Kaip vidiniai procesai ir išorinės sąveikos lemia ilgalaikę galaktikos raidą
Galaktikos per milijardus metų nėra statiškos; jos kinta veikiamos vidinių (sekuliarių) procesų ir išorinių (susijungimų nulemtų) sąveikų. Galaktikos morfologijai, žvaigždėdaros tempui ir centrinės juodosios skylės augimui gali smarkiai daryti įtaką tiek lėti, stabilūs vidiniai pokyčiai diske, tiek staigūs, kartais katastrofiški susidūrimai su kaimynėmis. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip galaktikos gali sekti skirtingus „evoliucijos kelius“ – sekuliarų ir susijungimų nulemtą – ir kaip kiekvienas jų veikia galutinę struktūrą bei žvaigždžių populiacijas.
1. Du kontrastingi evoliucijos režimai
1.1 Sekuliari evoliucija
Sekuliari evoliucija reiškia lėtus, vidinius procesus, per kuriuos persiskirsto galaktikos dujos, žvaigždės ir kampinis momentas. Šie procesai dažniausiai vyksta šimtų milijonų ar milijardų metų mastu, nesiremdami dideliais išoriniais sukretimais:
- Juostos formavimasis ir irimas – juostos gali nukreipti dujas į centrą, maitinti žvaigždėdaros protrūkius branduolyje ir ilgainiui modifikuoti telkinį.
- Spiralinės tankio bangos – lėtai juda disku, skatindamos žvaigždėdarą spiralinėse vijose, taip pamažu didindamos žvaigždžių populiacijas.
- Žvaigždžių migracija – žvaigždės gali radialiai judėti diske dėl rezonansų, keisdamos lokalius metalingumo gradientus ir žvaigždžių mišinius [1].
1.2 Susijungimų nulemtas evoliucijos kelias
Susijungimų nulemtos raidos procesai vyksta, kai dvi ar daugiau galaktikų susiduria ar stipriai sąveikauja, sukeldami žymiai greitesnius ir radikalesnius pokyčius:
- Didieji susijungimai – panašios masės spiralinės galaktikos gali susijungti į vieną elipsinę, sunaikindamos disko struktūrą ir sukeldamos žvaigždėdaros protrūkius.
- Mažieji susijungimai – mažesnė palydovė susilieja su didele šeimininke, galbūt sustorindama diską, didindama telkinį arba skatindama vidutinio lygio žvaigždėdarą.
- Potvyninės sąveikos – net jei visiškas susijungimas neįvyksta, artimas gravitacinis priartėjimas gali iškraipyti diską, suformuoti juostą ar žiedą ir trumpam padidinti žvaigždėdaros tempą [2].
2. Sekuliari evoliucija: lėtas vidinis persitvarkymas
2.1 Juostos skatinamas dujų įtekėjimas
Spiralinių galaktikų centrinė juosta gali pakeisti kampinį momentą ir nukreipti dujas iš išorinio disko į centrinius kiloparsekus:
- Dujų kaupimasis – šios dujos gali susitelkti žiedo struktūrose ar aplink branduolį, paskatindamos žvaigždėdarą ir didindamos centrinę sritį.
- Juostos gyvavimo ciklai – juostos gali ilgainiui stiprėti ar silpnėti, nulemti, kaip dujos cirkuliuoja diske ir kaip maitinamos centrinės supermasyvios juodosios skylės [3].
2.2 Pseudotelkiniai ir klasikiniai telkiniai
Sekuliarios evoliucijos būdu dažnai susidaro pseudotelkiniai, kurie išlaiko disko ypatybes (plokštesnę formą, jaunesnių žvaigždžių populiacijas), priešingai nei klasikiniai telkiniai, atsiradę per susijungimus. Stebėjimai rodo:
- Pseudotelkiniai dažnai turi aktyvią žvaigždėdarą, branduolines žiedo struktūras ar juostas, rodydami lėtą vidinę raidą.
- Klasikiniai telkiniai susiformuoja greitai, per smurtingus įvykius (pvz., didelius susijungimus), turėdami vyraujančias senų žvaigždžių populiacijas [4].
2.3 Spiralinės bangos ir disko „šildymas“
Tankio bangų teorija tvirtina, jog spiralinės vijų struktūros gali išsilaikyti kaip bangos, kurios nuolat skatina žvaigždėdarą diske. Kiti mechanizmai, pvz., vijų migracija ar „swing amplification“, palaiko ar sustiprina šias bangas, lėtai keisdami disko struktūrą. Ilgainiui žvaigždžių orbitos gali „įkaisti“ (didėti greičių dispersija), šiek tiek pastorindamos diską, bet nepanaikindamos jo visiškai.
3. Susijungimų lemiama evoliucija: išorinės sąveikos ir transformacijos
3.1 Didieji susijungimai: nuo spiralių prie elipsinių
Vienas stipriausių galaktikų kitimo įvykių yra didysis susijungimas tarp panašios masės galaktikų:
- Smurtinė relaksacija – žvaigždžių orbitos atsitiktinamos dėl sparčiai kintančio gravitacinio potencialo, neretai išnaikinamos disko struktūros.
- Žvaigždėdaros protrūkiai – dujos teka į centrą, sukeldamos intensyvius žvaigždėdaros įvykius.
- AGN suaktyvėjimas – centrinės juodosios skylės gali sparčiai akrecuoti dujas, laikinai paversdamos likutį kvazaru ar aktyviu branduoliu.
- Elipsinis likutis – galutinis produktas dažniausiai tampa sferoidine sistema su senesnėmis žvaigždėmis ir menku šaltų dujų kiekiu [5].
3.2 Mažieji susijungimai ir palydovų akrecija
Kai masių santykis daugiau skyriasi, mažesnė galaktika dažniausiai prarandama potvyninių jėgų veikiama arba iš dalies suardoma dar prieš visiškai susiliedama su didesne šeimininke:
- Disko storinimas – kartotiniai mažieji susijungimai gali „išpilti“ žvaigždes į šeimininkės halą ar pastorinti jos diską, galbūt sukurti lęšinę (S0) sistemą, jei pašalinamos dujos.
- Palaipsnis masės augimas – ilgainiui gausybė smulkių susijungimų gali ženkliai prisidėti prie telkinio ar halo masės, nors nė vienas atskiras susijungimas nebūna katastrofiškas.
3.3 Potvyninės sąveikos ir žvaigždėdaros protrūkiai
Net ir be galutinio susiliejimo artimas priartėjimas gali:
- Iškraipyti diską į keistas formas, ištempdamas potvynines uodegas ar tiltais sujungdamas galaktikas.
- Sustiprinti žvaigždėdarą, suspaudus dujas tarpusavio sąveikos „persidengimo“ zonose.
- Formuoti žiedines ar stipriai juostuotas galaktikas, jei prasilenkimo geometrija tinkama (pvz., skersai disko centro).
4. Abu rėžimai stebėjimuose
4.1 Juostuotos spiralinės galaktikos ir sekuliarūs telkiniai
Tyrimai rodo, jog daugiau nei pusė artimų spiralių turi juostas, dažnai su žiedinėmis struktūromis ir branduolio žvaigždėdaros „pseudotelkiniais“. Integralinių laukų spektroskopija atskleidžia lėtą dujų tekėjimą baro dulkių juostomis ir jaunų žvaigždžių gausą branduolyje – būdingus sekuliarių procesų bruožus [6].
4.2 Susijungiančios sistemos: nuo žvaigždėdaros protrūkio iki elipsinės
Pavyzdžiai kaip „Ūsorių galaktikos“ (NGC 4038/4039) rodo vykstantį didįjį susijungimą su potvyninėmis uodegomis, plačia žvaigždėdaros banga bei ryškiais spiečiais. Kiti, pvz., Arp 220, demonstruoja dulkių gausią žvaigždėdarą bei galimą AGN maitinimą. Tuo tarpu NGC 7252 („Atoms for Peace“) rodo, kaip susijungimo liekana artėja link ramesnės elipsinės fazės [7].
4.3 Galaktikų apžvalgos ir kinematiniai požymiai
Didelės apžvalgos (pvz., SDSS, GAMA) nustato daugybę galaktikų su morfologiniais ar spektriniais susijungimo požymiais (iškraipytos išorinės izofotos, dvigubi branduoliai, potvyniniai srautai) arba tik sekuliariomis būsenomis (ryškios juostos, stabilūs diskai). Kinematiniai tyrimai (MANGA, SAMI) pabrėžia, kaip skiriasi sukimasis diskuose su juostomis bei klasikiniuose telkiniuose, kilusiuose po anksčiau įvykusių susijungimų.
5. Hibridiniai evoliucijos keliai
5.1 Dujomis turtingi susijungimai, po kurių vyksta sekuliari raida
Galaktika gali patirti didelį ar mažą susijungimą ir taip „užsiauginti“ stambų branduolį (ar elipsinę struktūrą). Jei lieka dujų ar jos vėliau įteka, ši sistema gali vėl formuoti diską ar tęsti dalinę žvaigždėdarą. Laikui bėgant, sekuliarūs procesai gali pakeisti susidariusį branduolį į „diskinį“ ar atkurti juostą buvusiame susijungimo likutyje.
5.2 Ilgą laiką sekuliariai besivystančios galaktikos, galiausiai susijungiančios
Spiralinės galaktikos gali milijardus metų vystytis sekuliariai – formuoti pseudotelkinius, juostas ar žiedus – kol galiausiai susiduria su panašios masės galaktika. Toks išorinis impulsas gali staiga įtraukti jas į susijungimų kelią, ko pasekoje susiformuoja elipsinė ar lęšinė liekana.
5.3 Aplinkos „ciklavimas“
Galaktika gali pereiti iš nedidelio tankio aplinkos, kuriai būdingi vidiniai, sekuliarūs pakeitimai, į grupės ar spiečiaus sąlygas, kur dažnos artimos sąveikos ar karštos terpės poveikis ima dominuoti. Tuo tarpu post-susijungimo likučiai gali laikui bėgant „vėsti“ izoliuotai, jei dar išlieka dujų ar nežymi juosta, tebeteikianti lėtą sekuliarią raidą.
6. Reikšmė galaktikos morfologijai ir žvaigždėdarai
6.1 Ankstyvojo tipo vs. vėlyvojo tipo
Susijungimai linkę gesinti žvaigždėdarą (ypač didieji, kurie pašalina ar kaitina didžiąją dalį dujų) ir sukurti vyresnes žvaigždžių populiacijas – taip formuojamos elipsinės ar S0 morfologijos, priskiriamos ankstyvojo tipo kategorijai. Tuo tarpu vien sekuliariai besivystančios galaktikos gali išlaikyti dujas ir išlikti vėlyvojo tipo (spiralinės, nereguliarios), kur žvaigždėdara tęsiasi [8].
6.2 AGN aktyvumas ir grįžtamasis ryšys
- Sekuliarus kanalas – juostos pamažu atgabena dujas prie centrinės juodosios skylės, palaikydamos vidutinį AGN aktyvumą.
- Susijungimų kanalas – staigūs dujų įtekėjimai per didelius susidūrimus gali trumpai pakelti AGN šviesį iki kvazaro lygio, po ko dažnai seka išpučiamas vėjas ir žvaigždėdaros gesinimas.
Abu keliai nulemia galaktikos dujų atsargas ir būsimą žvaigždėdaros eigą.
6.3 Telkinio augimas ir disko išsaugojimas
Sekuliari raida gali sukurti pseudotelkinius arba išsaugoti išplėstus žvaigždėdaros diskus, tuo tarpu pagrindiniai susijungimai formuoja klasikinius telkinius arba elipsinius likučius. Mažieji susijungimai užima tarpinę padėtį, galėdami pastorinti diskus ar nuosaikiai vystyti branduolį, bet ne visiškai sunaikinti disko.
7. Kosmologinis kontekstas
7.1 Didesnis susijungimų dažnis praeityje
Stebėjimai rodo, kad ties z ∼ 1–3 susijungimų dažnis buvo aukštesnis – tai sutampa su kosminiu žvaigždėdaros aktyvumo maksimumu. Dideli, dujomis turtingi susijungimai tikriausiai stipriai prisidėjo prie masyvių elipsinių galaktikų susiformavimo ankstyvojoje Visatoje. Daugelis galaktikų, vėliau turėjusių stabiliai besivystančius diskus, veikiausiai išgyveno ankstyvą smurtinį surinkimo etapą [9].
7.2 Galaktikų įvairovė
Vietinė galaktikų populiacija yra abiejų kelių mišinys: kai kurios stambios elipsinės susidarė per susijungimus, dalis spiralių vystėsi nuosekliai ir išliko turtingos dujų, o kitos atspindi abiejų procesų pėdsakus. Išsamūs morfologiniai ir kinematiniai tyrimai atskleidžia, kad nė vienas kanalas vienas nepaaiškina visos įvairovės – abiem evoliucijos režimams tenka lemiamas vaidmuo.
7.3 Modelių prognozės
Kosmologinės simuliacijos (pvz., IllustrisTNG, EAGLE) jungia ir didelius susijungimus, ir sekuliarias transformacijas, atkuria visą spektrą galaktikų, atitinkančių Hubble’o klases. Jose rodo, kad ankstyva masyvi galaktikų formacija dažnai susijusi su susijungimais, tačiau diskinės galaktikos gali susidaryti laipsniškai akrecuojant dujas ir sekuliariai jas perskirstant, taigi atitinkant stebimus morfologijos pokyčius kosminiu laiku [10].
8. Ateities perspektyvos
8.1 Naujos kartos stebėjimai
Tokie projektai kaip Nancy Grace Roman Space Telescope ir milžiniški antžeminiai teleskopai leis dar giliau, su didesne skyra stebėti galaktikas ankstesnėmis epochomis, patikslinant, kaip galaktikos pereina iš „susijungimų lemtų“ į „sekuliarios raidos“ fazes ar apjungia abu kelius. Daugialangiai duomenys (radijo, milimetrų, IR) leis atskirai tyrinėti dujų tėkmes, palaikančias kiekvieną kelią.
8.2 Didelės raiškos skaitmeniniai modeliai
Toliau didėjant skaičiavimų galiai, simuliacijos vis tiksliau atvaizduos smulkesnius disko, juostų ir juodosios skylės akrecijos mastelius – įgalindamos analizuoti sekuliarių disko nestabilumų ir epizodinių susijungimų sąveiką. Tokie modeliai leis tikrinti, kaip subtilios juostų nestabilumų apraiškos lyginamos su staigiais susidūrimais, nulemiančiais galutines morfologijas.
8.3 Sąryšis tarp juostų galaktikų ir pseudotelkinių
Didelės apimties tyrimai (pvz., integralinė laukų spektroskopija) sistemingai matuos disko kinematiką, juostų stiprumą ir telkinio savybes. Susiejant šiuos duomenis su galaktikos aplinka bei halų mase galima išsiaiškinti, kaip dažnai juostos gali atkartoti ar nurungti nedidelius susijungimus, dalyvaudamos telkinio formavime, taip tikslinant mūsų evoliucijos schemą.
9. Išvada
Galaktikos laikosi dviejų plačių, bet persipinančių evoliucijos kelių:
- Sekuliarioji evoliucija: lėti, vidiniai mechanizmai – juostų valdomas dujų įtekėjimas, spiralinės tankio bangos žvaigždėdara bei žvaigždžių migracija, kurie keičia diską ir ilgainiui branduolį per milijardus metų.
- Susijungimų lemiama evoliucija: staigūs, išoriškai nulemti procesai (dideli ar maži susijungimai), galintys radikaliai pakeisti morfologiją, gesinti žvaigždėdarą bei sukurti elipsines galaktikas ar pastorintus diskus.
Realios galaktikos dažnai patiria hibridinius kelius: sekuliarios perstatymo stadijos nutrūksta atsitikus susidūrimui ar menkam susijungimui. Toks subtilus sąveikavimas lemia milžinišką morfologinę įvairovę – nuo grynų diskų su juostomis ir pseudotelkiniais iki didingų elipsinių, kilusių iš pagrindinių susidūrimų. Tyrinėdami tiek lėtus vidinius procesus stabiliuose diskuose, tiek išorinio poveikio sukeltus staigius persitvarkymus, astronomai kloja galaktikų evoliucijos per visą kosminį laiką paveikslą.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Kormendy, J., & Kennicutt, R. C. (2004). “Secular Evolution and the Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 42, 603–683.
- Barnes, J. E., & Hernquist, L. (1992). “Dynamics of Interacting Galaxies.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 30, 705–742.
- Athanassoula, E. (2012). “Barred Galaxies and Secular Evolution.” IAU Symposium, 277, 141–150.
- Fisher, D. B., & Drory, N. (2008). “Bulges in Nearby Galaxies with Spitzer: Scaling Relations and Pseudobulges.” The Astronomical Journal, 136, 773–839.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). “A Unified, Merger-driven Model of the Origin of Starbursts, Quasars, the Cosmic X-Ray Background, Supermassive Black Holes, and Galaxy Spheroids.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Cheung, E., et al. (2013). “Bars in Disk Galaxies out to z = 1 from CANDELS: Do Bars Stall Secular Evolution?” The Astrophysical Journal, 779, 162.
- Hibbard, J. E., & van Gorkom, J. H. (1996). “HI, HII, and Star Formation in the Tidal Tails of NGC 4038/9.” The Astronomical Journal, 111, 655–665.
- Strateva, I., et al. (2001). “Color Separation of Galaxies into Red and Blue Sequences: SDSS.” The Astronomical Journal, 122, 1861–1874.
- Lotz, J. M., et al. (2011). “Major Galaxy Mergers at z < 1.5 in the COSMOS, GOODS-S, and AEGIS Fields.” The Astrophysical Journal, 742, 103.
- Nelson, D., et al. (2018). “First results from the IllustrisTNG simulations: The galaxy color bimodality.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 475, 624–647.