Лекция 3: эволюция галактик
реклама
«Проблемы современной астрофизики и геофизики» МФТИ КОСМОЛОГИЯ Лекция 3 Сергей Пилипенко АКЦ ФИАН Лекция 3: Эволюция галактик 1. 2. 3. 4. 5. Состав галактик Разнообразие галактик Гало темной материи Бесстолкновительная релаксация Численное моделирование Вселенной 6. Проблемы космологии Состав галактик Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Звездное гало (модель). Image by Johnston & Bullock. Звездное гало Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ I I Малая доля всех звезд (< 1%). В основном старые звезды. Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Балдж, диск со спиральными рукавами, шаровые скопления. Шаровые скопления Космология Состав галактик I I I I I 103 − 106 звезд. Высокая плотность. Старые звезды. Поддерживаются самогравитацией. Сотни скоплений в Галактике. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Шаровое скопление M13 в Геркулесе. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Диск. Спиральная структура. Диски Космология Состав галактик I I I I I Звезды и газ. Газ: горячий и холодный (+пыль). Спиральные рукава. Ударные волны. Магнитные поля 10−5 Гс. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Туманность в Орле «Столпы творения». Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Проекция нашей Галактики. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Синхротронное излучение. В магнитном поле 10−5 Гс частицы с E < 1015 эВ не покидают Галактику. Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Галактика с балджем. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Черная дыра (модель). Параметры Галактики I Число звезд ∼ 1011 . I Полная масса ∼ 1012 M . Состав галактик 6 I Характерная плотность 10 ρc . I Среднее расстояние между звездами около Солнца ∼ 1 пк. I Радиус диска 20 кпк. I Радиус темного гало 100 кпк. I Центральная ЧД M = 106 M , R = 107 км. Масса Солнца M = 2 · 1033 г. Космология Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Эллиптическая галактика. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Неправильная галактика. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Слияние галактик. Разнообразие галактик Космология Состав галактик I Массы 107 − 1013 M . I Дисковые – поддерживаются вращением. I Эллиптические – поддерживаются дисперсией скоростей. Содержат меньше холодного газа и молодых звезд. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Спутники галактик. Вращение галактик Космологические возмущения: Vrot → 0. Вращение вызывают: I I Приливное взаимодействие протогалактик. Слияния с прицельным параметром b 6= 0. Следствие: ориентация моментов относительно крупномасштабной структуры. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Спиральная структура Поверхностная плотность: Σ(r , φ) = Σ0 (r ) + Σ1 (r ) cos[mφ + a ln(r )] Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии 1. Долгоживущие бегущие волны. 2. Бар. 3. Растущая мода. Квазары Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Квазары I Точечные, «квазизвездные» объекты с z > 1. 11 13 Состав галактик Разнообразие галактик I Светимость 10 − 10 I Природа: аккреция на ЧД. Релаксация I Масса ЧД 108 − 1010 M . Численное моделирование I Темп аккреции 10 − 103 M /год. Проблемы космологии I Джеты – мощные выбросы вещества. солнечных. «Активные галактические ядра» – меньше светимость, ближе. Гало ТМ Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Скопления галактик Космология Состав галактик I Массы 1014 − 1015 M . I 104 галактик. I В центре – огромная эллиптическая галактика. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация I GMm R I ∼ кэВ – рентгеновский газ. Гравитационное линзирование. Численное моделирование Проблемы космологии Эволюция галактик Космология Состав галактик I z ∼ 15 − 20 – первичные звезды из H и He. Разнообразие галактик Гало ТМ I z ∼ 6 − 10 – звезды и черные дыры ионизуют Вселенную. I z ∼ 2 − 4 – максимум активности квазаров, максимум частоты слияний. I z < 1 – образуются скопления галактик. Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Гало ТМ Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Кривая вращения. V = q GM R Профиль плотности Космология Состав галактик Разнообразие галактик ρNFW = r rs ρs 2 r 1 + rs ρs , rs – параметры. NFW=Navarro, Frenk, White. Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Профиль плотности Космология Состав галактик В скоплениях галактик профиль можно восстановить по распределению температуры газа или грав.линзированию. При этом легко разделить ТМ и барионы. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Релаксация Космология Состав галактик – переход в энергетически более выгодное состояние. Барионная материя: излучение. Темная материя: «бурная релаксация». Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Бурная релаксация Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Взаимодействие частицы и оболочки. Частица преобретает энергию: 1 1 ∆E = GMm , − Rin Rout где Rin , Rout – радиусы оболочки при входе и выходе частицы. Численное моделирование Проблемы космологии Характерные времена Динамическое время (бурная релаксация): p td = G ρ. Время полной релаксации: tR ∼ Ntd . Для шарового скопления tR < tH , для гало tR tH . Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Моделирование Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Моделирование N-body. Сжатие облака из 2000 частиц. Вывод Космология Состав галактик При сжатии хаотически распределенного темного вещества образуется гравитационо-связанный сгусток – гало, который существует значительное время. Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Численное моделирование Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Численное моделирование Вселенную из ТМ легко моделировать: I Начальные условия – космологический спектр мощности. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация I Граничные условия – периодические. I Уравнения: законы Ньютона. I Сглаженный потенциал. I Приближенное решение N-body. Численное моделирование Проблемы космологии Численное моделирование Космология Состав галактик Можно ли моделировать непрерывную среду частицами с массой 103 − 1010 M ? Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Да, если сгладить потенциал на масштабе s < h`i: 1 1 → r r +s Численное моделирование Проблемы космологии Приближение Метод Particle-Mesh: Космология Состав галактик 1. Из координат частиц получить ρ(x, y , z). Разнообразие галактик 2. Решить уравнение ∆φ = 4πρ методом FFT. Гало ТМ 3. Рассчитать силы, действующую на частицы. 4. Сдвинуть частицы. 5. GOTO 1 Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Космология Возможности Состав галактик Разнообразие галактик I Сторона куба 1 − 103 Мпк. Гало ТМ Релаксация 7 I Число частиц на ПК: до 10 . I На суперкомпьютере: до 1010 . Численное моделирование Проблемы космологии Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация Численное моделирование Проблемы космологии Результаты Космология Состав галактик I I I Иерархическое образование гало: сначала образуются малые, затем сливаются в большие. Разнообразие галактик Функция масс скоплений галактик – тест космлогической модели. Численное моделирование Универсальный профиль Наварро-Френка-Уайта. Гало ТМ Релаксация Проблемы космологии Проблемы космологии I Природа ТМ и ТЭ. I Космогенезис. Инфляция. I Первые звезды. Космология Состав галактик Разнообразие галактик Гало ТМ Релаксация I Первые ЧД. Численное моделирование I Объяснение разнообразия галактик. Проблемы космологии I Профиль плотности гало, спутники галактик.
