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.     

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）.     

COSMOS场中星系恒星形成的演化研究

基于COSMOS(Cosmic Evolution Survey)/Ultra VISTA(Ultra-deep Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)场中多波段测光数据,利用质量限选取了红移分布在0z3.5的星系样本.通过UVJ(U-V和V-J)双色图分类判据将星系分类成恒星形成星系(SFGs)和宁静星系(QGs).对于红移分布在0z1.5范围内且M*1011M⊙的QGs来说,该星系在样本中所占比例高于70%.在红移0z3.5范围内,恒星形成星系的恒星形成率(SFR)与恒星质量(M*)之间有着很强的主序(MS)关系.对于某一固定的恒星质量M*来说,星系的SFR和比恒星形成率(s SFR)会随着红移增大而增大,这表明在高红移处恒星形成星系更加活跃,有激烈的恒星形成.相对于低质量的星系来说,高质量的SFGs有较低的s SFR,这意味着低质量星系的增长更多的是通过星系本身的恒星形成.通过结合来自文献中数据点信息,发现更高红移(2z8)星系的s SFR随红移的演化趋势变弱,其演化关系是s SFR∝(1+z)0.94±0.17.     

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.     

星系形成和演化

在现代宇宙学的框架下对当前星系形成和演化方面的研究结果作一综合评述，内容包括知种现代化观测手段所得的结果及其物理内涵，各种模型的成功与不足之处。     

恒星形成星系主序关系的研究现状

观测发现,恒星形成星系(star-forming galaxies, SFGs)的恒星形成率(ψSFR)与恒星质量(M*)之间存在紧密的相关关系(即lgψSFR-lg M*,称为“主序关系”),弥散约为0.2～0.4 dex。主序关系对限制星系演化的理论模型具有重要的意义,是描述星系演化的基本关系之一。近年来,随着大型观测设备和数据处理技术飞速发展,星系形成和演化的理论模型也越来越完善,在此基础上,天文学家对于主序关系的研究取得了许多重要进展。首先介绍测量星系ψSFR的技术和挑选SFGs的方法,方便后续分析主序关系存在系统性偏差的原因。然后介绍主序关系最新的观测进展：主序关系在大质量端会“变平”,可能是由于星系/暗晕冷热吸积模式发生转换导致冷吸积减少;主序关系的弥散对恒星质量的依赖呈现U型,可能是由于小质量端的恒星反馈和大质量端的活动星系核反馈导致恒星质量相近的星系在恒星形成历史上具有多样性;理论与观测得到的主序关系零点在中高红移存在差异的问题依然存在较大争议。最后对主序关系的研究进行了总结和展望。     

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.     

棒在星系恒星形成中的作用

从理论Ｎ体模拟、射电辐射、红外辐射以及统计比较等几个方面，概述了棒在星系恒星形成中的作用，并讨论了在这一问题研究中出现的互相予盾的一些结果。     

本星系群旋涡星系盘的化学演化及恒星形成历史的研究

银河系、M31和M33是本星系群仅有的3个旋涡星系.M31和银河系有类似的质量、光度和形态,而M33的重子物质质量仅约为银河系的1/10.从理论上对它们进行细致的比较研究,非常有利于进一步理解旋涡星系以及本星系群的形成和演化过程.本文以银河系化学演化模型为参照,通过建立非瞬时循环假设下的唯象内落模型,详细研究了这3个旋涡星系的恒星形成和化学演化历史.首先,我们把在银河系研究中十分成功的化学演化模型框架应用于M31盘的化学演化研究中,     

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.     

棒对旋涡星系中央恒星形成的作用

使用了目前最大的棒旋星系样本之一,着重于研究旋涡星系中央的比恒星形成率(sSFR)和棒结构的关系。我们用1g sSFR=-11 a~(-1)作为星系宁静态和活跃态的分界,统计对比了棒旋星系和非棒旋星系中央的sSFR,发现相对于非棒旋星系,棒旋星系处于中央宁静态的比重更大,而在中央活跃态其恒星形成活动更剧烈。为消除星系样本恒星质量差异对星系中央sSFR统计结果的影响,获得控制样本,使棒旋星系和非棒旋星系具有相同的恒星质量分布。随后发现这两类星系在中央宁静态中的统计差异消失,而在中央活跃态棒旋星系的恒星形成活动依旧相对剧烈,尤其体现在长棒星系中。这说明棒结构对旋涡星系中央的恒星形成起到促进作用,且作用效果与棒的长短相关。     

观测到遥远星系里的恒星形成过程

一个英美天文学家小组在大爆炸之后几亿年形成的一个遥远星系中,观测到正在发生的恒星形成过程。这些来自剑桥大学和卡内基天文台的天文学家用几台望远镜发现了一个有氢特征辐射的星系,表明那里正在形成新的恒星。     

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。     

星系宜居区及恒星寿命

科学家公认“生命宜居带”是恒星周围的一个区域,其中液态水必须能够在一个类地行星的表面存在数十亿年之久;这个区域是环形的,它的内边界应该是行星围绕其母恒星运转而又不会使行星海洋的水散失到空间的最近一条轨道;在最极端的情况下,恶性发展的温室效应将占支配地位,结果使得海洋水蒸发殆尽（例如金星正是此种情况）。     

旋涡星系中恒星形成对旋涡结构的影响

本文利用N体数值模拟方法,讨论了旋涡星系中恒星形成对旋涡结构的维持作用。在假定恒星是在一定密度区域中形成以及恒星诞生率为1.0M_⊙/年的情况下,模拟结果表明,旋涡图象的维持时间是未考虑恒星形成模型的2.3倍。     

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.     

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。     

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。