Разработка методики поиска голубых компактных галактик и исследование избранных объектов Князев, Алексей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность

Голубые компактные галактики (далее в тексте 13CG) вызывают к себе особый интерес вот уже более четверти века после открьттия двух BCG I Zw 18 (=Mrk 116) и II Zw 40 (Searle & Sargent 1972) с низким обилием тяжелых элементов. Этот класс объектов характеризуется низкой светимостью (М#=-13^та~-18^то), малыми линейными размерами 1-10 кпк, голубым показателем цвета (В — V) от 0.1^т до 0.5^т, низкой металличностыо O/H=(l/50-rl/3) О/Н, высоким содержанием HI и часто наличием WR-особенностей в спектрах (Thuan & Martin 1981; Kunth & Sargent 1983, 1986).

В голубых компактных галактиках наблюдается одна или несколько гигантских областей НИ с исключительно сильным эмиссионным спектром. Эти области появляются в результате вспышки звездообразования, причем такая вспышка может вызвать увеличение интегральной яркости галактики до 2^т и более, иногда охватывая практически все тело галактики. Наблюдательные факты однозначно свидетельствуют об образовании в BCG значительного количества массивных молодых ОВ-звезд. неоднократно высказывались гипотезы об эволюционной молодости самых малометалличных галактик, приводились аргументы за и против (Thuan 1983; Thuan, Izotov, к Lipovetsky 1997).

Изучение свойств галактик, испытывающих первую вспышку звездообразования, принципиально важно по нескольким причинам:

1. Галактика в этой'фазе эволюции сохраняет многие свойства, характеризующие предыдущий этап ее существования, что позволяет получить важную наблюдательную информацию о процессах, происходящих при образовании галактик, и тем самым проверить основные концепции и модели этого процесса,

2. Поиск первичных галактик среди слабых и очень далеких объектов, испытывающих интенсивное звездообразование, пока не привел к большим успехам, и ожидаемая многочисленная по пуля-

щш таких галактик остается до сих пор необнаруженной. Этс наводит на мысль о некорректности некоторых базовых продета влений о типичных свойствах молодых галактик. 3. Эти галактики являются великолепной лабораторией для изучения процесса звездообразования в протогалактиках: эволюции массивных звезд, образовавшихся из вещества, близкого по химсоставу к первичному, коллективных эффектов воздействия ш межзвездную среду большого количества вспышек сверхновых I ветра от массивных звезд.

Однако на сегодняшний день достаточно уверенно к таким галактикам можно отнести лишь три BCG: самую известную ВСС I Zw 18, открытую более 25 лет назад; сравнительно недавно откры тую SBS 0335-052 из выборки BCG Второго Бюраканского обзора і открытую в 1995 году галактику SBS 0335-052W, — что указывает на крайнюю редкость таких объектов.

Поиск и изучение молодых галактик, а также ряд других интерес ных и важных задач, связанных с исследованием BCG: изучение со держания химических элементов и истории обогащения химически ми элементами, и, в частности, оценка содержания первичного ге лия, изучение крупномасштабного распределения видимой матерш во Вселенной, построение функции светимости галактик для області слабых абсолютных величин, — приводит к необходимости созданю и изучения выборок этих галактик. Исследования выборок BCG, по строенных на основе фотографических обзоров с объективной приз мой: обзора университета Michigan, обзора университета Case, об зора ТоЫо, и в особенности выборки BCG из Первого и Второго Бю раканских обзоров, — привели к открытию всех известных сегодю уникальных объектов, позволили изучить многие свойства BCG каї класса карликовых галактик. Эти же исследования указали на необ ходимость проведения более специализированных обзоров по поиск; подобных объектов: обзоров новых больших областей неба (расши ряющих известные выборки по телесному углу) и обзоров, дости гающих более слабых предельных величин (охватывающих больши

расстояния).

Появление новых панорамных цифровых приемников на основе матриц ПЗС большого линейного размера, развитие вычислительных средств и существенное увеличение объемов носителей информации позволяет не только начать подобные обзоры, достигающие более слабых предельных величин, но и по новому подойти к проблеме создания выборок на основе цифровых обзоров — обзоров нового типа, в которых:

цифровой вид получаемой и хранимой информации допускает автоматический поиск по специальным алгоритмам, исключающий субъективность отбора человеком объектов, входящих в выборку;

использование автоматического поиска позволяет точно определить селекционные критерии и корректно определить предел полноты такого обзора.

Цель работы

Целью данной диссертации является:

3. Комплексное изучение физических характеристик и некоторых вопросов звездообразования в двух типах BCG: (1) — объектах с явными проявлениями в спектрах коллективного воздействия на межзвездную среду большого количества сверхновых и молодых горячих звезд: (2) — галактиках с низким содержанием тяжелых элементов, которые являются наиболее вероятными кандидатами в молодые галактики.

4. Проведение нового международного цифрового глубокого спектрального обзора. KISS (KPNO International Spectral Survey).

5. Разработка высокоавтоматизированных систем сбора для 6-м телескопа САО РАН и систем обработки различных спектральных и фотометрических данных.

Научная новизна

По результатам спектроскопии на 6-метровом телескопе кандидатов в эмиссионные галактики но Второго Бюраканского обзора (далее в тексте SBS) была создана большая выборка BCG, в. которую вошло значительное количество объектов с экстремально низким содержанием тяжелых элементов — кандидатов в молодые галактики. При дальнейшем изучении у ряда отих галактик были впервые обнаружены широкие малоконтрастные компоненты сильных спектральных линий, указывающие на быстрые движения газа. Эти движения происходят благодаря коллективному влиянию большого количества сверхновых и молодых горячих звезд. Детальная спектрофотометрия ряда этих галактик впервые позволила обнаружить уширение разных спектральных линий в зависимости от металличности.

Среди найденных новых галактик из этой выборки, галактика SBS 0335-052, наряду с галактикой I Zw 18, имеет самое низкое обилие кислорода среди более чем 500 BCG с известными обилиями тяжелых элементов. Впервые проведено детальное спектральное и фотометрическое исследование этой галактики, результаты которого недвусмысленно указывают на. ее эволюционную молодость. Это комплексное исследование также позволило обнаружить и провести детальное исследование еще одной галактики экстремально низкой металличности, формирующейся в том же водородном облаке системы SBS 03354)52.

Многолетние и многосторонние исследования BCG из SBS выборки позволили сформулировать цели и задачи нового цифрового обзора для поиска BCG, выделяющего объекты на «1.5-2.0^то слабее, по сравнению со всеми предыдущими обзорами с объективной призмой. Такой специализированный обзор с объективной призмой, узкополосным фильтром и ПЗС приемником выполняется впервые в мировой практике.

Создание выборки BCG и дальнейшие многосторонние детальные исследования отдельных галактик из этой выборки привели к необходимости обработки данных разного типа: спектров (одномерных

и двумерных), эшелле-спектров, прямых снимков. Анализ ситуации на 1989 год и перспективы развития компьютерного парка САО РАН привели к пониманию необходимости установки в САО РАН одной из стандартных систем редукции астрономических данных, используемых во всем мире. Впервые в мире был установлен MIDAS на персональном компьютере и была показана принципиальная возможность функционирования этой стандартной системы обработки астрономических данных на компьютерах данного класса,

Впервые на БТА была создана высокоавтоматизированная система сбора под управлением многопользовательской системы UNIX, позволяющая осуществить в процессе наблюдений: (1) минимальный іиалог между наблюдателем и регистрирующей системой для снижения потерь наблюдательного времени и уменьшения числа ошибок; ^2) проверку корректности значений вводимых наблюдателем параметров; автоматическую регистрацию всех возможных параметров, яспользуемых для последующей редукции данных (параметры регистрирующей системы и телескопа, метеоусловия, географическое место, поясное время и др.); (3) оперативный контроль процесса наблюдений и состояния приборов; (4) автоматическое ведение журна-та наблюдений; (5) получение выходных данных в международных стандартных форматах; (6) достаточно простую, автоматизированную буферизацию результатов наблюдений.

Впервые в мировой астрономии была создана универсальная система сбора ПЗС-данных в среде стандартной системы обработки MIDAS, позволяющая проводить сбор при различных методах на,-Злюдений (спектральных в модах "длинная щель" и "эшелле" и фотометрических) на различных телескопах, параллельную сетевую Зуферизацию данных и последующую их редукцию в одной среде.

Научная и практическая ценность работы

1. Приведенные в диссертации данные спектральных и фотометрических наблюдений голубых компактных галактик могут быть в дальнейшем использованы для:

изучения групповых свойств самых молодых галактик;

исследования процессов звездообразования в BCG;

исследования физических характеристик звезд и их функции масс в галактиках с пониженным содержанием тяжелых элементов.

2. Данные обзора KISS могут быть в дальнейшем использованы для:

поиска новых кандидатов в самые молодые галактики;

изучения пространственного распределения карликовых галактик и его связи с распределением нормальных галактик;

построения функции светимости карликовых галактик (М_в > -15^го);

исследования эволюции функции светимости галактик в зависимости от z;

поиска групп галактик;

изучения строения балджа нашей Галактики;

поиска белых карликов, углеродных звезд, квазаров и других уникальных звездообразных объектов в полосе обзора;

спектральной классификации звезд, найденных в полосе обзора.

3. Созданная автоматизированная система сбора 1024-канального счетчика фотонов (IPCS) в течение 2.5 лет позволила получить 1442 наблюдения по 50 научным программам за 113 наблюдательных ночей и буферизовать их. Пакет редукции IPCS-данных, созданный автором, позволил проводить полную их обработку любому оператору-астроному, имеющему минимальный навык общения с ЭВМ.

4. Система сбора ПЗС-данных используется в настоящее время для получения и буферизации различных типов спектральных и фотометрических данных 6-м и 1-м телескопов С АО РАН. За 1996 год данная система использовалась четырьмя различными методами наблюдений в течение 117 календарных ночей, и за первое полугодие 1997 года в течение 75 календарных ночей.

5. Ряд программ, созданных для обработки эшелле-спектров, полуденных с двумерным счетчиком фотонов в качестве детектора,

встроены в MIDAS, являются стандартными командами (пакет ECHELLEC) и используются сейчас мировым астрономическим сообществом. 6. Система обработки обзора KISS может быть использована для обработки данных новых спектральных обзоров подобного типа, проводимых с объективной призмой (или гризмой) и с ПЗС-приемником. Отдельные части этой системы могут быть использованы независимо для:

астрометрических вычислений координат;

оптических отождествлений каталогов, полученных в других диапазонах длин волн (радио и т.д.);

вычисления коэффициентов перехода из инструментальной в стандартную фотометрическую систему;

в массовых многоапертурных фотометрических измерений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. По результатам спектрофотометрии выборки голубых компактных галактик (BCG) с низким содержанием тяжелых элементов на ошелле-спектрометре 6-м телескопа САО РАН и телескопе ММТ (США) обнаружено, что высокоскоростные движения газа в этих галактиках (результат кумулятивного воздействия взрывов сверхновых и ветра от массивных звезд) встречаются не менее, чем у 30% объектов. Это указывает на то, что феномен высокоскоростных движений газа является достаточно типичным для этих галактик.

2. По результатам [сомилексного исследования одной из наиболее малометалличных карликовых галактик SBS 0335-052 получены убедительные доказательства того, что в этой галактике первое звездообразование произошло не ранее 100 млн.лет назад и таким образом этот объект является прототипом молодых галактик на космологических красных смещениях. Проведено оптическое отождествление и спектроскопия на БТА спутника SBS 0335-052,

карликовой эмиссионной галактики 0335-052W — нового кандидата в молодые галактики.

Разработка систем сбора общего пользования для: 1024-канального счетчика фотонов (IPCS) телескопа БТА и для всех типов ПЗС-приемников БТА. Пакеты редукции данных в среде MIDAS для: обработки эшелле-спектров умеренного разрешения и обработки спектров, полученных на 1024-каналыюм счетчике фотонов. Оригинальная методика наблюдений и обработки данных глубокого спектрального обзора KISS. Алгоритмы, программы и структуры данных для обработки данных обзора. Наблюдательный материал для 102 полей обзора. Результаты тестирования пакета редукции и автоматического выделения эмиссионных кандидатов на основе обработки 5 полей обзора, сравнение результатов с существующими данными: (1) фотометрия в фильтрах В и V, (2) астрометрия, и (3) морфологическая классификация объектов из полосы обзора; (4) получение списка кандидатов для последующей спектроскопии.

Личный вклад автора

По пунктам 1 и 2 вклад автора, одинаков со вкладом соавторов работ. По пункту 3: вклад автора одинаков со вкладами Шергиныма B.C. и Липовецкого В.А. при установке MIDAS на персональном компьютере; при создании системы сбора спектрофотометрического комплекса БТА в фокусе Нэсмит-1 автором было создано 80% программ верхнего уровня пользовательского интерфейса системы сбора данных с 1024-канального счетчика фотонов и 30% программ нижнего уровня пользовательского интерфейса; вклад автора является определяющим в разработке и написании, всех программ и командных файлов в MIDAS при создании системы сбора для ПЗС (пакет NICE); вклад автора одинаков со вкладом Шергина B.C. при создании программ обработки эшелле-спектров ниокого разрешения с двумерным счетчиком фотонов в качестве приемника, автором была полностью разработана методика обработки этих данных; пакет SCANER для

обработки данных 1024-канального счетчика фотонов был полностью ;оздан автором. По пунктам 4 и 5 вклад автора одинаков со вкладами Типовецкого В.А. и Salzcr J.J. при разработке методики наблюдений і получении наблюдательного материала и является определяющим іри разработке пакета редукции данных обзора KISS, его тестировании и обработке данных.

Апробация работы

Зсповные результаты диссертации изложены в печатных работах 1-13], докладывались на конференциях:

3. "Physical Processes in Fragmentation and Star Formation" (France, 1990).

4. "4-th ESO/ST-ECF Data Analysis Workshop" (ESO, Germany, 13-14 May 1992).

5. "The Feedback of Chemical Evolution on the Stellar Content of Galaxies" (Meudon, France, June 1992).

6. AAS Meeting (Minnesota, USA, 21-25 May, 1994).

7. Annual Meeting of Astron. Geselschaft (Potsdam, Germany, 26-30 September 1994).

8. 11-th IAP Colloquium "Interplay between Massive Star Formation, ISM and Galaxy Evolution" (Paris, France, July 1995).

9. II международной конференции по космофизике "Космион-96" (Москва, Май-июнь, 1996).

10. IAU Symposium No. 179 "New Horizons from Multi-Wavelength Sky Surveys" (Baltimore, USA, August 26-30, 1996).

11. Конференции, посвященной 30-летию CAO (Н.Архыз, октябрь 1996).

Результаты докладывались также на общих семинарах и конкурах научных работ САО РАН, семинарах Национальной Оптической істрономической Обсерватории (США), семинаре Боло некого Уни-ерситета (Италия), семинарах Астрофизического Института Потс-ама (Германия), семинаре Гамбургской Обсерватории (Германия),

семинаре Гайдельбергского Института Макса-Планка (Германия) и описаны в 7 научных отчетах САО РАН [14-20].

Структура и объем диссертации