星系中原子和分子气体的半解析模型

星际气体是星系中重子物质的重要组成部分,其中的分子气体（主要是分子氢H₂）以及原子气体（主要是中性氢HI）对于星系中发生的各个物理过程至关重要。本文在前人的星系形成和演化的半解析模型基础上,加入了描述星系盘中分子气体和原子气体成分的物理模型,来研究分子气体和原子气体对于星系形成和演化所起的作用。我们主要使用了马普天体物理所Munich Group的L-Galaxies半解析星系形成模型,并借鉴了星系化学演化模型的方法,把半解析模型中的每一个星系盘分成了多个同心圆圈,然后在每个圈中分别追踪气体下落、分子气体和原子气体转化、恒星形成、金属增丰、超新星爆发加热冷气体等发生在星系盘上的物理过程,并且每个同心圈都是独立演化的。在我们的模型中,一个基本假设是每个时间步内气体都是以指数形式下落到星系盘上,并且直接叠加在已有的气体径向面密度轮廓之上,其中指数盘的标长r_d正比于星系所在暗物质晕的维里半径r_vir与旋转参量λ的乘积。我们的模型使用了两种描述分子气体形成的模型:一种是基于Krumholz等人解析模型的结果,其中分子气体的比例与局域气体面密度以及局域气体金属丰度相关;另一种是分子气体比例与星际压强相关的模型,根据Obreschkow等人的近似,分子气体的比例与气体面密度以及恒星质量面密度相关。由于恒星形成过程发生在星际巨分子云之中,并且根据Leroy等人的观测结果,恒星形成率面密度近似正比于分子气体的面密度,因此我们在模型中使用了与分子气体面密度相关的恒星形成规律。     

星系形成的半解析模型研究进展

基于目前流行的冷暗物质等级成团理论的星系形成的半解析模型取得了很大进展．在引入一系列合理的关于重子物质物理过程的假设，如气体冷却、恒星形成率、超新星能量反馈以后，结合N体数值模拟，星系形成的半解析模型一方面能较成功地预言许多与观测符合的近邻星系的性质，如光度函数、星系的两点相关函数、Thlly-Fisher关系、星系团中椭圆星系的颜色一星等关系等；另一方面还能较成功地预言宇宙的恒星形成历史，以及一部分高红移星系的性质，如Lyman-Break星系的数目随红移的分布．但是最近一些观测表明，半解析模型在高红移预言的大质量星系较少，且红星系数目也较观测少．重点讨论半解析模型成功与不足之处，并指出解决这些问题可能的途径。     

星系金属丰度的研究进展(Ⅰ):定标方法

金属丰度是表征星系特征的重要参量,对于理解星系的形成与演化具有重要意义。随着观测设备的不断完善与发展,已经获得越来越多的星系(包括近邻星系、中等红移及高红移星系)金属丰度的观测资料。在光致电离模型方面也取得了很大进展．这些对于理解星系中金属及恒星成分的累积历史有非常重要的作用。有多种方法可以用来估计星系的金属丰度(主要是星际介质中气相的O丰度),介绍和评述了估计星系的O丰度的多种方法,包括电子温度的方法、R23方法以及其他一些“强线”比值的方法,并给出了相应的解析公式,同时介绍了电离星云的物理本质及由光致电离模型估计星系金属丰度的方法,还给出了估计星系的C和N元素丰度的方法。     

星系金属丰度的研究进展（I）：定标方法

金属丰度是表征星系特征的重要参量，对于理解星系的形成与演化具有重要意义．随着观测设备的不断完善与发展，已经获得越来越多的星系（包括近邻星系、中等红移及高红移星系）金属丰度的观测资料。在光致电离模型方面也取得了很大进展．这些对于理解星系中金属及恒星成分的累积历史有非常重要的作用．有多种方法可以用来估计星系的金属丰度（主要是星际介质中气相的O丰度），介绍和评述了估计星系的O丰度的多种方法，包括电子温度的方法、R23方法以及其他一些“强线”比值的方法，并给出了相应的解析公式，同时介绍了电离星云的物理本质及由光致电高模型估计星系金属丰度的方法．还给出了估计星系的C和N元素丰度的方法．     

带权重的相关函数在半解析模型和SDSS数据中的应用

基于半解析模型和SDSS DR4(Sloan Digital Sky Survey Data Release 4),研究了环境对星系性质的影响.通过对以颜色、恒星形成率和恒星质量的带权重的相关函数的测量,发现半解析模型在颜色和恒星质量上与SDSS数据符合得比较好,而恒星形成率则在SDSS数据中表现为与环境无关.此结论证实了半解析模型对星系中部分性质与环境关系的预测,但对于恒星形成率为何与环境无关仍有待研究.     

类星体光度和暗物质晕的统计关系

活动星系核的能量反馈是星系形成理论模型中的一个重要物理过程,与星系所处的暗物质晕质量、星系中央大质量黑洞吸积率等因素有关。当前的半解析模型预测活动星系核反馈机制主要有两种模式:射电模式和类星体模式,前者主要发生在大质量暗晕中央的大质量星系中,后者主要由较小质量星系并合导致。利用斯隆数字化巡天(SDSS)提供的目前最大的类星体光谱观测样本,结合基于SDSS构建的星系群(团)表,从统计上分析了类星体的热光度和暗晕质量的分布情况。初步分析结果显示,在大质量暗晕中,类星体的热光度和所在暗晕的质量没有相关性,类星体所在暗晕的质量分布很广,进一步证实了高光度的类星体并不存在于大质量的暗晕中。     

盘状星系形成中的角动量问题

目前的星系形成理论认为，盘状星系由暗晕中的重子物质冷却并坍缩而成。在这一演化图像中，重子物质的角动量及其分布起着关键作用，它直接决定了盘状星系的结构。然而，在盘状星系形成和演化的各种解析、半解析模型及数值模拟中，出现了一系列与角动量有关的问题。其中包括角动量灾变(angular momentum catastrophe)及角动量分布不匹配(mismatch of angulamomentum profile)等。近年来，为解决此类问题，人们进行了大量的研究，引入并建立了各种机制和模型。详细表述了星系形成与演化中两类主要的角动量问题，并系统地综述了目前针对此类问题所提出的各种可能的解决方法和途径。     

星系形成与演化半解析理论研究的新进展

发展了的星系形成和演化的半解析理论,可以很好地再现不同红移时宇宙恒星形成率密度（ＳＦＲ）和中性气体共动密度的最新观测结果。对该理论各个不确定性因素对结果的影响作了说尽的讨论,并指出在中等红移星系间的相互作用可能是主宰恒星形成的决定性因素,根据宇宙学模型对观测和半解析理论的影响,对宇宙学参数作出限制。     

星系中分子气体与恒星形成的研究进展

星系中气体转化为恒星的过程决定了星系的结构和演化,因此研究恒星形成最直接的原料——分子气体的含量、分子气体形成恒星的规律以及会受哪些物理机制的影响,对于理解星系的形成和演化具有重要意义。近年来,随着观测技术和设备(尤其是射电望远镜)的发展,天文学家可以在不同尺度上探测到越来越多星系的多种分子多种能级跃迁的谱线。首先,介绍了探测分子气体的多种方法和新的发现;然后基于CO巡天数据和致密分子气体数据,分别在统计上讨论了分子气体分布及分子气体含量与恒星形成率之间的紧密关系,并与小尺度上的恒星形成理论进行了比较;最后,结合影响星系演化的物理过程,讨论活动星系核、星系形态以及星系所处环境对分子气体的影响。     

晚型星系金属丰度与自转速度的关系

星系物质化学组成的研究不仅对于理解有关星系形成和演化的各种物理过程具有重要意义，而且还可以对星系形成和演化的各种理论模型提供重要的约束。随着观测技术及理论工作水平的不断提高，利用星系的大量观测资料来系统地研究星系化学组成与星系宏观性质之间的关系将成为可能。星系金属丰度与光度之间的强相关性以及晚型星系金属丰度与自转速度的关系即是其中最有意义的内容之一。全面回顾了星系金属丰度与星系宏观观测性质间关系的研究历史，重点评述了晚型星系金属丰度与自转速度关系的最新研究进展，详细讨论了目前对此类关系的物理解释及其对星系形成和演化模型的影响。     

近邻盘星系的演化及恒星形成历史研究

正星系是构成宇宙的基石,其形成与演化是21世纪天体物理研究领域的前沿课题之一.近邻星系具有大范围的空间参数,可以较为容易地获得高空间分辨率和高信噪比的观测数据,为研究星系形成与演化的理论模型提供最丰富的观测约束,因此近邻星系是研究星系形成、结构和演化历史的理想"实验室".为了了解星系的形成与演化历史,对单个星系个性特征的研究是非常有必要的.在星系个性特征的研究方面,唯象模型体现了其独特的价值.本文利用唯象模型分别研究了一个较为简单的、孤立的     

星系中球状星团的形成与演化

球状星团与星系的形成和演化过程密切相关,研究球状星团是研究星系形成和演化的重要途径之一。综述了球状星团在观测上的统计结论,观测对理论模型的限制,利用数值模拟和半解析模型研究球状星团形成和演化等阶段的进展。理论研究主要包括球状星团的形成、密度轮廓、初始质量函数,球状星团在质量、大小、空间上的演化,星系并合对球状星团形成和演化的影响等。通过介绍当前研究的主要模型、相关的研究结果以及该领域尚未解决的一些难题,阐明球状星团与星系的关系,深化对球状星团和星系形成和演化的认识。     

高红移恒星形成星系的研究

<正>星系是组成宇宙的基石,其形成与演化是天体物理研究的重要内容.星系中的恒星形成活动是星系成长和演化的主要驱动力之一.已有的星系巡天给出比较一致的宇宙恒星形成历史:宇宙的恒星形成密度从高红移一直增加到红移z~2,随后按指数率下降直到z=0.系统地研究宇宙恒星形成峰值时期恒星形成星系的性质对我们理解并限制星系形成与演化的理论模型至关重要.     

恒星形成星系主序关系的研究进展

恒星形成星系的恒星形成率与其恒星质量的相关关系被称为恒星形成星系主序关系,是描述星系演化的基本关系之一。准确测定不同红移处主序关系的斜率、弥散和零点能够对理解星系恒星形成活动的演化及其物理过程提供关键的观测限制。已有的研究揭示,恒星形成星系的整体恒星形成率从z■2到z■0下降为原值的1/30,气体消耗时标却由5亿年增至15亿年;主序关系的斜率在大质量和小质量星系段有变化,反映出决定恒星形成活动的物理过程有系统差别;而星系可能经历多个阵发性的恒星形成爆发活动,有助于更好地解释主序关系的弥散。随着观测能力的提升,对高红移宇宙(z■1~3)的恒星形成星系的研究也更加深入。恒星形成星系主序关系的特征随红移的变化规律为理解星系演化提供关键的观测约束。     

活动星系核反馈的数值模拟研究

活动星系核反馈是星系中心超大质量黑洞在吸积过程中通过释放电磁辐射、风、喷流对宿主星系产生的反馈作用。这一过程对星系核球、星系,及星系团中的气体分布与恒星形成都产生重要影响,是研究星系形成与演化的关键物理过程。由于这一过程的复杂性,目前该领域的大部分理论研究是通过数值模拟进行的。对这一年轻的领域进行了总结,侧重于数值模拟方面的进展,依次介绍了活动星系核反馈的射电模式尤其是星系团中的冷却流、辐射模式,然后较为详细地介绍了一个活动星系核反馈的特例——银河系中的费米气泡的形成。最后,对国际上该领域的未来发展进行了简单的展望,并提出了我国发展活动星系核数值模拟研究的建议。     

星系结构和动力学

从星系形成和演化的角度出发，对星系结构和动力学进行的粗略的评述，内容包括：（1）初步描述了星系中各主要成分的物理特征（空间分布，运行学和化学）及其形成和演化，（2）Damped Lyman-alpha systems(DLAs)是本地星系的化石，对其进行观测研究是HST的主要任务之一，对DLAs宽的谱线轮廓的物理机制和其恒星形成，化学演化进行了讨论，（3）目前已证明Lyman Break方法是发现高红移高恒星形成星系的有效手段，讨论了Lyman Break Galaxies的动力学过程和恒星形象，（4）旋涡星系和椭圆星系的Scaling Law是星系形成和演化所必须解释的问题，对近期该方面的研究结果作了介绍，（5）整体超星的反馈作用在星系形成和演化中起了重要作用，评述了该物理过程对星系演化的影响；（6）随着观测资料的不断积累，各种物体对河外背景辐射的贡献已成了一个重要的研究方向，讨论了宇宙整体的星形成历史和化学演化，（7）银河系是进行星系形成和演化研究的归算零点，介绍了银河系的结构，动力学及演化。     

星系NGC5018的星族合成研究

利用星团谱样本的星族合成方法,研究了邻近巨椭圆星系NGC5018中的星族成分和其内部的恒星形成历史,给出了星系中不同年龄和金属丰度星族的成分占有比.星族合成结果表明,NGC5018中不仅存在大量金属丰度低的年老恒星成分,而且较年轻的星族成分(T=5×108yr)对星系光度贡献也很重要.星系吞并和相互作用过程可能是触发这些较年轻星族形成的物理原因,椭圆星系内部的恒星形成历史可能是2次爆发或者多次爆发过程.这些结果可以很好地解释NGC5018颜色偏蓝、Mg2谱指数强度偏弱等观测特征.     

星系中分子气体和原子气体的研究进展

星际介质中的分子气体(主要是分子氢H2)和原子气体(主要是中性氢HI)成分是星系中重子物质的重要组成部分,它们对于星系中的各种物理过程至关重要。近年来随着观测技术的提高,分子气体和原子气体的观测结果越来越多,其中中性氢主要依靠21 cn氢原子射电辐射和DLA吸收体来观测,分子氢则通过一氧化碳作为示踪分子来探测。在这些观测结果基础上,理论工作者建立了一系列模型来解释和研究星际分子原子气体的转换,分子气体与恒星形成,分子气体和原子气体在星系形成和演化中所起的作用等,并为将来更进一步的观测提供了指导和预言。     

超因于星系并合的双星系的自旋相关性

Ｈｅｌｏｕ将双星系中的自旋方向的统计研究方法用到星系形成过程中,发现旋涡星系的自旋是反相关的,由此联想到在由星系并合过程中自旋对轨道倾角的依赖性。将Ａａｒｓｅｔｈ的标准Ｎ体模拟程序加上动力摩擦,形成一个研究星系并合的Ｎ体模拟程序,用来研究小星系群中星系的自旋和轨道倾角的依赖性。结果表明,在小星系群中,的确存在着类似旋涡星系中的自旋和轨道倾角的反相关性。     

高红移大质量星系的形成与演化

星系形成及演化一直是天体物理研究中最重要的领域之一.近10 yr来星系形成及演化的研究取得了突破性进展,主要包括:(1)近邻星系在颜色-星等图上呈现双峰分布,早型星系普遍颜色较红,而晚型星系颜色偏蓝;并且近邻宇宙红星系的总质量相对于红移z=1时至少增长了1倍,意味着存在蓝星系到红星系的转化过程.这一转化过程是如何发生的成为现代星系形成演化领域最重要的问题之一;(2)星系中心超大质量黑洞质量跟核球质量有很强的相关,意味着黑洞演化跟星系演化有着紧密的关系.黑洞的活动(活动星系核)如何影响星系演化也成为了亟待解决的问题之一.然而近邻宇宙中的大质量星系基本都已停止了剧烈的恒星形成活动和黑洞活动,因此,要回答这些问题,我们需要仔细研究宇宙早期红移在z≈2的星系性质.在这一红移处,星系中的恒星形成和黑洞增长均处于高峰期.