Анотація до роботи:

Гусєва Н.Г. Масивні зірки в галактиках з активним зореутворенням і їхня взаємодія з міжзоряним середовищем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 – астрофізика, радіоастрономія. – Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2001.

У дисертації представлені результати дослідження нової оригінальної вибірки голубих компактних галактик, отриманої на основі спостережень на 6-м телескопі САО РАН, з акцентом на вивченні галактик з екстремально низьким вмістом важких елементів - об’єктів, що дуже рідко зустрічаються у Всесвіті. З великою точністю визначений вміст важких елементів. Пояснено природу утворення азоту в ГКГ, як первинного елементу, що виробляється, ймовірно, масивними зірками. Знайдено ~20% ГКГ в пустотах, так званих “войдах”, що свідчить про розподіл ГКГ більш близький до розподілу повної маси, ніж розподіл яскравих галактик. Вперше зроблено оцінку металічності зірок в ГКГ. При порівнянні металічності зірок і газу виявлено прояви самозбагачення області зореутворення важкими елементами для ГКГ з найменшою металічністю. Створена і досліджена велика вибірка WR галактик на базі спостережень на 4-м та 2.1-м телескопах обсерваторії Кіт Пік і 4.5-м телескопі ММТ (США). Вперше в інтегральних спектрах 75% WR галактик виявлено широкі WR особливості в червоній області спектру. Запропоновано метод визначення кількості WNL зірок на основі вперше ідентифікованих емісійних ліній в спектрах WR галактик. За статистикою WR зірок в бідному важкими елементами оточенні знайдені обмеження на моделі еволюційного популяційного синтезу. З спектральних і фотометричних спостережень на 10-м телескопі Кек II, MMT та 2.4-м космічному телескопі Хабла (США) показано, що ГКГ з екстремально низькою металічністю можна описати моделями тільки з молодим зоряним населенням віком до 100 млн. років, тим самим спростовуючи загально прийняте твердження, що абсолютно молоді галактики можна спостерігати тільки на великих червоних зміщеннях.

У дисертації викладені результати досліджень голубих компактних галактик з акцентом на ГКГ з найменшим вмістом важких елементів, а також населення масивних зірок в цих галактиках і їхньої взаємодії з міжзоряним середовищем. Основні результати дисертації такі:

1. Досліджена нова велика вибірка голубих компактних галактик, яка містить значну кількість галактик з екстремально низьким вмістом важких елементів, об’єктів, що дуже рідко зустрічаються у Всесвіті. Створена вибірка є базою для детального вивчення ГКГ.

2. З великою точністю одержані середні значення вмісту елементів O, N, Ne, Ar і S. Показано, що в ГКГ з вмістом важких елементів менше 1/20 від сонячного азот утворюється, як первинний елемент, найбільш ймовірно, масивними зірками. Одержана мала дисперсія відношень N/O вказує на те, що немає суттєвої часової затримки між утворенням кисню і первинного азоту, що протирічить моделям хімічної еволюції з часовою затримкою. Значення і дисперсія N/O стають більшими для ГКГ з вмістом кисню від 1/20 до 1/5 від сонячного, що пояснюється додатковим вкладом первинного азоту, що виробляється зірками середніх мас, до первинного азоту, що виробляється масивними зірками.

3. Показано, що ГКГ не вписуються в відому залежність між абсолютною зоряною величиною і вмістом важких елементів, яка одержана для галактик інших морфологічних типів. Причиною зсуву ГКГ в область більших світностей, ймовірно, є велика активність зореутворення в ГКГ. Тому цю залежність не можна використовувати для пошуку ГКГ з низьким вмістом важких елементів, як це часто робиться.

4. Аналіз просторового розподілу ГКГ з використанням променевих швидкостей великої вибірки ГКГ показав, що більша частина (~80%) ГКГ повторює великомаштабну структуру, окреслену яскравими галактиками, але ~20% ГКГ знаходиться в пустотах, так званих “войдах”, що свідчить про розподіл ГКГ більш близький до розподілу повної маси, яка містить в собі також невидиму темну матерію. Зроблена оцінка маси і кінетичної енергії газу, який швидко рухається під впливом колективної дії на міжзоряне середовище зоряного вітру від найбільш масивних зірок і спалахів наднових. Прояви таких рухів спостерігаються в ГКГ по широким і дуже широким компонентам яскравих емісійних ліній, що відповідає швидкостям в декілька сотен і тисяч км/с, відповідно. Кінетичної енергії швидкорухомого газу достатньо для видалення з деяких галактик до 10⁸ газу на протязі спалаху зореутворення. Для карликових систем це може призводити до повного розпаду галактики. Одержано розподіл швидкостей іонізованого газу вздовж галактик в відносно далеких ГКГ з низьким вмістом важких елементів. Стрибки швидкостей ~50 км/с, ймовірно, виникають на фронті ударних хвиль в результаті розширення оболонок з надзвуковими швидкостями.

5. Вперше зроблена оцінка металічності зоряного населення ГКГ, яка базується на вимірюванні еквівалентних ширин смуг поглинання, в основному окису титану, в інтегральних спектрах галактик, від яких віднято вклад газового континуму і телуричних ліній поглинання. Порівняння металічності зірок і газу показало, що, принаймні для голубих компактних галактик з найменшою металічністю, результати можна інтерпретувати, як прояв самозбагачення області зореутворення важкими елементами в процесі еволюції масивних зірок (збагачений вітер від O і WR зірок, вибухи наднових). Базуючись на моделях еволюції масивних зірок з зоряним вітром, показано, що різниця в спостережних даних між металічністю газу на початку і в кінці спалаху зореутворення можна пояснити збагаченням середовища киснем в результаті еволюції декількох сотен O зірок.

6. Створена і досліджена велика однорідна вибірка WR галактик. Вперше в інтегральних спектрах більшої частини вибірки (75%) виявлені широкі WR особливості в червоній області спектру. Вперше ідентифіковані кілька нових емісійних ліній в спектрах WR галактик. Запропонована нами методика визначення кількості WNL зірок по лініям, які раніше не спостерігались в WR галактиках, відкриває перспективи для більш надійного тестування моделей еволюції масивних зірок (після того, як будуть одержані більш точні середні абсолютні потоки в цих лініях для окремих WR зірок). В рамках останніх моделей еволюційного популяційного синтезу, приймаючи різні припущення щодо історії зореутворення (миттєвий або подовжений спалах зореутворення та неперервне зореутворення), вдалося в цілому задовільно пояснити найбільш надійні спостережні дані для WR галактик: відношення WR зірок до всіх масивних зірок, відношення кількості різних підтипів WR зірок (N(WC)/N(WN)), залежність цих величин від металічності, а також зміни з часом інтенсивностей і еквівалентних ширин основних WR ліній і WR особливостей в інтегральних спектрах WR галактик. Однак, залишаються проблеми узгодження моделей зі спостереженнями для одних з найбільш цікавих і рідкісних об’єктів – емісійних галактик з екстремально низькими металічностями, для яких N(WC)/N(WN), EW(l4650) і EW(l5808), одержані зі спостережень, в декілька разів більші в порівнянні з модельними розрахунками. Одна з можливих причин розбіжностей між моделями і спостереженнями знаходиться в неможливості одержати світності в окремих лініях для окремих WR зірок за умов найменшої металічності, навіть на найбільших телескопах. Залишається невизначеність у кількості подвійних WR зірок при найменших металічностях.

7. Потребують також вирішення проблеми з’ясування механізмів утворення небулярної емісійної лінії HeIIl4686Е. Зоряні моделі для великих металічностей завищують число фотонів з l<228Е, які відповідають за іонізацію He⁺. І хоча останні моделі, що пояснюють природу лінії HeIIl4686 жорстким ультрафіолетовим випромінюванням WC зірок, уже достатньо задовільно відповідають спостережним інтенсивностям і еквівалентним ширинам небулярної лінії HeIIl4686 в WR галактиках, такі ж розподіли I(HeIIl4686) і EW(HeIIl4686) одержані нами і для областей зореутворення, які не містять WR зірок. До того ж, моделі передбачують наявність небулярної емісії HeIIl4686 на ранніх стадіях спалахів зореутворення з EW(H)=(200-300)Е, в той час, як спостереження систематично зсунуті до EW(H)100Е, що вказує на більший вік спалаху зореутворення. Таким чином, необхідно розглядати додаткові механізми, такі, як ударні хвилі, для пояснення свічення лінії HeIIl4686, особливо на пізніх стадіях спалаху зореутворення.

8. Дані, одержані нами при порівнянні спостережень і модельних розрахунків при дослідженні галактик в другому граничному випадку – з екстремально високою металічністю, свідчать про малу ймовірність відхилення початкової функції мас ( в першу чергу верхньої межі мас, а також нахилу ПФМ) від стандартної. Вся сума спостережних даних (параметри WR особливостей в інтегральних спектрах галактик, наявність різних типів WR зірок одночасно з червоними надгігантами, а також параметри небулярного газу) добре співпадають в сценарії подовженого спалаху зореутворення з Dt~(4-10) млн.років і віком ~(7-15) млн.років. Спостережний спектральний розподіл енергії можна узгодити з одержаними параметрами моделей, якщо прийняти різну екстинкцію в напрямі на зоряну і газову складові для всіх WR галактик з екстремально високою металічністю.

9. Детальне вивчення голубих компактних галактик з екстремально низьким вмістом важких елементів показує, що вони є гарними кандидатами в молоді галактики. Так, найбільш яскраві HII області мають дуже голубі кольори і часто не можуть бути описані ніяким зоряним населенням навіть самого молодого віку. Однак, якщо врахувати, що колір цих областей визначається комбінованим ефектом молодого зоряного населення і випромінюванням іонізованого газу, то він добре описується молодим зоряним населенням з віком ~(2-4) млн.років. Використання різних методів оцінки віку зоряного населення в областях протяжної підложки зоряного населення низької поверхневої яскравості, в тому числі периферійних областей ГКГ, в яких вклад спалаху зореутворення, що спостерігається зараз, відсутній або мінімальний, дало можливість одержати верхню межу віку ГКГ з низьким вмістом важких елементів. Аналізуючи спектральні і фотометричні дані для ГКГ з екстремально низьким вмістом важких елементів SBS 0335-052, SBS 0940+544, Tol 1214-277 і I Zw 18 ми прийшли до висновку, що, по-перше, в усіх цих галактиках зоряне населення переважно молоде, вік якого не перевищує 100-1000 млн.років і, по-друге, що ці галактики характеризуються неоднорідною міжзоряною екстинкцією. В граничному випадку повної відсутності екстинкції в найбільш зовнішніх областях галактик, колір областей НПЯ відповідає зоряному населенню з віком < 1 млрд.років (SBS 0940+544, Tol 1214-277), що на порядок менше віку Всесвіту. Цей вік розглядається, як верхня межа в визначенні віку ГКГ з низькою металічністю. Для двох ГКГ з екстремально низькою металічністю I Zw 18 і SBS 0335-052 одержана ще менша верхня межа віку ~100 млн.років.

На захист виносяться наступні положення:

1. Дослідження великої оригінальної вибірки голубих компактних галактик зі спостережень на 6-м телескопі САО РАН.

2. Визначення з великою точністю вмісту важких елементів. Пояснення первинної природи азоту, що виробляється масивними зірками в ГКГ.

3. Просторовий розподіл ГКГ, більш близький до розподілу повної маси, яка вміщує в собі також невидиму темну матерію. Виявлення ~20% ГКГ в пустотах великомаштабного розподілу яскравих галактик.

4. Оцінка металічності зірок в ГКГ. Доказ самозбагачення іонізованого газу важкими елементами на протязі спалаху зореутворення в ГКГ з екстремально низькою металічністю.

5. Створення нової однорідної вибірки WR галактик, в 75% якої знайдені широкі WR особливості в червоній області спектра. Метод визначення кількості WNL зірок, що базується на вперше ідентифікованих емісійних лініях в спектрах WR галактик. Обмеження на моделі еволюційного популяційного синтезу по статистиці WR зірок в бідному важкими елементами оточенні.

6. Визначення віку ГКГ з екстремально низьким вмістом важких елементів різними методами з використанням різних сценаріїв (миттєвого і подовженого спалаху зореутворення, а також неперервного зореутворення з постійним та змінним темпом). Доказ того, що ГКГ з екстремально низькою металічністю – це молоді галактики.