Спутниковая галактика — это меньшая галактика-компаньон, которая движется по связанным орбитам в пределах гравитационного потенциала более массивной и яркой родительской галактики (также известной как первичная галактика). [1] Спутниковые галактики и их составляющие связаны со своей родительской галактикой таким же образом, как планеты в Солнечной системе гравитационно связаны с Солнцем . [2] В то время как большинство спутниковых галактик являются карликовыми галактиками , спутниковые галактики больших скоплений галактик могут быть гораздо более массивными. [3] Вокруг Млечного Пути вращаются около пятидесяти спутниковых галактик, крупнейшей из которых является Большое Магелланово Облако .
Более того, галактики-спутники — не единственные астрономические объекты, которые гравитационно связаны с более крупными родительскими галактиками (см. шаровые скопления ). По этой причине астрономы определили галактики как гравитационно связанные скопления звезд , которые проявляют свойства, которые не могут быть объяснены комбинацией барионной материи (т. е. обычной материи ) и законов тяготения Ньютона . [4] Например, измерения орбитальной скорости звезд и газа внутри спиральных галактик приводят к кривой скорости , которая значительно отклоняется от теоретического предсказания. Это наблюдение мотивировало различные объяснения, такие как теория темной материи и модификации ньютоновской динамики . [1] Поэтому, несмотря на то, что шаровые скопления также являются спутниками родительских галактик, их не следует путать с галактиками-спутниками. Галактики-спутники не только более протяженные и диффузные по сравнению с шаровыми скоплениями, но также окутаны массивными гало темной материи , которые, как считается, были наделены ими в процессе формирования. [5]
Спутниковые галактики обычно ведут бурную жизнь из-за их хаотических взаимодействий как с более крупной родительской галактикой, так и с другими спутниками. Например, родительская галактика способна разрушать орбитальные спутники посредством приливного и лобового давления . Эти экологические эффекты могут удалять большие количества холодного газа из спутников (т. е. топливо для звездообразования ), и это может привести к тому, что спутники станут неподвижными в том смысле, что они перестанут образовывать звезды. [6] Более того, спутники также могут сталкиваться со своей родительской галактикой, что приводит к небольшому слиянию (т. е. слиянию галактик со значительно различающимися массами). С другой стороны, спутники также могут сливаться друг с другом, что приводит к крупному слиянию (т. е. слиянию галактик со сравнимыми массами). Галактики в основном состоят из пустого пространства, межзвездного газа и пыли , и поэтому слияния галактик не обязательно подразумевают столкновения между объектами из одной галактики и объектами из другой, однако эти события обычно приводят к гораздо более массивным галактикам. Следовательно, астрономы стремятся ограничить скорость, с которой происходят как малые, так и большие слияния, чтобы лучше понять формирование гигантских структур гравитационно связанных конгломератов галактик, таких как галактические группы и скопления . [7] [8]
До 20-го века представление о том, что галактики существуют за пределами Млечного Пути, не было устоявшимся. Фактически, эта идея была настолько спорной в то время, что она привела к тому, что сейчас провозглашается как « Великий спор Шепли-Кертиса », метко названный в честь астрономов Харлоу Шепли и Хебера Дуста Кертиса , которые обсуждали природу «туманностей» и размер Млечного Пути в Национальной академии наук 26 апреля 1920 года. Шепли утверждал, что Млечный Путь — это вся вселенная (охватывающая более 100 000 световых лет или 30 килопарсек в поперечнике) и что все наблюдаемые «туманности» (в настоящее время известные как галактики) находятся в этой области. С другой стороны, Кертис утверждал, что Млечный Путь намного меньше и что наблюдаемые туманности на самом деле являются галактиками, похожими на Млечный Путь. [9] Этот спор не был урегулирован до конца 1923 года, когда астроном Эдвин Хаббл измерил расстояние до M31 (в настоящее время известной как галактика Андромеды) с помощью переменных звезд цефеид. Измерив период этих звезд, Хаббл смог оценить их внутреннюю светимость, и после объединения этого с их измеренной видимой величиной он оценил расстояние в 300 кпк, что было на порядок больше, чем предполагаемый размер Вселенной, сделанный Шепли. Это измерение подтвердило, что не только Вселенная была намного больше, чем предполагалось ранее, но и продемонстрировало, что наблюдаемые туманности на самом деле были далекими галактиками с широким диапазоном морфологий (см. последовательность Хаббла ). [9]
Несмотря на открытие Хаббла, что Вселенная кишит галактиками, большинство спутниковых галактик Млечного Пути и Местной группы оставались незамеченными до появления современных астрономических обзоров, таких как Слоановский цифровой обзор неба ( SDSS ) и Обзор темной энергии ( DES ). [10] [11] В частности, в настоящее время известно, что у Млечного Пути имеется 59 спутниковых галактик (см. спутниковые галактики Млечного Пути ), однако два из этих спутников, известные как Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако, можно было наблюдать в Южном полушарии невооруженным глазом с древних времен. Тем не менее, современные космологические теории формирования и эволюции галактик предсказывают гораздо большее количество спутниковых галактик, чем наблюдается (см. проблему отсутствующих спутников ). [12] [13] Однако более поздние моделирования с высоким разрешением продемонстрировали, что текущее количество наблюдаемых спутников не представляет угрозы для общепринятой теории формирования галактик. [14] [15]
Спектроскопические , фотометрические и кинематические наблюдения спутниковых галактик дали богатый объем информации, которая была использована для изучения, среди прочего, формирования и эволюции галактик , эффектов окружающей среды, которые увеличивают и уменьшают скорость звездообразования внутри галактик и распределения темной материи в гало темной материи. В результате спутниковые галактики служат испытательным полигоном для прогнозов, сделанных космологическими моделями . [14] [16] [17]
Как упоминалось выше, галактики-спутники обычно классифицируются как карликовые галактики и поэтому следуют аналогичной схеме классификации Хаббла , как и их хозяева, с небольшим добавлением строчной буквы «d» перед различными стандартными типами для обозначения статуса карликовой галактики. Эти типы включают карликовую нерегулярную (dI), карликовую сфероидальную (dSph), карликовую эллиптическю (dE) и карликовую спиральную (dS). Однако из всех этих типов считается, что карликовые спирали не являются спутниками, а скорее карликовыми галактиками, которые встречаются только в поле. [18]
Карликовые нерегулярные спутниковые галактики характеризуются хаотичным и асимметричным внешним видом, низкой долей газа, высокой скоростью звездообразования и низкой металличностью . [19] Три ближайших карликовых нерегулярных спутника Млечного Пути включают Малое Магелланово Облако, Карлик Большого Пса и недавно обнаруженную Антлию 2 .
Карликовые эллиптические галактики-спутники характеризуются овальным видом на небе, беспорядочным движением составляющих их звезд, умеренной или низкой металличностью, низким содержанием газа и старым звездным населением. Карликовые эллиптические галактики-спутники в Местной группе включают NGC 147 , NGC 185 и NGC 205 , которые являются спутниками нашей соседней галактики Андромеда. [19] [20]
Карликовые сфероидальные галактики-спутники характеризуются диффузным внешним видом, низкой поверхностной яркостью , высоким отношением массы к светимости (т.е. преобладанием темной материи), низкой металличностью, низкой долей газа и старым звездным населением. [1] Более того, карликовые сфероидальные галактики составляют самую большую популяцию известных спутниковых галактик Млечного Пути. Некоторые из этих спутников включают Геркулес , Рыбы II и Лев IV , которые названы в честь созвездия , в котором они находятся. [19]
В результате незначительных слияний и воздействия окружающей среды некоторые карликовые галактики классифицируются как промежуточные или переходные типы спутниковых галактик. Например, Phoenix и LGS3 классифицируются как промежуточные типы, которые, по-видимому, переходят от карликовых нерегулярных к карликовым сфероидальным. Кроме того, Большое Магелланово Облако считается находящимся в процессе перехода от карликовой спирали к карликовой нерегулярной. [19]
Согласно стандартной модели космологии (известной как модель ΛCDM ), формирование спутниковых галактик неразрывно связано с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной. В частности, модель ΛCDM основана на предпосылке, что наблюдаемая крупномасштабная структура является результатом иерархического процесса снизу вверх, который начался после эпохи рекомбинации , в которой электрически нейтральные атомы водорода образовались в результате связывания свободных электронов и протонов . По мере того, как соотношение нейтрального водорода к свободным протонам и электронам росло, росли и флуктуации плотности барионной материи. Эти флуктуации быстро росли до такой степени, что становились сопоставимыми с флуктуациями плотности темной материи . Более того, меньшие флуктуации массы росли до нелинейности , становились вириализованными (т. е. достигали гравитационного равновесия), а затем иерархически группировались в последовательно более крупных связанных системах. [21]
Газ внутри этих связанных систем конденсировался и быстро охлаждался в холодные гало темной материи , которые постоянно увеличивались в размерах, сливаясь вместе и накапливая дополнительный газ посредством процесса, известного как аккреция . Самые большие связанные объекты, образованные в результате этого процесса, известны как сверхскопления , такие как сверхскопление Девы , которые содержат меньшие скопления галактик, которые сами окружены еще меньшими карликовыми галактиками . Кроме того, в этой модели карликовые галактики считаются основными строительными блоками, которые дают начало более массивным галактикам, а спутники, которые наблюдаются вокруг этих галактик, являются карликами, которые еще не были поглощены их хозяином. [22]
Грубый, но полезный метод определения того, как гало темной материи постепенно набирают массу посредством слияния менее массивных гало, можно объяснить с помощью формализма экскурсионного множества, также известного как расширенный формализм Пресса-Шехтера (EPS). [23] Помимо прочего, формализм EPS можно использовать для определения доли массы , которая возникла из коллапсировавших объектов определенной массы в более раннее время , применяя статистику марковских случайных блужданий к траекториям массовых элементов в -пространстве, где и представляют дисперсию массы и избыточную плотность соответственно.
В частности, формализм EPS основан на анзаце , который гласит, что «доля траекторий с первым пересечением барьера вверх в момент времени равна массовой доле в момент времени, которая включена в гало с массами ». [24] Следовательно, этот анзац гарантирует, что каждая траектория пересечет барьер вверх при некотором произвольно большом , и в результате он гарантирует, что каждый элемент массы в конечном итоге станет частью гало. [24]
Более того, доля массы , которая возникла из коллапсировавших объектов определенной массы в более раннее время, может быть использована для определения среднего числа прародителей в момент времени в интервале масс , которые слились, чтобы создать гало в момент времени . Это достигается путем рассмотрения сферической области массы с соответствующей дисперсией массы и линейной избыточной плотностью , где — линейная скорость роста, которая нормализована до единицы в момент времени , а — критическая избыточная плотность , при которой исходная сферическая область коллапсировала, чтобы сформировать вириализованный объект. [24] Математически функция массы прародителя выражается как: где и — функция множественности Пресса-Шехтера, которая описывает долю массы, связанную с гало в диапазоне . [24]
Различные сравнения функции массы прародителя с численным моделированием пришли к выводу, что хорошее согласие между теорией и моделированием достигается только тогда, когда мало, в противном случае массовая доля прародителей с большой массой значительно занижается, что можно объяснить грубыми предположениями, такими как предположение о идеально сферической модели коллапса и использование линейного поля плотности вместо нелинейного поля плотности для характеристики коллапсировавших структур. [25] [26] Тем не менее, полезность формализма EPS заключается в том, что он обеспечивает вычислительно удобный подход для определения свойств гало темной материи.
Еще одна полезность формализма EPS заключается в том, что его можно использовать для определения скорости, с которой гало начальной массы M сливается с гало с массой между M и M+ΔM. [24] Эта скорость определяется как
где , . В общем случае изменение массы, , является суммой множества мелких слияний. Тем не менее, учитывая бесконечно малый интервал времени, разумно считать, что изменение массы вызвано единичным событием слияния, в котором происходит переход в . [24]
На протяжении всей своей жизни галактики-спутники, вращающиеся в гало темной материи, испытывают динамическое трение и, следовательно, погружаются глубже в гравитационный потенциал своего хозяина в результате орбитального распада . На протяжении всего этого спуска звезды во внешней области спутника неуклонно отрываются из-за приливных сил от галактики-хозяина. Этот процесс, являющийся примером небольшого слияния, продолжается до тех пор, пока спутник полностью не разрушится и не будет поглощен галактиками-хозяевами. [27] Доказательства этого разрушительного процесса можно наблюдать в потоках звездного мусора вокруг далеких галактик.
По мере того, как спутники вращаются вокруг своего хозяина и взаимодействуют друг с другом, они постепенно теряют небольшое количество кинетической энергии и углового момента из-за динамического трения. Следовательно, расстояние между хозяином и спутником постепенно уменьшается, чтобы сохранить угловой момент. Этот процесс продолжается до тех пор, пока спутник в конечном итоге не сольется с галактикой-хозяином. Кроме того, если предположить, что хозяин представляет собой сингулярную изотермическую сферу (SIS), а спутник — SIS, резко усеченную на радиусе, на котором она начинает ускоряться по направлению к хозяину (известном как радиус Якоби ), то время , необходимое для того, чтобы динамическое трение привело к небольшому слиянию, можно аппроксимировать следующим образом: где — начальный радиус при , — дисперсия скоростей галактики-хозяина, — дисперсия скоростей спутника и — кулоновский логарифм, определяемый как с , и соответственно представляющий максимальный параметр удара , радиус полумассы и типичную относительную скорость. Более того, как радиус полумассы, так и типичная относительная скорость могут быть переписаны в терминах радиуса и дисперсии скоростей таким образом, что и . Используя соотношение Фабера-Джексона , дисперсию скоростей спутников и их хозяина можно оценить индивидуально по их наблюдаемой светимости. Поэтому, используя уравнение выше, можно оценить время, которое требуется галактике-спутнику, чтобы быть поглощенной галактикой-хозяином. [27]
В 1978 году пионерская работа по измерению цветов остатков слияния астрономами Беатрис Тинсли и Ричардом Ларсоном дала начало представлению о том, что слияния усиливают звездообразование. Их наблюдения показали, что аномальный синий цвет был связан с остатками слияния. До этого открытия астрономы уже классифицировали звезды (см. звездные классификации ), и было известно, что молодые, массивные звезды были более синими из-за их света, излучаемого на более коротких длинах волн . Кроме того, было также известно, что эти звезды живут недолго из-за быстрого потребления топлива для поддержания гидростатического равновесия . Поэтому наблюдение, что остатки слияния были связаны с большими популяциями молодых, массивных звезд, предполагало, что слияния вызывали быстрое звездообразование (см. звездообразование в галактиках ). [28] С тех пор, как было сделано это открытие, различные наблюдения подтвердили, что слияния действительно вызывают энергичное звездообразование. [27] Несмотря на то, что крупные слияния гораздо более эффективны в управлении звездообразованием, чем мелкие слияния, известно, что мелкие слияния встречаются значительно чаще крупных слияний, поэтому предполагается, что кумулятивный эффект мелких слияний в течение космического времени также вносит значительный вклад в бурное звездообразование. [29]
Наблюдения за галактиками, видимыми с ребра, предполагают повсеместное присутствие тонкого диска , толстого диска и гало -компонента галактик. Несмотря на кажущуюся повсеместность этих компонентов, все еще продолжаются исследования, чтобы определить, являются ли толстый диск и тонкий диск действительно отдельными компонентами. [30] Тем не менее, было предложено много теорий для объяснения происхождения компонента толстого диска, и среди этих теорий есть одна, которая включает в себя незначительные слияния. В частности, предполагается, что ранее существовавший тонкий дисковый компонент родительской галактики нагревается во время незначительного слияния, и, следовательно, тонкий диск расширяется, образуя более толстый дисковый компонент. [31]