国家天文台旋涡星系初始质量函数研究获进展

郝蕾团组已经出站的一个博士后Danny Chia-Yu Pan
基于斯隆数字化巡天的第七次数据释放的星系列表认证出了八万个空洞星系。他们发现这些空洞星系的确比空洞外的星系更小、更暗、星族更年轻,但是上述两个星系样本各种性质的差别非常小。并且他们进一步发现,如果固定了星系质量,那么空洞星系和空洞外星系在上述各方面的性质上的差别将不再显现,这说明空洞星系和空洞外星系可能并不存在本征的差别。

研究恒星初始质量函数的最直接的办法就是通过恒星计数,但对于遥远的河外星系,当前的望远镜还难以分辨单颗恒星,因此需要其他间接的方法来研究初始质量函数。国家天文台博士生李弘宇、助理研究员葛均强以及研究员毛淑德等人,利用当前世界上最大的积分场巡天项目——SDSS-IV
MaNGA数据,结合星族合成以及星系动力学模型,对816个河外星系的初始质量函数进行了研究,这也是首次利用积分场光谱对旋涡星系的初始质量函数进行研究,该成果即将在国际期刊《天体物理期刊》发表。

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关于宇宙学空洞中存在更多小质量低光度的恒星形成星系的原因,郝蕾解释,目前还不清楚,一个可能的原因是,根据宇宙学模型的预言和现有的观测数据,科学家们发现空洞中的暗物质晕的质量比星系团低100~1000倍,而星系都是在暗物质晕中形成的,并且小质量的暗物质晕中倾向于形成较低质量的星系。

图1:MaNGA积分场光谱仪示意图。天文学家通过使用六边形的光纤束,可以对同一个星系中的多个位置进行光谱观测。左图展示的是斯隆基金会望远镜导入光纤束连接器的特写。右下图表示每一根光纤是如何观测星系不同区域的。右上图显示的是两根光纤观测同一个星系两个不同区域获得的数据,表明中心区域与外部区域的光谱具有显著区别。天文学家通过对光谱的分析可以获得恒星和气体的运动学和化学元素等信息。

中国科学院上海天文台研究员郝蕾团组对宇宙学空洞中的星系的性质展开了基于光谱发射线的观测数据的分析,发现宇宙学空洞中星系光度比较低,星系质量比较高,恒星形成率比较高,星族更为年轻,这些现象完全是由于空洞中恒星形成星系的更高比例造成的——其比例比空洞外高出接近20%。目前该工作已经发表在2015年9月份的天文期刊《天体物理学报》上。

中国科学院国家天文台研究人员最近利用世界最大积分场巡天数据首次观测到旋涡星系中恒星初始质量函数的变化。恒星初始质量函数是当前星系形成演化的热门话题之一。在星系中,不同质量的恒星往往是在一个分子云中批量形成的。而初始质量函数则描述了恒星形成时,不同质量的恒星所占的比例,即数密度随质量的变化。初始质量函数对星系恒星质量的测量等有重要意义。

空洞星系性质有别于空洞外的星系有两种可能的解释。一种可能是空洞中每一个星系都比空洞外的星系处于更早的演化阶段;另一种可能是空洞中的星系比空洞外面的星系含有更多的光度低、质量小、年轻的恒星形成星系,空洞星系同空洞外星系本身没有差别,总体性质的差别完全是由于组分的不同造成的。

斯隆数字化巡天介绍:该巡天是世界上迄今为止最大规模的星系图像和光谱巡天项目。自本世纪初开始实施,到2014年7月来已完成三个阶段的巡天任务,获得了全天四分之一的光学图像和超过100万星系、类星体和恒星的光学光谱数据,产生了大量具有革命性的天文学研究成果,成为目前用户最多、产出最丰、影响最大的地面光学和红外观测设备之一。从2014年8月开始,斯隆数字化巡天进入第四期,该项目由来自全球四大洲40个研究机构的200余位天文学家共同参与实施。国家天文台与SDSS合作组于2012年12月正式签署合作协议,成为SDSS-IV的所级成员单位。

基于斯隆数字化巡天第七次数据释放选出的星系样本空间分布图,其中星系密度很低的大尺度区域被称为空洞。图片来源:https://news.upenn.edu/news/cosmologists-penn-weigh-cosmic-filaments-and-voids

MaNGA是当前世界上最大的积分场光谱巡天项目,利用多光纤束拍摄星系的积分场光谱,从而得到大量的星系光谱、速度场等信息。