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。     

赫歇尔时期下星系中(亚)毫米波谱线发射的研究进展

目前,(亚)毫米波段探测到大量的谱线发射,例如简单分子(如CO, H_2O等)的转动发射以及原子(如C, O等)和离子(如C~+, N~+等)的基态精细结构跃迁。这些谱线是多种物理状态的星际介质(interstellar medium, ISM)的重要冷却剂,可以用于研究气体的物理性质和化学组成以及气体谱线发射的能量来源。首先介绍了文献中利用远红外(far-infrared, FIR)/(亚)毫米谱线测量星系中恒星形成性质的方法,如恒星形成率(sar formation rate, SFR)、恒星形成模式等;然后,介绍并比较了利用多条谱线示踪星系中的分子气体质量的方法,以及它们主要的依赖性;最后,介绍了利用多条CO谱线(CO谱线能量分布以及CO谱线与连续谱的比值),并结合其他谱线,来诊断星系中主导谱线发射能量来源的方法。     

红移z≈2极亮红外星系的研究进展

极亮红外星系(ULIRGs)是指红外(IR,8~1000μm)光度L_(IR)10~(12)L_⊙的一类星系。研究表明,红移z≈2处极亮红外星系是大质量(M_*10~(11)M_⊙)、富尘埃和强恒星形成(大于100 M_⊙·a~(-1))的特殊星系。极亮红外星系可分成活动星系核起主导作用的源和恒星形成占主导的星系。恒星形成主导的源,中红外光谱有明显的多环芳香烃辐射;而活动星系核主导的星系,光谱呈现出幂律形式并有很强的硅线吸收。极亮红外星系的静止光学波段形态存在多样化,既有并合结构特征,又有椭圆形态。这类星系很可能是近邻大质量宁静星系的前身星系。介绍了红移z=2附近极亮红外星系的各种物理性质的研究进展,如形态和结构、光谱特征、成团性、尘埃分布和形成机制等,以及阐述了该领域未来的研究方向。     

星系中恒星形成率指针的比较研究

利用赫歇尔空间望远镜的H-ATLAS(Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey)SDP(Science Demonstration Phase)天区从紫外到亚毫米波段数据,结合星族合成方法和尘埃模型,计算了星系的红外总光度.在此基础上,分别针对强恒星形成星系和弱恒星形成星系,研究了利用紫外光度、红外光度和Hα谱线计算得到的恒星形成率(Star Formation Rate,SFR)的差异以及导致差异的内在物理起因.发现对于恒星形成活动强的星系,这3种恒星形成率指针给出的结果基本一致,弥散较小、只是在高恒星形成率端,利用紫外光度算得的恒星形成率比利用Hα谱线流量算得的恒星形成率略微偏小;而在低恒星形成率端,紫外光度指针偏大于Hα谱线指针;红外光度指针与Hα谱线指针在两端无明显偏差.对弱恒星形成星系,紫外光度、Hα谱线和红外光度3种恒星形成率指针存在明显的差异,且弥散较大.利用紫外光度和Hα谱线计算得到的恒星形成率的弥散和系统偏差随着星系年龄、质量的增加而增大.系统偏差增大的主要原因是利用紫外连续谱斜率β定标恒星形成活动较弱星系的消光时,高估了这些星系的紫外消光,使得消光改正后的紫外光度偏大.另外,MPA/JHU(Max Planck Institute for Astrophysics/Johns Hopkins University)数据库中弱恒星形成星系的恒星形成率SFR(Hα)比真实值偏低.     

活动星系的红外辐射

本文在对活动星系的红外辐射作了一般介绍后,着重介绍了IRAS发射后存活动星系红外辐射研究领域所取得的新进展,包括作为恒星形成和Seyfert活动指示的红外色余和作为Seyfert选择的红外谱指数以及作为类星体前身的超亮红外星系等。     

四个PG类星体的谱能结构与红外辐射机制

本文利用宽波段能谱结构讨论了四个PG类星体的红外辐射机制．结果表明，在产生红外连续辐射的可能机制中，非热的、具有幂律特征的辐射和被核光度加热的“核尘埃”的热再辐射是红外辐射的主要来源．对于高光度的活动星系核，它的主星系的红外辐射及恒星形成区的红外辐射是可以忽略的．     

四个PG类星体的谱能结构与红外辐射机制

本利用宽波段能谱结构讨论了四个ＰＧ类星体的红外辐射机制，结果表明，在产生红外连续辐射的可能机制中，非热的，具有幂律特征的辐射和被核光度加热的“核尘埃”的热再循辐射是红外辐射的主要来源，对于高光度的活动星系核，它的主星系的红外辐射及恒星形成区的红外辐射是可民义忽略的。     

触发式恒星形成特征的搜寻和1.3cm波段的谱线巡测

正本论文分为两个部分.第1部分基于紫金山天文台13.7 m毫米波望远镜的分子谱线巡天项目—"银河画卷"计划,对一个红外尘泡的样本和一个大天区的~(12)CO/~(13)CO/C~(18)O(J=1-0)成图观测,搜寻触发式恒星形成的运动学特征,并结合红外卫星和射电连续谱档案数据,研究相应的分子团块、年轻恒星分布及恒星形成规律等.第2部分是利用Effelsberg-100 m望远镜对IRC+10216和Orion KL进行了1.3 cm波段的谱线巡测.     

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。     

低面亮度星系的观测特性

光学、近红外、红外、紫外、射电等波段及CO的观测研究表明,低面亮度星系是相对没有充分演化的系统,气体成分比例较高,金属丰度和恒星形成率较低。这样的星系为研究星系的形成和演化提供了新的资料和证据。主要阐述了低面亮度星系的观测特性,包括探测与搜寻、选择效应对观测研究的影响、低面亮度星系的划分、星系的颜色和星族特征、星系的演化和恒星形成、金属丰度、数密度及光度密度;最后,介绍了几个特殊的低面亮度星系。     

一个大质量恒星形成复合体的动力学性质

恒星形成于分子云之中, 分子外向流是恒星形成正在进行的重要动力学特征, 也是研究和认识恒星形成的重要契入点. 利用紫金山天文台青海观测站德令哈13.7m毫米波望远镜, 采用5种分子谱线探针(包括¹²CO、¹³CO、C¹⁸O、HCO$^+$ $J=1-0$和CS $J=2-1$, J为角动量量子数), 对一个包含IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179--00.4186这3个源的大质量恒星形成复合体进行了成图观测研究. 通过对以上分子谱线数据并结合红外波段巡天数据的分析, 在这3个源中首次探测到了分子外向流活动, 并确定了分子外向流的中心驱动源. 最后对这3个源进行了分子外向流相关物理量参数的计算, 分析了这些物理量参数之间的关系, 结果表明分子外向流的性质与中心驱动源的性质息息相关.     

银河系年轻星团NGC 3603的X射线研究

NGC 3603是位于银河系船底座旋臂上的一个致密年轻星团。星团中大质量恒星的星风向外输出机械能,改变周围介质的性质,在星系内恒星的形成以及星系的演化过程中起着重要的作用。大质量恒星形成区的X射线辐射来源于其中的前主序星、OB星,以及弥漫热气体等。上述3种来源的辐射机制在文中得到了综述;并且,NGC 3603中的点源和弥漫热气体的X射线辐射的性质在文中也得以介绍;最后,基于Chandra 0.5 Ms档案数据的研究工作被予以简要的展望。     

大质量恒星形成区中的H_2O脉泽运动学

大质量恒星形成区内分布着很多类型的脉泽,包括OH,H_2O,CH_3OH和SiO等。利用甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)技术多历元观测脉泽,可以在10～100 AU的线尺度上反映年轻星附近的气体运动学特征。在各类脉泽中,H_2O脉泽是亮度最强的脉泽之一,因此是研究大质量恒星形成区外流的极佳示踪天体。H_2O脉泽在不同大质量恒星形成区内主要显示有准直喷流和宽张角外流等运动特征。选取了具有代表性的大质量恒星形成区,如Orion-KL,Cepheus A,W75N(B),G24.78+0.08 A1和AFGL 5142,介绍了H_2O脉泽在这些形成区所反映的气体运动学特征,及其与大质量恒星演化之间的关系。     

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。     

早型星系的恒星形成活动演化研究

从观测上测定早型星系中恒星形成活动随红移的演化有助于理解这类星系的形成演化.结合GEMS（Galaxy Evolution from Morphology and SEDs）巡天的HST/ACS（Hubble Space Telescope/Advanced Camera for Surveys）高分辨图像和CDFS（ChandraDeep Field South）天区Spitzer、GALEX（Galaxy Evolution Explorer）等多波段数据,基于形态、颜色和恒星质量选出一个0.2≤z≤1.0红移范围的包含456个早型星系的完备样本.利用stacking技术测量了样本星系紫外与红外平均光度,估计早型星系的恒星形成率.结果显示,早型星系中的恒星形成率较低(<3 M_⊙·yr^-1),随红移递减而降低.在红移z=1以来的恒星形成贡献的质量小于15%.星族分析亦肯定大质量早型星系的主体星族形成于宇宙早期（z>2）.     

近邻星系恒星形成区光谱观测研究

近年来随着国际8~10 m口径望远镜数目的不断增加,4 m及以下口径望远镜已成为中小型望远镜.如何利用中、小口径望远镜做出有影响的科学成果,须做到"有所为,有所不为".为此,自2013年开始针对国家天文台2.16 m望远镜推出了重点课题支持计划.介绍的"近邻星系恒星形成区光谱观测研究"为2.16 m望远镜支持的3个重点课题之一.它将利用2.16 m望远镜3 yr、每年30个暗夜或灰夜的观测时间,开展20个近邻、大星系中多个恒星形成区、平行星系主轴方向和垂直主轴方向的光谱观测,获得一个有显示度的、科学意义重要的近邻星系恒星形成区和径向分布的光谱样本.同时该课题还利用6.5 m多镜面望远镜(MMT)的观测时间,开展近邻、特大星系的恒星形成区的光谱观测.利用2.16 m望远镜和MMT望远镜观测得到的星系不同区域的光谱数据,结合已有的紫外、光学、红外波段宽带滤光片数据和BATC(Beijing-Arizona-Taiwan-Connecticut)15个中带滤光片数据,可开展星系尘埃消光、恒星形成率、金属丰度和星族特性二维分布等方面的研究;开展星系二维特性和星系形态、星系环境关系的研究.将介绍这个重点课题的科学意义、星系样本的选取、光谱观测策略和星系NGC 2403的光谱观测和初步研究结果.     

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。     

棒对星系核区恒星形成活动的影响

利用SDSS光谱,研究了IRAS卫星亮红外源星表中的盘状星系中的恒星形成性质,并着重探讨了棒对星系核区恒星形成活动的影响.利用星族合成的方法得到了每个样本星系核区的恒星组成性质、恒星形成活动的强度等信息,并比较了星系整体和核区恒星形成性质的差异.得到的结论:除去相互作用,样本中的棒星系显示出比非棒旋星系更强的核区恒星形成活动和更多的年轻星族成分.     

年轻星天体喷流的近红外成像观测进展

分子氢的红外振动发射线是显现年轻星质量外流的重要谱线之一。自Gautier等人1976年在猎户座发现年轻星质量外流的分子氢发射开始,人们在银河系内几乎所有的恒星形成区都发现了这种线发射。研究表明,分子氢发射与年轻星周围的其它活动现象（如分子外流和光学喷流）之间有着非常密切的联系。红外和光学喷流代表了年轻星剧烈活动的两个侧面,是喷流与周围介质相互作用强弱不同的表现,这种作用还拖带周围介质,产生分子外流,光学、红外喷流和分子外流组成了恒星形成区壮观的景象,它们是恒星形成活动的重要标志。随着红外探测技术的飞速发展,对年轻星外流活动现象的观测越来越丰富的详细,使人们对这种现象的本质越来越了解。在20世纪90年代NICMOS等大阵列红外探测器投入使用后,红外成像观测有了长足的进步。目前已在70个左右的区域里发现了H2发射,这一数字还在迅速增加,今后的研究主要可能向两个方向发展。其一是高分辨观测,进一步了解H2发射的结构以及与光学喷流和分子外流之间的关系;其二是天观测,了解银河系内的恒星形成H2区发射的大尺度结构和恒星形成的统计分布规律。     

3个典型恒星形成区的气尘比

"气尘比"(Gas to Dust Ratio,GDR)是星际气体与星际尘埃的质量之比.广泛认同的银河系气尘比值是100-150.气尘比值的大小不仅取决于星际环境,也与所考虑的尘埃成分相关.恒星形成区是恒星形成的致密分子云区域,不同的分子云,其GDR也可能不同于普遍采用的数值.此工作选择3个典型的恒星形成区进行气尘比的研究,它们分别是:大质量恒星形成活跃的猎户座(Orion)分子云,小质量恒星形成区的代表金牛座(Taurus)分子云,极少或者无恒星形成活动的Polaris分子云,对这3个天区的研究有利于了解不同辐射环境恒星形成区的气尘比变化.在此对CO谱线积分强度与氢分子柱密度之间的转换系数X_(CO)取常数,以统计的方法计算了3个分子云的气尘比N(H)/A_V,其值在Orion天区、Taurus天区和Polaris天区分别为25、38和55(单位:10~(20)cm~(-2).mag~(-1)),明显高于之前人们给出的银河系平均值.根据星际尘埃模型,将N(H)/A_v转换成气体尘埃的质量比.采用被广泛接受的WD01尘埃模型(V波段的选择性消光比R_v=3.1的情况),得到3个恒星形成区的气尘比分别为:160(Orion分子云)、243(Taurus分子云)、354(Polaris分子云),显著高于普遍采用的弥漫星际介质中100-150的取值范围.恒星形成区的N(H)/A_v值高于平均值的另外一个可能的原因是,恒星形成区的尘埃由于吸积或者碰撞增长变大,降低了V波段的单位质量消光效率,而不是气尘质量比本身的增加.