Введение к работе
Актуальность проблемы.
Основы современных представлений о галактиках были заложены в 50-е и 60-е годы нашего века и остаются широко распространенными (по крайней мере среди неспециалистов) и в нате время. Возникшие в те годы представления позволили упорядочить многочисленные наблюдательные данные и создать относительно непротиворечивую картину формирования и эволюции галактик. Согласно классической точке зрения, большинство галактик возникли на ранней стадия эволюции Вселенной (вскоре после эпохи разделения вещества и излучения) в течении относительно короткого промежутка времени - "эпохи формирования галактик". (Этот сценарий обычно связывается с классической работой Эггена, Линден-Белла и Сэндиджа 1962.) Последующая эволюция галактик заключается в основном в медленном (~ 1010 лет) преобразовании элементов за счет ядерных реакций в звездах. Образующие Хаббловскую последовательность различные типы галактик связываются в таком сценарии с разными начальными условиями на стадии их формирования.
В 1972 году появилась работа братьев Тумре (Тумре, Тумре 1972), в которой было наглядно продемонстрировано, что морфологические пекулярности галактик естественным образом могут быть объяснены гравитационным взаимодействием между ними. Эта работа послужила основой формирования нового подхода к вопросу о возникновении структуры современных галактик. Согласно этому подходу, не начальные условия, а последующая эволюция галактики, в ходе которой она активно взаимодействует со своим окружением (другими галактиками, карликовыми спутниками, межгалактической средой), определяет ее характеристики. В настоящее время считается, что и начальные условия и последующая эволюция влияют на свойства галактик, однако соотношение между этими факторами остается неизвестным.
В локальной Вселенной в состав взаимодействующих систем входит (5-10)% галактик (эта оценка основана на наличии у галактик морфологических признаков взаимодействия, обнаружимьгх на каргах Паломарского обзора неба) (Засов 1968; Караченцев, Теребиж 1968).
В последние несколько лет взаимостимулирующее соревнование уникальных инструментов - Космического Телескопа имени Хаббла (HST) и 10-м телескопов Кека - позволило детально исследовать население нормальных галактик (не квазаров) при
z >1. Оказалось, что с ростом красного смещения заметно увеличивается доля галактик, имеющих разного рода морфологические пекулярности. Например, согласно Наим и др. (1997) при z ~1 доля пекулярных галактик галактик составляет 30-50%. Данные по Глубокому Полю HST также свидетельствуют о росте числа морфологически неправильных галактик с z (например, ван ден Берг и др. 1996). Этот факт обычно интерпретируется как следствие большей частоты взаимодействий между галактиками в прошлом. В цепом, как считается, наблюдения далеких обьектов поддерживают активно развиваемую в настоящее время теорию "иерархического скучивания", согласно которой галактики образуются за счет множественных слияний обьектов меньших масс. В рамках этой теории удается объяснить как общие свойства современных галактик (например, Мо и др. 1998), так и воспроизвести результаты их глубоких подсчетов (Вауг и др. 1996). Следовательно, исследование близких, локальных взаимодействующих галактик предоставляет возможность изучить те процессы, которые, возможно, существенно повлияли на формирование наблюдаемого многообразия крупномасштабных структурных свойств галактик.
До недавнего времени при наблюдательном изучении взаимодействующих галактик рассматривались, в основном, вопросы о влиянии гравитационного возмущения на звездообразование в галактиках и на активность их ядер (например, Горбацкий 1986, Решетников и Сотникова 1993). Вопросы о структуре самих галактик практически не затрагивались. Изменение представлений о роли взаимодействий и слияний в эволюции галактик делает эту задачу одной из самых актуальных в современной внегалактической астрономии. Например, в составленном Алланом Сэндиджем (по аналогии со знаменитым списком Гильберта) списке 23 наиболее актуальных на последующие 30 лет проблем астрономии под первым номером стоит вопрос о том, определяется пи хаббловская последовательность галактик их эволюцией или начальными условиями при формировании (Сэндидж 1995). Под седьмым номером в списке Сэндиджа стоит вопрос о роли слияний между галактиками и под двадцатым - вопрос о природе скрытой массы. Тема настоящей работы имеет непосредственное отношение ко всем этим вопросам.
Цель и задачи.
Основной целью данной работы является детальное исследование галактик в составе сильно взаимодействующих систем, а также обьектоз, являющихся результатом таких взаимодействий, для решения вопроса о том, как процессы гравитационного взаимодействия и обмена массой между галактиками влияют на их глобальную структуру и эволюцию. Для решения этой основной задачи предполагается получение и анализ обширного наблюдательного материала по фотометрии и кинематике взаимодействующих галактик, галактик с полярными кольцами, а также исследование галактик с искривленными звездными дисками.
Научная новизна.
Автором выполнен первый в мире обзор глобальных фотометрических характеристик взаимодействующих галактик. Впервые выполнено исследование структуры звездных дисков взаимодействующих галактик в направлении, перпендикулярном их плоскости. Открыто, что приливное взаимодействие приводит к утолщению звездных дисков галактик. Открыто существование спиральных галактик с контр-врашаюшимися подсистемами газа. Предложен новый метод диагностики темных гало галактик по кинематике и морфологии протяженных приливных структур. Выполнен первый в мире фотометрический и спектральный обзор галактик с полярными кольцами. Открыто звездообразование в полярных дисках галактик, установлены основные его характеристики. Открыты две галактики при z ~1, являющиеся хорошими кандидатами в галактики с полярными кольцами. Этот факт позволил впервые сделать заключение об изменении (росте) пространственной плотности обьектов этого класса с красным смещением. Впервые с наблюдательной и теоретической точек зрения исследован механизм формирования галактик с полярными кольцами при гравитационном взаимодействии галактик. Выполнен первый обзор геометрических характеристик полных выборок видимых "с ребра" галактик, что позволило доказать связь между пространственным окружением галактик и искривлением их звездных дисков.
Научная и практическая ценность.
Научная ценность работы состоит в первую очередь в том, что опадает богатый фактический материал для исследования процесса гравитационного взаимодействия между галактиками, который, как считается, оказал существенное влияние на формирование современной структуры галактик. Новые данные о глобальной структуре взаимодействующих галактик должны стать основой при построении моделей эволюции подобных систем. Результаты вьшолненного впервые спектрального и фотометрического обзора галактик с полярными кольцами, обнаружение далеких обьектов такого типа дают уникальный материал для исследования эволюции галактик иод влиянием внешней аккреции. Детальное наблюдательное исследование и моделирование галактик с полярными кольцами позволило вписать этот пекулярный, обычно рассматриваемый особняком, класс обьектов в общую картину эволюция галактик. Обнаружение спиральной галактики с контр-вращающейся подсистемой газа имеет большое значение для развития теории формирования и эволюции кинематически выделенных подсистем в галактиках. Метод диагностики темных гало до кинематике и морфологии приливных структур в перспективе может быть широко использован при исследовании распределения скрытой массы в галактиках. Обширный наблюдательный материал по распределению поверхностной яркости и спектрам галактик может быть использован (и используется) исследователями разных стран при изучении конкретных обьектов и решении широкого круга задач, связанных со строением и эволюцией галактик.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Результаты детального фотометрического изучения и моделирования глобальной структуры 78 галактик в составе 37 взаимодействующих систем. Вывод об изменении характеристик дисков галактик при взаимодействии, анализ соотношения Корменди для балджей взаимодействующих галактик.
-
Результаты ПЗС-фотометрии в фильтрах В, V,I 60 галактик в составе 24 взаимодействующих систем и 7 изолированных галактик и их интерпретация (анализ двухцветной диаграммы, подтверждение эффекта Хольмберга).
-
Анализ распределения поверхностной яркости для 28 видимых под большим углом к лучу зрения ("с ребра") взаимодействующих галактик и 7 изолированных. Вывод о том, что звездные диски взаимодействующих галактик в 1.5-2 раза толще дисков изолированных спиральных галактик сравнимой светимости.
-
Результаты кинематического изучения ряда галактик в составе взаимодействующих систем (М 82, Мгк 176, NGC 4676А, NGC 5953/NGC 5954, NGC 6621/NGC 6622, Агр 10) и их интерпретация (заключения о зависимости характеристик поля скоростей от степени взаимодействия, об отклонении взаимодействующих галактик от соотношения Tully-Fisher). Обнаружение первой спиральной галактики - NGC 6621 - с двумя контр-вращающимися подсистемами газа.
-
Результаты многоцветной поверхностной фотометрии 11 и спектрального изучения 17 галактик с полярными кольцами и кандидатов в галактики с полярными кольцами. Открытие звездообразования в полярных кольцах, заключение о зависимости свойств полярных колец от характеристик центральных галактик, вывод о сходстве полярных колец с дисками спиральных галактик.
-
Открытие новых близких галактик с полярными кольцами (1С 1689, UGC 4385) и обнаружение двух кандидатов в объекты этого типа при z ~ 1.
-
Результаты фотометрического и спектрального изучения приливных структур ряда галактик. Вывод о сходстве интегральных характеристик приливных структур со спиральными галактиками с низкой поверхностной яркостью. Заключение о зависимости морфологии и кинематики приливных структур от характеристик темных гало галактик.
-
Обзор геометрических характеристик полных выборок видимых "с ребра" галактик северпого (120 объектов) и южного (540 обьектов) полушарий. Заключение о том, что звездные диски большинства спиральных галактик демонстрируют крупномасштабные искривления своих плоскостей. Вывод о том, что основной причиной возникновения искривлений звездных дисков является взаимодействие с окружением.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на ряде всесоюзных и международных конференций (Всесоюзная летняя школа молодых астрономов — САО РАН, 1987; совещание рабочей группы "Системы галактик" — Ленинград, 1988; совещание прибалтийских астрономов "Физика галактик" — Тыравере, 1988; Всесоюзная конференция молодых астрофизиков "Наблюдательные проявления нестационарных проиессов и их интерпретация" — Бюракан, 1988; Коллоквиум MAC N 124 "Двойные и взаимодействующие галактики" — Тускалуса (США), 1989; III Всесоюзная конференция "Поляриметрические методы в астрофизике" — Пулково, 1990; Всесоюзная конференция "Астрофизика сегодня" — Нижний Новгород, 1991; Симпозиум MAC N 153 "Валджи галактик" — Гент (Бельгия), 1992; "Вынужденное звездообразование от 30 Doradus до квазаров" — Ла Пальма (Испания), 1993; "Структура и эволюция звездных систем" — Петрозаводск, 1995; Рабочая группа ESO "Масштабные соотношения галактик: происхождение, эволюция и приложения" — Гарчинг (Германия), 1996; "Актуальные проблемы внегалактической астрономии" — Пущино, 1997, 1998; IV съезд Международного астрономического общества — Москва, 1997), а также на семинарах кафедры астрофизики СПбГУ, сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, САО РАН, Шемаханской обсерватории и Парижской обсерватории.
Структура работы.
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы (247 наименований), двух приложений; содержит 83 рисунка и 29 таблиц. Общий объем диссертации - 263 страницы.