Скупчення галактик Fornax розташоване на відстані близько 65 мільйонів світлових років від Землі й давно є однією з улюблених мішеней для дослідників, які вивчають, як щільне середовище скупчень впливає на газ у галактиках. Команда астрономів з проєкту MeerKAT Fornax Survey за допомогою радіотелескопа MeerKAT у Південній Африці отримала наразі найглибшу карту нейтрального водню (HI) в цьому скупченні — і на її основі побудувала функцію мас HI, тобто розподіл галактик за кількістю газоподібного водню, який вони містять.
Функція мас HI — це аналог функції світності, тільки замість зоряного світла тут рахують масу холодного атомарного водню. Саме цей газ є "паливом" для утворення нових зірок, тому те, скільки його залишилося в галактиках і як воно розподілене за масою, багато говорить про історію та долю галактик у скупченні.
Огляд покриває віріальний радіус Fornax
Спостереження охопили ділянку неба розміром 4 на 4 градуси, що приблизно відповідає віріальному радіусу скупчення — умовній межі, за якою гравітація скупчення вже не утримує матерію. Чутливість огляду дозволила досягти рівня виявлення (3σ) log(MHI/M⊙) = 5.7 для точкового джерела шириною лінії 50 км/с — це один із найглибших показників, отриманих поза Місцевою групою галактик.
У результаті команда виявила HI у 35 галактиках, а також у 44 окремих газових хмарах, які не мають видимого оптичного аналога — тобто зірок у цих місцях просто не видно.
Хмари без зірок — окрема популяція
Щоб з'ясувати природу цих безоптичних хмар, дослідники залучили дані глибокого оптичного огляду Fornax Deep Survey, здобуті телескопом VST з камерою OmegaCAM. Вимірявши межу виявлення оптичного випромінювання (5σ) для кожної хмари, автори показали, що хмари формують окрему популяцію, відокремлену від найтьмяніших галактик з виявленим HI розривом у чотири зоряні величини.
Три чверті хмар — 33 з 44 — пов'язані лише з двома галактиками, що містять найбільше HI в скупченні: NGC 1365 та NGC 1427A. Попри численність, ці хмари практично не впливають на загальний бюджет маси водню в скупченні — їхній внесок мізерний.
Провал у розподілі мас між мільйоном і десятьма мільйонами
Для перевірки повноти каталогу автори провели аналіз відношення сигнал/шум та застосували статистику Раузі. Це дозволило показати, що каталог є повним аж до log(MHI/M⊙) = 6, тобто до маси приблизно в мільйон мас Сонця — рівня, недосяжного для більшості попередніх оглядів скупчень.
Саме на цьому рівні виявилося щось несподіване: кількість галактик з виявленим HI різко падає на позначці log(MHI/M⊙) = 7. Між log(MHI/M⊙) = 6 і 7 галактик практично немає — чіткий провал у розподілі, де мало б бути десятки об'єктів.
Для мас вище log(MHI/M⊙) = 7 функцію мас HI вдалося описати степеневим законом і апроксимувати функцією Шехтера. Виміряний нахил при низьких масах становить α = −1.31 ± 0.13 — він практично збігається з аналогічним показником для галактик поля (тобто поза скупченнями). А ось характерна "колінна" маса log(M*/M⊙) = 10.52 ± 1.89 визначається фактично однією галактикою і залишається погано обмеженою.
Колапс функції мас як слід швидкого видалення газу
Головний результат огляду — те, що відбувається нижче log(MHI/M⊙) = 7. Там функція мас HI різко відхиляється від степеневого закону: команда називає це першим надійним виявленням "колапсу" функції мас HI.
Якщо припустити, що розподіл продовжував би йти за степеневим законом і нижче цієї межі, у скупченні мало б бути на порядок більше маломасивних газовмісних галактик — приблизно в шість разів більше, ніж спостерігається насправді.
Найімовірніше пояснення — швидке видалення нейтрального водню з маломасивних галактик під впливом щільного середовища скупчення. Такі галактики просто не встигають утримати достатньо газу, щоб потрапити в область малих мас на діаграмі — вони або втрачають його повністю, або перетворюються на ті самі безоптичні хмари, помічені в огляді. Це узгоджується з картиною, за якою скупчення на кшталт Fornax активно "видушують" газ із менших галактик, що потрапляють у їхнє гравітаційне поле.
