КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-12-01335

НазваниеИонизованный газ в галактических дисках и за пределами оптического радиуса

РуководительМоисеев Алексей Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук, Карачаево-Черкесская Республика

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-705 - Галактика и Метагалактика

Ключевые словагалактики, активные галактические ядра, звездообразование, межзвездная среда, оптическая спектроскопия, астрофизические наблюдения

Код ГРНТИ41.27.29


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Галактики являются открытыми системами, испытывающими взаимодействия, слияния и другие активные процессы. Для понимания эволюции галактик и особенностей их взаимодействия с окружением необходимы глубокие наблюдения периферийных частей галактик. Целью проекта является комплексное изучение морфологии, ионизационных характеристик и кинематики ионизованного газа в близких галактиках (z<0.1). Мы планируем сосредоточиться на обнаружении и изучении протяженных газовых филаментов и диффузных структур низкой яркости за пределами звездных дисков, поиску следов аккреции газа галактиками, исследовании газовых гало галактик. Благодаря современным обзорам выполненным методами 3D спектроскопии, таким как ATLAS-3D, CALIFA, SAMI и др., собрано большое количество данных о распределении, динамике и химическом составе ионизованного газа в галактиках. Однако, эти исследования ограничены относительно небольшим полем зрения - в пределах 1 arcmin и, соответственно, относительно яркими областями. Для близких галактик это поле соответствует всего лишь 1-1.5 эффективным радиусам и уровню поверхностной яркости ярче mAB = 21-23 mag/arcsec^2. При этом изучение газа за пределами оптических дисков (или в вертикальном направлении — для газовых гало) принципиально необходимо для ответа на ряд важных вопросов физики галактик и космологии: - характер и темп аккреции внешней диффузной материи; - связь аккреции с «галактическими фонтанами» и другими проявлениями обратной связи (feedback) в галактиках с текущим звездообразованием; - воздействие активного галактического ядра на межзвездную среду; - несоответствие между ожидаемой в космологических моделях массой барионов и реально наблюдаемой в Местной Вселенной. Перечисленные задачи определяют актуальность проекта для современной астрофизики В рамках проекта мы планируем выполнить ряд наблюдательных задач с помощью следующих методов оптической панорамной спектрофотометрии: 1) Глубокие изображения в отдельных эмиссионных линиях ионизованного газа (Нальфа, [OIII], [NII], [SII] и т.д.), получаемые с помощью узкополосного перенастраиваемого фильтра на основе сканирующего интерферометра Фабри-Перо. Фильтр уже имеется в САО РАН, наблюдения на 6-м телескопе планируется выполнять с составе прибора SCORPIO-2. Для наблюдений на телескопах меньшего диаметра (1-м САО РАН, 2.5-м ГАИШ КГО) будет изготовлен отдельный светосильный прибор, оснащенный этим фильтром. 2) Изучение кинематики ионизованного газа методами 3D-спектроскопии на 6-м телескопе САО РАН со сканирующим интерферометром Фабри-Перо и с интегрально-полевым модулем (IFU) в составе SCORPIO-2. 3) Глубокие изображения в среднеполосных фильтрах на 1-м телескопе Шмидта БАО (Армения). Этот недавно восстановленный и модернизированный нами телескоп обеспечивает уникальное сочетания высокой светосилы, большого поля зрения и низкого уровня рассеянного света. Что делает его уникальным инструментом для обнаружения слабых протяженных структур на уровне поверхностной яркости 28-29 mag/arcsec^2. Наблюдаемые характеристики (карты лучевых скоростей и дисперсии скоростей, параметров возбуждения газа, электронной плотности, металличности ) будут сравниваться с существующими теоретическими моделями.

Ожидаемые результаты
Научная значимость результатов определяется тем, что в рамках проекта будет получен новый уникальный (по комбинации большого поля зрения и глубокого фотометрического предела) материал о состоянии диффузной среды близких галактик. Этот даст возможность сравнить ситуацию с состоянием ионизованного газа в современную эпоху с тем, что наблюдается в молодой Вселенной на больших красных смещениях, согласно наблюдениям на крупнейших телескопах мира. Обработка и анализ наблюдений позволят принципиально продвинуться в нашем понимании физического состояния газа во внешних областях галактик, ввести ограничения на ряд существующих теоретических моделей галактической эволюции. Практическая значимость результатов связана с внедрением в российскую наземную астрономия новых методов изучения протяженных объектов низкой поверхностной яркости, методов редукции и анализа данных наблюдений.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Разработан и изготовлен фотометр с перестраиваемым фильтром - "Картировщик узких галактических линий" (Mapper of Narrow Galaxy Lines, MaNGaL). Принцип действия прибора основан на применении сканирующего интерферометра Фабри-Перо, работающего в режиме перестраиваемого фильтра с шириной полосы ~2 нм. Это позволяет строить раздельно изображения в близких по длинам волн эмиссионных линиях, имеющих различные условия возбуждения и выполнять диагностику состояния ионизованного газа (отношение линий [NII]6583/H-alpha для выделения областей ударного возбуждения, линий дублета [SII]6717,6731 для измерения электронной плотности и т.п.) Прибор прошел успешные испытания на 1-м телескопе "Цейсс-1000" САО РАН и 2.5-м телескопе Кавказской горной обсерватории ГАИШ МГУ. На 2.5-м телескопе КГО выполнены пробные наблюдения линий ионизованного газа в различных протяженных астрономических объектах: галактик с активным ядром или галактическим ветром (M82, NGC1275, NGC1569), карликовых галактик, планетарных туманностей. Новость на сайте САО РАН: https://www.sao.ru/Doc-k8/Events/2017/Moiseev/moiseev_rus.html Завершены работы по модернизации платформы-адаптера прибора SCORPIO-2 первичного фокуса 6-м телескопа САО РАН. Прибор имеет два подвижных поля гидирования диаметром 54'', которые перемещаются в прямоугольных полях размером 10'x4.5' каждое. Предельные величины пригодных для гидирования звезд: R~17 mag. В устройстве реализован автоматический поиск звезд гидирования, контроль по их яркости вариаций прозрачности атмосферы и фокусировка телескопа во время экспозиции. В тракте калибровки, имеется возможность засветки спектрографа как источником линейчатого спектра (лампа с наполнением He-Ne-Ar), так и источником непрерывного спектра. В качестве последнего используется либо галогеновая лампа, либо набор светодиодов, дающих засветку с приблизительно одинаковой интенсивностью в диапазоне длин волн 350-950 нм. Опубликована статья с описанием платформы-адаптера. В течение 2017 года были получены данные о состоянии ионизованного газа во внешних областях 9-ти галактик с активным ядром, и 8-ми галактик с протяженными некопланарными газовыми дисками из обзора MaNGA/SDSS. Наблюдения выполнялись с длиннощелевыми спектрографами SCORPIO и SCORPIO-2 на 6-м телескопа САО РАН и со спектрографом АДАМ на 1.6-м телескопе Саянской обсерватории. Для четырех из исследованных спектрально галактик получены глубокие изображения в эмиссионных линиях [OIII] и Н-alpha с помощью 1-м телескопа Шмидта Бюраканской обсерватории в Армении. В результате спектральных наблюдений на 6-м телескопе САО РАН и первых наблюдений фотометра с перестраиваемым фильтром MaNGaL на 2.5-м телескопе КГО ГАИШ МГУ открыт протяженный конус ионизации в галактике IC 1481. На 6-м телескопе САО РАН с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо в составе прибора SCORPIO-2 изучена кинематика ионизованного газа на больших расстояниях от центра в 6-ти галактиках с внешними филаментами и 2-х галактиках с полярными газовыми дисками из обзора (MaNGA/SDSS). Открыта гигантская (размером ~25 кпк) система внешних облаков ионизованного газа в галактике с активным ядром SDSS J0154+6437. В галактике IC 4612 обнаружен гигантский (r=9 кпк) внутренний полярный газовый диск. В наблюдениях на 6-м телескопе САО РАН и 1-м телескопе Шмидта БАО (Армения) изучена морфология и кинематика ионизованного газа в известной галактике с активным ядром Mrk 6. Обнаружена система протяженных ионизованных филаментов, протянувшихся на 39 кпк (более 4-х оптических радиусов галактики). Филаменты "подсвечиваются" активным галактическим ядром, но их наблюдаемая кинематика соответствует вращению вне плоскости основного диска. При этом данные глубокой (до уровня g=28 mag/arcsec2) фотометрии на 1-м телескопе Шмидта демонстрируют отсутствие здесь звездных структур (приливных рукавов, остатков разрушенного спутника).

 

Публикации

1. Афанасьев В.Л., Амирханян В.Р., Моисеев А.В., Уклеин Р.И., Перепелицын А.Е. SCORPIO-2 guiding and calibration system in the prime focus of the 6-m telescope Astrophysical Bulletin, vol. 72, No 4., pp.458-468 (год публикации - 2017).

2. Додонов С.Н., Котов С.С., Мовсесян Т.А., Геворгян М. One-meter Schmidt telescope of the Byurakan Astrophysical Observatory: new capabilities Astrophysical Bulletin, Vol. 72, No. 4, pp. 473-479 (год публикации - 2017).

3. Котов С.С., Додонов С.Н. Active Galactic Nuclei Search Atoms, vol. 5, 45 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Завершены испытания блока интегрально-полевой спектроскопии в составе фокального редуктора SCORPIO-2, который устанавливается в первичном фокусе 6-м телескопа САО РАН. Конструкция блока основана на принципе формирования панорамных спектров с помощью линзового растра в сочетании с оптическими волокнами. В блоке используется прямоугольный растр из 22х22 квадратных линз. Масштаб изображения — 0 .75’’/линзу, поле зрения прибора - 16.5х16.5 угловых секунд. Растр содержит также два дополнительных массива 2х7 линз для получения спектров ночного неба, изображения которых отстоят от центра на ~3 угл. мин. При помощи оптических волокон изображения микрозрачков реформируются в две псевдощели, расположенные на входе коллиматора IFU. Набор объемных фазовых голографических решеток (VPHG) обеспечивает в режиме IFU спектральный диапазон 4600–7300 A и разрешение λ/δλ от 1040 до 2800. Квантовая эффективность панорамной спектроскопии со SCORPIO-2 составляет 6–13%. Создан пакет программ для редукции данных с блоком IFU. Информация о конструкции блока IFU, методах обработки данных и результаты тестовых наблюдений приводятся на веб-странице прибора: https://serv.sao.ru/hq/lsfvo/devices/scorpio-2/ifu_rus.html По данным спектроcкопии с длинной щелью с прибором SCORPIO-2 первичного фокуса 6-м-телескопа САО РАН изучено состояние ионизации и распределение обилия кислорода [O/H] в полярных структурах в выборке из 15 галактик с полярными кольцами (ГПК). Обнаружено, что ионизация газа молодыми звездами доминирует во внешних частях полярных дисков, в то время как ударные волны вносят существенный вклад в возбуждение эмиссионных линий во внутренних частях полярных структур, близких к основным звездным дискам ГПК. Эта картина согласуется с предсказаниями модели столкновения газовых облаков на полярных орбитах со звездным диском. Выполненное исследование в три раза увеличивает количество полярных структур с имеющимися оценками содержания кислорода. Измеренные значения [O/H] близки к солнечному, газ низкой металличности не обнаружен. Полученные результаты ограничивают число сценариев формирования полярных компонентов в галактиках. В частности, для рассматриваемой выборки галактик исключен популярный сценарий образования полярных колец при холодной аккреции газа из космологических филаментов. В течение 2018 года были получены данные о состоянии ионизованного газа во внешних областях 13 галактик с активным ядром, и 7 галактик с протяженными некомпланарными газовыми дисками из обзора MANGA/SDSS. Наблюдения выполнялись с длиннощелевыми спектрографами SCORPIO и SCORPIO-2 на 6-м телескопа САО РАН. Для четырех галактик получены глубокие изображения с помощью 1-м телескопа Шмидта Бюраканской обсерватории в Армении. С помощью фотометра с перестраиваемым фильтром MaNGaL на 1-м телескопе САО РАН и 2.5-м телескопе КГО ГАИШ МГУ получены изображений в эмиссионных линиях 12 галактик различных типов. В результате перечисленных наблюдений открыты 5 систем газовых облаков за пределами галактических дисков, ионизованные активным ядром. Выполнено исследование состояния ионизации газа в компаньонах активных галактик, отобранных по SDSS. В изначальной выборке 232 галактик выявлено десять случаев так называемой кросс-ионизации, когда конус жесткого излучения активного ядра ионизует газ в диске компаньона. Анализ данных позволил оценить средний раствор конуса ионизации - около 70 градусов. В рамках данного проекта РНФ изучено два наиболее интересных случая двойных активных галактик, когда каждое ядер ионизует газ в диске “соседки”: NGC 5278/79 (спектроскопия на 6-м телескопе) и UGC 6081 (наблюдения на 2.5-м телескопе с MaNGaL). В обоих системах обнаружены конусы ионизации протяженностью не менее 15 кпк. Реализована идея диагностики состояния межзвездной среды галактик на основе совместного использования данных о кинематике ионизованного газа в галактиках, полученных с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо и данных интегрально-полевой спектроскопии о потоках в эмиссионных линиях с низким спектральным разрешением. Использование карт дисперсии скоростей газа, построенных с помощью сканирующего ИФП высокого спектрального разрешения позволило изучить источники ионизации газа в нескольких близких галактиках с малым темпом звездообразования: галактический ветер в UGC 10043, карликовые галактики VII Zw 403 и Mrk 35, галактика с полярным кольцом Arp 212. Показано, что наблюдается положительная корреляция между дисперсией лучевых скоростей и вкладом ударного возбуждения в ионизацию газа. В частности, при изучении Arp 212 подтверждено предположение о прямом столкновении газовых облаков на наклонных орбитах с основным диском галактики.

 

Публикации

1. - Вокруг галактики Mrk 6 нашли гигантскую систему газовых облаков Индикатор, - (год публикации - ).

2. - Российские ученые обнаружили гигантскую систему газовых облаков вокруг галактики Mrk 6 ТАСС, - (год публикации - ).

3. Афанасьев В.Л., Егоров О.В., Перепелицын А.Е. IFU Unit in Scorpio-2 Focal Reducer for Integral-Field Spectroscopy on the 6-m Telescope of the Special Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences Astrophysical Bulletin, Volume 73, Issue 3, pp.373-386 (год публикации - 2018).

4. Килл В.С., Бенет В.Н., Панкост А., Харис С.Е., Нинюерг А., Чойновски Д., Моисеев А.В., Опарин Д.В., Линтотт С.Дж., Счавински К., Митчел Г., Конен С. AGN photoionization of gas in companion galaxies as a probe of AGN radiation in time and direction Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, - (год публикации - 2019).

5. Опарин Д.В., Моисеев А.В. ПОИСК ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗАЦИИ ГАЗА В ГАЛАКТИКАХ: ДОПОЛНЕНИЕ К КЛАССИЧЕСКИМ МЕТОДАМ Известия Крымской астрофизической обсерватории, том. 114, N 1, стр. 186-191 (год публикации - 2018).

6. Опарин Д.В., Моисеев А.В. Diagnostics of Ionized Gas in Galaxies with the "BPT-Radial Velocity Dispersion" Relation Astrophysical Bulletin, Volume 73, Issue 3, pp.298-309 (год публикации - 2018).

7. Перепелицын А.Е., Моисеев А.В., Опарин Д.В. Редуктор светосилы MaNGaL с перестраиваемыемым фильтром для малых и средних телескопов известия главной астрономической обсерватории в пулкове, - (год публикации - 2019).

8. Смирнова А.А., Моисеев А.В., Додонов С.Н. A close look at the well-known Seyfert galaxy: extended emission filaments in Mrk 6 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 481, Issue 4, p.4542-4547 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Выполнено исследование морфологии и ионизованного газа в четырех линзовидных галактиках, относящихся на диаграмме “цвет-величина” к так называемой “зеленой долине” на разных стадиях перехода от “синего облака” звездообразующих галактик к последовательности “пассивной эволюции”. Ранее эти объекты рассматривались как представители различных стадий затухания звездообразования в результате активности галактического ядра на основании наличия пространственного смещения между звездным диском и распределением нейтрального водорода. В то же время, рассмотрение характеристик ионизированного газа необходимо для понимания роли различных процессов обратной связи в остановке звездообразования. На 6-м телескопе САО РАН были проведены оптические наблюдения методами 3D- и длиннощелевой спектроскопии, что позволило сравнить кинематику газа и звезд. Пространственное распределение ионизованного газа (HII) согласуется с картами HI, однако на порядок более высокое угловое разрешение полей скоростей HII позволило детально изучать некруговые движения газа, такие как истечение из ядра галактики J1117+51. Наиболее интересным оказалось открытие глобального противовращения газового диска относительно звездного диска в J1237+39. Оказалось, что в данном случае весь наблюдаемый газ захвачен из внешней среды в результате аккреции или малого мержинга. Таким образом, показана важность для изучении эволюционных путей галактик с “затухающим” звездообразованием одновременного сравнения радиоданных в линии 21 см с оптическими данными о распределении ионизованного газа и звездного населения. Поиск и изучение протяженных областей, излучающей в эмиссионных линиях (extended emission-line regions =EELRs) связанных с активностью ядра в галактиках раннего типа, представляет интерес как для изучения истории изменений ионизующей радиации ядра, так и и для понимания процессов внешней аккреции газа галактиками. На 6-м телескопе САО РАН методами 3D- и длиннощелевой спектроскопии выполнено исследование EELR в галактике с активным ядром Mrk 78. Показано, что наблюдаемые в оптическом диапазоне газовые облака на видимом расстояниях 12-16 кпс от ядра ионизованы излучением активного ядра. Также мы проверили, является ли галактика, находящаяся на оптических изображениях вблизи этих газовых облаков, карликовым спутником или частью приливной структуры. Однако полученный на 6-м телескопе спектр этой галактики (SDSS J074240.37+651021.4) показал, что она является объектом фона. Проведено исследование, кинематики, пространственной структуры и ионизационного состояния газа в пекулярной галактике Mkn 938. Наблюдательный материал был получен на 6-м телескопе методами 3D- спектроскопии. Mkn 938 интересна тем, что является результатом слияния двух богатых газом галактик, причем мы наблюдаем уже финальную стадию слияния сопровождаемую мощнейшей вспышкой звездообразования и активностью ядра. Анализ кинематики газа и звезд показал, что в околоядерной области Mkn 938 присутствует истечение газа со скоростями от -370 до -480 км/с, а на больших масштабах нами впервые картирован высокоскоростной галактический ветер в линии поглощения нейтрального натрия (NaD). На 6-м телескопе САО РАН выполнена панорамная и длиннощелевая оптическая спектроскопия протяженных газовых дисков в 18 линзовидных (S0) галактиках. Газовая подсистема часто оказывается кинематически выделенной: как минимум в пяти галактиках обнаружены сильно наклоненные крупномасштабные ионизированные газовые диски, в 7 галактиках - околоядерные полярные диски, а в NGC 2551 ионизованный газ, хотя и лежит в основной плоскости, противовращается относительно звезд. Анализ состояния газа указывает на ионизацию молодыми звездами в 12 из 18 галактик; текущее звездообразование в них ограничено, в основном, кольцевыми зонами, совпадающими с ультрафиолетовыми кольцами. Содержание кислорода в газе колец составляет около 0.7 от солнечного значения и не коррелирует ни с радиусом кольца, ни с металличностью звездного населения. Анализ полей скоростей методом “наклонных колец” позволил проследить изменение положения линии узлов орбит газовых облаков вдоль радиуса. Обнаружено, что современное звездообразование обычно происходит там, где газ лежит точно в плоскости звездного диска и следует круговому вращению. В галактиках без текущего звездообразования протяженные газовые диски либо находятся в динамически стабильной квазиполярной ориентации, либо являются результатом захвата вещества с отличающимся направлением моментом вращения, что приводит к ударной ионизации газа. Полученные данные указывают на существенное отличие геометрии аккреции газа в S0 и спиральных галактиках: аккреция в S0s обычно происходит вне плоскости звездного диска. Среди 24 галактик Сейферта, с известными протяженными структурами в нейтральном водороде, картированных в линии [OIII] в рамках обзора TELPERION (=Tracing Emission Lines to Probe Extended Regions Ionized by Once-active Nuclei) только в одной (Mkn 1) было обнаружено внешнее облако ионизованного газа. Спектральные наблюдения выполненные на 6-м телескопе САО РАН подтвердили, что красное смещения облака размером около 8 кпк, находящееся на расстоянии 12 кпк от Mkn 1 соответствует паре галактик Mkn 1- NGC 451. Наблюдения на 1-м телескопе Шмидта (Армения) выявили второе облако, симметричное относительно ядра Mkn 1. Кинематика ионизованного газа согласуется с данными HI, наблюдаемые отношения эмиссионных линий указывают на его прямую ионизацию активным ядром. Относительно малая доля обнаруженных эмиссионных облаков в выборке требует ограничить характерный угол раскрытия конуса ионизации величиной 20 градусов, при условии постоянства ионизующего излучения на соответствующей временной шкале. Поскольку другие наблюдения часто указывают на более широкие конуса, то различие может служить дополнительным доказательством распространенности сильных колебаний уровня ионизующего излучения активных ядер галактик на масштабах 10 - 100 тыс. лет.

 

Публикации

1. - Как газ ляжет. Какие галактики древнее: линзовидные или спиральные? новостной портал N+1, - (год публикации - ).

2. - Газ в галактиках с полярными кольцами новостной портал N+1, - (год публикации - ).

3. Афанасьев В. Л. , Моисеев А. В., Смирнова А. А. Внутренняя кинематика сейфертовской галактики Mkn 938 Астрофизический бюллетень, - (год публикации - 2020).

4. Брюхарева Т.С., Моисеев А.В. H II versus H I in the `green valley' galaxies: direct comparison Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 489, Issue 3, p.3174-3182 (год публикации - 2019).

5. Гроховская А.А., Додонов С.Н. Large Scale Distribution of Galaxies in The Field HS 47.5-22. I. Data Analysis Technique Astrophysical Bulletin, vol.74, No.4, p. 379–387 (год публикации - 2019).

6. Додонов С.Н., Гроховская А.А. The density maps of the HS47.5-22 Contributions of the Astronomical Observatory Skalnaté Pleso, - (год публикации - 2020).

7. Егоров О.В., Моисеев А.В. Metallicity and ionization state of the gas in polar-ring galaxies Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 486, Issue 3, p.4186-4197 (год публикации - 2019).

8. Козлова Д.В., Моисеев А.В., Смирнова А.А. Extended ionized-gas structures in Seyfert 2 galaxy Mrk 78 Contributions of the Astronomical Observatory Skalnaté Pleso, - (год публикации - 2020).

9. Сильченко О.К., Моисеев А.В., Егоров О.В. The Gas Kinematics, Excitation, and Chemistry, in Connection with Star Formation, in Lenticular Galaxies The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 244, Issue 1, article id. 6, 32 pp. (год публикации - 2019).