Эллиптические галактики: Структура, динамика и источники гравитационных волн

Общая концепция проекта

Один из наиболее распространенных типов наблюдаемых галактик во Вселенной – эллиптические галактики. Они находятся преимущественно в скоплениях галактик, их массы и светимости сильно варьируются: от карликовых галактик с массой 10⁵ солнечных масс до массивных галактик, включающих в себя порядка 10¹³ масс Солнца и имеющих сверхмассивную черную дыру (СМЧД) в центре. Эллиптические галактики – бесстолкновительные системы, что означает, что можно пренебречь обменом энергией и угловым моментом между звездами, за исключением центральных областей, где звездная плотность может быть намного выше. Столь высокое значение подразумевает возможность существования анизотропии скоростей, которая является основным механизмом, приводящим к несферичности галактик этого типа. Такие галактики с их характерным уплощением могут иметь форму, близкую к сплюснутому, удлиненному или трехосному эллипсоиду, не превышающую определенных критических значений сплюснутости. Их форма и динамическая устойчивость – актуальная проблема в астрофизике. Динамические уравнения произвольной бесстолкновительной эллипсоидальной системы сложны, аналитически их невозможно решить, поэтому при проведении исследований в этой области прибегают к компьютерному моделированию. Наш проект сфокусирован на изучении динамической устойчивости различных трехосных равновесных конфигураций системы N тел по отношению к внешним возмущениям. Одна из основных целей анализа состоит в моделировании и понимании фактически наблюдаемых особенностей структуры и формы эллиптических галактик. Вместе с тем, мы также хотим параллельно исследовать два других важных явления: 1) процесс аккреции звезд на центральную массивную черную дыру, поскольку он играет важную роль в распределении фазовой плотности звезд и орбитальной структуры в центральной части эллиптической галактики, а также 2) карликовый тип галактик, который может оказаться обильным источником гравитационных волн. Считается что такие галактики являются результатом скучивания более мелких структурных единиц. Если черные дыры промежуточной массы, такие как обнаруженные обсерваториями LIGO/Virgo, в них присутствуют, то можно полагать, что они будут в итоге сливаться из-за потери энергии на гравитационное излучение. Эти гравитационные волны детектируемы с помощью современных приборов и могут предоставить нам дополнительную информацию, недоступную в оптическом диапазоне (из-за газа и пыли). В этом смысле, можно рассматривать эти релятивистские события слияний как “томографию” родительской галактики.

Цель проекта

Выяснить, как СМЧД и внешние возмущения влияют на устойчивость орбит в эллиптических галактиках; исследовать процесс разрушения периодических орбит под действием возмущений, стохастизацию орбит и их роль в поддержании и изменении эллипсоидальной формы; оценить частоту событий излучения гравитационных волн с участием черных дыр промежуточных масс.

Ожидаемые результаты

Численное исследование эволюции модели эллиптической галактики позволит нам лучше понять динамику формы и стабильность эллиптических галактик. Прежде всего мы получим начальные распределения плотности, соответствующие равновесным состояниям галактик. Будет проведен подробный численный анализ устойчивости исходной системы по отношению к внешним возмущениям. Кроме того, численное моделирование в сочетании с количественным анализом прольет свет на механизм перехода от сжатых к удлиненным конфигурациям. На основе полученных данных мы проведем нелинейный анализ, что важно для понимания процессов параметрического резонанса и разрушения периодических орбит, а также их стохастичности. Поскольку при моделировании мы также будем рассматривать звездную аккрецию, мы исследуем процесс роста массы СМЧД. Мы получим частоту событий слияний двойных систем черных дыр промежуточных масс, а также компактных объектов звездных масс с черными дырами промежуточных масс. Это представляет большой интерес в свете недавних результатов, полученных на основе детекторов LIGO/Virgo.

Полученные результаты

2021

Построено семейство равновесных моделей эллиптических галактик с различной структурой скоростей и центральной сверхмассивной чёрной дырой, с использованием кода GALIC-3D, который был адаптирован для целей данного проекта. Модифицированная версия кода протестирована на предмет динамической стабильности равновесных моделей, все созданные модели показали высокую динамическую стабильность. Разработаны специализированные алгоритмы для введения возмущений в равновесные модели для численного изучения устойчивости эллиптических галактик. После этого, модели с введенными возмущениями подавались как входные данные в код-интегратор (GADGET-2), который моделирует дальнейшую эволюцию уже возмущенных систем. В качестве начального этапа мы сфокусировались на распределении Хернквиста, и возмущали ее двумя способами: 1) изменяя структуру скоростей и 2) изменяя профиль плотности (таким образом, чтобы имитировать приливное воздействие со стороны других галактик). Модели в обоих вариантах оказываются, в целом, неустойчивыми, однако если в первом случае возмущения приводят к конфигурациям, сильно отличающимся от первоначальной, во втором случае в результате эволюции система частично возвращается к начальной конфигурации, при этом, в зависимости от степени возмущения, система проходит через осцилляционную фазу. Для более эффективного проведения численных экспериментов нами проведен анализ рынка и закуплен вычислительный сервер для расширения кластера института.