Истинный размер галактик намного больше, чем считалось

Если спросить большинство людей, из чего состоит галактика, то они ответят, что она состоит из звезд. Наша собственная галактика, Млечный Путь, содержит от 100 до 300 миллиардов звезд, и мы можем видеть тысячи из них невооруженным глазом. Но большая часть массы галактики на самом деле — это газ, и объем газа трудно измерить. Исследователи нашли способ узнать, насколько далеко этот газ простирается в космос.

Один из основополагающих вопросов о галактиках касается их размера. Если ограничить наши наблюдения звездами, то наша галактика, например, имеет размер около 26,8 килопарсеков или около 87 000 световых лет в поперечнике. Наш сосед, Андромеда, имеет размер около 46,56 килопарсеков или 152 000 световых лет в поперечнике. Но действительно ли эти измерения определяют размеры?

В новом исследовании, опубликованном в Nature Astronomy, ученые измерили охват газа, который простирается за пределы звездного населения галактики. Он называется « Карта эмиссии перехода диска в окологалактическую среду в звездообразовании IRAS 08339+6517 ». Ведущий автор — Николь Нильсен, исследователь из Университета Суинберна и ASTRO 3D, а также доцент Университета Оклахомы.

Галактики имеют газообразные гало, которые служат резервуарами звездообразующего материала, называемого окологалактической средой (CGM). CGM взаимодействует с межгалактической средой (IGM), которая представляет собой еще больше газа, существующего между галактиками. CGM, как известно, трудно наблюдать, потому что она очень диффузная и протяженная. Но она составляет около 70% типичной галактики (без учета темной материи) и играет важную роль. «Этот диффузный резервуар газа, окологалактическая среда, действует как интерфейс между галактикой и космической паутиной, которая соединяет галактики», — объясняют авторы в своей статье.

Астрономы полагаются на яркие фоновые объекты, чтобы попытаться наблюдать CGM. Такие вещи, как далекие квазары, пульсары или другие галактики, могут освещать газ и позволять астрономам измерять его спектры. Но это работает только тогда, когда все выстраивается правильно, и это создает только лучеобразное изображение галактики.

В этом новом исследовании группа астрономов нашла другой способ наблюдения CGM. Они использовали Keck Cosmic Web Imager (KCWI) на 10-метровом телескопе Keck на Гавайях, чтобы наблюдать газ вокруг IRAS 08339+6517. Вместо ограниченного, похожего на луч, взгляда на газ, они смогли обнаружить облака газа далеко за пределами типичных границ галактики, до 100 000 световых лет за пределами предела звездного света, который обычно определяет галактику.

«Мы представляем интегральную полевую спектроскопию с разрешением в масштабе килопарсека линий излучения, которые прослеживают холодный ионизированный газ от центра близлежащей галактики до 30 кпк в ее окологалактическую среду», — пишут авторы. В своей статье они объясняют, что «… мы получаем эквивалент тысяч линий обзора квазаров вокруг одной галактики».

IRAS 08339+6517 — это галактика со вспышкой звездообразования, расположенная примерно в 56 килопарсеках от нас. Галактика со вспышкой звездообразования — это галактика, рождающая звезды с необычайно высокой скоростью. Снимки Хаббла показывают, что это спиральная галактика, обращенная лицом к нам, и 90% ее звездного света содержится в радиусе около 2,4 килопарсеков. «В отличие от обычных спиралей, она обладает довольно экстремальными свойствами: скорость звездообразования (SFR) = 12,1 солнечных масс в год -1 ), что примерно в 10 раз выше типичной для ее массы и звездного населения, в котором преобладают очень молодые (~ 4–6 млн лет) звезды», — пишут авторы.

Исследователи обнаружили, что по мере того, как CGM простирается за пределы галактики, физические свойства водорода и кислорода в газе меняются. Изменение было повсеместным на определенном расстоянии и указывает на то, что газ взаимодействует с различными источниками энергии.

«Мы находили его везде, куда бы мы ни посмотрели, что было действительно захватывающе и в некотором роде удивительно», — сказал ведущий автор Нильсен. «Теперь мы видим, где влияние галактики заканчивается, переход, где она становится частью большего того, что окружает галактику, и, в конечном итоге, где она присоединяется к более широкой космической паутине и другим галактикам. Обычно это все размытые границы».

«Но в этом случае мы, похоже, обнаружили довольно четкую границу в этой галактике между ее межзвездной средой и ее окологалактической средой», — сказал профессор Нильсен.

«В CGM газ нагревается за счет чего-то, отличного от типичных условий внутри галактик; вероятно, сюда входит нагрев от диффузных выбросов коллективных галактик во Вселенной, и, возможно, некоторый вклад вносят ударные волны», — сказал доктор Нильсен.

Граница — это место, где газ внутри галактики нагревается по-разному по сравнению с ее пределами. Внутри галактического диска газ фотоионизируется областями звездообразования HII (ионизированный атомарный водород). На больших расстояниях газ ионизуется ударными волнами или внегалактическим УФ-фоном.

«Именно это интересное изменение важно и дает некоторые ответы на вопрос о том, где заканчивается галактика», — говорят ученые.

Эти результаты вносят вклад в один из самых интересных вопросов астрономии: как эволюционируют галактики?

Газ втекает в галактики и становится топливом для дальнейшего звездообразования. В то же время газ вытекает из галактики как часть звездной обратной связи. Существует три основных типа галактик: галактики со вспышкой звездообразования с экстремальным количеством звездообразования, погашенные галактики с очень малым звездообразованием и галактики между ними. Газ в CGM и IGM играет роль в газовом бюджете галактики.

IRAS08 имеет исключительно сильный отток газа, но его профиль металличности плоский и неглубокий. Астрономы обычно предполагают, что галактики с такой металличностью и высоким SFR приобретают значительные объемы газа. Другие научные наблюдения IRAS08 указывают на «быстрый приток газа в центр диска, который подпитывает очень сильную вспышку звездообразования и последующие сильные оттоки», объясняют авторы.

Однако IRAS 08 — сложный объект, который также взаимодействует с близлежащей галактикой. «Наблюдения VLA за газом HI вокруг IRAS08 выявили нить, простирающуюся примерно на 40 кпк от галактики и содержащую 70% нейтрального газа в системе», — пишут авторы. Эта нить взаимодействует с соседней галактикой, находящейся примерно в 60 кпк, что составляет всего одну десятую массы IRAS-08.

Авторы говорят, что это взаимодействие с соседом может усилить звездообразование, но нет никаких доказательств того, что оно влияет на морфологию IRAS-08. Это, похоже, не первый этап возможного слияния.

Нахождение границы между CGM и IGM может стать важным шагом в понимании того, как газ входит и выходит из галактик и как газ может взаимодействовать с соседями без слияния.

«Окружающая галактическая среда играет огромную роль в этом цикле газа», — говорит Нильсен. «Поэтому, имея возможность понять, как выглядит CGM вокруг галактик разных типов — тех, которые формируют звезды, тех, которые больше не формируют звезды, и тех, которые переходят из одного типа в другой, — мы можем наблюдать различия в этом газе, которые могут определять различия внутри самих галактик, а изменения в этом резервуаре могут фактически определять изменения в самой галактике».

У природы мало дискретных границ. Все взаимодействует с другими вещами, включая массивные галактики. Взаимодействия содержат ключ к пониманию.

Эти результаты могут открыть совершенно новое окно в понимание того, как взаимодействуют галактики, газ и звезды, а также как эволюционируют галактики.