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.     

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.     

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。     

星系探秘：恒星从何而来（2）

纷乱的气流和庞杂的星际尘埃,以及恒星形成时的猛烈星风,宇宙中所有最纷繁的元素仿佛都被凝聚于大质量恒星的“育婴室”,所以我们才能欣赏到像猎户座大星云和船底星云那样极尽奢华而又震撼人心的宇宙风景。但同时,混乱而繁杂的环境对天文学家们研究这些大个子恒星的身世之谜平添了诸多障碍。     

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.     

恒星形成区的云核和星团

利用青海站13.7 m毫米波望远镜对17个与星团成协的恒星形成区进行了~(12)CO(J=1-0)、~(13)CO(J=1-0)和C~(18)O(J=1-0)的同时成图观测.除了IRAS04547+4753,这些源均探测到较强的C~(18)O(J=1-0)的谱线发射.由于分子云的大小不同,有13个源观测到~(13)CO(J=1-0)谱线积分强度极大值的一半处,其他源因分子云延展范围较大,没有进行大面积的成图观测.基于观测数据,计算了各云核的谱线线宽、亮温度、尺度、密度和质量等,~(13)CO和C~(13)O云核的维里质量与局部热动平衡(LTE)质量之比分别为0.66和0.74,它们接近于维里平衡状态.为了从形态方面比较云核与星团,将谱线的积分强度图与2MASS的K波段图像叠加.同时,计算了与云核成协的星团的大小和质量,数据采用了2MASS的近红外点源测光结果.基于云核与星团的质量结果,计算了分子云的恒星形成效率,大致在10%～30%的范围.     

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。     

正在形成恒星的孤立分子云核物理性质的观测研究

利用青海站13．7m毫米波望远镜对从Spitzer的c2d项目样本中挑选出来的11个内部有恒星正在形成的孤立分子云核进行了13CO(J=1-0)、13CO(J=1-0)和C18O(J=1-0)的同时成图观测．对这些分子云核均观测到13CO(J=1-0)峰值强度极大值的一半处．计算了分子云核的密度和质量,得到维里质量(MVIR)与LTE质量(MLTE)之比13CO(J=1-0)为0．85±0．40,C18O(J=1-0)为0．77±0．35．同时计算了云核的密度轮廓．     

大质量恒星形成区样本外向流的高灵敏度搜寻

对13个大质量恒星形成区样本进行了SiO(2-1)、CH_3OH(2-1)和C~(34)S(2-1)热线的观测.在9个分子云核中,3条热线同时被探测到.这9个SiO探测中,有3个是新探测到的且它们强度都相对较弱.所有探测到的谱线都有较明显的线翼,这可能是外向流出现的证据.SiO谱线的线宽最宽,这也更进一步表明SiO辐射可能是来自高速的外向流,即更靠近外向流的激发源.估算了各分子谱线的旋转温度,柱密度和相对元素丰度.结果表明SiO和CH_3OH元素丰度之间有较好的相关性,相关系数R=0.77,但是SiO和C~(34)S元素丰度之间却没有任何相关性.     

刚体自转在巨分子云的聚合形成中的作用

分析在聚合形成机制下,巨分子云在刚体自转盘中的形成过程。研究结果表明,形成的巨分子云主要由其附近的分子云组成,由于速度弥散的作用,非弹性碰撞才自引力使分子云聚合在一起,以这种方式形成的巨分子云是小质量的,如果较差自转存在这些小质量的巨分子云便有更多的机会聚合在一起形成更大质量的巨分子云,这进一步说明,较差自转在巨分子云的形成中起了很大的积极作用。     

刚体自转在巨分子云的聚合形成中的作用

分析在聚合形成机制下,巨分子云在刚体自转盘中的形成过程．研究结果表明,形成的巨分子云主要由其附近的分子云组成．由于速度弥散的作用,非弹性碰撞和自引力使分子云聚会在一起,以这种方式形成的巨分子云是小质量的．如果较差自转存在,这些小质量的巨分子云便有更多的机会聚合在一起形成更大质量的巨分子云．这进一步说明,较差自转在巨分子云的形成中起了很大的积极作用．     

恒星形成区磁场的VLBI测量

利用VLBI MKIII系统多磁道记录的优点,在1665和1667MHz两个频率上,同时观测活动恒星形成区 W3(OH)的左右圆偏振羟基分子脉泽辐射。发现了三个Zeeman对,由脉泽子源的速度分裂导得磁场约为6mG,我们估计恒星形成区的磁场和氢气体密度有关系B～n~(0.54)。     

恒星如何形成

被称为星际介质的气体和尘埃云充斥着我们的银河系。目前几乎可以肯定,巨分子云中的湍流运动会形成密度比周围稍稍高出一点的云核,由此便拉开了恒星形成的序幕。如果许多高温、明亮的恒星彼此非常靠近,它们的强烈辐射会在星际介质中引发湍流。星系和其他星云对其的密近交会也会产生这一不稳定性。当超新星爆发时,会产生一个向外膨胀的壳层。位于其前端的激波波前会压缩扫过的气体。造就银河系旋涡结构的螺旋形密度波会扫过银河系,所过之处的物质也会被挤压。     

大质量恒星形成的观测和研究

对于大质量的形成，由于区域的遥远和结构的复杂以及过程的特殊，研究相对迟缓，对可能形成大质量得的云核和大质量年轻星体的活动，进行多波段搜寻和研究，取得了相应的进展。     

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.     

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。     

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.     

巨分子云的聚合形成与臂结构

本分析了在巨分子云聚合形成机制下旋臂扰动的影响，结果表明，在巨分子云聚合形成过程中，当不考虑恒星形成引起的巨分子云的破裂时，旋臂的存在使分子云在绕星系中心作自转运动时，在旋臂区域分子云的密度大大增加而使大质量分子云由于碰撞而形成，特别能促使一些质量更大的巨分子云形成。但当这些聚合形成的大质量分子云走出旋臂区域进入臂间区域时，它们又会自动瓦解。因此在整个星系盘上，与没有旋臂扰动情况相比，Ｆ（Ｍ）〈