Балдж

В галактиках, наблюдаемых с ребра, таких, как NGC 4565, балдж выглядит как утолщение в центре диска

Балдж (от англ. bulge — выпуклость, вздутие) — сфероидальное уплотнение из звёзд в центре галактики. Балдж — наиболее яркая часть сферической подсистемы галактики и одна из двух основных структурных составляющих галактики вместе с диском. Балдж состоит в основном из старых звёзд населения II, движущихся по вытянутым орбитам.

Относительная выраженность балджа сильно различается для разных галактик и служит одним из важнейших критериев классификации галактик: например, эллиптические галактики состоят только из сферической подсистемы и не имеют диска, а в неправильных галактиках сферическая подсистема, наоборот, очень слаба. Яркость балджа галактик хорошо описываются законом Серсика.

Балджи могут быть структурами с принципиально разными свойствами, имеющими различную природу. Выделяют три типа балджей: классические балджи, дискообразные балджи (англ. disc-like или disky) и ящикообразные/арахисоподобные балджи (англ. boxy/peanut), причём последние два типа иногда называют псевдобалджами.

В Млечном Пути отсутствует классический балдж, но имеется дискообразный и ящикообразный балджи. Большинство звёзд балджа нашей Галактики старые, с возрастом более 7 миллиардов лет, но наблюдаются и звёзды возрастами 1―5 миллиардов лет и менее 500 миллионов лет, также наблюдаются молодые и яркие звёздные скопления, такие как скопление Арки.

Описание и характеристики

В Галактике Треугольника балдж практически отсутствует

Балдж (от англ. bulge — выпуклость, вздутие) — сфероидальное уплотнение из звёзд в центре галактики. Балдж является наиболее яркой частью сферической подсистемы галактики: к ней также относится внешнее, более тусклое галактическое гало. Граница между этими частями условна, размер типичного балджа — от сотен парсек до нескольких килопарсек[1]. Балдж и диск — две основных составляющих структуры галактик, причём у разных галактик их относительная яркость сильно различается (см. ниже➤)[2][3]. Балджи галактик по характеристикам похожи на эллиптические галактики тех же размеров[4].

Звёзды в балджах вращаются по сильно вытянутым орбитам: дисперсия скоростей звёзд в них велика, а скорость вращения балджей мала. В балджах, как и в гало, звёзды преимущественно старые и относятся к населению II, но в балджах также присутствуют и более молодые звёзды населения I, что свидетельствует о недавнем звездообразовании в балджах. Звёзды балджей имеют значительно бо́льшую металличность, чем звёзды гало, кроме того, у звёзд балджа этот показатель занимает бо́льший диапазон значений[1][5].

Классификация галактик

Наличие и относительная выраженность балджа — один из критериев классификации галактик. Так, эллиптические галактики состоят только из сферической подсистемы и не имеют диска, в линзовидных и спиральных галактиках в той или иной степени выражены и балдж, и диск, а в неправильных галактиках сферическая подсистема очень слаба[2][3].

Спиральные галактики делятся на подтипы — от более ранних к более поздним — Sa, Sb, Sc и Sd с промежуточными значениями S0a, Sab, Sbc, Scd. Галактику относят к какому-либо из этих подтипов по нескольким критериям, в том числе и по выраженности балджа — в среднем, чем позднее тип спиральной галактики, тем меньше относительная светимость балджа и тем более раскрытые и клочковатые у неё спиральные рукава[3][6]. Линзовидные галактики, обозначаемые как S0, не имеют спиральных рукавов, но балджи в них выражены в среднем сильнее, чем в спиральных галактиках[7].

Поверхностная яркость

Профиль поверхностной яркости галактики M 31. Точками отмечены наблюдательные данные. В модельном профиле яркости, обозначенном сплошной линией, вклад балджа показан красной пунктирно-точечной линией

Зависимость поверхностной яркости от расстояния до центра для различных компонент галактики описывают законом Серсика[8]:

В этой формуле  — поверхностная яркость в центре, а  — характерный радиус. Для большинства балджей подходят , причём в среднем увеличивается с ростом светимости балджа. Закон Серсика при переходит в экспоненциальное распределение и описывает балджи с невысокой светимостью, а для наиболее ярких балджей, как и для эллиптических галактик, подходит , при котором закон Серсика переходит в закон де Вокулёра[8][9].

Типы балджей

Балджи могут быть структурами с принципиально разными свойствами, имеющими различную природу[7]. Выделяется три типа балджей: классические балджи, дискообразные балджи (англ. disc-like или disky) и ящикообразные/арахисоподобные балджи (англ. boxy/peanut)[10]. Иногда балджи последних двух типов называют псевдобалджами[11]. В отдельно взятой галактике могут одновременно наблюдаться балджи разных видов[12].

Классические балджи

Классические балджи по характеристикам наиболее похожи на эллиптические галактики. Такие балджи чаще всего встречаются у галактик ранних типов, например, у галактики Сомбреро, и становятся реже у галактик более поздних типов (см. выше➤). Профили яркости классических балджей описываются законом де Вокулёра[7].

Считается, что эти объекты формируются при гравитационном коллапсе, который сопровождает возникновение галактики, ещё до того, как формируется диск, либо при слияниях галактик. В численных моделях слияний воспроизводятся балджи, профиль яркости которых соответствует закону де Вокулёра[8][7]. Образование таких балджей происходит при очень быстром звездообразовании, поэтому звёзды в балджах сильно обогащены элементами, возникающими при альфа-процессе[комм. 1][12].

Дискообразные балджи

Дискообразные балджи также выделяются по яркости над диском, распределение яркости которого экспоненциальное, но по различным характеристикам они сами похожи на диски. В них преобладает вращение, а не дисперсия скоростей, они имеют практически такую же плоскую форму — отношение осей может быть малым, вплоть до 0,3. Их распределение яркости также может быть близким к экспоненциальному. Нередко в них наблюдается пыль, молодые звёзды и может идти достаточно быстрое звездообразование[8]. Дискообразные балджи из-за их формы трудно наблюдать в галактиках, видимых с ребра[7][10].

Считается, что дискообразные балджи в основном образуются в результате вековой эволюции галактик, при наличии нестабильностей в диске, например, баров или спиральных рукавов. Указанные структуры перераспределяют момент импульса внутри галактики, из-за чего звёзды и газ в галактике сосредотачиваются в центре её диска и образуется балдж, который сохраняет некоторые кинематические свойства диска[7][10]. Благодаря активному звездообразованию балдж формируется довольно эффективно — за несколько миллиардов лет может образоваться балдж массой в миллиард масс Солнца[14].

Ящикообразные балджи

Ящикообразные балджи, также называемые коробкообразными или арахисоподобными, по своей природе и параметрам являются барами, которые просуществовали на протяжении нескольких оборотов галактики, и наблюдаются в галактиках, видимых с ребра[12]. При этом такие же структуры, наблюдаемые не из плоскости диска, выглядят как обычные бары. У ящикообразных балджей наблюдается повышенная яркость вдоль биссектрис к большой и малой оси эллипса, описывающего их форму, поэтому они могут быть похожи на арахис, иметь прямоугольную или даже X-образную форму, что и обуславливает их название[11][15][16]. Из-за природы таких объектов иногда считают, что называть их балджами ошибочно[10].

Через несколько оборотов галактики после возникновения бара звёзды в нём приобретают компоненту скорости, перпендикулярную плоскости диска, в результате чего бар утолщается. В галактиках, наблюдаемых с ребра, такие бары выглядят как центральное утолщение и похожи на балджи. Хотя возникновение ящикообразного балджа может сопровождаться активизацией звездообразования, такие структуры содержат в основном звёзды, сформировавшиеся задолго до появления балджа[11][12][17].

  • Галактика Сомбреро обладает классическим балджем
    Галактика Сомбреро обладает классическим балджем
  • Галактика NGC 6782 имеет дискообразный балдж
    Галактика NGC 6782 имеет дискообразный балдж
  • Ящикообразный балдж отчётливо виден в галактике ESO 597-G036 (внизу)
    Ящикообразный балдж отчётливо виден в галактике ESO 597-G036 (внизу)

Балдж Млечного Пути

Млечный Путь в обзоре 2MASS

Наша Галактика не имеет классического балджа, но обладает двумя псевдобалджами — ящикообразным и дискообразным. Первый представляет собой бар (см. выше➤), наблюдаемый практически с конца — угол между осью бара и направлением на него составляет 25°[7]. Из-за того, что расстояние от Земли до ближнего и до дальнего концов бара значительно различается, он выглядит асимметричным. Второй — небольшой дискообразный балдж с идущим в нём звездообразованием, находящийся внутри первого[11].

Большинство звёзд в балдже старые, с возрастом более 7 миллиардов лет, но наблюдаются и звёзды возрастами 1―5 миллиардов лет и менее 500 миллионов лет, также наблюдаются молодые и яркие звёздные скопления, такие как скопление Арки[5]. Размер балджа составляет 3,5 килопарсека. Металличность звёзд балджа Млечного Пути варьируется от −1,8 до 0,2 и он обогащён альфа-элементами[7][11].

Масса дискообразного балджа составляет 3 % от звёздной массы галактики, а его характерная толщина ― 45 парсек, для ящикообразного эти показатели составляют соответственно 28 % и 200 парсек. По параметрам балджей и по структуре в целом Млечный Путь схож с галактиками NGC 4565 и NGC 5746[11].

Примечания

Комментарии

  1. ↑ Альфа-элементы в основном производятся в массивных звёздах, которые быстро заканчивают свою эволюцию — межзвёздная среда начинает обогащаться ими через 10 миллионов лет после начала вспышки звездообразования, что очень мало по сравнению с длительностью процессов в галактиках. Другие химические элементы, такие как железо, возвращаются в межзвёздную среду за гораздо больший срок, поэтому звёзды, которые образуются в короткой вспышке звездообразования, успевают обогатиться альфа-элементами, но не железом и некоторыми другими элементами[13].

Источники

  1. ↑ 1 2 Засов А. В. Балдж галактики. Астронет. Дата обращения: 30 октября 2021. Архивировано 30 октября 2021 года.
  2. ↑ 1 2 БАЛДЖ : [арх. 22 октября 2021] / О. К. Сильченко // Анкилоз — Банка. — М. : Большая российская энциклопедия, 2005. — С. 698. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 2). — ISBN 5-85270-330-3.
  3. ↑ 1 2 3 Засов, Постнов, 2011, с. 342—344.
  4. ↑ Karttunen et al., 2007, pp. 375—376.
  5. ↑ 1 2 Bulges. Swinburne University of Technology. Дата обращения: 30 октября 2021. Архивировано 7 марта 2022 года.
  6. ↑ Hodge P. W. Galaxy: Other classification schemes and galaxy types (англ.). Encyclopedia Britannica. Дата обращения: 2 ноября 2021. Архивировано 19 октября 2021 года.
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Freeman K. C. Galactic bulges: overview. — 2008-07-01. — Т. 245. — С. 3–10. — doi:10.1017/S1743921308017146.
  8. ↑ 1 2 3 4 Засов, Постнов, 2011, с. 345—346.
  9. ↑ Surface Brightness Profiles. Swinburne University of Technology. Дата обращения: 1 ноября 2021. Архивировано 1 ноября 2021 года.
  10. ↑ 1 2 3 4 Gadotti D. A. Galaxy Bulges and Elliptical Galaxies - Lecture Notes: Bulge types. ned.ipac.caltech.edu. Дата обращения: 2 ноября 2021. Архивировано 9 августа 2020 года.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kormendy J., Bender R. Structural Analogs of the Milky Way Galaxy: Stellar Populations in the Boxy Bulges of NGC 4565 and NGC 5746 (англ.) // The Astrophysical Journal. — 2019-02-14. — Vol. 872, iss. 1. — P. 106. — ISSN 1538-4357. — doi:10.3847/1538-4357/aafdff. Архивировано 5 ноября 2021 года.
  12. ↑ 1 2 3 4 Athanassoula E. On the nature of bulges in general and of box/peanut bulges in particular: input from N-body simulations // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 2005-04. — Т. 358, вып. 4. — С. 1477–1488. — ISSN 1365-2966 0035-8711, 1365-2966. — doi:10.1111/j.1365-2966.2005.08872.x.
  13. ↑ Сурдин и др., 2017, с. 336—337.
  14. ↑ Сурдин и др., 2017, с. 323—325.
  15. ↑ Сурдин и др., 2017, с. 227.
  16. ↑ Орешек в центре галактики. Популярная механика. Дата обращения: 2 ноября 2021. Архивировано 2 ноября 2021 года.
  17. ↑ Pérez I., Martínez-Valpuesta I., Ruiz-Lara T., de Lorenzo-Caceres A., Falcón-Barroso J. Observational constraints to boxy/peanut bulge formation time // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 2017-06-01. — Т. 470. — С. L122–L126. — ISSN 0035-8711. — doi:10.1093/mnrasl/slx087.

Литература

  • Галактики / ред. В. Г. Сурдин. — 2-е, исправленное и дополненное. — М.: Физматлит, 2017. — 432 с. — ISBN 978-5-9221-1726-5.
  • Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. — 2-е изд. испр. и дополн. — Фрязино: Век 2, 2011. — 576 с. — ISBN 978-5-85099-188-3.
  • Karttunen H., Kroger P., Oja H., Poutanen M., Donner K. J. Fundamental Astronomy. — 5th Edition. — Berlin; Heidelberg; N. Y.: Springer, 2007. — 510 p. — ISBN 978-3-540-34143-7.