«Астрономия-2006» 125 лет АО СПбУ Структура и кинематика Галактики А.С. Расторгуев (Москва, ГАИШ МГУ) Июнь 2006 На рубеже веков: 1997-2006 г. • Эпоха «после HIPPARCOS»: все новые данные с HIPPARCOS и TYCHO-2 (π, μ) уже использованы. Шкалы расстояний уточнены по π, но окончательные точки не расставлены. • Появился ряд новых «всенебесных» каталогов (UCAC2, SDSS, 2MASS, USNO-A2.0, USNO-B1.0, DENIS, ASAS-3 и др.), опирающихся на систему ICRS/ICRF. • Каталоги и архивы лучевых скоростей (RAVE, ЖеневскоКопенгагенский обзор Nordstrom et al. (2004), ELODIE, OSAСA и др.) • Разрабатываются новые космические проекты (GAIA, SNAP). • Разрабатывается концепция виртуальных обсерваторий и международный консорциум VO как отклик на будущие тера- и петабайтные объемы данных. «Всенебесные» каталоги • Астрометрические: - UCAC2: 20 mas (10-14mR), 70 mas(16mR), PM: (1-3 ÷ 4-6 mas/y), ~48 млн. звезд южнее +50° - USNO-B1.0: 0.2", полнота до 21m(V), 1.04 млрд. звезд, PM • Фотометрические и спектральные: - SDSS: 5 полос (0.35-0.9μm), ~250 млн. звезд. - ASAS-3: ~50 тыс. переменных среди 15 млн. звезд южнее +28° • IR: DENIS: iJK(18.5-14m), 355 млн. объектов южного неба • IR+астрометрия: 2MASS: JHK(15.8-14.3m), ~300 млн. точечных объектов, 0.5" • Комбинация позиционных данных из разных каталогов, с эпохами, разделенными десятилетиями, позволяет сейчас выводить собственные движения удовлетворительной точности (для скоплений и групп звезд ~1-2 mas/год) Специальные каталоги • ASCC-2.5 (Н.Харченко, А.Пискунов, 2001): 2.5 млн. звезд (полнота РЗС до 850 пк от Солнца) • W.Dias et al. (2002): компилятивный каталог данных о 1537 РЗС. • OSACA (Г.Гончаров, 2005): компилятивный каталог VR для 35 тыс. звезд в рукаве Ориона • RAVE: текущий статус:~25000 VR (2.3 км/с, I<12m) звезд южнее +20° (завершение – 2010) • Geneva-Kopenhagen survey (B.Nordstrom et al., 2004): VR, РМ и возрасты ~14000 близких звезд (0.5 км/с) • Bibl. Cat. of stellar rad. vel. (S.Malaroda et al., …-2005): VR~76000 звезд. Продолжение дела Barbier-Brossat. • The ELODIE archive (PASP V.116, P.693-698, 2004 http://atlas.obs-hp.fr/elodie) • ОКПЗ + КЗП: ~50000 переменных звезд разных типов (ГАИШ) • Создана хорошая база для широкого спектра статистических исследований нашей Галактики, содержащая разнообразные массовые звездные данные (положения, собственные движения, лучевые скорости, многоцветную фотометрию) Строение Галактики: задачи • • • • • • • • Функция светимости (и функция массы, IMF) Поглощение света – 3D модели Строение и населенность подсистем Вертикальное распределение масс, KZ, локальная плотность, толстый диск Модели Галактики Спиральный узор «Темная» материя «Микроструктуры» в Галактике • Принципиальные моменты, необходимые для решения этих задач: – Уверенный ход функции светимости для MV>15m для диска, толстого диска и гало (разные ли они?) – Картина поглощения (желательно 3D) – Глубокий предел звездных подсчетов (V>22-25m) – Многоцветность наблюдений, включая IR – Согласие фотометрических и динамических моделей Метод: звездные подсчеты и дифференциальная функция блеска A( m) rmax 2 r D ( r ) m 5 lg r 5 Ext( r ) dr 0 D(r) для подсистем Безансонская модель Населений Галактики. Разные возрасты, химсостав и IMF. Модель ? Реальная функция светимости в солнечной окрестности. Ее ход при MV>15m совершенно неясен. Функция светимости: Последние результаты проекта CFHT Legacy Survey (M.Schultheis, A.Robin et al., 2006) α=4 ____________________ α=4 α=3 α=2 mc – mass break (излом, красная черта) Для IMF вида dn/dm ~ m -α: α = 1.5 для m < 0.5 m0 (стандартная модель): α = 4 для m < mc= 0.15 m0 α = 3 для m < mc= 0.20 m0 α = 2 для m < mc= 0.25 m0 Избыток звезд малой массы! Вклад в решение проблемы DM? Вклад разных классов светимости в звездные подсчеты: при подсчетах для V>25m критична модель Ф(М) для ГП Для умеренных широт Ф(МV) ? Глубина подсчетов (дифференциальная функция блеска) В NIR (K) В оптике (V) ↓ Необходимы подсчеты до V ~ 25-30m Наземные телескопы и космические проекты? Многоцветность: Помогает выявить вклады различных подсистем (гало – диск – ТД) в завиcимости от b. Показаны модели подсчетов до ~1922m (Bahcall & Soneira) Многополосность запланирована в космических проектах. 3D поглощение: распределение пыли в диске Галактики (R.Drimmel, 2004, 2005) Привлечены данные Bland-Hawthorn & Maloney (2002) по спиральной структуре и распределению HI Замечание: положение спиральных ветвей часто определяется по кинематике газа, поэтому результаты нельзя считать независимыми Sun Drimmel et al. (2006): AK vs Dist для области антицентра Галактики Модель vs наблюдения: о - NIR * - ОВ-звезды То же, для области 30° < l < 75° Согласие не всегда хорошее. Модели AK позволяют позиционировать положение звезд Red Clump на диаграмме K-(J-K) c разными расстояниями (2MASS). K2III: MK = -(1.65±0.3)m, (J-K)0 = (0.75±0.2)m Индикаторы расстояния! Типичная диаграмма ГР для направлений в плоскости Галактики Вертикальное распределение массы и кинематика толстого диска • Прямые методы (звездные подсчеты и кинематика): цикл работ Siebert, Soubiran, Bienayme et al. (2003-2005) • ~400 gK в обл. NGP (TYCHO-2 + ELODIE VR) Ф-я светимости gK Градиент σZ по Z-коорд. Доля толстого диска: 0.15±0.07 lg ρ vs z Малый вклад LDM: <0.030 M0 пк-3 H~350 пк старый диск H~750 пк толстый диск Скорость отставания от LSR ~50 км/с Поверхностная плотность: Σ(0.8 кпк) ~57-66 M0 пк-2 Σ(1.1 кпк) ~57-79 M0 пк-2 Полупериод колебаний PZ ~ 42±2 Myr RR-Лириды толстого диска: [Fe/H] > -0.8 (Дамбис, Расторгуев, 2001) • • • • Метод статистических параллаксов (3D скорости): (U0 V0 W0) = (-16±8, -41±7, -18±5) км/с (σU σV σW) = (53±9, 42±8, 26±5) км/с Подсистема быстро вращается (~160 км/с, отставание от LSR на ~50 км/с) • <MV>RR = +1.11m ± 0.28m Первое прямое доказательство наличия зависимости <MV>RR [Fe/H] из наблюдений Расторгуев, Дамбис, Заболотских (2005) – выделение RR-Лирид толстого диска по 2D-3D скоростям: бимодальное распределение (MLF) • • • • • • • • 3D (~ 360 звезд) (U0 V0 W0) = (-14±5, -52±5, -16±4) км/с (σU σV σW) = (56±5, 44±4, 35±4) км/с Доля звезд толстого диска fTD ~ 0.31 0.03 2D (~1200 звезд) (U0 V0 W0) = (-14±5, -52±6, -12±4) км/с (σU σV σW) = (48±6, 48±5, 22±4) км/с Доля звезд толстого диска fTD ~ 0.42 0.02 Пример различий в [α/Fe] (Nissen et al., 2004): белые кружки – диск, черные – гало → классификация! В выделении населений большие перспективы имеют данные о химизме, например, об относительном содержании α-элементов (O, N, S, Mg,...) Локальная плотность в диске • Bienayme et al. Oort’s limit: 0.076-0.10 M0/пк3 (ASP Conf. Ser. V.182, 1999) - по данным о близких А-звездах из HIPPARCOS (3Dполе скоростей и распределение) • Дамбис (2003, 2004) – по зависимости «толщины» вертикального распределения цефеид и молодых рассеянных скоплений от возраста: • Полупериод PZ = 37…52 Myr ω2Z ≈ 4πGM0ν0 ↓ ρdyn ~ 0.06…0.12 M0пк-3 LDM: ~ ρ< 0.023 M0пк-3 Overshooting: есть ли? DM Согласие фотометрических и динамических моделей • До конца 1980-х развивались раздельно – Фотометрические: звездные подсчеты – Динамические: кривая вращения и кинематические параметры • Первый шаг к известным Безансонским моделям – Bienayme, Robin, Creze (1987): – Связь |z| подсистем с возрастом, химизмом и ростом дисперсии скоростей (Parenago’s discontinuity!) – Изотермичность подсистем – Звездные подсчеты для ограничения ρ(DM) и согласования с V(R) (показано, что роль DM в диске незначительна) Спиральный узор нашей Галактики • Как может выглядеть Млечный Путь? NGC 4622 М 74 • Наблюдательные данные противоречивы • Помехи: – В оптике сильное и неоднородное поглощение (эффекты селекции) – В NIR велик вклад красных слабых звезд, слабее концентрирующихся к спиральным ветвям – HII: большие ошибки шкалы расстояний (звезд ОВ) – HI: зависимость от модели распределения газа – H2, CO, ОН: ненадежные кинематические расстояния (с ошибкой > 1 кпк) из-за неопределенности кривой вращения, особенно на периферии Число спиральных рукавов – неизвестно Угол закрутки и фаза Солнца – неоднозначны Скорость вращения узора – неточна вблизи Солнца Показано распределение рассеянных скоплений и цефеид в плоскости Галактики и нанесены возможные положения отрезков локальных спиральных рукавов: Киля-Стрельца, Лебедя-Ориона, Персея-Кассиопеи. Per ~2 кпк Cyg Солнце – в центре области размером 10 х 10 кпк. Межрукавное расстояние Car Sgr Направление вращения Галактики К центру D.Russeil (2003): спиральный узор по областям звездообразования Расстояния – кинематические (кривая вращения Brand, Blitz, 1993) 4-рукавная модель Галактики Угол закрутки и число рукавов связаны между собой • Проблематика спиральной структуры тесно связана с кинематикой: – (a) Кинематические расстояния газа (и звезд) требуют надежной кривой вращения (в т.ч. за солнечным кругом) и учета уклонений от круговых движений (этого никто не делает, хотя амплитуды ≥10 км/с) – (б) Влияние волн плотности на кинематику звезд (эффекты селекции слабее!): найдены периодические радиальные и тангенциальные изменения остаточных скоростей параметры спиралей (fR, fΘ; χ0, i) ΩP • (а) Варианты кривой вращения Галактики Для R0=8.5 кпк При R0 = 7.5 кпк кривая вращения за солнечным кругом «понижается». Уточнение кривой вращения – по-прежнему актуальная задача. Молодые РЗС и цефеиды, lgT<7.6 (б) Периодические возмущения радиальной и тангенциальной остаточной скорости молодых объектов – следствие влияния волн плотности межрукавное расстояние. Возможна оценка амплитуд возмущений (fR, fΘ). Но: ΩP определяется весьма ненадежно. Альтернатива: пространственновозрастное распределение объектов (например, РЗС – Локтин, Попова, 2005) Периодичность ~ 2 кпк • Необходим целенаправленный (оптимальный) отбор объектов для определения кривой вращения за солнечным кругом: – Цефеиды больших периодов и далекие РЗС в направлениях l~120-145° и l~215-240° • Здесь большое число малоизученных рассеянных скоплений. Задачи: их поиск, выделение, определение избытков цвета, расстояний, возрастов и лучевых скоростей. 2MASS и другие всенебесные каталоги. • Нужны крупные телескопы (спектроскопия до 16m) К оптимальному отбору объектов для определения кривой вращения по лучевым скоростям: Большой градиент лучевой скорости по гелиоцентрическому расстоянию r одновременно с большим расстоянием до центра Галактики (диаграммы l – r). (Рассчитано для наблюдаемой кривой вращения) Звездные скопления • Шаровые: особая ценность для тестирования динамических моделей Галактики по их лучевым скоростям и собственным движениям. Известны практически все (~150). • Рассеянные: уникальная возможность анализа пространственно-возрастной структуры диска и истории звездообразования в Галактике. • Известно >1700, определены параметры ~750. • Изучение РЗС – большая и сложная задача. • Перспективные проекты изучения рассеянных скоплений: – Н.Харченко, А.Пискунов и др. (НАНУ, ИНАСАН): открытие и систематическое изучение по компилятивному каталогу ASCC-2.5. Около 150 новых скоплений. – С.Копосов, Е.Глушкова, И.Золотухин (ГАИШ): методика автоматического открытия и изучения по 2MASS и другим большим каталогам путем вейвлет-сгладивания. Учитывается концентрация звезд – членов скопления. Открыт ряд новых далеких молодых скоплений в области антицентра Галактики: Окно фильтрации «сомбреро» Проблема шкалы расстояний • Ранее: была тесно связана с проблемой R0 • Наблюдения кеплеровских орбит и лучевых скоростей IR «звезд» в области центра Галактики близки к решению части проблемы: R0 ≈ 7.5±0.3 кпк • Осталась проблема согласования шкал расстояний цефеид (более длинной) и RR-Лирид (более короткой) • Возможный путь решения: калибровка светимостей цефеид по Бааде-Весселинковским (пульсационным) радиусам по NIR данным (малое влияние поглощения и более тесная связь CI vs Teff). ВПЕРВЫЕ методом динамического параллакса скоро непосредственно и надежно можно будет вычислить расстояние до центра Галактики В 2007 г. S0-2 завершит полный оборот, возможно, окончательно решив проблему R0 (S0-16 движется по сильно вытянутой орбите) 0.5" • Осталась проблема согласования шкал расстояний цефеид (более длинной) и RR-Лирид (более короткой) • Возможный путь решения: калибровка светимостей цефеид по Бааде-Весселинковским (пульсационным) радиусам по NIR данным (малое влияние поглощения и более тесная связь CI vs Teff). • Кстати: Пульсационные радиусы RR-Лирид, определенные в 198х, дают хорошее согласие с другими методами (статистическим и тригонометрическим) определения их шкалы расстояний Механизм быстрого «нагрева» галактического диска Выбор конкретного механизма из числа нескольких предложенных зависит от показателя наблюдаемого степенного закона роста скорости: σ ~tq Рост средних скоростей звезд ГП с цветом Однозначного результата пока нет (различие изохрон и методик, изменения темпа звездообразования и т.д.): q ~ 1/3…1/2 Плато Область роста скоростей Излом Цвет Солнца Ограничения на распределение масс в Галактике Анализируются скорости далеких объектов гало Sakamoto, Chiba & Beers (2002-2003): 11 карликовых галактик, 137 ШЗС, 413 HB-звезд поля Основной вклад в ограничения на полную массу системы дают Draco, Leo I, Pal 3 Нижние оценки массы: ~(1.8-2.5)×1012 Mo в пределах расстояния до Leo I (270 кпк) ~5.5×1011 Mo в пределах расстояния до БМО (~50 кпк), практически модельно не зависима «Гипергалактика» по Я. Эйнасто Ультрабыстрые звезды (hypervelocity stars) • Известно пока 7(?) HVS (проэволюционировавшие Взвезды) • Происхождение: распад двойной в поле центральной SMBH • Общее число оценивается в ~103 • Если так, то их нельзя использовать для тестирования галактического потенциала Bulge Бар и его кинематика • Бар рассматривается как генератор спирального узора Галактики, изучение его кинематики важная задача • Debattista et al. 2002: – по возмущениям поля скоростей звезд в окрестности Солнца и по диаграммам (l – VR) - угловая скорость вращения бара в пределах 40-65 км/с/кпк • Sumi et al. (2003-2004): – собственные движения ~ 47000 звезд Red Clump в галактическом баре. По различиям кинематики яркой и слабой групп (ближнего и дальнего конца бара соответственно) оценена максимальная скорость его вращения: ~100 км/с Любопытные методы изучения кинематики («Московская Школа») (1) Обширная выборка не всегда лучше малой: по «касательному кругу», опирающемуся на R0 как на диаметр (R0 cosl = r cosb), хорошо определяется угловая скорость ω0 и исключаются корреляции с другими определяемыми параметрами. (2) В предположении выполнения теоремы Линдблада: (σV/σU)2 = 1 – A(R) / ω(R) во всем объеме выборки (до 5-6 кпк от Солнца) оценка ω0 ПО ЛУЧЕВЫМ СКОРОСТЯМ (!) совпадает с оценкой по 3D и 2D скоростям. Вывод: звездная динамика работает! «Тонкие структуры» в Галактике • Большое число работ по поиску и исследованию приливных «шлейфов» от скоплений и карликовых галактик с использованием всенебесных каталогов (2MASS, SDSS) и оригинальных наблюдений • Белокуров и др. (2006): – Sgr dSph (Rhel ~25 кпк) и Sgr Stream (RR Lyrae, A, gM, GC) – Monoceros Ring - пояс на RGal~15-20 кпк из звезд пониженной металличности. Источник: CMa dSph? Изгиб галактического диска? – Orphan («сирота») Stream – большой галактоцентрический круг, источник пока не найден. Связь с HVC? Sgr Stream 2MASS SDSS • Комбинация данных 2MASS и SDSS: по геометрии двух ветвей потока делается вывод о сферичности темного гало Orphan Stream HVC Коротко о космических проектах для звездной астрономии • GAIA (ESA) (M.Perriman et al.) – Запуск в 2011 г., ~6 лет работы • SNAP (NASA, DOE USA) (S.Perlmutter et al.) – Запуск в 2014 г., ~3 (-6?) лет работы • GAIA первоначально было сокращением для Global Astrometric Interferometer for Astrophysics • Методика измерений изменилась, но название осталось. • В среднем ~150 эпох наблюдений объекта, в том числе: - 80 астрометрических; - 120 спектральных; - 180 фотометрических Суммарная экспозиция ~ 3000 с (по сравнению с ~ 500 с для HIPPARCOS) За полгода – 1 скан всего неба. Принцип измерений • Cканирование неба при (сложном) вращении спутника в L2. • Срок службы: с ~ 2011 по 2017 г. • Оборудование: – 2 астрометрических зеркала 140 х 50 см с фокусным расстоянием ~42 м; – 1 спектральное зеркало D~50 см; – Приемник: массив из 170 ПЗС-матриц общим размером ~85 х 60 см Задачи и возможности GAIA • Прецизионная астрометрия: – ± 4 μas для звезд 12 (V), – ± 10 μas для звезд 15 (V), – ± 0.2 mas для звезд 20 (V). • Всего (войдет в 1-ю версию каталога) будет измерено ~1 млрд звезд ярче 20 (V), с дальнейшим распространением на 21-22 (V) – всенебесный каталог. • Фотометрия (MBP – 10-12 полос, BBP – 5-6 полос); полосы оптимально выбраны для изучения химсостава и распределения поглощения (σAv ~ 0.1m). • Спектроскопия (RVM) в диапазоне 848-874 nm, разрешение ~11500: – Лучевые скорости с ошибкой на конец миссии (для K1III) <1 км/с (ярче 13 V), ~1 км/с (15 V), >10 км/с (18 V); – Химизм (по линиям Ca, Fe, Si; H -Пашеновская серия), в т.ч. [α/Fe], с точностью ~(0.1-0.2) dex. Ожидаемые достижения для звездной астрономии • Калибровки светимости: – ~ 20 млн. звезд с точностью лучше 1%, до 2.5 кпк – ~150 млн. – 10% до 25 кпк – Всех «стандартных свеч», в т.ч. в LMC/SMC – «Чистые» диаграммы ГР для подсистем Галактики • Астрометрическая полнота до 20 (V) • Лучевые скорости ~ 150 млн. звезд с V<17-18 (ошибка менее неск. км/с) • Функция светимости звезд ГП • IMF и ILF для областей звездообразования • Определение возрастов звезд практически всех спектральных классов • Открытие, изучение и классификация ~ 180 млн. переменных звезд всех типов • Открытие до 60 млн. двойных звезд • Абсолютные орбиты ~ 5000 двойных систем • Массы компонентов ~ 10000 двойных с точностью лучше 1% • Открытие ~ 20000 «коричневых карликов» • Новые модели распределения звезд и массы в Галактике (впервые – одновременно по кривой вращения, KZ и звездным подсчетам) • Кинематика и динамика всех подсистем Галактики Проявления динамической эволюции. Скрытая масса. GAIA versus HIPPARCOS HIPPARCOS GAIA Предел по блеску Полнота Ярчайшие звезды Число объектов 12 7.3 – 9.0 ~0 120 000 Макс. эффект.расст. Квазары Галактики Точность астром. 1 kpc Нет Нет ~1 milliarcsec BBP MBP Лучевые скорости Набл. программа 2-colour (B and V) Нет Нет Входной каталог 20 mag ~20 mag ~3-7 mag 26 million to V = 15 250 million to V = 18 1000 million to V = 20 1 Mpc ~5 106 - 107 4 arcsec at V = 10 10-15 arcsec at V = 15 200-300 arcsec at V = 20 5-colour to V = 20 11-colour to V = 20 1-10 km/s to V = 16-17 Полнота и несмещ. ! • Будет создана 3-мерная карта Галактики вплоть до расстояния ~10 кпк • 2-м телескоп прямых изображений (с полем зрения ~1.5º) в L2. • Приемник: ПЗС-мозаика 28k×28k, 10μ (0.1") px, экспозиция 100-1000с • Поле 15 кв.град. в полюсе эклиптики (с покрытием 1 раз в 4 сут.), до 1000 кв. град. с меньшей частотой. • Предельная величина ~30m (I) (полосы UVRIZJH +8 специальных) + спектры (R~100) • Основная цель проекта – поиск Сверхновых Ia до z~1.7 и уточнение вклада «темной энергии» • Оценка частоты SN Ia – до 2000 в год • Ценность для звездной астрономии – всего лишь by-product проекта: – Глубокий предел (30m I) и многоцветность, звездные подсчеты, функция светимости, строение Галактики, кинематика и параллаксы (?) – Полное поглощение (r > 1-2 кпк) ~ 0.08m (I) – Могут быть обнаружены ВСЕ красные карлики (MV~15m) до ~ 10 кпк и множество «коричневых карликов» до ~1-5 кпк. – ВСЕ WD гало. – Может быть, уточнив функцию светимости, удастся снять остроту проблемы скрытой массы? • Прогресс кинематики: – Если для яркой звезды N~10 to 100 px, предельная астрометрическая точность составит δx ~N-1/2 ∙Δ, ~10 mas, в системе отсчета, опирающейся на далекие квазары (близкой к ICRS/ICRF) – При ~100 наблюдений в год в основном поле зрения 15o в идеале можно уменьшить ошибку до 1 mas – Можно рассчитывать на довольно точное измерение собственных движений в гало за 3–6 лет • Технические характеристики и задачи проекта пока прорабатываются, но есть надежда на органическое включение в него и задач звездной астрономии • Уступает GAIA в позиционной точности и широте поля, но намного превосходит в проницающей способности • Из-за больших экспозиций не ожидается проблем с передачей данных (~неск. терабайт в сутки) (в отличие от GAIA)