Свойства галактик в войдах - Evolution of radio galaxies

Свойства галактик
в войдах
С.А.Пустильник (САО РАН)
Школа по наблюдательной и теоретической
космологии, САО, Нижний Архыз, август 2011
План
1. Предсказания теории и моделей. Население войдов:
количество галактик, распределение и свойства
(Gottloeber+2003; Hoeft+2010, Kreckel+2011)
2. Результаты по большим выборкам в далеких войдах и
сравнительно массивные галактики в них (SDSS, 2dRGRS)
3. Важность галактик малых масс для проверки влияния
окружения на эволюцию, роль Местного Сверхскопления
(Kreckel+ 2011, VGS, etc)
4. Ближайшие войды. Большая выборка карликов в войде LynxCancer
5. Наблюдательное исследование галактик в Lynx-Cancer войде.
Спектры, фотометрия, HI.
6. Концентрация необычных карликов в Lynx-Cancer войде
7. Выводы
Галактики в войдах. Первые
наблюдательные данные
Войды в распределении массивных галактик
---найдены (1978-1986). Насколько они
пусты?
Salzer (1989), изучая выборку ELG/HII
галактик из обзора UM, нашел что малая
часть ELG попадает в войды. Аналогично, по
BCG+HII галактикам из выборки SBS,
Pustilnik+(1995) нашли что 15-20% BCG
попадает в войды. Popescu et al (1996) –
Heidelberg void survey. Lindner+ (1996)
показали, что BCGs в войдах – лишь
вершина айсберга. Наряду с ними в
войдах найдены и более типичные
Введение.I




Роль глобального окружения в эволюции галактик –
предмет многолетних исследований и дебатов.
Эффект плотных областей (скопления). Уверенные
результаты: эволюция происходит быстрее, чем для
галактик поля и небольших групп (Haynes, Giovanneli
1986).
Области низкой плотности – войды. Размеры ~10-70 Mpc.
Обрисовываются “большими” галактиками (обычно L > L*.
M_B* ~ --20, M_dyn*~10^12 Mo). Войды населены в
основном карликами. Размеры войдов, количество и
контраст плотности галактик в них сильно варьируют.
Космологические модели прослеживают войды от z~5 до
z=0 по DM гало. Однако, предсказания количества
галактик в войдах и их свойств -- не однозначны. В
принципе, из-за редких столкновений между галактиками,
эволюция в войдах может идти медленнее. Также,
формирование DM гало может идти с задержкой по
сравнению с более плотными областями.
Введение.II




В наблюдательном аспекте, несмотря на значительное
увеличение объемов данных за последние годы, в основном
изучены свойства лишь яркой части галактик в войдах
(M_B от --17 до --19 ). Напрямую эволюционные свойства
галактик не изучались. Причина селекции: выбор больших
войдов  «большие» расстояния (z > 0.03-0.05) 
использование полных выборок : M_B <~ --17 для
типичных B_lim ~18 mag
Более массивные галактики войдов оказываются в
среднем более голубыми, что указывает на относительно
‘недавнее’ звездообразование и (опосредованно) на
значительные запасы газа. Доля «дисковых» галактик в
войдах выше, чем в «плотных» агрегатах (стенах).
Удельная SFR в войдах – выше.
Из общих соображений -- если отличия в эволюции
галактик для разного глобального окружения имеют место,
то наибольший эффект следует ожидать для галактик
самых малых масс, как наиболее чувствительных к внешним
воздействиям.
Войды в численных экспериментах. Zhang
et al. 2009, ApJ, 706, 747 (GADGET2 package)




Все DM частицы
M~10^8 Mo (h=0.7)
DM гало с
M~>10^12.6 Mo
DM гало с
M~>10^11.6 Mo
(M_B~ -19)
DM гало с
M~>10^10.6 Mo
(M_B~ -16.5)
Войды в численных экспериментах.
Gottloeber et al. 2003, MNRAS, 344, 715
10^9 частиц DM с M~1.4*10^7 Mo.
Большие войды (R=14 Mpc)
воспроизводят структуру
Вселенной в миниатюре
Минимальные DM гало с M
~1.4*10^9 Mo (M_B~ -14)
прописывают филаменты. В таком
войде ожидается ~1000 шт. гало с
V_circ => 20 км/с.
Модельный войд на z=0, с хорошо
видимой филаментарной
структурой, достаточно хорошо
виден и на z=2 (~3 Gyr от
«начала», нижний рисунок), но с
меньшим контрастом плотности
Галактики в войдах: теория и
предсказания моделей
Несколько факторов, которые могут приводить к отличию галактик в
войдах.



Формирование гравитационно-связанных гало в областях
с отрицательным контрастом плотности затруднено -->
галактики в войдах могут иметь меньшие возраста
основного населения звезд.
В LCDM численных космологических моделях Millenium
(Gao et al 2005) обнаружено, что эпоха формирования
гало связана с параметром окружения. Чем разреженнее
окружение, тем позже формируются гравитационносвязанные гало.
Если внешние воздействия во Вселенной при
t < 2-4 Gyr (z > 1.5-3) были существенным фактором SF и
эволюции, то в войдах этот фактор был много слабее.
Можно ожидать, что галактики войдов – в среднем
эволюционно моложе.
Численные модели и галактики войдов



Gottloeber+2003, Hoeft+2006, Hoeft & Gottloeber 2010,
Kreckel+2011 – модели с разрешением до ~10^(6-7) Mo.
Hoeft &Gottloeber (2010) находят, что галактики с M_tot <
(1-3)x10^9 Mo должны иметь M_bar/M_tot в 3-15 раз ниже
«космической» величины 0.15, т.е. быть весьма «темными»
(из-за уменьшения темпа аккреции газа в гало при нагреве
внешним УФ+SF feedback), однако не только в войдах!
Kreckel+2011 изучают отличия модельных галактик внутри
войда с D=40 Мпк и в «плотных» областях. Галактики с
M_B < -~17 не показывают значимых отличий. Но … более
слабые галактики в войде – голубее, богаче газом, выше
SFR, средний возраст звезд – немного меньше. Правда, эти
объекты уже на пределе разрешения … Необходимо
продвинуться к анализу галактик с массами на порядок
меньше.
Галактики в войдах: наблюдения
По войдам и галактикам в них в последние годы
(по SDSS и 2dFGRS данным) было несколько работ
(Hoyle+2002, Rojas+2003a,b;Patiri+2006)
Их особенности, важные для дальнейшего:
 1. Статистика по большому числу достаточно
далеких войдов и галактикам в них.
 2. Имеют дело со сравнительно яркими объектами
в войдах (типично M_B ярче -17).
 3. Не исследуются непосредственно эволюционные
параметры галактик. Определяются только
глобальные характеристики из
фотометрии/спектров SDSS/2dFGRS.
(цвета, SFR – star-formation rate, профиль яркости)

Результаты зондирования больших
войдов
Результаты «неглубокого» зондирования по
выборкам галактик в больших далеких войдах:
 Более голубые цвета галактик войдов -- по
сравнению с цветами похожих галактик в
«стенках».
 Галактики в войдах ближе к дискам, а в стенах
доля сфероидальных - выше.
 Удельная SFR (star-formation rate) галактик в
войдах выше, чем у их аналогов в «стенках» 
Косвенное указание на больший запас газа.
Мотивация выбора близких войдов
И наблюдения объектов в больших войдах, и теории
и модели указывают на то, что более массивные
галактики имеют небольшие отличия от
окружающих.
Галактики войдов могут значительно отличаться от
более типичных, но лишь в диапазоне меньших
масс и светимостей (M_B >~ -15).
Для их изучения, например, для диапазона
светимостей M_B ~-12 -14, при типичном пределе
обзоров галактик – B_lim~18-18.5, естественная
граница по модулю расстояния mu~30-32 mag, или
D < ~10-25 Мпк.  Т.е. нужны войды в ближней
зоне Местного Сверхсопления, лучше
примыкающие к Местному Объему.
Близкие войды. Акцент на глубину и эволюцию

«Изучение галактик в ближайших
войдах» =>
Local Void (LV, Tully+2008) + полдюжины малых
войдов из книги Fairall (1998) с расстояниями D
~10—20 Мпк. LV – значительно закрыт Галактикой
+ внутри найдено очень мало галактик.

Lynx-Cancer void имеет важные преимущества
– почти полностью покрыт обзором SDSS + слепые
глубокие обзоры HI – текущие и в близких планах
Войд Lynx-Cancer. Цели




Изучение наиболее полно отобранной и глубокой выборки
галактик в индивидуальном войде.
Предел по светимостям/массам в 40-100 раз ниже, чем в
далеких войдах (до M_B = -12). Галактики с M_B < -17
составляют в нем только ~10%.
Изучении эволюционного статуса галактик [O/H, Mgas/
(Mgas+Mstars) – массовая доля газа, T* – возраст старых
видимых звезд] в сравнении с данными для галактик из
более плотного окружения.
Кроме того, такие данные позволяют изучать
статистические свойства населения отдельного войда с
большой глубиной (LF, скучивание, распределение по
радиусу) и прямо сравнивать их с результатами численных расчетов в
моделях. Lynx-Cancer войд, с большим числом галактик, является
реальным объектом для тестирования моделей ближней Вселенной.
Параметры войда Lynx-Cancer
Обзор Hamburg/SAO эмиссионных галактик 
Близкая голубая компактная галактика HS 0822+3542
с очень низкой металличностью 12+log(O/H)~7.4
+необычный голубой LSB спутник. Эта пара очень
удалена от больших галактик, попадая в
«небольшой» войд (Pustilnik+2003).
Предварительные параметры войда [central
RA~8.5 h, Dec~+30, Dist ~14 Mpc, Diameter ~> 10
Mpc].

Благодаря большому вкладу SDSS, в этом
войде на сегодня найдено более 80-ти
галактик с M_B до -12 (Pustilnik & Tepliakova,
MNRAS, 2011). Уточненные параметры: центр
войда - на 18 Mpc, размер – более 16 Mpc.
Трехмерная картина войда Lynx-Cancer в
сверхгалактических координатах (в км/с).
Кроме больших галактик на границе и
карликов внутри войда показана
максимальная вписанная сфера с диаметром
16 Мпк
Lynx-Cancer войд на фоне общей
структуры Местного Объема
SDSS карты представительной подвыборки 25
галактик (размер 100х100”)
Выборка галактик в войде Lynx-Cancer.
Распределения по M_B и расстоянию до
ближайшей большой галактики D_NN(Mpc)
Функция светимости и полнота
Наблюдательные данные
Большая часть этой области неба покрыта SDSS,
что дает а) скорости большинства галактик; б)
изображения в фильтрах ugriz
+ «фотометрию»; c) значительное число галактик
со спектрами, пригодными для оценки O/H.
 Основа данных по O/H - наш спектральный обзор
на BTA + база данных SDSS DR7 (промежуточные
результаты для ~60%).
 Интегральные параметры газа в линии HI –
половина из литературы, вторая - для более
слабых - наши HI наблюдения на радиотелескопе
NRT (Nancay,France) в сотрудничестве с J.-M.
Martin (in preparation).

Результаты спектроскопии


По спектрам 48-ми галактик
войда Lynx-Cancer
получены оценки O/H
(Pustilnik, Tepliakova,
Kniazev, Ap.Bull., 2011).
Половина данных – с БТА.
Для 65% O/H –
классическим T_e методом.
Остальные – по
полуэмпирическому T_e
(Izotov & Thuan, 2007) и
эмпирическим (Pilyugin &
Mattsson 2010, Pilyugin et al.
2010)
Итоги спектроскопии галактик в Lynx-Cancer
войде
Из 48 галактик войда с измеренным O/H
Для 17: Zo/35 < Z <= Zo/10 (12+log(O/H) <= 7.65)
 Из этих 17  6 объектов: 12+log(O/H) <= 7.35:
6 из ~дюжины с такими низкими O/H из тысяч
известных измерений попадают в этот войд!

SDSS J0926+3343 O/H=7.12 (T_e)
DDO 68 (J0956+2849) O/H=7.14 (T_e)
SDSS J0812+4836 O/H=7.28 (T_e)
SDSS J0737+4724 O/H~7.30 (semi-empir)
SDSS J0852+1350 O/H~7.30 (semi-empir)
SDSS J0744+2508 O/H~7.30 (semi-empir)
Пониженное содержание O/H в
галактиках войда Lynx-Cancer



Сравнение O/H для
галактик в Lynx-Cancer
войде с похожими
объектами групп и
поля в Local Volume по
их зависимости “O/H от
M_B” (van Zee & Haynes
2006)
Систематический сдвиг
(в среднем) вниз (на
~0.12 dex по O/H, или
~30%)
Полдюжины карликов с
рекордно низким O/H
и необычными цветами
Фотометрические результаты.
I. Популяция LSB галактик
LSBD галактики: как много пропущено?





~50% выборки галактик в Lynx-Cancer войде
найдены по спектральной части обзора SDSS, для
которого имеется известная избирательность по
эффективной поверхностной яркости (SB).
Для “чисто экспоненциальных дисков” с цветами,
типичными для галактик поздних типов, теряется
более половины объектов с видимой центральной SB в
«B» mu_0,B ~> 23.2 mag/sq.arcsec
Чтобы понять, какая доля галактик войда потеряна , нужны
специальные усилия. Цель -- восполнить потери SDSS за
счет добавления новых LSBD с измеренными скоростями.
Могут помочь несколько слепых HI обзоров в этой области
неба (ALFALFA, Westerbork)? Чувствительность ограничена
В нашем проекте – спектральный и чувствительный HI
обзор LSBGs из SDSS, у которых нет данных о скоростях.
Фотометрические результаты.II
Цвета периферии (u-g, g-r ) и возрасты
Войд Lynx-Cancer :
концентрация необычных галактик. I



•
По крайней мере 8 необычных объектов в войде -- в
очень небольшой части (~5%) объема с R~26 Мпк
1) Исторически первый -- BCG HS 0822+3542 
O/H=7.4, M_B~-12.9 (Kniazev+2000)
2) голубая LSBD SAO 0822+3545  M_B~-13.3
(на d~14 kpc от HS 0822+3542). SDSS ugri цвета в
сравнении с эвол. треками PEGASE: не видно
звезд с T > 2-3 Gyr. (Pustilnik +2003).
3) DDO 68 (M_B=-15.3) с O/H =7.14 (Pustilnik+05,
Izotov+06). SDSS ugri цвета  T <~ 1 Gyr (Pustilnik+
2008). Карты HI на GMRT: недавнее слияние очень
богатых газом карликов (Ekta etal. 2008).
•
•
4) SDSS J0926+3343 – VLSBD, edge-on, M_B~
-12.9, O/H=7.12. Цвета ugri  T ~1--3 Gyr
(Pustilnik+2009)
Войд Lynx-Cancer :
концентрация необычных галактик. II



•
5) SDSS J0812+4836 O/H=7.28
(Izotov+2007)
6) LSBD SDSS J0737+4724 с O/H~7.30,
M_B=-12.5. Цвета ugri  T ~2-3 Gyr
7) LSBD SDSS J0723+3621 с O/H~7.30,
M_B=-14.3 и слабым спутником SDSS
J0723+3622 с T~1-2 Gyr
8) SDSS J0852+1350 – LSBD M_B~-14.5,
O/H~7.3.
Статистика галактик в Lynx-C ancer войде
для сопоставления с моделями




Значительное число галактик в этом войде
позволяет в принципе делать первые шаги
по проверке детальных моделей войдов,
включая:
полное число объектов до данной массы
Вид функций светимости и масс на слабом
конце как ключ для формирования
карликовых галактик в вариантах CDM/WDM
космологии и связь с проблемой недостатка
числа CDM гало.
Пространственную структуру, свойства
филаментов и распределение по радиусу
войда.
Модельный войд из Gottloeber+2003 vs
реальный войд Lynx-Cancer с объемом в ~5
раз меньше. Ожидаемое отношение чисел гало
1000:~200. Видимый дефицит гало с V_rot >
20 км/с – не более 4 раз? Неоткрытые LSBD в
Lynx-Cancer войде – из-за наблюдательной
селекции? Или очень «темные»?
Выводы.I

Галактики в больших войдах (D~30-60 Мпк)
с относительно большими светимостями
(M_B ~-17 -- -19) по SDSS и 2dFGRS  более
голубые и «дисковые», чем галактики стенок
и имеют большую удельную SFR, однако
данных об эволюции нет

Галактики из более близких выборок (Void
Galaxy Survey) c M_B < -16 (и слабее) в
центрах войдов: богатые газом, голубые,
взаимодействуют со спутниками (Kreckel+
2010, 2011) . Данных по O/H - нет.
Выводы.II
В близком войде Lynx-Cancer (Diam > 16 Мпк) создана
выборка рекордной глубины (числом 80, галактики до
M_B~-12.0) в объеме более 2000 Мпк^3.
Результаты спектроскопии и фотометрии дают указание на
более медленную эволюции и/или задержку эпохи
образования и/или SF части галактик в этом войде:
1) Значительная часть галактик в L-C войде

имеет пониженное содержание металлов.
Шесть карликов войда отнесены к самым
низкометалличным:12+log(O/H) ~< 7.3
2) ~10-15% карликов по цветам внешних
частей заметно моложе 13 Gyr. Для 4-х -цвета наиболее старых видимых звезд ~1--3
Gyr.
Перспективы и планы




Ближайшие войды – отличные полигоны для сравнения
космологических моделей с реальным миром карликовых
галактик, минимально искаженных влиянием окружения.
Необходимы: а) детальные расчетные модели войдов с
разрешением по массе <~10^6 Mo, б) максимально
полные выборки галактик в них.
Эволюционно-молодые галактики в близких
войдах – лаборатории для понимания процессов SF на z
~ 5-10.
Поиск новых LSB галактик в этом войде. Шанс
уменьшить большое расхождение в числах DM гало и
реальных галактик в моделях и наблюдениях. Выборка
кандидатов в близкие LSBGs – по изображениям SDSS.
Определение лучевых скоростей по H-alpha и HI для
отобранных LSBGs -- в ближайших планах.
Благодарности
В разных этапах проекта по изучению галактик войда Lynx-Cancer активно
участвовали:
А.Л.Теплякова (САО)
А.Ю. Князев (SAAO, САО, ГАИШ)
J.-M. Martin (Obs. Paris, Nancay RT)
Ю.А. Лямина (ЮФУ, Ростов-на-Дону)
А.Н.Буренков (САО)
J.Chengalur (NCRA, Pune)
 КТБТ – постоянно поддерживал заявки по этой тематике
на БТА.
 NRT Time Allocation Committee постоянно
выделял время для наблюдений галактик войда в HI на
Nancay Radio Telescope (France)
Спасибо за
внимание!
Фотометрические результаты.II
Цвета g-r, r-i и возрасты
Радиальные профили плотности в
модельных войдах из Gottloeber +(2003)
Скучивание: пары, филаменты и др.

~80% of void
dwarfs enter to
pairs, or/and
belong to
filaments with
lengths of 1-2
Mpc. Groups are
rare. About 20%
of dwarfs look like
isolated
Edge-on LSBD SDSS J0926+3343
SCORPIO slit position
SDSS finding chart
2D spectrum of J0926+3343
BTA spectral results

Spectra of HII regions «a» and «b» with SCORPIO.
Estimates of O/H by classic T_e method give mean
value of 12+log(O/H)=7.12+-0.02.
SDSS J0926+3343

SDSS J0926+3343 is
one of two galaxies
with the record low
O/H (of many
thousands known to
date). This is situated
inside the LynxCancer void, at the
distance of ~1.6 Mpc
from DDO 68, the
next known lowest O/
H galaxy.

Blue SDSS ugri
colors for outer
regions of SDSS
J0926+3343, as
compared with
PEGASE2
evolutionary tracks
indicate ages of
the oldest stellar
popul. of ~1—3
Gyr
Colors of dwarfs in the void.
SAO 0822+3545 (unknown O/H)
Colors of dwarfs in the void.
SDSS J0737+4724 (12+log(O/H)~7.3)
Colors of dwarfs in the void.
SDSS J0843+4025 (12+log(O/H)=7.59)
Colors of dwarfs in the void.
SDSS J0859+3923 (12+log(O/H)=7.57)
Colors of dwarfs in the void.
SDSS J0911+3136 (12+log(O/H)=7.51)