Введение к работе
Актуальность темы. Полученные за последние 10-20 лет многочисленные наблюдательные данные свидетельствуют о том, что взаимодействие и, в частности, слияние галактик играет важную роль в их эволюции. В отличие от звезд, которые сталкиваются крайне редко, так как расстояния между ними огромны по :равнению с их размерами, галактики даже сейчас (а тем более га больших z) часто расположены сравнительно близко друг от фуга. Наличие приливных сил делает взаимодействие неупругим гго может, в частости, привести к приливному захвату и слия-ппо. Около 10-2-10-1 современных галактик имеют следы недав-іего взаимодействия. Учитывая, что эти следы исчезают за время, того меньшее возраста Вселенной, можно заключить, что суще-твенная часть галактик подвергалась сильному гравитационному занмодействпю со стороны соседей. Данные, полученные, в частости, космическим телескопом Хаббла, свидетельствуют о том, то число взаимодействующих объектов резко увеличивается с рогом красного смещения (напр., [1]). Эффект Бутчера—Эмлера в коплениях галактик также свидетельствует в пользу высокого ;мпа слияний в определенную эпоху в прошлом [2].
С другой стороны, в последнее время появляется все больше шпых о корреляции взаимодействия и, в частности, слияния га-1КТИК с одним из интереснейших астрофизических явлений — стивпостью галактических ядер (AGN) [3]. Согласно современ-лм представлениям о природе AGN, активность ядра связана, >-видимому, с аккрецией вещества на сверхмассивную черную jpy, находящуюся в центре галактики. Таким образом, для под-ржания активности необходимо наличие в центральной части лактнки достаточного количества "топлива" для аккреции. Од-м из его источников может быть гравитационное взанмодей-вие с соседями [4]. Численное моделирование столкновения позывает, что взаимодействие (особенно слияние) с другой галак-кой может приводить к потере газом момента импульса и к поданню его в центральную область галактики [5]. В настоящей диссертации описывается возникновение актив-тга в результате слияния галактик в рамках феноменологнче->й модели [6, 7], впервые предложенной В. М. Конторовичсм и В. Кацем в 1989 г. и основанной на идее о том, что при слия-
ний может произойти компенсация момента импульса. Потеря момента импульса необходима для того, чтобы часть вещества получила возможность падать на центр. Аккрецируемая масса в этой модели определяется параметрами галактик (моментом и массой) до и после столкновения, причем предполагается, что при слиянии выполняются законы сохранения массы и момента. Масса аккрецируемого вещества, в свою очередь, определяет светимость возникшего активного ядра. Таким образом, зная функцию распределения галактик по массам и моментам импульса, можно делать выводы о количестве AGN с заданной светимостью, образующихся в единицу времени, и об их функции светимости. В частности, как будет показано ниже, модель предсказывает связь между индексами функции масс галактик и функции светимости AGN.
Возможны два подхода к рассматриваемой задаче. В первом распределение галактик по массам и моментам f(M, S, t) считается заданным и используется для вычисления функции светимости активных объектов, зависимости их числа от времени и т. п. Частота слияний в этом случае не обязательно должна быть очень большой, так как AGN — достаточно редкое явление. Второй подход предполагает, что /(Af,S,t) также формируется слияниями и может быть найдена как решение соответствующего кинетического уравнения. Для реализации этого случая требуется уже достаточно большая частота слияний.
Цель работы состояла в: 1. исследовании эволюции распределения галактик по массам и моментам импульса в результате слияний и 2. исследовании возникновения активности в модели слияний, в частности нахождении функции светимости активных ядер, зависимости их числа от времени и т. п.
К началу работы над диссертацией в рамках этой модели были известны следующие результаты. А. В. Кац и В. М. Конто-рович в 1989 г. [6] сформулировали кинетическое уравнение, описывающее эволюцию функции распределения по массам и моментам в результате глтгптй (обобщенное уравнение Смодуховского) и решили его для вероятности слияний U = const и без учета орбитального момента импульса при столкновении. Далее, была предложена простая схема возникновения активной галактики в вычислена скорость их появления I(L) (определяющая функцик светимости ф{Ь)) в простейшем случае, для предельно аниэотроп-
ного распределения по моментам [7].
В настоящей диссертации модель получила существенное развитие. На защиту выносятся следующие осн"влне положения;
Модель глитай* распространена на случай реалистической зависимости вероятности слияния галактик U(Мі, Ліз) от их масс. Найдены соответствующие решения уравнения Смолуховского, описывающего функцию масс галактик. Проанализировано поведение решения для различных U. Показано, в частности, что слияния приводят к формирования крутого участка функции масс (наклон а к 2 для и = 1 + /3, а « 2-3 для и = 2, где и — степень однородности функции U, см. ниже).
Показана возможность "взрывного" образования массивных галактик и квазаров в результате слияний, когда за время Ц, формируется медленно убывающий хвост распределения, соответствующий массам много больше начальной.
Рассмотрена возможная остановка "взрывной" эволюции на больших массах.
Проведено моделирование слияний в случае изотропного распределения по моментам; выполнен учет орбитального момента импульса.
Выполнено моделирование слияний в скоплениях и группах галактик. В результате слияний в скоплении происходит аналог фазового перехода, связанный с образованием cD-галактики. Полученная функция масс показывает хорошее согласие с функцией, найденной прямым решением уравнения Смолуховского. Распределение по моментам для галактик больших масс близко к гауссовому; сред-неквадратичный безразмерный момент
КАК (руНКЦИЯ массы, приближенно постоянен (в области, соответствующей « = 1+^).
- Проведено дальнейшее развитие модели возникновения ак
тивности ядер при слияниях галактик, в частности, учтено
эддиигтоновское ограничение светимости. В рамках рас-
сматриваемой модели выражение для светимости активного ядра, возникшего в результате слияний, имеет вид L = тш(ВАт,М,лл), где Am — "дефект массы", связанный с компенсацией момента, Мідд — эддингтонов-ская светимость. Пргецгал и чи|>тцут"і. возможная корреляция масс черных дыр в галактических ядрах и масс хозяйских галактик.
— Вычислена функция светимости квазаров в модели слия
ний (для произвольного t/(Mi,Afj); как в анизотропном,
так и в изотропном случае). В частности, найдена связь
между индексами степенных участков функции масс га
лактик а и функции светимости квазаров 7 (в простейшем
случае у = 1 — («і + 1 — о;)/А, что согласуется с наблю
дательными данными, согласно которым а и 7 близки к
единице).
- Проанализировано изменение числа активных галактик со
временем. Показано, что модель слияний дает качествен
ное объяснение наблюдаемой колоколообразной зависимо
сти плотности числа квазаров JVq от красного смещения
("эпоха квазаров" на больших г). В частности, эта модель
объясняет резкое уменьшение JV, при г > 2-3, отражаю
щее их внезапное возникновение.
Перечисленные выше результаты получены впервые, что определяет научную новизну работы.
Научная и практическая ценность диссертации состоит в том, что рассматриваемая модель позволяет описать эволюцию функции масс галактик в результате слияний; предсказывает "взрывное" образование массивных галактик и квазаров (аналог фазового перехода); объясняет резкое уменьшение числа квазаров и других AGN при г > 2,5; предсказывает связь между наблюдаемыми индексами функции масс галактик и функции светимости квазаров. Полученное решение уравнения Смодуховского дает одно из возможных объяснений недавно обнаруженного укручений функции светимости галактик на слабом конце (а ~ 2).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: "Астрофизика сегодня'' (Нижний Новгород, март 1991 г.); "Активные ядра галактик"
(Крымская астрофизическая обсерватория, 4-6 октября 1992 г.); XXV Радиоастрономическая конференция (Пушино, 20-24 сентября 1993 г.); 2nd General Meeting of the Europian Astronomical Society: Extragalactic Astronomy and Observational Cosmology (the Nicolaus Copernicus University, Torun, Poland, August 18-21, 1993); 159th Symposium of the International Astronomical Union (Geneva, August 30 — September 3, 1993); 50 лет кафедре теоретической физики ХГУ (Харьков, 24 мая 1994 г.); XXIInd General Assembly of the International Astronomical Union (the Hague, the Netherlands, August 14—27, 1994); "Nonlinear Schroedinger Equation: Achievements, Developments, Perspectives" (25 июля - 3 августа 1994г., г. Черноголовка); "Активные ядра галактик" (Крымская астрофизическая обсерватория, 13-15 сентября 1994 г.); Hi-fi съезд Украинской Астрономической Ассоциации (Киев, май 1995 г.); Joint European and National Astronomy Meeting (Catania, Italy, September, 1995); ХП-е рабочее совещание РАС ФИАН — АИ СПбУ (Пушино, 25-27 марта 1996 г.); "Современные проблемы астрофизики" (Москва, 24-27 сентября 1996 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования. Полный объем работы составляет 146 страниц, включая 19 рисунков.