Грант РФФИ 18-42-343005 Р_МОЛ_А "ВЛИЯНИЕ ТЕМНОЙ МАССЫ НА МОРФОЛОГИЮ СПИРАЛЬНОГО УЗОРА ГАЛАКТИК" (2018-2019, рук. М.А. Бутенко)

Аннотация (краткое описание содержания проведенных исследований и полученных результатов за весь срок реализации Проекта)

Проблема темной массы является важнейшей для космологии и физики галактик. Целый ряд данных наблюдений, связанных с объяснением особенностей кинематики и динамики галактик и их окружения указывает на присутствие темной материи. 
Разработано программное обеспечение "Galaxy Rotation" для декомпозиции кривых вращения по данным наблюдений. Построены функции распределения относительной темной массы в пределах оптического радиуса для выборки из 50 галактик. Проведено сравнение результатов для галактик с баром и без него. Для оценки массы темного нами использовались различные подходы.

Построены численные самосоглазованные звездно-газовые модели дисковой галактики для изучения механизмов формирования выпрямленных сегментов (верениц) в спиральных галактических рукавах, которые встречаются примерно в 5% S-галактик. Наши численные модели демонстрируют формирование системы верениц с ярко выраженным транзиентным характером. Получены оценки времени жизни верениц. Выявлены характерные свойства верениц для звездной и газовой компоненты галактики. В звездной компоненте вереницы формируются только при наличии массивного темного гало. 

Проведено исследование предложенного руководителем проекта механизма формирования внешних спиралей в газе далеко за пределами оптического радиуса галактики, обусловленного наличием неосесимметричного темного гало. Эффективность механизма генерации внешних спиральных структур за счет динамического взаимодействия протяженного галактического газового диска с неосесимметричным темным гало изучена в численных газодинамических расчетах. Получены зависимости морфологии спиральных структур от параметров диска и гало.

Публикации

1. Butenko M., Khoperskov A., Khrapov S. Modeling stellar-gaseous disks: rows in spiral patterns of galaxies // Journal of Physics: Conference Series. ‑ 2019. ‑ apr. ‑ Vol. 1203. ‑ P. 012062. 
2. Butenko M., Kuzmin N., Nichiporov I. Estimates dark halo parameters in S-galaxies // Journal of Physics: Conference Series. ‑ 2019. 
3. Бутенко М. А., Хоперсков А. В., Храпов С. С. Моделирование звездно-газовых дисков: вереницы в спиральных узорах галактик // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики, 17–19 декабря 2018 г. / Воронежский государственный университет. ‑ Воронеж: Издательство "Научно-исследовательские публикации", 2018. ‑ С. 643–652.
4. Сергиенко, Н. С. Разработка приложения Galaxy Rotation для декомпозиции кривых вращения галактических дисков / Н. С. Сергиенко // Материалы Научной сессии, г. Волгоград, 22–26 апреля 2019 г. В 2 т. Т. 2. – Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2019. – С. 128–133.
5. Фоменко И. С., Кузьмин Н. М., Бутенко М. А. Скелетизация изображений спиральных галактик на космических снимках // Материалы V Международной научно-практической конференции (школы-семинара) молодых ученых "Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук", 22–24 апреля 2019 г. / ФГОУ ВПО  ‑ "Тольяттинский государственный университет". ‑ Тольятти: Издатель Качалин Александр Васильевич, 2019. ‑ С. 460–462.
6. Калинина Д. А., Кузьмин Н. М., Бутенко М. А. Определение спрямленных участков на космических снимках спиральных галактик с помощью искусственных нейронных сетей // Материалы V Международной научно-практической конференции (школы-семинара) молодых ученых "Прикладная математика и инорматика: современные исследования в области естественных и технических наук", 22–24 апреля 2019 г. / ФГОУ ВПО "Тольяттинский государственный университет". ‑ Тольятти: Издатель Качалин Александр Васильевич, 2019. ‑ С. 539–543.
7. Фоменко И. С. Визуализация результатов численного моделирования в пакетном режиме // YOUTH FOR SCIENCE 2019: сборник статей Международного учебно-интеллектуального конкурса, 26 мая 2019 г. / МЦНП "Новая наука". ‑ Петрозаводск: МЦНП "Новая наука", 2019. ‑ С. 12–19. 
8. Бутенко М. А., Ничипоров И. Д., Кузьмин Н. М. Оценки параметров темного гало в S-галактиках // Тезисов докладов международной конференции "ФизикА.СПб", 22–24 октября 2019 г. / ФТИ им. А.Ф. Иоффе. ‑ Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26, 2019. (в печати).
9. Авдеев М. В., Бутенко М. А. Визуализация многомерных данных в графическом пакете paraview в пакетном режиме // Сборник научных трудов по материалам XXIII международной научно-практической конференции "Научные тенденции: Вопросы точных и технических наук", 12 августа 2019 г. / Международная Объединенная Академия Наук, Межрегиональный Гуманитарно-Технический Университет. ‑ Санкт-Петербург : Изд. ЦНК МОАН, 2019. ‑ С. 9–13.

Вереницы в спиральных рукавах галактик

Мы построили самосогласованные звездно-газовые модели крупной галактики типа Milky Way, начальное состояние которой является равновесным, но гравитационно неустойчивым. Выбранные нами параметры модели являются довольно типичными, однако отметим, что масса гало в наших моделях достаточно велика. Уменьшение массы гало приводит к несоответствию результатов численного моделирования и данных наблюдений. Результаты моделирования динамики самосогласованного звёздно-газового диска позволили выявить некоторые свойства верениц в численных экспериментах. Для наших моделей характерно формирование нестационарного глобального спирального узора с числом рукавов m = 3, 4. Характерной особенностью является формирование транзиентной системы верениц, которые выделяются только на непродолжительных интервалах времени на фоне развитой спиральной структуры (типа grand design) в звездной и газовой компонентах диска.

Перечислим свойства верениц, выявленные из результатов численного моделирования:

1. На начальном этапе после формирования спирального узора вереницы наблюдаются чаще. После 8 периодов обращения их частоты появления в газовой и звездной компонентах уменьшаются в 2–3 раза.
2. Частота появления верениц в газе в среднем в 2–4 раза выше, чем для звезд.
3. Полигональная структура состоит из 1–3 верениц, в отличие от газодинамических моделей, где формируется глобальная система верениц, охватывающая весь диск.
4. Численные эксперименты не позволяют обнаружить четкую корреляцию между появлением верениц в звездной и газовой компонентах. Появление верениц в газе и звездах, как правило, не является одновременным, хотя имеется эффект согласованного их появления. Этого недостаточно для предположения о том, что вереницы в газе вызваны вереницами в звездной компоненте, либо наоборот, что причиной верениц в звездном диске являются вереницы в газе.
5. Получены типичные значения частот появления верениц в численных моделях.

Распределение плотности в модели газового самогравитирующего галактического диска в программе  ParaView. Уравнения гидродинамики интегрировались методом SPH.

Galaxy Rotation

Формирование внешних спиралей в неосесимметричном темном гало

Динамика распределения логарифма поверхностной плотности в газовом гравитационно устойчивом галактическом диске. Видна долгоживущая спиральная структура на протяжении более чем 13 оборотов диска.

Далее для модели галактического газового диска мы считаем параметр неосесимметрии гало не является постоянной постоянной величиной (функция, зависящая от радиуса диска, соответственно рисунку ниже). Приведены результаты динамики такого диска. Несмотря на сфероизацию темного гало в центральной области, видна протяженная долгоживущая спиральная структура далеко за пределами оптического радиуса диска.