиус 1 -4 парсека • Характерная масса – 106 – 3*106 масс Солнца (коррелирует со светимостью Галактики! • Открытие дисков вокруг ядерных скоплений – 2006 год! В дисках идет звездообразование.
