Výzkumy v ASU AV ČR (248): Trojrozměrný model pro hvězdné populace tří galaxií

Galaxie jsou základními stavebními kameny velkorozměrového vesmíru. Obří gravitačně vázané ostrovy v sobě kombinují značnou část celkové hmotnosti kosmických objektů. Jsou koncentracemi útvarů pozorovatelných v elektromagnetickém spektru – plynu, prachu a samozřejmě i hvězd. Při jejich studiu jsou však odborníci velmi omezeni pohledem ze vzdáleného bodu, ze Země. Celé galaxie, zjevně trojrozměrné objekty, se promítají na rovinu nebeské sféry a informace ze třetího rozměru se překrývá. Pro rozlišení pravé trojrozměrné podstaty je nutné využívat sofistikovaných metod. 

Pracovníci Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU se v minulých studiích intenzivně věnovali potenciálnímu vlivu zbytků po výbuších supernov na krmení supermasivní černé díry v centru naší Galaxie. Vlastnosti Mléčné dráhy jsou ovšem poměrně dobře známy. Aby bylo možné podobné studie provést také pro jiné galaxie, je zapotřebí solidně popsat trojrozměrné rozložení hvězdné i nehvězdné složky a rozumně odhadnout stav hvězdné populace ve vzdálené galaxii. Na tomto tématu pracovala skupina pod vedením Pierra Vermota nyní. 

Autoři si vybrali za cíl trojici galaxií – NGC 1808, NGC 1433 a NGC 1566 – které byly nedávno pozorovány přístrojem SINFONI (napájeným osmimetrovým dalekohledem Yepun v Chile) a také radioteleskopem ALMA. Jde o archivní pozorování, která byla již dříve zkoumána i jinými autory, ovšem ne v potřebném detailu. Tyto tři galaxie se nacházejí na jižní obloze a leží ve vzdálenostech 10 až 22 Mpc. Ve své analýze autoři použili zejména čtyři typy dostupných pozorování. 

Jako první se jim hodila spektrální datová kostka s nízkým spektrálním rozlišením. Jde o trojrozměrné pozorování, kde dvě datové osy reprezentují pozici ve dvou směrech na obloze a třetí osa vlnovou délku v blízké infračervené oblasti. Nízké spektrální rozlišení dobře popisuje zejména záření v tzv. kontinuu, na němž se podepisuje hlavně stav mladé hvězdné složky: její věk, celková hmotnost a samozřejmě prostorové rozmístění. Dále použili podobnou kostku s vysokým spektrálním rozlišením, limitovanou ve vlnové délce do oblasti kolem dvou a půl mikronu. Zde se nacházejí důležité absorpční čáry oxidu uhelnatého, jejichž intenzita souvisí s věkem a celkovou důležitostí mladé vůči staré hvězdné populaci. Autoři využili i měření podélné složky rychlosti látky, zkonstruované z kostky s vysokým spektrálním rozlišením. Podobně použili i mapu disperze rychlostí. 

Analýza dat by nebyla možná bez vstupu numerického modelu. Ten v sobě zahrnuje zejména popis vývoje hvězd, a to na základě zvolené počáteční funkce hmotnosti. Ukázalo se, že v současnosti není k dispozici volně dostupná knihovna s potřebnými vlastnostmi. Na vědeckém trhu je knihoven celá řada, avšak každá z nich se zaměřuje jen na určité aspekty nebo je funkční jen v omezeném nebo nevhodném parametrickém rozsahu. Autoři tedy vyvinuli knihovnu vlastní, postavenou na síti hvězdných modelů SPISEA s modelem hvězdných atmosfér PHOENIX. Vznikl tak univerzální produkt s možným širokým použitím, autoři se tedy rozhodli svůj výsledek dát k dispozici volně i ostatním odborníkům. 

Nyní již nic nebránilo analýze skutečných pozorování. Pro model každé ze tří galaxií autoři zvolili dvě hvězdné složky k popisu centrální oblasti galaxie, a to centrální kulovou hvězdokupu obklopenou tlustým diskem. Tento dvousložkový model přijatelně modeluje pozorované vlastnosti center spirálních galaxií. Trojrozměrný model se tak sestával z popisu obou hvězdných složek, u nichž autoři navíc připustili vždy existenci dvou hvězdných populací s různým stářím. Na základě modelu bylo možné zkonstruovat trojrozměrné reprezentace syntetických pozorování a ta následně převést do podoby, která by byla pozorována dalekohledy ze Země. 

Porovnáním skutečných pozorování s těmi modelovými tak bylo možné odvodit základní parametry modelu. Volných parametrů je hned patnáct a autoři ukazují, že určení jejich optimálních hodnot vyžaduje určité úsilí, které musí proběhnout ve dvou krocích. Nejprve jsou určeny parametry reprezentující věky hvězdných populací a jejich vzájemnou významnost. Jakmile jsou ty známy, je možné určit geometrické parametry popisující tvar galaxie. 

Výsledky aplikované na tři vybrané galaxie jsou až překvapivě dobré. Ukazují, že přinejmenším ve dvou ze studovaných, v NGC 1808 a NGC 1566, nedávno probíhala intenzivní tvorba hvězd, přičemž ve druhé zmíněné zřejmě ještě stále dobíhá. Naproti tomu v NGC 1433 zřejmě intenzivní tvorba hvězd skončila před více než 100 miliony lety. 

Práce přesvědčuje, že model poskytuje velmi robustní výsledky. Na základě znalosti věku hvězdné složky je totiž možné zjednodušeně odvodit předpokládanou frekvenci výbuchů supernov, a tento výsledek přímo porovnat s pozorováním intenzity zakázané čáry ionizovaného železa na vlnové délce 1,26 mikronu. Tento nezávislý test ukázal pro trojici studovaných galaxií velmi dobrou shodu mezi očekáváním a pozorováním. 

P. Vermot a jeho kolegové tak dávají ostatním odborníkům k dispozici solidní a robustní nástroj, který umožňuje charakterizovat vlastnosti hvězdných populací v centrálních oblastech blízkých galaxií. A to není úplně málo. 

REFERENCE

P. Vermot, J. Palouš a kol., A 3D model for the stellar populations in the nuclei of NGC 1433, NGC 1566, and NGC 1808. NIR photometry, CO absorption lines, and line-of-sight velocity and its dispersion, Astronomy & Astrophysics 674 (2023) A135, preprint arXiv:2305.19032

KONTAKT

Dr. Pierre Vermot
pierre.vermot@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.