如何給星系做體檢分類別

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鉚釘鐵釘https://www.xinseopr.com/170864-21/20220620104228/image_0.jpg模具製造
哈勃望遠鏡拍攝的IC 427(Arp 40),圖片來源:NASA, ESA, and B. Holwerda (University of Louisville Research Foundation, Inc.)

浩瀚的宇宙中,分佈着數以億計的、形態各異的星系,這些動人的天體構成了宇宙大廈的基石,見證了宇宙百億年的歷史。在漫長的生命軌跡中,有的星系呼朋引伴,多次與其他星系擦肩乃至合併;有的星系則踽踽獨行,在屬於自己的角落感受歲月變遷。星系的不同生命歷程造就了其不同的物理性質,如何通過百億歲的星系化石,理解歲月長河中它們所經歷的、紛繁複雜的物理過程,是眾多天體物理學家畢生的追求。在本文中,讓我們一起給這些星系做個體檢,重新分分類!


星系光學波段的觀測,主要包含成像和光譜兩個方面。圖像巡天在為我們描繪出深邃而生動的星系形態的同時,也給出了星系在天空上準確的二維投影位置。而光譜則是標示星系物理性質的指紋,是解鎖星系起源奧秘的核心。只有通過光譜觀測,我們才能估算星系的年齡,分析星系的化學組分等信息。


近20多年來,國內外大規模的光譜巡天(如Sloan Digital Sky Survey,簡稱SDSS;The Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope,簡稱LAMOST)成為了天文觀測的突破口,獲得了數以十萬、百萬甚至千萬計的天體光譜信息。


早期的光譜巡天(包括SDSS I-III期、LAMOST)所提供的主要是單光纖光譜:將望遠鏡對準星系的中心區域,並通過單根光纖把望遠鏡收集到的輻射傳輸到光譜儀上進行色散,從而得到光譜,因此光譜攜帶的信息反映了星系中心區域的性質(見圖1上)。一個星系的典型結構包括位於中心區域的由老年恆星組成的核球 + 核球外圍的由年輕恆星主導的盤,核球和盤這兩個不同的結構具有截然不同的性質和形成歷史。所謂“管中窺豹,只見一斑”,如果只看到星系的中心區域,那麼對於星系的理解將如盲人摸象一般片面。


教育培訓https://www.xinseopr.com/170864-21/20220620104228/image_1.jpg

圖1: 典型的星系結構示意圖,上圖中紅色圓圈表示SDSS單光纖光譜覆蓋區域,中圖中正六邊形為SDSS-IV MaNGA視場範圍,下圖顯示的六邊形積分視場單元是由很多根光纖捆綁在一起的集合,每根光纖觀測星系不同區域,輸出相應光譜,圖片來源:作者供圖

科學的需求推動了積分視場單元(Integral Field Unit, IFU)觀測技術的發展,極大地提高了具有空間分辨能力的星系二維光譜觀測的效率,使得一批大樣本近鄰星系IFU觀測項目得以順利展開(如SAURON, Atlas3D, CALIFA, SAMI及SDSS-IV MaNGA)。以MaNGA項目為例,其空間分辨能力的實現體現為其可以通過將多根光纖捆綁在一起,每根光纖輸出相應觀測位置的光譜,進而達到對星系進行全身檢查的效果(圖1中、下),部分檢查結果示例如圖2。


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圖2:MaNGA星系觀測性質示例。從左往右分別為恆星速度場、Hα發射線輻射強度、氣體速度場。速度場中,綠色代表相對觀測者靜止,藍色代表靠近觀測者運動,紅色代表遠離觀測者,圖片來源:Francesco Belfiore


20世紀中葉,近鄰宇宙中常見的各形態類型的星系均已被髮現。面對千奇百怪的星系,埃德溫·哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-1953)於1936年提出了使用音叉圖來分類星系的概念(圖3左),他將橢圓星系(E)和透鏡星系(S0)放在了叉柄上(早型星系),而普通旋渦星系與棒旋星系(S與Sb)分處兩叉(統稱晚型星系)。一個優秀的分類系統能夠引導人們透過現象思考背後的物理本質。進一步對星系性質的研究發現,沿着哈勃音叉從左往右,星系的星族趨於年輕化,顏色由紅變藍,中心聚集度降低。自提出以來,哈勃分類法一直流行於業餘與職業天文學界。


Atlas3D積分視場單元巡天的開展,使得天文學家對早型星系運動學的認識發生了質的變化,也導致了變革的降臨。在可見光圖像中,早型星系看起來光滑平整,一般認為其恆星成分是在更圓滑的範圍內隨機運動的,彼此的角動量互相抵消,導致整個系統的凈自轉十分不明顯。Atlas3D研究團組結合圖像與自轉數據後發現,大多數早型星系(甚至是橢圓星系)都是快速自轉的橢球體,自轉速度幾乎與旋渦星系相當,早型星系應該被重新分類為“慢速自轉體”與“快速自轉體”兩類。由此,研究團組成員指出,“外觀可能是具有欺騙性的。我們驚人的新結果是,對於被專業天文學家歸類為橢圓的星系來說,錯誤分類的比例可高達66%!”


研究小組基於這些發現提出了替代哈勃音叉圖的分類法:Atlas3D梳形圖(圖3右)。它將早型星系沿梳柄排布,自轉速度依次遞增,而旋渦星系占據的是三支梳齒而非音叉的兩叉。快速自轉的星系位於梳齒與梳柄的連接處,它們可能是由旋渦星系族群演化而來的。


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圖3:(左)哈勃的音叉圖,將星系清晰地分為橢圓(E)、透鏡狀(S0)以及旋渦(S與Sb)三類;(右)Atlas3D梳形圖,自轉速度由左到右依次遞增。圖片來源:https://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/


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圖4:三個運動學不一致星系速度場示例。從上到下,分別為氣體與恆星反轉、具有兩個反轉恆星盤,及兩個反轉氣體盤的星系。從左往右顯示了SDSS多色圖像,粉紫色六邊形標出了MaNGA IFU覆蓋區域、恆星速度場、氣體速度場,以及不同盤成份的模型圖,藍色代表氣體盤,紅色代表恆星盤。速度場中,綠色代表相對觀測者靜止,藍色代表靠近觀測者運動,紅色代表遠離觀測者,圖片來源:作者供圖

一個關於恆星形成的非常粗糙的認知是星系中緻密冷氣體在自引力作用下塌縮形成,這幅圖景中,恆星起源於氣體,因而繼承了氣體的角動量。因此,恆星成份和氣體成份具有相同的旋轉方向(如圖2)。30多年前,天文學家基於沿着星系某一特定方向(如主軸)的長縫光譜觀測,陸續報導了在個源中發現的一些奇特運動學特征,主要包括氣體 - 恆星,恆星 - 恆星,氣體 - 氣體旋轉方向不一致。這些小樣本的運動學研究持續了大概十多年時間,而後卻戛然而止,並未引起學界的廣泛關註。


21世紀初,隨着大樣本積分視場單元巡天項目的推進,運動學不一致星系再次進入了天文學家的視野。統計研究發現,星系運動學不一致現象的出現概率對星系的類型有很強的依賴,其比例從富氣晚型星系中的2~5%快速上升為透鏡星系和橢圓星系這些早型星系中的30~40%。圖4顯示了三類運動學不一致星系的例子,從上到下,分別為氣體盤與恆星盤反轉,兩個反轉的恆星盤,及兩個反轉的氣體盤示例。


大量運動學不一致現象的涌現,吸引着人們探索它的成因。如果我們把星系看成一個孤立系統,因為恆星來源於氣體吸積,從角動量守恆的角度,這個過程中氣體及恆星成份的運動學方嚮應該是一致的。雖然星系內部的超新星爆發所釋放的核能、中心黑洞吸積所釋放的引力能等大量能量會擾動星系中的氣體運動學,但該過程導致星系尺度反轉盤的可能性微乎其微。


事實上,星系的演化歷程與一個人的成長過程有一定的相似之處,由內因和外因共同作用。既然內部過程難以導致星系尺度的運動學不一致現象,那麼我們只能放眼外部環境因素。這些因素包括:併合和氣體的吸積(包括從宇宙網、暗物質暈及小個子富氣鄰居星系的吸積)。


星系從其外部吸積角動量方向不同的氣體,這些氣體積累到一定程度,不可避免的會觸發新恆星的形成,因此一個直接的問題就是外部氣體的吸積如何影響星系的後續演化?只是在星系的生命歷程中激起一絲漣漪,還是會完全改變星系的命運?要回答這個問題,我們不得不綜合考慮內部因素和外部因素。我們從最簡單的假設和模型出發,列舉三種不同的情況下,外部氣體的獲取對星系演化的可能影響:


1,一個氣體含量可以忽略的早型星系,該星系從其外部獲取了角動量方向不同的氣體(圖5左上),只要恆星盤和氣體盤不共面或者不垂直,那麼氣體盤就會受到來自於恆星盤的力矩作用,向恆星盤靠近直至共面(圖5左下)。這個過程中,氣體和恆星間的相互作用,由於其碰撞截面很小而可以忽略。這種情況下,外部氣體的獲取,只是早型星系生命中的一個小插曲,使其獲得一個反轉氣體盤,不影響星系其它性質。


2,一個富氣的漩渦星系,從其外部獲得角動量方向相反的冷氣體,且所捕獲的外部氣體的角動量大於星系中原有氣體角動量(圖5中)。由於氣體與氣體的碰撞截面很大,星系中的原有氣體會與外部氣體發生相互作用,導致角動量重新分佈。極端情況下,我們假設兩部分氣體的角動量相互抵消,氣體自由落體到星系中心,大量氣體在星系中心聚集,觸發中心星暴的同時因外部缺乏冷氣體而抑制了星系外圍的恆星形成。


由於外部氣體的角動量大於原有氣體,該系統最終會表現為一個氣體—恆星反轉的星系,圖4中第一個星系就屬於此類情,其圖像顯示的中心藍核是中心星暴的發生過的直接證據。該過程導致了星系中心一個類核球成份的誕生以及外部旋臂的消退,星系從漩渦星系演化為透鏡星系,從此脫胎換骨。另外,這一過程還為Atlas3D梳形圖中三支梳齒上的漩渦星系向位於梳齒與梳柄連接處的透鏡星系的演化提供了一種切實有效的途徑。透鏡星系中氣體—恆星成份的反轉高於其它類型星系,這一觀測現象是該演化軌跡的有效支持。

https://www.xinseopr.com/170864-21/20220620104228/image_5.jpg圖5:三種不同情形下,外部氣體的吸積對星系演化的影響示意圖。紅色橢圓代表恆星盤,藍色點線和實線分別代表星系中原有氣體和外部吸積氣體。情形2和3中的藍色實心圓代表新形成的類核球成份。箭頭長短代表角動量大小,同樣紅色為恆星成份的角動量,藍色為氣體成份,圖片來源:作者供圖

3,與 2 類似,富氣的漩渦星系獲取外部角動量相反的冷氣體,但原有氣體的角動量大於外部氣體(圖5右),這時星系的最終命運也與2)類似,唯一的差異是氣體盤的最終角動量由原有氣體主導,氣體與恆星共轉而非反轉。另外,星系併合也是星系運動學不一致現象的可能起源之一。數值模擬顯示,曾經的併合過程會在星系化石的圖像上留下如潮汐尾和殼層結構等暗弱的遺跡特征(圖6)。系統從深場巡天圖像中搜索併合遺跡特征發現,星系併合對運動學不一致現象的貢獻在早型星系中最高,可以達到20%左右。由此可見,外部氣體的吸積對運動學不一致現象的貢獻遠大於併合作用。


https://www.xinseopr.com/170864-21/20220620104228/image_6.jpg圖6:星系併合遺跡中的潮汐尾(左圖中淺色旋臂)和殼層結構(右),圖片來源:The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Imaging Surveys

愛因斯坦說“宇宙最不可理解之處,就是它可被理解”。星系中包含的物質成份各樣,涉及的物理過程眾多,它們交織在一起並相互影響,剪不清、理還亂。


從積分視場巡天觀測大量發現運動學不一致星繫到今天,才經歷了短短十多年,距離充分理解其所經歷的紛繁複雜的物理過程還很遙遠,但多波段觀測數據與數值模擬的充分結合,定會進一步幫助我們揭開其神秘的面紗。


撰文 | 陳燕梅(南京大學)研究方向為星系的形成和演化。
責編 | 王馨心、呂浩然

  • 參考文獻:

[1] “Extra-Galactic Nebulae”,Edwin Hubble,The Astrophysical Journal,64(1926),321-369
[2] “The Atlas3D project - VII. A new look at the morphology of nearby galaxies: the kinematic morphology-density relation”, Cappellari, M., Emsellem, E., Krajnović, D., McDermid, R. M., Serra, P., Alatalo, K., Blitz, L., Bois, M., et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 416 (2011), 1680-1696
[3] “Counter-Rotation in Disk Galaxies”, Corsini E. M., Multi-Spin Galaxies, ASP Conference Series, 486 (2014), 51 

製版|Livan


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不代表中科院物理所立場

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原標題:如何給星系做體檢分類別? | 賽先生天文

來源:賽先生

編輯:Garrett


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