Линзовидная галактика (обозначается S0) — это тип галактики, промежуточный между эллиптической (обозначается E) и спиральной галактикой в схемах морфологической классификации галактик . [1] Она содержит крупномасштабный диск, но не имеет крупномасштабных спиральных рукавов. Линзовидные галактики — это дисковые галактики , которые израсходовали или потеряли большую часть своего межзвездного вещества и, следовательно, имеют очень мало продолжающегося звездообразования . [2] Однако они могут сохранять значительное количество пыли в своих дисках. В результате они состоят в основном из стареющих звезд (как эллиптические галактики). Несмотря на морфологические различия, линзовидные и эллиптические галактики имеют общие свойства, такие как спектральные характеристики и масштабные соотношения. Обе можно считать галактиками раннего типа, которые пассивно эволюционируют, по крайней мере, в локальной части Вселенной. Связующими между галактиками E и галактиками S0 являются галактики ES с дисками промежуточного масштаба. [3]
Линзовидные галактики уникальны тем, что у них есть видимый компонент диска, а также заметный компонент балджа. Они имеют гораздо более высокие отношения балджа к диску, чем типичные спирали, и не имеют канонической структуры спиральных рукавов галактик позднего типа [примечание 1] , но могут иметь центральную перемычку. [4] Это доминирование балджа можно увидеть в распределении соотношения осей (т. е. соотношения между наблюдаемыми малой и большой осевой частью дисковой галактики) образца линзовидных галактик. Распределение для линзовидных галактик неуклонно растет в диапазоне от 0,25 до 0,85, тогда как распределение для спиралей по существу плоское в том же диапазоне. [5] Более высокие соотношения осей можно объяснить, наблюдая дисковые галактики лицом к лицу или имея образец сфероидальных (с преобладанием балджа) галактик. Представьте себе, что вы смотрите на две дисковые галактики с ребра, одну с балджем и одну без балджа. Галактика с выраженным выступом будет иметь большее отношение осей с ребра по сравнению с галактикой без выступа на основе определения отношения осей. Таким образом, выборка дисковых галактик с выраженными сфероидальными компонентами будет иметь больше галактик с большими отношениями осей. Тот факт, что распределение линзовидных галактик растет с увеличением наблюдаемого отношения осей, означает, что линзовидные галактики доминируют за счет центрального компонента выступов. [4]
Линзовидные галактики часто считаются плохо изученным переходным состоянием между спиральными и эллиптическими галактиками, что приводит к их промежуточному размещению в последовательности Хаббла . Это происходит из-за того, что линзовидные галактики имеют как заметные компоненты диска, так и балджа. Дисковый компонент обычно не имеет особенностей, что исключает систему классификации, похожую на систему классификации спиральных галактик. Поскольку компонент балджа обычно сферический, классификации эллиптических галактик также не подходят. Таким образом, линзовидные галактики делятся на подклассы, основанные либо на количестве присутствующей пыли, либо на выдающейся центральной перемычке. Классы линзовидных галактик без перемычки — S0 1 , S0 2 и S0 3 , где подстрочные числа указывают количество поглощения пыли в компоненте диска; соответствующие классы для линзовидных галактик с центральной перемычкой — SB0 1 , SB0 2 и SB0 3 . [4]
Профили поверхностной яркости линзовидных галактик хорошо описываются суммой модели Серсика для сфероидального компонента плюс экспоненциально убывающей модели (индекс Серсика n ≈ 1) для диска, и часто третьего компонента для перемычки. [6] Иногда наблюдается усечение профилей поверхностной яркости линзовидных галактик на ~ 4 масштабах диска. [7] Эти особенности согласуются с общей структурой спиральных галактик. Однако компонент балджа линзовидных галактик более тесно связан с эллиптическими галактиками с точки зрения морфологической классификации. Эта сфероидальная область, которая доминирует во внутренней структуре линзовидных галактик, имеет более крутой профиль поверхностной яркости (индекс Серсика обычно варьируется от n = 1 до 4) [8] [9], чем дисковый компонент. Образцы линзовидных галактик можно отличить от популяции бездисковых (за исключением небольших ядерных дисков) эллиптических галактик с помощью анализа профилей их поверхностной яркости. [10]
Подобно спиральным галактикам, линзовидные галактики могут обладать центральной структурой перемычки. В то время как система классификации для обычных линзовидных галактик зависит от содержания пыли, линзовидные галактики с перемычкой классифицируются по выдаче центральной перемычки. Галактики SB0 1 имеют наименее определенную структуру перемычки и классифицируются только как имеющие слегка повышенную поверхностную яркость вдоль противоположных сторон центрального утолщения. Выдаемость перемычки увеличивается с номером индекса, таким образом, галактики SB0 3 , такие как NGC 1460, имеют очень хорошо определенные перемычки, которые могут проходить через переходную область между утолщением и диском. [4] NGC 1460 на самом деле является галактикой с одной из самых больших перемычек, наблюдаемых среди линзовидных галактик. К сожалению, свойства перемычек в линзовидных галактиках не были исследованы подробно. Понимание этих свойств, а также понимание механизма формирования перемычек помогло бы прояснить историю формирования или эволюции линзовидных галактик. [7]
NGC 1375 и NGC 1175 являются примерами линзовидных галактик, которые имеют так называемые коробчатые балджи. Они классифицируются как SB0 pec. Коробчатые балджи видны в галактиках, видимых с ребра, в основном спиральных, но редко линзовидных. [11]
Во многих отношениях состав линзовидных галактик похож на состав эллиптических . Например, они обе состоят преимущественно из более старых, а значит, и более красных звезд. Все их звезды, как полагают, старше примерно миллиарда лет, в соответствии с их смещением от соотношения Тулли-Фишера (см. ниже). В дополнение к этим общим звездным атрибутам, шаровые скопления чаще встречаются в линзовидных галактиках, чем в спиральных галактиках аналогичной массы и светимости. Они также имеют мало или совсем не имеют молекулярного газа (отсюда отсутствие звездообразования) и не имеют значительного водорода α или 21-см излучения. Наконец, в отличие от эллиптических, они все еще могут иметь значительное количество пыли. [4]
Линзовидные галактики разделяют кинематические свойства как со спиральными, так и с эллиптическими галактиками. [14] Это связано со значительной выпуклостью и дисковой природой линзовидных галактик. Компонент выпуклости похож на эллиптические галактики в том, что он является давлением, поддерживаемым центральной дисперсией скоростей . Эта ситуация аналогична воздушному шару, где движения частиц воздуха (звезд в случае балджа) доминируют случайными движениями. Однако кинематика линзовидных галактик доминируется вращательно поддерживаемым диском. Поддержка вращения подразумевает, что среднее круговое движение звезд в диске отвечает за устойчивость галактики. Таким образом, кинематика часто используется для различения линзовидных галактик от эллиптических галактик. Определение различия между эллиптическими галактиками и линзовидными галактиками часто опирается на измерения дисперсии скоростей (σ), скорости вращения (v) и эллиптичности (ε). [14] Для того чтобы отличить линзовидные галактики от эллиптических, обычно смотрят на отношение v/σ для фиксированного ε. Например, грубым критерием для различения линзовидных и эллиптических галактик является то, что эллиптические галактики имеют v/σ < 0,5 при ε = 0,3. [14] Мотивация этого критерия заключается в том, что линзовидные галактики имеют выраженные компоненты балджа и диска, тогда как эллиптические галактики не имеют дисковой структуры. Таким образом, линзовидные галактики имеют гораздо большие отношения v/σ, чем эллиптические, из-за их не пренебрежимо малых скоростей вращения (из-за дискового компонента) в дополнение к тому, что у них не такой выраженный компонент балджа по сравнению с эллиптическими галактиками. Однако этот подход, использующий единое отношение для каждой галактики, проблематичен из-за зависимости отношения v/σ от радиуса, до которого оно измеряется в некоторых галактиках раннего типа. Например, галактики ES, которые являются мостом между галактиками E и S0, с их дисками промежуточного масштаба, имеют высокое отношение v/σ на промежуточных радиусах, которое затем падает до низкого отношения на больших радиусах. [15] [16]
Кинематика дисковых галактик обычно определяется линиями эмиссии Hα или 21 см , которые обычно отсутствуют в линзовидных галактиках из-за общего отсутствия в них холодного газа. [7] Таким образом, кинематическая информация и грубые оценки массы линзовидных галактик часто поступают из линий поглощения звезд, которые менее надежны, чем измерения линий эмиссии. Существует также значительная трудность в получении точных скоростей вращения для линзовидных галактик. Это комбинированный эффект от линзовидных галактик, имеющих сложные измерения наклона, проекционные эффекты в области интерфейса балдж-диск и случайные движения звезд, влияющие на истинные скорости вращения. [17] Эти эффекты значительно затрудняют кинематические измерения линзовидных галактик по сравнению с обычными дисковыми галактиками.
Кинематическая связь между спиральными и линзовидными галактиками наиболее ясна при анализе соотношения Тулли–Фишера для спиральных и линзовидных образцов. Если линзовидные галактики являются эволюционировавшей стадией спиральных галактик, то они должны иметь похожее соотношение Тулли–Фишера со спиралями, но со смещением по оси светимость/абсолютная величина. Это могло бы быть результатом доминирования более ярких красных звезд в звездном населении линзовидных галактик. Пример этого эффекта можно увидеть на соседнем графике. [7] Можно ясно видеть, что линии наилучшего соответствия для данных спиральной галактики и линзовидной галактики имеют одинаковый наклон (и, таким образом, следуют одному и тому же соотношению Тулли–Фишера), но смещены на ΔI ≈ 1,5. Это означает, что линзовидные галактики когда-то были спиральными галактиками, но теперь в них доминируют старые красные звезды.
Морфология и кинематика линзовидных галактик, каждая, в определенной степени, предполагает способ формирования галактик . Их дискообразный, возможно, пыльный вид предполагает, что они произошли от выцветших спиральных галактик , чьи рукава исчезли. Однако некоторые линзовидные галактики более яркие, чем спиральные галактики, что предполагает, что они не просто выцветшие остатки спиральных галактик. Линзовидные галактики могут быть результатом слияния галактик , которое увеличивает общую звездную массу и может придать недавно объединенной галактике дискообразный вид без рукавов. [7] В качестве альтернативы было предложено [20] , что они вырастили свои диски посредством (газовых и малых слияний) событий аккреции. Ранее предполагалось, что эволюция ярких линзовидных галактик может быть тесно связана с эволюцией эллиптических галактик, тогда как более слабые линзовидные галактики могут быть более тесно связаны со спиральными галактиками, лишенными давления лобовой волны [21], хотя этот последний сценарий преследования галактик с тех пор подвергался сомнению из-за существования [22] чрезвычайно изолированных линзовидных галактик с низкой светимостью, таких как LEDA 2108986 .
Отсутствие газа, наличие пыли, отсутствие недавнего звездообразования и вращательная поддержка — все это атрибуты, которые можно было бы ожидать от спиральной галактики, которая израсходовала весь свой газ на формирование звезд. [7] Эта возможность еще больше усиливается существованием бедных газом, или «анемичных», спиральных галактик . Если бы спиральный узор затем рассеялся, то получившаяся галактика была бы похожа на многие линзовидные галактики. [23] Мур и др. также документируют, что приливное преследование — гравитационное воздействие других, близких галактик — может способствовать этому процессу в плотных регионах. [24] Однако наиболее явным подтверждением этой теории является их приверженность слегка смещенной версии соотношения Талли–Фишера, обсуждавшейся выше.
Статья 2012 года, в которой предлагается новая система классификации, впервые предложенная канадским астрономом Сиднеем ван ден Бергом , для линзовидных и карликовых сфероидальных галактик (S0a-S0b-S0c-dSph), которая параллельна последовательности Хаббла для спиральных и нерегулярных галактик (Sa-Sb-Sc-Im), подкрепляет эту идею, показывая, как спирально-нерегулярная последовательность очень похожа на эту новую для линзовидных и карликовых эллиптических галактик. [25]
Анализы Бурштейна [26] и Сэндиджа [27] показали, что линзовидные галактики обычно имеют поверхностную яркость намного больше, чем другие спиральные классы. Также считается, что линзовидные галактики демонстрируют большее отношение балджа к диску, чем спиральные галактики, и это может не соответствовать простому затуханию от спирали. [28] [29] Если бы S0 были образованы путем слияния других спиралей, эти наблюдения были бы уместны, и это также объясняло бы повышенную частоту шаровых скоплений. Однако следует отметить, что продвинутые модели центрального балджа, которые включают как общий профиль Серсика, так и перемычку, указывают на меньший балдж, [30] и, таким образом, на уменьшенную непоследовательность. Слияния также не могут объяснить смещение от соотношения Талли–Фишера, не предполагая, что слившиеся галактики сильно отличались от тех, которые мы видим сегодня.
Создание дисков, по крайней мере, в некоторых линзовидных галактиках посредством аккреции газа и небольших галактик вокруг уже существующей сфероидальной структуры было впервые предложено в качестве объяснения для сопоставления компактных массивных сфероидальных галактик с высоким красным смещением с такими же компактными массивными выпуклостями, наблюдаемыми в близлежащих массивных линзовидных галактиках. [31] В сценарии «уменьшения» более крупные линзовидные галактики могли быть построены первыми — в более молодой Вселенной, когда было доступно больше газа — а галактики с меньшей массой могли медленнее притягивать свой строительный материал для диска, как в случае изолированной галактики раннего типа LEDA 2108986. Внутри скоплений галактик отрыв под давлением тарана удаляет газ и предотвращает аккрецию нового газа, который мог бы способствовать развитию диска.