Празни галактики: Истинските островни вселени

Защо Риби А и Б могат да държат ключа за разбирането на ранната еволюция на джуджета галактики.

В първите години на 20 век една от основните спорове в астрономията беше природата на обектите, които сега познаваме като галактики. Някои, като Харлоу Шейпли, ги наричаха „спираловидни мъглявини“, вярвайки, че лежат в границите на Млечния път, докато други, като Хебър Къртис, използват термина „островни вселени“, описвайки море от галактики, които се движат през Вселената. Отговорът на тази главоблъсканица би имал дълбоки последици за размера на Вселената и космологията като цяло.

Днес знаем, че галактиките се намират извън Млечния път - това е само галактиката, в която се случва да живеем. Те обаче не приличат толкова на острови, колкото някои може би са вярвали. Много галактики съществуват в галактически групи или групи, с десетки или хиляди членове. Ние се намираме в подходящо наречената Local Group, заедно с Andromeda и Triangulum, и сме заобиколени от рояк от спътникови галактики.

Карта на празноти и суперклъстери около Млечния път, съсредоточена върху суперкластера Дева. Локалната празнота е твърде малка, за да се види. Кредит за изображение: Andrew Z. Colvin, под лиценза Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Разбира се, има изключения от това правило; не всички галактики са части от клъстери. Всъщност няколко неясни случая дебнат в празноти, огромни региони, десетки мегапарсеци, които не съдържат почти никакви галактики и само малки количества екстрагалактичен газ. Тези празни галактики са трудни за намиране, особено ако те са замъглени, но разбирането как се формират и развиват може да ни доведе до съкровищница от информация за това как Вселената се държи на големи мащаби - започвайки, разбира се, с празноти.

Днес пътуваме малко от местната група до края на местната празнота. Тук се намират две галактики джуджета, Риби А и Риби Б. Те са малки и неясни и ние все още не знаем много за тях, но това, което знаем, има дълбоки последици за изследването на формирането и еволюцията на джуджета галактики.

Бедни на газ джуджета и неутрален водород

Фигура 1, Tollerud et al. 2015. Оригиналните радио и оптични изображения на Риби А и Б. Разделителната способност е доста лоша, но все пак даваше прилични измервания на разстоянието.

Риби А и Б бяха открити само преди няколко години, като данните от проучването GALFA-HI, проведено в обсерваторията Аресибо (Tollerud et al. 2015). GALFA-HI измерва емисиите в 21 см линия, ключов индикатор за неутрални водородни облаци. Тъй като всяка значителна емисия на HI може да идва само от богати на газ региони, това е лошо средство за откриване на изчерпани с газ джудже галактики в близост до Млечния път - и отличен начин за намиране на галактики с много водороден газ и продължаващо образуване на звезди.

След като тези два радиоизточника бяха идентифицирани, оптичните наблюдения с 3,5-метровия WIYN телескоп намериха видими колеги. Hα спектроскопия установи, че всеки оптичен източник има почти идентична радиална скорост като съответния радиоизточник, потвърждавайки, че те са едни и същи обекти: джудже галактики, на разстояния от 1,7–3,5 Mpc (Риби А) и 3,5–8,9 Mpc (Риби Б), поставяйки ги в края на Местната група.

Разминаванията в разстоянията възникнаха, защото групата използва два различни метода, за да ги определи. Ако приемем, че галактиките са отделени от Local Group, можем да използваме закона на Хъбъл и измерванията на техните рецесивни скорости, за да разберем колко далеч са те. Въпреки това екипът успя да различи няколко млади, сини звезди в галактиките; от видимите им величини те излязоха с различни - по-ниски - стойности.

Част от фигура 3, Tollerud et al. 2015. Забележете как Риби А и В са значително богати на водород в сравнение с повечето галактики джуджета със същата маса, което ги прави по-лесни за наблюдение при HI проучвания.

Червени гиганти: По-надеждни стандартни свещи

Година по-късно екипът използва космическия телескоп Хъбъл, за да изобрази галактиките (Tollerud et al. 2016). Фотометрията от наблюденията доведе до трети, още по-прецизен начин за измерване на разстоянията до галактиките: използване на върха на клона на червения гигант (TRGB, за кратко).

Когато червен гигант достигне началото на процеса на тройната алфа, светимостта му значително се увеличава чрез внезапен изблик на синтез, наречен хелиева светкавица. Докато самата светкавица е кратка, последващият период на еволюция продължава по-дълго и звездата става все по-ярка и ярка, в крайна сметка достига точка, наречена върха на клона на червения гигант. Оказва се, че всички тези звезди имат основно еднаква светимост, независимо от масата, металичността или състава. Това ги прави отлични стандартни свещи, точно като променливи на Cepheid.

Фиг. 1 и 2, Tollerud et al. 2016. Изображения на Хъбъл на Риби А и Б. Докато WIYN изображенията бяха достатъчно добри, за да различават няколко точкови източника, Хъбъл успя да предостави изображения със значително по-висока разделителна способност.

Фотометрията на Хъбъл беше достатъчно добра, за да може да се използва методът TRGB, и осигури разстояния, съответстващи на идеята, че джуджетата на Риби са извън местната група: 5.6 и 9.2 Mpc, съответно. С точни измервания на разстоянието в ръка, групата успя да определи повече свойства на двойката, включително светимости и обща звездна маса (около 10 милиона слънчеви маси за всяка).

Какво означава всичко това

Вълнуващото е, че екипът вече успя да постави тези галактики на карта. Оказа се, че двамата лежат на ръба на Местната празнота. За съжаление нямаме подробни групови кинематични данни в правилните посоки, така че не можем да кажем със сигурност, че Риби А и Б се измъкват от празнотата. Ние обаче имаме няколко улики.

Фиг. 12, Tollerud et al. 2016. Карта на близките галактики до около 10 Mpc от Земята. Местната група седи, малка и на пръв поглед компактна, в центъра.

Първо, двойката преживя избухване на звездна формация не много отдавна. Доста правдоподобно е, че това е предизвикано от внезапен сблъсък с нишките на газа, които формират границите на Местната Празнота. Освен това, разпределенията на HI съвпадат с тези, които бихме очаквали да видим в празни галактики. И накрая, и двете галактики - особено Риби А - са по-малки от повечето формиращи звезди галактики в Местната група, което означава, че са много по-компактни. Това може да показва, че едва сега те навлизат в същите еволюционни пътеки, по които колегите от Местната група са пътували отдавна.

Фиг. 13, Tollerud et al. 2016. Забележете как Риби А и Б са много по-малки от повечето формиращи звезди галактики, но много по-ярки от повечето пасивни (не звездообразуващи) галактики.

Именно тази последна идея прави Риби А и Б особено вълнуващи. Ако те наистина са празни галактики, те трябва да са прекарали по-голямата част от живота си необезпокоявани в сравнително девствената среда на Местната празнота. Това означава, че може да изглеждат и да действат много като нормални галактики джуджета, преди, милиарди и милиарди години. Тогава на по-малко от 10 Mpc може да се намерят улики в ранния живот на много от най-близките ни съседи. Това е доста вълнуваща мисъл.