МАО 2026, Теория, 11. клас — Задача 2

• Бимодальность отражает деление галактик на звездообразующие (голубые) и пассивные (красные) при быстром переходе между этими режимами — промежуточная «зелёная долина» заселена слабо. Млечный Путь: звёздная масса порядка $10^{11}\ M_{\odot}$, $u - r \approx 2$ («зелёная долина»); БМО: около $5 \cdot 10^{9}\ M_{\odot}$, $u - r \approx 1.5$ (область лёгких голубых галактик).

Вам предоставлена диаграмма,построенная для большой выборки галактик. По вертикальной оси отложен цвет галактики в виде показателя цвета $u - r$, а по горизонтальной оси — звёздная масса галактики (масса звёздной компоненты). Чем темнее цвет карты, тем больше точек-галактик находится в данной области. Поясните, почему распределение галактик на этой диаграмме имеет бимодальный характер. Обозначьте на данной диаграмме положение следующих галактик: Большое Магелланово Облако и Галактика Млечный Путь.

Изображение взято из статьи Weigel et al. и адаптировано для условия задачи.

Решение. Полоса $u$ соответствует ближнему ультрафиолетовому диапазону спектра, тогда как полоса $r$ относится к красной части видимого диапазона. В ультрафиолетовом диапазоне излучают в основном самые горячие звёзды спектральных классов O и B, а в красной области преобладает излучение холодных звёзд поздних спектральных классов. Показатель цвета — это разность звёздных величин в соответствующих фильтрах. Чем больше значение показателя цвета $u - r$, тем сильнее в излучении галактики доминируют холодные звёзды.

К холодным звёздам относятся как молодые звёзды главной последовательности малой массы, так и старые красные гиганты, тогда как горячие и массивные OB-звёзды существуют только в молодых популяциях. Таким образом, цвет галактики определяется долей массивных молодых звёзд: чем их больше, тем меньше значение $u - r$. Массивные звёзды имеют короткое время жизни, поэтому галактики с низким значением показателя цвета отличаются высоким темпом звездообразования. Для поддержания активного звездообразования необходимо наличие достаточного количества холодного межзвёздного газа.

Галактики делятся на звездообразующие (с высоким темпом звездообразования) и незвездообразующие (с низким темпом или полным отсутствием звездообразования). Можно сказать, что галактики по активности звездообразования делятся на активные и пассивные. Первые — это в основном галактики поздних типов (спиральные и неправильные), вторые — ранних типов (линзовидные и эллиптические). Бимодальность распределения означает, что звездообразование в галактиках имеет вспышечный характер и быстро затухает, то есть галактики очень быстро переходят из области активного звездообразования в пассивное состояние и теряют способность рождать новые звёзды. Поэтому в промежуточной области (так называемой «зелёной долине») галактик наблюдается мало.

Горизонтальная ось позволяет разделять галактики по размеру или массе. При малых значениях встречаются галактики-карлики. Это могут быть красные — карликовые эллиптические галактики или синие — неправильные галактики. При больших значениях звёздной массы мы видим гигантские эллиптические или спиральные галактики.

Теперь ответим на второй вопрос задачи и обозначим, где на этой диаграмме должны быть Галактика Млечный Путь и Большое Магелланово Облако.

1. Млечный Путь – это дисковая галактика с умеренным темпом звездообразования. Масса звёздной компоненты порядка $10^{11}\ M_{\odot}$. Умеренное звездообразование помещает её в область «зелёной долины». Показатель цвета Млечного Пути $u - r \approx 2$.
2. Большое Магелланово Облако — галактика-спутник Млечного Пути, которая на пару порядков легче него. В ней идёт активное звездообразование. Её звёздная масса оценивается примерно в $5 \cdot 10^{9}\ M_{\odot}$, а показатель цвета составляет около 1.5.

Замечание. В справочных данных приведена полная масса Млечного Пути $2 \cdot 10^{12}\ M_{\odot}$, исходя из которой некоторые участники сделали вывод, что Млечный Путь не попадает на график. Надо учесть, что по горизонтальной оси отложена масса звёзд в галактиках, а до 90% полной массы в нашей галактике приходится на тёмную материю. Также в справочных данных было дано число звёзд в Галактике. Как бы ни проводилась оценка массы, она должна была составить около $10^{11}\ M_{\odot}$

Критерии проверки

1. Правильное описание природы двух областей на графике 2 балла Утверждение о различии темпов звездообразования в галактиках оценивается в 1 балл при условии отсутствия явных физических ошибок в решении. Второй балл выставляется за утверждение о быстром переходе между режимами с высоким и низким темпами звездообразования — объяснение «зелёной долины».
   Объяснение характера бимодальности через морфологические типы галактик не оценивается.
2. Правильное положение БМО и Млечного Пути на графике 1 + 1 балл От участников не требуется знание точного значения показателя цвета или массы звёздной компоненты галактик. Достаточно, если БМО указано в области лёгких голубых галактик, а МП в области «зелёной долины» при правильной оценке массы звёздной компоненты. Тем не менее эти выводы должны быть разумно обоснованы. В частности, оценка не ставится, если утверждается, что нижний левый максимум соответствует более красным (холодным, старым) галактикам, или вообще не рассматривается показатель цвета для выбора положения БМО и МП

Максимальная оценка за задачу 4 баллов.

(В. С. Гораджанов, В. Б. Игнатьев)