РефератДетально исследован спиральный узор у выборки из 155 близких спиральных галактик. Для этой цели был разработан оригинальный метод, позволяющий получать параметры спиральной структуры на основе изображений галактик. В основе метода лежит анализ фотометрических срезов, построенных перпендикулярно спиральным ветвям. В результате работы метода получается большой набор параметров спиральных ветвей, некоторые из которых практически не исследовались прежде, а некоторые получены впервые. Проведен сравнительный анализ параметров спирального узора в видимом диапазоне у галактик разных морфологических типов и разных типов спиралей (гранд-дизайн, многорукавных и флоккулентных). Продемонстрировано, что у большинства галактик ширина спирального узора увеличивается с расстоянием от центра галактики, а вклад спирального узора в полную светимость галактики увеличивается при переходе от ранних типов галактик к поздним. Исследованы распределения углов закрутки, вариации угла закрутки с радиусом, ширины ветвей и др. для разных типов спиралей. Показано, что количественно спиральная структура галактик различается у разных типов спиралей только по общим отличительным свойствам, по которым они и были классифицированы (контраст спирального узора, угол закрутки спиральных ветвей). Предложен новый способ определения положения радиуса коротации на основе ширины спирального узора. Протестирована его работоспособность для 37 галактик с известным положением радиусов коротации.ВведениеХарактерной особенностью многих дисковых галактик является наличие в диске спирального узора, представляющего собой области активного звездообразования. Спиральные ветви содержат повышенное количество молодых ярких звезд и поэтому хорошо выделяются на фоне более слабого и однородного диска галактики. В качестве механизма генерации спирального узора предлагаются различные модели: спиральные волны плотности (Lin, Shu, Radio Astronomy and the Galactic System, IAU Symposium, p.313, 1967), модель динамических спиралей (Sellwood, Carlberg, ApJ, 282, p. 61, 1984), приливные возмущения (Dobbs et al., MNRAS, 403, 2, p. 625, 2009). Вполне вероятно, что в разных галактиках могут иметь место различные механизмы или их комбинация.С наблюдательной точки зрения, определение параметров спирального узора представляет собой сложную задачу. В отличие от подстилающего звездного диска, достаточно хорошо описывающегося простым экспоненциальным законом, спирали демонстрируют очень разнообразную морфологию: различаться может число спиралей, их форма, контраст, клочковатость и ряд других параметров. В связи с этим, несмотря на богатый наблюдательный материал, большинство работ концентрируются либо на каком-то отдельном аспекте спирального узора, либо содержат исследование очень небольшого числа объектов. Между тем, проверка предложенных механизмов формирования спирального узора требует определения множества параметров спиральной структуры у статистически значимой выборки галактик. Роль спирального узора в вековой эволюции дисковых галактик нельзя переоценить. Являясь областью активного вездообразования, спиральный узор определяет фотометрическую и химическую эволюцию галактик, а повышенная плотность вещества внутри спиральных ветвей влияет на гравитационный потенциал галактики, приводя к различным процессам перераспределения массы внутри диска. Таким образом, определение механизма генерации спирального узора является важным этапом построения целостной теории формирования и эволюции галактик.Современные наблюдательные возможности, включающие как наземные, так и космические обсерватории, предоставляют богатый материал для проведения исследования. Оптические обзоры неба, такие как Sloan Digital Sky Survey (SDSS), дополненные наблюдениями в ультрафиолетовых (GALEX) и инфракрасных (Spitzer, Herschel) диапазонах, позволяют провести детальное исследование структуры галактик в широком спектральном диапазоне. Кроме того, возросшие вычислительные мощности, а также прогресс в области алгоритмов обработки изображений также являются важным фактором, определяющим актуальность поставленной задачи. Увеличение используемых объемов данных становится характерной чертой современных исследований, поэтому предлагающийся в данном проекте подход -- увеличение не только объема выборки галактик, но и расширение используемого спектрального диапазона -- вполне соответствует современному состоянию данной области исследований и может и должен быть реализован в настоящей работе.Исследования спирального узора галактик, идущие с середины прошлого века, в последнее десятилетие получили новый толчок благодаря переходу наблюдательной астрофизики в эпоху обзоров. Появление многоволновых обзоров, покрывающих значительную часть небесной сферы, позволило проводить изучение морфологии галактик на большом и, что важно, однородном наблюдательном материале. Накопление наблюдательных данных о спиральных галактиках с целью определения механизмов генерации спирального узора становится все более интенсивным.Так, в работе Kendall et al., MNRAS, 387, p. 1007, 2008 по инфракрасным наблюдениям телескопа Spitzer было проведено исследование спиральных волн плотности в галактике M81.В этой работе авторы опробовали на одной галактике ряд методов определения параметров спирального узора, а также построили карты распределения массы в диске, показавшие наличие волн плотности. В качестве развития данного направления, эта же группа в работах Kendall et al., MNRAS, 414, p. 538, 2011 и Kendall et al., MNRAS, 446, 4, p. 4155, 2014 провела исследование небольшой выборки (пара десятков) спиральных галактик разных типов, в результате чего был получен набор параметров как спирального узора (амплитуда, угол закрутки интенсивность звездообразования и др.), так и самих галактик (тип, индекс концентрации, пространственное окружение). Анализ данных показал, что галактики с ярко выраженным двухрукавным узором (т.н. grand design) по-видимому действительно содержат спиральные волны плотности, в то время как многорукавные и клочковатые спирали являются областями звездообразования без значительного увеличения плотности старого звездного населения. Также были подтверждены более ранние наблюдения (Seigar, James, MNRAS, 299, 3, p. 672, 1998; Elmegreen, Elmegreen, MNRAS, 201, p.1021, 1982, Elmegreen, Elmegreen, MNRAS, 201, p.1035, 1982) о том, что "grand design" галактики часто имеют либо бар, либо близкий спутник, в противном случае спирали имеют низкий контраст.Важным параметром, характеризующим спиральный узор, является также его ширина. В работе Reid et al., ApJ, 783, 2, p. 14, 2014 по параллаксу молекулярных мазеров в Млечном Пути было определено, что ширина спиралей в Галактике увеличивается с расстоянием до центра. Аналогичный вывод был сделан для других галактик по измерениям координат областей HII в работе Honig & Reid, ApJ, 800, 1, 2015.Еще одним параметром спирального узора, на котором сконцентрировано особое внимание, является угол закрутки, характеризующий то, насколько туго закручены спиральные ветви. В последние годы вышел ряд работ, в которых предложены усовершенствованные методы определения угла закрутки. В работе Savchenko & Reshetnikov, MNRAS, 436, 2, p. 1074, 2013 описано применение алгоритма, позволяющего проследить изменение угла закрутки с расстоянием от центра галактики. Новые методы оценки углов закрутки предложены в работах Puerari et al., AJ, 148, 6, 2014, Davis et al., ApJS, 199, 33, 2012, Davis et al., ascl:1608.015, 2016, Davis & Hayes, ApJ, 790, 2, 2014, Shields et al. arXiv:1511.06365, 2015. Наличие такого широкого инструментария дает возможность тщательно исследовать форму спирального узора. Так, в работе Pour-Imani et al., ApJL, 827, 1, 2016 измерения угла закрутки спиральных ветвей по различным маркерам спиральной структуры (газ, молодые голубые звезды, старые красные звезды) дали слегка различающиеся значения углов закрутки, что согласуется с механизмом спиральных волн плотности. В работе Davis et al. (2017) опубликована обновленная корреляция между формой спирального узора и массой сверхмассивной черной дыры в центре галактики. В работе Hart et al., MNRAS, 472, 2, p.2263, 2017 приводится результат применения алгоритма SpArcFire в большой выборке галактик из SDSS с целью получения средних значений углов закрутки и числа спиральных ветвей.Inoue & Yoshida, arXiv:1706.01895, 2017 обобщили модель, описанную в Takahashi, MNRAS, 458, 4, p. 3597, 2016, в которой крупномасштабное звездообразование в галактиках связано с гравитационной неустойчивостью, порождаемой спиральным узором. Численное моделирование в указанной работе показало, что в модельных галактиках такой механизм действительно позволяет объяснить фрагментацию газа в коллапсирующие области, в которых затем рождаются звезды. Тем не менее проведенное в Inoue & Yoshida (2017) косвенное сравнение с наблюдательными данными не позволяет однозначно предпочесть этот механизм критерию Тумре (Toomre, ApJ, 139, p. 1217, 1964). Применение этой модели к настоящим галактикам чрезвычайно сложно, поскольку требует знания большого количества наблюдательных параметров, ключевыми из которых являются измеренные вдоль спирального рукава полуширина и поверхностная плотность. Измерение этих величин в данном исследовании позволит впервые применить новый критерий гравитационной неустойчивости к нескольким наблюдаемым галактикам и проверить связь звездообразования со спиральным узором.Активно развивается также фотометрическое исследование структурных параметров дисковых галактик. Ранее многими авторами было произведено детальное изучение выборок галактик различных морфологических типов в разных цветовых полосах (Gadotti, MNRAS, 393, 4, p. 1531, 2009, Simard et al., ApJS, 196, 1, 2011). Декомпозиция (фотометрическое разложение изображений галактик на несколько компонентов, в первом приближении на балдж и диск) больших выборок галактик, видимых под произвольными углами, за последние несколько лет была выполнена неоднократно. Новый подход в декомпозиции изображений галактик был предложен в рамках проекта MegaMorph (Vika et al., MNRAS, 435, 1, p.623, 2013, который предполагает многополосную декомпозицию изображений галактик (то есть одновременный фиттинг нескольких изображений для заданной модели галактики, причем параметры компонентов этой модели могут меняться с длиной волны по некоторому закону). Этот подход был реализован в новом пакете GalfitM и был применен для декомпозиции нескольких выборок галактик для одно- или двух-компонентной (балдж+диск) модели. Поскольку галактики являются многокомпонентными структурами (часто присутствует бар, активное ядро, яркие спирали, кольца и т.д.), то актуальной задачей является изучение этих структур в различных длинах волн, что может быть осуществлено с помощью новой программы GalfitM.Таким образом, в данном проекте предлагается продолжить это активно развивающееся направление внегалактической астрофизики и провести детальное изучение многокомпонентной структуры дисковых галактик, уделяя отдельное внимание спиральному узору, и тому, как структурные параметры галактики меняются в зависимости от длины волны.В данном проекте предлагается впервые провести фотометрическое исследование структуры галактик в широком диапазоне длин волн - от УФ до дальнего ИК для большой выборки галактик. Будет проведена многокомпонентная многоволновая декомпозиция галактик для изучения компонентов галактик в разных длинах волн (оптика + ближний ИК). Впервые для статистически значимой выборки галактик будет проведен детальный анализ спирального узора: зависимость угла закрутки спирального узора и его ширины от радиуса, контраст спирального узора (то есть его вклад в общую светимость галактики), изменение параметров спирального узора с длиной волны, на которой наблюдается объект. Поставленные в проекте задачи являются новыми и актуальными в проблеме формирования и эволюции галактик. Ранее подобного рода исследования проводились либо для небольших выборок галактик, либо концентрировались на каких-то отдельных аспектах: измерение только углов закрутки или ширины спиральных ветвей, либо только фотометрическая декомпозиция изображений. В нашем проекте мы предлагаем совместить широкий спектр используемых методов с большим объемом наблюдательных данных.Основная часть отчета о НИР(1) Для изучения характеристик спирального узора в галактиках, мы создали две выборки спиральных галактик: базовую и расширенную. Первая выборка основана на каталоге проекта DustPedia, где собрана многоволновая фотометрия более чем для 850 галактик ближней Вселенной. Из нее отобраны 28 спиральных галактик с хорошим угловым разрешением и четким спиральным узором на всех длинах волн от УФ до субмм области спектра. Вторая (расширенная) выборка содержит 176 вручную отобранных галактик из обзора Sloan Digital Sky Survey (главным образом на основе каталога GalaxyZoo). Смысл разбиения галактик на две выборки состоит в том, что часть разработанных нами методов может быть применена только для самых близких галактик, для которых имеются многоволновые наблюдения высокого качества, другие методы могут быть применены для более широкого круга объектов. Мы анализируем эти две выборки отдельно, определяя для входящих в них галактик разные наборы параметров (больший для базовой выборки и меньший для расширенной).Для галактик расширенной выборки мы произвели визуальную классификацию по типу спирального узора на grand-design (G, 35 штук), multiarm (M, 109 штук) и flocculent (F, 26 штук) типы. Такая классификация позволяет произвести сравнительный анализ параметров галактик, демонстрирующих разный тип спирального узора.Список галактик базовой выборки: https://bitbucket.org/spiral_galaxies/sample/src/master/base.txtСписок галактик расширенной выборки:https://bitbucket.org/spiral_galaxies/sample/src/master/big.txt(2) Все изображения для галактик, входящих в наши выборки были подготовлены участниками проекта для дальнейшего анализа:-- для расширенной выборки изображения получены из базы данных SDSS (полосы g, r и i). Для подвыборки галактик DustPedia - дополнительно из обзоров GALEX (FUV, NUV), 2MASS (J, H, Ks), Spitzer (3.6, 4.5, 5.8, 8.0), WISE (3.4, 4.6, 12, 22), Herschel (PACS70, PACS100, PACS160, SPIRE250, SPIRE350, SPIRE500),-- проведено определение и вычитание фона/эмиссии,-- созданы маски фоновых и накладывающихся объектов, позволяющие исключить участки изображений, занимаемые объектами (звездами и галактиками) фона из дальнейшего анализа,-- для каждого изображения построены PSF-функции, позволяющие учесть вклад инструментального и атмосферного размытия изображений.Все этапы подготовки изображений были выполнены с помощью специальных Python скриптов, которые были написаны участниками проекта и протестированы в нескольких работах (Mosenkov, A., et al. 2019, A&A, 622, A132; Rich et al. submm.), опубликованных за отчетный период.(3) Для всех 176 галактик выборки произведена фотометрическая декомпозиция изображений в трех цветовых полосах gri. Для каждой галактики была индивидуально подобрана фотометрическая модель, в зависимости от наличия в ней тех или иных структурных компонентов (для 56 галактик в их модели добавлен бар или линза в виде дополнительного Серсиковского компонента, для 44 галактик в модель была добавлена PSF-компонента в центральной области, описывающая активное ядро). Декомпозиция выполнена с помощью Python-пакета DECA, который был усовершенствован в ходе выполнения исследования. В частности, добавлена возможность одновременного фиттинга галактик сразу в нескольких фотометрических полосах. Применение этого метода опубликовано в работе Mosenkov et al. (2019), где изучается сглаженное распределение холодной пыли в галактиках (на основе данных КТ Гершель). Следующим этапом этой работы будет добавление спиральных ветвей для хорошо разрешенных галактик. Кроме того, с помощью функции Серсика для всех галактик DustPedia выполнен фиттинг изображений WISE на длине волны 3.4 мкм, что важно для надежного определения звездной массы галактик и их глобальных параметров (морф. тип коррелирует с показателем Серсика, эффективный радиус описывает протяженность галактики). Параметры этой декомпозиции будут необходимы для выполнения исследования во втором году данного проекта.Примеры результатов декомпозиции для нескольких галактик расширенной выборки в виде фотометрических срезов продемонстрированы в прикрепленном файле fig_1.pdf. Результаты декомпозиции всех галактик доступны по адресу http://vo.astro.spbu.ru/node/125(4) Для изучения параметров спирального узора в оптическом диапазоне использовался оригинальный метод, основанный на анализе фотометрических срезов, произведенных поперек спирального рукава. Полученный срез аппроксимируется аналитической функцией (в нашей работе мы выбрали асимметричную функцию Гаусса), и локальные параметры спиральной ветви (положение пика, его интенсивность и ширина профиля) извлекаются из параметров аппроксимации. Поочередное применение такого метода к различным точкам спирального рукава позволяет получить глобальные характеристики спирального узора (такие как угол закрутки, изменение ширины спирали с расстоянием от центра галактики и ряд других). Предложенный метод является оригинальным и существенно дополняет существующий инструментарий анализа спирального узора дисковых галактик. Более подробное описание метода приведено в работе Савченко (2019), прилагающейся к отчету.Рисунки в прикрепленном к приложению файле fig_2.pdf демонстрируют результаты работы метода на примере галактики PGC26666. Иллюстрация анализа всех срезов для всех галактик нашей выборки приведена в виде gif-анимаций по адресу http://vo.astro.spbu.ru/node/126.Описанный анализ был проведен нами для всех галактик расширенной выборки в трех полосах SDSS. В результате получился большой массив параметров, часть из которых была получена впервые. В частности, впервые было произведено измерение ширины спиральных ветвей у статистически значимой выборки галактик на основе их изображений (до этого ширина спиральных ветвей измерялась только для отдельных объектов на основе анализа распределения областей HII или Фурье-анализа). Мы дополнительно проверили, что применение часто используемого метода маскирования спиралей с помощью фильтрации гармоник высоких степеней из Фурье-разложения изображения галактики не позволяет аккуратно выделить спирали (см. файл fig3.pdf приложения). Важным моментом является то, что предложенный и реализованный нами метод позволяет определять параметры отдельных ветвей, а не всего спирального узора в целом. Например, угол закрутки и его вариация измеряется для каждого из рукавов галактики отдельно, а не некоторое среднее значение по всем спиралям, как обычно это делается в существующих работах. Анализ полученного массива -- главная задача проекта на следующий год.(5) Составлена выборка из 155 близких спиральных галактик. Произведена классификация этих галактик на три группы: гранд-дизайн галактики (35 штук), многорукавные галактики (100 штук) и флоккулентные галактики (20 штук).(6) Определен большой набор параметров спиральных ветвей у галактик выборки: углы закрутки и их вариации, ширина и ее изменение с расстоянием, поперечная асимметрия спиральных ветвей, вклад спиралей в полную светимость галактики, а также цвет спиральной структуры. Из перечисленных параметров все, кроме угла закрутки и его вариации, получены впервые для статистически значимой выборки галактик.(7) Произведен анализ полученного массива данных. Построены распределения параметров спиралей и исследованы корреляции между этими параметрами и хаббловским типом галактики и типом спирального узора, из чего сделаны следующие выводы:-- угол закрутки не показывает значимой зависимости от типа спирального узора;-- угол закрутки показывает слабую зависимость от хаббловского типа галактики;-- у большинства галактик ширина спиральных ветвей увеличивается с расстоянием до центра галактики;-- ширина спиральных ветвей у гранд-дизайн галактик, в среднем, несколько больше, чем у флоккулентных галактик;-- вклад спирального узора в полную светимость галактики у гранд-дизайн галактик больше, чем у флоккулентных и многорукавных галактик. Кроме того, есть значимая зависимость между вкладом спирального узора и типом галактики -- в поздних типах вклад спиралей примерно вдвое больше, чем в ранних;-- найдена сильная зависимость между цветом спиралей и хаббловским типом галактики: поздние типы имеют значительно более голубую спиральную структуру.Иллюстрация работы метода на галактиках нашей выборки продемонстрирована онлайн по адресу https://vo.astro.spbu.ru/node/126(8) Предложен новый метод определения радиуса коротации в галактиках на основе данных о ширине спиральных рукавов. Продемонстрирована предварительная работоспособность метода для 37 галактик с известным положением радиусов коротации, определенных другими способами в оптических полосах и для газа. На графике Приложение1.pdf слева показано положение ближайшего истинного радиуса коротации для каждого предсказанного нашим методом, справа - положение ближайшего предсказанного для каждого истинного из других работ. Результаты получены при предположении не туго закрученных спиралей, их устойчивость исследовалась с помощью метода Монте-Карло. Сделаны выводы о характерной множественности спиральных узоров в одной галактике, что ранее отмечалось в литературе Font et al. (2014), и что для исследованной подвыборки наиболее вероятно характерен механизм теории волн плотности генерации спирального узора.9) Выполнена фотометрическая декомпозиция всех галактик выборки в трех g, r, i полосах SDSS не несколько фотометрических компонентов. Получен набор структурных параметров для каждой галактики. Впервые проведено сравнение параметров спирального узора с параметрами декомпозиции. Интересным и новым результатом является корреляция между экспоненциальными масштабами спирального узора и диска для флоккулентных галактик. Для других типов спиралей (гранд-дизайн и многорукавных) эта корреляция выглядит гораздо слабее. В среднем, радиальный масштаб спиралей в 1.5-2 раза больше, чем диска, что, вероятно, связано с повышенным звездообразованием в спиралях, связанным со спиральными волнами плотности. Кроме того, по нашим результатам угол закрутки спиралей не зависит от размера балджа, что противоречит результатам некоторых других работ.(10) Подготовлены данные для многополосного анализа галактики M81. В большом количестве фотометрических полос (УФ: GALEX, оптика: SDSS, ИК: Spitzer, WISE) подготовлены изображения для проведения анализа спирального узора. Построена совмещенная для всех полос маска посторонних объектов, сами изображения исправлены за наклон. Изображение маски и депроецированные изображения в некоторых полосах продемонстрированы в файле Приложение2.pdf. Работа, связанная с многополосным анализом спирального узора в M81 готовится к публикации.ЗаключениеПолученные результаты полностью соответствуют мировому уровню. Существование спиральной структуры в галактиках является важной проблемой в современной астрофизике. Все еще остается ряд нерешенных вопросов, главным из которых является механизм генерации спирального узора в спиралях разных типов. В ходе реализации Проекта был впервые получен набор параметров спиральных ветвей (таких, как ширина, вклад спирального узора в светимость галактики, асимметрия спиралей) для статистически значимой выборки галактик. Проведено сравнение распределений указанных параметров для различных типов спиральной структуры.