Новые модели показывают, как сближаются центры галактик 

Фото из открытых источников

Понимание процессов формирования и эволюции галактических центров — важнейшая задача, стоящая перед астрофизиками. Астрономы уже давно знают, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) в центрах галактик и плотно упакованные скопления звезд в их ядрах играют важную роль в звездообразовании и других процессах. К сожалению, ученым все еще не хватало некоторых элементов этой головоломки. Понимание механики, управляющей галактическими центрами, позволит ученым проследить эволюцию Вселенной с момента появления первых галактик.

Используя передовые методы моделирования галактик, группа исследователей из Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме (AIP) получила новые данные об этих процессах. Результаты, описанные в исследовании, опубликованном в журнале Astronomy & Astrophysics , указывают на то, что ядерные звездные скопления и звездные диски, обнаруженные во внутреннем ядре, не являются независимыми процессами, как считалось ранее. Эти открытия преодолевают разрыв между теорией и наблюдением, улучшая наше понимание эволюции галактик.

Исследование возглавил Сунгвон Квак из AIP. К нему и его коллегам присоединились исследователи из Обсерватории Лазурного берега (OCA), Астрономического исследовательского центра SNU, Болонского университета, Болонской обсерватории астрофизики и космических исследований, Института астрофизики и космических исследований Кавли при Массачусетском технологическом институте, Калифорнийского университета в Риверсайде, Университета Цинхуа и Института физики и астрономии Потсдамского университета.

Команда надеялась узнать больше о физических процессах, которые привели к формированию двух структур, окружающих сверхмассивные черные дыры в центрах большинства галактик во Вселенной: ядерных звездных скоплений и ядерных звездных дисков. Такие структуры наблюдались в Млечном пути и других галактиках всего около десяти лет, и считалось, что они являются результатом отдельных процессов формирования. Однако наблюдательные исследования не выявили четкой корреляции между их массами и размерами, а моделирование не могло реалистично воспроизвести эти процессы.

Разгадка этой загадки — цель проекта SMUGGLE-Ring (Stellar Feedback in Galaxies and its Effects), передовой физической модели, используемой в астрофизических симуляциях для моделирования того, как звезды и звездная обратная связь формируют галактики. С помощью высокоточной гидродинамической симуляции команда продемонстрировала, что галактика с перемычкой (например, Млечный Путь) может естественным образом формировать как ядерные звездные скопления, так и ядерные звездные диски одновременно, моделируя их рост на протяжении миллиардов лет.

Впервые моделирование напрямую выявляет эволюционную связь между их формированием, показывая, что они растут вместе. Моделирование также показывает, что звездный бар галактики играет центральную роль в этом процессе, направляя газ внутрь, к центру. По мере накопления газа в центре галактики, где сверхновые умирающих звезд генерируют ударные волны, которые многократно запускают образование новых звезд, за несколько миллиардов лет в центре галактики формируются звезды массой в сотни миллионов солнечных масс.

«Наша симуляция позволяет это сделать, показывая, как галактический перемычка действует как космический конвейер, направляя газ внутрь, чтобы одновременно питать обе структуры из одного и того же резервуара», — объясняет Сунгвон Квак. Результаты также объясняют, почему предыдущие наблюдения не смогли обнаружить четкой связи между ядерными звездными скоплениями и ядерными звездными дисками. «Очевидное расхождение не означает, что сами звезды принципиально различаются по возрасту, химическому составу или движению», — добавила соавтор исследования Кристина Кьяппини из AIP.

Кроме того, моделирование показало, что структурная взаимосвязь между двумя процессами развивается естественным образом. В периоды устойчивого роста относительные массы и размеры скопления и диска начинают различаться. Несмотря на общий лежащий в основе механизм роста, скопления и звездные диски выглядели заметно разными при наблюдении на разных этапах их эволюции. Однако результаты доказали, что динамика этой коэволюции еще сложнее, чем кажется на первый взгляд.

В какой-то момент моделирования звездное скопление массой в 30 миллионов солнечных масс по спирали приблизилось к центру галактики и слилось с ядерным звездным скоплением. Это было особенно интересно, поскольку недавние наблюдения NGC 1365 выявили массивное звездное скопление внутри перемычки галактики. Ожидается, что это скопление будет двигаться по спирали к центру галактики и сольется с ее ядерным звездным скоплением, что приведет к его увеличению в размерах и массе. Это также может повлиять на массу сверхмассивной черной дыры внутри ядерного звездного скопления с течением времени.

Ключевое преимущество подобных астрономических симуляций заключается в том, что они позволяют исследователям наблюдать процессы, которые невозможно увидеть непосредственно. Кроме того, симуляции позволяют ученым отслеживать эволюцию галактик на протяжении миллиардов лет. Таким образом, они могут наблюдать формирование звездной перемычки галактики, прослеживать приток газа внутрь, наблюдать рождение новых звезд и видеть, как ядерный звездный диск постепенно разрастается от центра.

Ещё одним интересным аспектом моделирования, проведённого командой, стало включение в модель тёмной материи, которая сыграла решающую роль в результатах. 

«Предыдущие исследования основывались на фиксированных фоновых потенциалах для галактической перемычки и гало темной материи, но реалистичное динамическое моделирование взаимодействия звезд и гало темной материи с использованием живых частиц в нашей модели позволяет нам сформировать реалистичную перемычку, которая эволюционирует во времени, а затем естественным образом образует ядерные структуры. Кроме того, наша модель также демонстрирует «темный зазор» вокруг области перемычки, который обнаруживается во многих наблюдениях и известен как свидетельство взаимодействия звезд и темной материи посредством вращения звездной перемычки», - говорит соавтор исследования Иван Минчёв.

Эти результаты могут расширить наше понимание связи между компонентами галактики, помогая астрономам интерпретировать будущие наблюдения.