Эволюция галактик в симбиозе с окружающей средой

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 22-12-00080

НазваниеЭволюция галактик в симбиозе с окружающей средой

Руководитель Сильченко Ольга Касьяновна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 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 слова Физика галактик, эволюция галактик, кинематика газа, кинематика звезд, межзвездная и межгалактическая среда, оптические наблюдения, численное моделирование

Код ГРНТИ41.27.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на комплексное исследование большой выборки галактик с рассогласованной кинематикой газа и звезд. Рассогласованная кинематика газа и звезд - а именно, разное направление осей вращения газовых и звездных дисков и несовпадение пространственной ориентации их плоскостей - является уверенным признаком недавнего прихода газа в галактику из внешней среды. Аккреция газа, а также его отток в окружающую среду, вероятно являются ключевыми факторами эволюции галактик, хотя по этому поводу в данный момент идет горячая дискуссия, а наблюдательные свидетельства пока не исчерпывающи. За последние 30 лет во многих нормальных, не взаимодействующих (изолированных) галактиках, были открыты рассогласования между кинематикой газа и звезд - противовращения и наклонная ориентация газовых дисков. Стало очевидно, что галактики продолжают регулярно подпитываться веществом из межгалактической среды, и это изменило наши представления о процессе их формирования и эволюции. Для построения полной картины эволюции галактик нам необходимо лучше понимать процессы аккреции и истечения газа из галактик в современную эпоху. Сейчас сложились уникальные возможности для выполнения нашего проекта: стали доступны окончательные данные обзоров панорамной спектроскопии тысяч галактик MaNGA и SAMI и данные глубоких фотометрических обзоров неба (legacysurvey.org), и кроме того, появились качественно новые численные космологические модели эволюции больших объемов Вселенной. Это позволяет нам провести массовые исследования статистически значимых выборок галактик с кинематическими особенностями, обусловленными недавней аккрецией газа из межгалактической среды. Мы собираемся выделить самую большую на данный момент выборку галактик с кинематическими особенностями на основе данных обзоров SDSS/MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at APO), SAMI (Sydney-AAO Multi-object Integral-field spectrograph), CALIFA (Calar Alto Legacy Integral-Field spectroscopy Area survey) и ATLAS-3D. Для этих галактик мы изучим их внутреннее строение и кинематику, а также их окружение: внешние структуры низкой поверхностной яркости, членство и роль в группах. Мы определим характеристики газа и звездного населения: оценим химический состав газа и звезд, возраст и характер звездообразования, ионизационное состояние газа. Мы сможем выделить характерные для галактик с рассогласованной кинематикой газа и звезд параметры их состава и структуры. Планируется также проанализировать параметры галактик, в которых наблюдается кинематическое рассогласование и отток газа одновременно, с целью понять баланс содержания и перемещение газа в них. С помощью результатов космологического моделирования, полученных в ходе проекта IllustrisTNG, мы сможем выделить похожие модельные галактики с рассогласованной кинематикой. Мы получим характеристики их газа и звезд, изучим влияние их окружения на историю аккреции, оценим недостающие параметры аккреции и влияние основных характеристик галактики на процесс. Сравнение с наблюдениями позволит понять полную картину реальной аккреции внешнего газа на различные типы галактик, а также оценить баланс аккреции и истечения газа из галактик. Мы также сможем экстраполировать полученные данные на ранние этапы эволюции галактик. Созданная нами выборка из нескольких сотен галактик со спектрально подтвержденной рассогласованной кинематикой газа и звезд превысит на порядок величины аналогичные существующие выборки, она будет представительной для всех морфологических типов галактик и широкого диапазона их масс. Наша группа включает экспертов в наблюдении и анализе кинематически обособленных структур в галактиках, в изучении состояния ионизованного газа, истечений газа, а также эксперта по работе с результатами численных моделей космологических объемов. Мы обладаем возможностью проводить дополнительные наблюдения, необходимые для проекта: глубокую фотометрию в узких эмиссионных линиях с помощью картировщика MaNGaL на 2.5-м телескопе в КГО ГАИШ МГУ, панорамную спектроскопию с широким полем зрения с помощью интерферометра Фабри-Перо на 6-м телескопе САО РАН, и глубокую фотометрию в широкополосных фильтрах на 3.5-м телескопе обсерватории Апачи Поинт. Для самых интересных объектов выборки - объектов с протяженными газовыми дисками, полярными или наклонными к экваториальной плоскости звездных дисков галактик, а также лежащими в основной плоскости, но противовращающимися по отношению к звездам - будет проведено детальное исследование структуры и кинематики газа и звезд, истории звездообразования и химической эволюции, определены источники внешней аккреции газа, ее характер и количественные характеристики. Будут построены модели динамической эволюции аккрецированного газа с высоким пространственным и временным разрешением, сделаны выводы о времени жизни наклонных газовых структур.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Цао К., Ши Ю., Бао М., Моисеев А., Бизяев Д., Ли С., Фернендес-Тринкадо Х., Риффел Р., Риффел, Р., Лейн Р. Multiple gas acquisition events in galaxies with dual misaligned gas disks Nature Astronomy, Nature Astronomy v.6, pp.1464-1472 (год публикации - 2022)
10.1038/s41550-022-01788-8

2. Бизяев Д.В., Чен Я.-М., Ши Ё., Рой Р., Риффель Р., Риффель Р.А., Фернандес-Тринкадо Х.-Г. SDSS IV MaNGA - star-formation driven biconical outflows in face-on galaxies Oxford University Press, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vol. 516, no. 2, pp.3092-3101, 2022, DOI: 10.1093/mnras/stac2439 (год публикации - 2022)
10.1093/mnras/stac2439

3. Сильченко О.К., Моисеев А.В., Опарин Д.В., Злыднева Д.В., Козлова Д.В. Counter-rotating gaseous disk and star formation in the S0 galaxy NGC 934 Astronomy Letters, volume 49, no.5, pp.229-239 (год публикации - 2023)

4. Афанасьев А.В., Чилингарян И.В., Гришин К.А., Макаров Д.И., Макарова Л.Н., Фабрикант Д., Колдуэлл Н., Моран Ш. KDG 64: a large dwarf spheroidal or a small ultradiffuse satellite of Messier 81 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volume 520, no.4, pp.6312-6321 (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad559

5. Постникова В.К., Бизяев Д.В. SDSS-IV MaNGA: источники ионизации диффузной газовой среды на больших галактических высотах Письма в Астрономический журнал, том 49, номер 4, стр. 237-254 (год публикации - 2023)

6. Сильченко О.К., Моисеев А.В., Опарин Д.В., Малеева Е.А., Прошина И.С. Star formation in lenticular galaxies with MaNGaL mapper Astrophysical Bulletin, Volume 78, no.3, pp.304-324 (год публикации - 2023)

7. Сильченко О.К., Моисеев А.В., Гусев А.С., Козлова Д.В. Кинематика и происхождение газа в дисковой галактике NGC 2655 ФГБУН Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук, "Астрофизический бюллетень" том 77, №4, стр.441-451 (год публикации - 2022)

8. Сильченко О.К., Моисеев А.В., Опарин Д.В., Смирнова А.А., Малеева Е.А., Сильченко А.В. Природа S0-галактик: необычный случай изолированной линзовидной галактики NGC 6798– газовый резервуар без аккреции Астрофизическая Бюллетень, т. 80, № 1 (год публикации - 2025)

9. Мо Х., Чен Я-М., Жанг Ж-Ю., Моисеев А.В., Бизяев Д.В., Ши Ю., Гу К-Ш., Бао М., Цао Л., Ли S-Л. Properties of a fading AGN from SDSS-IV MaNGA Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 529, Issue 4, pp.4500-4511 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae753

10. Жоу Ж., Чен Я., Гуан Р-Ю., Ши Й., Гу К., Бизяев Д.В. Galaxies with biconical ionized structure in MaNGA - I. Sample selection and driven mechanisms Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 531, Issue 2, pp.2462-2473 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae1214

11. Сильченко О.К., Малеева Е.А. When Did Stars Create the Chemical Basis of Life? Solar System Research, Vol. 58, Suppl. 1, pp. S18–S25. (год публикации - 2024)
10.1134/S0038094624601105

12. Прошина И.С., Сильченко О.К., Князев А.Ю. Spectral study of star-forming rings in S0 galaxies of Dorado group - NGC 1533 and NGC 1543 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, том 531. номер 2, стр. 2448-2461 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stae1314

13. Бизяев Д.В. The neutral hydrogen mass in galaxies estimated via optical spectroscopy Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 528, pp. L146–L151 (год публикации - 2024)
10.1093/mnrasl/slad186

14. Беом М., Уолтербос Р.А.М., Бизяев Д.В. SDSS. IV. MaNGA: The Impact of the Acquisition of Gas with Opposite Angular Momentum on the Evolution of Galaxies The Astronomical Journal, Vol. 168, no.5, idA197, 26pp (год публикации - 2024)
10.3847/1538-3881/ad6f0b

15. Жоу Ю., Чен Я., Ши Ю., Гу К., Вонг Ю., Бизяев Д.В. Misaligned Gas Acquisition as a Formation Pathway of S0 Galaxies The Astrophysical Journal, Volume 977, Issue 1, id.62, 10 pp. (год публикации - 2024)
10.3847/1538-4357/ad8c3d

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Для 12 систем галактик (групп галактик), содержащих галактики с рассогласованной кинематикой газа и звезд и наблюдавшихся на 6-метровом телескопе БТА САО РАН со сканирующим интерферометром Фабри-Перо, построены карты распределения поверхностной яркости эмиссии и карты лучевых скоростей ионизованного газа в галактиках и в их широких окрестностях, на поле 6 угловых минут. Список систем галактик: NGC 3921 + спутники, UGC 8671 + Arp239, UGC 7020A, NGC6361+PGC 60040, PGC60446+LEDA2596531, PGC 68554+PGC68555, NGC 7465+NGC7464+NGC7463, NGC 125, NGC 128+NGC127, UGC 10935, UGC9796+PGC 54478, PGC67860. Во многих случаях обнаружены потоки газа, видимые в эмиссии, между галактиками; измеренные со сканирующим интерферометром Фабри-Перо лучевые скорости газа вдоль этих потоков позволяют определить их принадлежность и происхождение. Еще 16 галактик, у которых известна рассогласованная кинематика газа и звезд во внутренних областях по данным обзора MaNGA, были картированы в эмиссионных линиях H-alpha и [NII]6583 с помощью фотометра с перестраиваемой полосой пропускания MaNGaL на 2.5-метровом телескопе КГО ГАИШ МГУ. Среди них были галактики с противовращением газа и звезд в диске и со звездообразованием в ядре IC 25, IC 264, LEDA 2220522, галактики с противовращением газа и звезд в диске и со старым звездным населением в ядре PGC 30488, PGC 35706, UGC 10097, галактики с внутренними полярными кольцами LEDA 2030684, NGC 2621, PGC 21834, PGC 22344, PGC 58674, PGC 60597, PGC 67976. В некоторых случаях в эмиссии детектированы спутники, которые могут быть донорами газа для галактик с рассогласованной кинематикой газа и звезд. Были получены спектральные данные с длинной щелью в полном оптическом диапазоне спектра для 18 галактик из нашей выборки. Вместе с результатами наблюдений прошлых лет, набралось 23 галактики с рассогласованной кинематикой газа и звезд, для которых спектральные наблюдения с длинной щелью позволяют: 1) оценить протяженность аккрецированного газового диска, 2) оценить характер возбуждения ионизованного газа, в том числе во внешних структурах, 3) для газа, возбужденного молодыми звездами, рассчитать металличность аккрецированного газа. В результате, в большинстве галактик, как с полярными газовыми дисками, так и с противовращающимся газом в диске со старым звездным населением в ядрах, возбуждение газа оказалось ударным. Тем не менее, удалось найти внутреннюю нецентральную HII-область в двух эллиптических галактиках – вероятно, это как раз остатки аккрецированных спутников. Есть несколько интересных случаев эмиссионных областей с возбуждением молодыми звездами вне основных дисков галактик. Примерно полдюжины предполагаемых голубых карликовых спутников, однако, теперь закрыты: это оказались галактики заднего фона, в которых мы по эмиссионным линиям измерили красные смещения. С целью исследования происхождения кинематического рассогласование между звездными и газовыми компонентами в дисковых галактиках, мы проанализировали выборку галактик из космологических симуляций TNG100 и TNG50. На начальном этапе мы сделали родительские выборки из 6274 и 4096 галактик соответственно в диапазоне звездных масс 10^9-19^11 Msun. Для всех галактик мы построили трехмерную кинематику скорости и поля скоростей в различных проекций звездных и газовых компонентов, сориентировав галактики в соответствии с их главными осями. Мы проанализировали полученные поля лучевых скоростей, используя распределения векторов углового момента звездных и газовых частиц, разделив галактики на две группы: полярные системы и другие системы с рассогласованой кинематикой. Полярные системы характеризуются векторами углового момента газа и звезд, которые почти перпендикулярны (>70 градусов), в то время как для второй группы не было сделано никаких дополнительных подклассификаций. Мы сосредоточили наше исследование на выборке TNG50, определив 786 галактик с различными типами кинематических рассогласований. Другими словами, почти 1/5 дисковых галактик демонстрируют кинематическое рассогласование. Эта доля увеличивается для галактик с большей массой, что, вероятно, иллюстрирует ограничение разрешения по массе на нижнем конце массы, а не реальную физику процессов. Наш анализ дал следующие результаты. 1. Отсутствие зависимости от окружающей среды. Мы не обнаружили существенной зависимости параметров кинематического рассогласования от окружения. Галактики в плотных областях вблизи массивных скоплений и в более изолированных условиях демонстрируют схожую частоту встречаемости рассогласованых систем. 2. Высокая доля полярных структур. Мы обнаружили, что галактики с полярными структурами встречаются примерно в четыре раза чаще, чем галактики с другими типами кинематического рассогласования. Это довольно удивительно, учитывая, что наблюдения из обзора MaNGA показывают схожие доли для обеих категорий. Это несоответствие, по-видимому, возникает из-за обилия чрезвычайно протяженных газовых потоков, окружающих большое количество галактик в симуляциях TNG50 — особенность, которая обычно не наблюдается в ближней Вселенной. Эти филаменты, вероятно, являются результатом недооценки влияния feedback, используемого в TNG50, который, хотя и эффективен для создания разумных распределений звездной массы в галактиках при z=0, кажется недостаточным для адекватного нагрева газа и предотвращения образования массивных газовых структур в отдалении от основной галактики. Эта неспособность предотвратить чрезмерное охлаждение газа приводит к образованию долгоживущих газовых потоков, искусственно увеличивая долю полярных систем в нашей выборке галактик TNG50. Наши результаты показывают, что хотя симуляции TNG50 успешно генерируют реалистичную популяцию галактик по морфологическим типам, они не в состоянии воспроизвести подробную звездную и газовую кинематику на субгалактических масштабах. Этот недостаток не обязательно бросает вызов парадигме холодной темной материи (CDM), поскольку он отражает трудности моделирования физики газовой и звездной компонент, параметры которой в симуляциях калибруются по глобальным масштабным соотношениям, таким как масса-металличность и звездная масса-масса гало, а не по детальной кинематике дисков. Вместо этого наши результаты указывают на необходимость дальнейшей настройки «подсеточной» физики, особенно в калибровки эффективности звездного feedback. Кроме того, моделирование газовой компоненты в рамках AREPO, реализованной в симуляциях TNG, по-видимому, недостаточно адекватно для разрешения многофазной структуры МЗС, что, вероятно, способствует несоответствию между смоделированным и наблюдаемым кинематическим рассогласованием.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Вряд ли результаты проекта могут дать толчок экономическому и социальному развитию РФ; но они несомненно поднимают наш уровень понимания устройства Вселенной.