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如何给星系做体检分类别？ | 赛先生天文

2022/06/15
导读
“音叉”变“梳子”，星系分类图谱更新
哈勃望远镜拍摄的IC 427（Arp 40），图片来源：NASA, ESA, and B. Holwerda (University of Louisville Research Foundation, Inc.)

  • 导读

浩瀚的宇宙中，分布着数以亿计的、形态各异的星系，这些动人的天体构成了宇宙大厦的基石，见证了宇宙百亿年的历史。在漫长的生命轨迹中，有的星系呼朋引伴，多次与其他星系擦肩乃至合并；有的星系则踽踽独行，在属于自己的角落感受岁月变迁。星系的不同生命历程造就了其不同的物理性质，如何通过百亿岁的星系化石，理解岁月长河中它们所经历的、纷繁复杂的物理过程，是众多天体物理学家毕生的追求。本期赛先生天文，让我们一起给这些星系做个体检，重新分分类！

撰文 | 陈燕梅（南京大学）责编 | 王馨心、吕浩然

  • 积分视场光谱巡天：星系的全身检查


星系光学波段的观测，主要包含成像和光谱两个方面。图像巡天在为我们描绘出深邃而生动的星系形态的同时，也给出了星系在天空上准确的二维投影位置。而光谱则是标示星系物理性质的指纹，是解锁星系起源奥秘的核心。只有通过光谱观测，我们才能估算星系的年龄，分析星系的化学组分等信息。

近20多年来，国内外大规模的光谱巡天（如Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS；The Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope，简称LAMOST）成为了天文观测的突破口，获得了数以十万、百万甚至千万计的天体光谱信息。

早期的光谱巡天（包括SDSS I-III期、LAMOST）所提供的主要是单光纤光谱：将望远镜对准星系的中心区域，并通过单根光纤把望远镜收集到的辐射传输到光谱仪上进行色散，从而得到光谱，因此光谱携带的信息反映了星系中心区域的性质（见图1上）。一个星系的典型结构包括位于中心区域的由老年恒星组成的核球 + 核球外围的由年轻恒星主导的盘，核球和盘这两个不同的结构具有截然不同的性质和形成历史。所谓“管中窥豹，只见一斑”，如果只看到星系的中心区域，那么对于星系的理解将如盲人摸象一般片面。

图1: 典型的星系结构示意图，上图中红色圆圈表示SDSS单光纤光谱覆盖区域，中图中正六边形为SDSS-IV MaNGA视场范围，下图显示的六边形积分视场单元是由很多根光纤捆绑在一起的集合，每根光纤观测星系不同区域，输出相应光谱，图片来源：作者供图

科学的需求推动了积分视场单元（Integral Field Unit, IFU）观测技术的发展，极大地提高了具有空间分辨能力的星系二维光谱观测的效率，使得一批大样本近邻星系IFU观测项目得以顺利展开（如SAURON, Atlas3D, CALIFA, SAMI及SDSS-IV MaNGA）。以MaNGA项目为例，其空间分辨能力的实现体现为其可以通过将多根光纤捆绑在一起，每根光纤输出相应观测位置的光谱，进而达到对星系进行全身检查的效果（图1中、下），部分检查结果示例如图2。


图2：MaNGA星系观测性质示例。从左往右分别为恒星速度场、Hα发射线辐射强度、气体速度场。速度场中，绿色代表相对观测者静止，蓝色代表靠近观测者运动，红色代表远离观测者，图片来源：Francesco Belfiore

  • 从哈勃音叉形态分类到梳形序列


20世纪中叶，近邻宇宙中常见的各形态类型的星系均已被发现。面对千奇百怪的星系，埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）于1936年提出了使用音叉图来分类星系的概念（图3左），他将椭圆星系（E）和透镜星系（S0）放在了叉柄上（早型星系），而普通旋涡星系与棒旋星系（S与Sb）分处两叉（统称晚型星系）。一个优秀的分类系统能够引导人们透过现象思考背后的物理本质。进一步对星系性质的研究发现，沿着哈勃音叉从左往右，星系的星族趋于年轻化，颜色由红变蓝，中心聚集度降低。自提出以来，哈勃分类法一直流行于业余与职业天文学界。

Atlas3D积分视场单元巡天的开展，使得天文学家对早型星系运动学的认识发生了质的变化，也导致了变革的降临。在可见光图像中，早型星系看起来光滑平整，一般认为其恒星成分是在更圆滑的范围内随机运动的，彼此的角动量互相抵消，导致整个系统的净自转十分不明显。Atlas3D研究团组结合图像与自转数据后发现，大多数早型星系（甚至是椭圆星系）都是快速自转的椭球体，自转速度几乎与旋涡星系相当，早型星系应该被重新分类为“慢速自转体”与“快速自转体”两类。由此，研究团组成员指出，“外观可能是具有欺骗性的。我们惊人的新结果是，对于被专业天文学家归类为椭圆的星系来说，错误分类的比例可高达66%！”

研究小组基于这些发现提出了替代哈勃音叉图的分类法：Atlas3D梳形图（图3右）。它将早型星系沿梳柄排布，自转速度依次递增，而旋涡星系占据的是三支梳齿而非音叉的两叉。快速自转的星系位于梳齿与梳柄的连接处，它们可能是由旋涡星系族群演化而来的。

图3:（左）哈勃的音叉图，将星系清晰地分为椭圆（E）、透镜状（S0）以及旋涡（S与Sb）三类；（右）Atlas3D梳形图，自转速度由左到右依次递增。图片来源：https://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/

  • 阴差阳错的偶遇：出乎意料的运动学特征


图4：三个运动学不一致星系速度场示例。从上到下，分别为气体与恒星反转、具有两个反转恒星盘，及两个反转气体盘的星系。从左往右显示了SDSS多色图像，粉紫色六边形标出了MaNGA IFU覆盖区域、恒星速度场、气体速度场，以及不同盘成份的模型图，蓝色代表气体盘，红色代表恒星盘。速度场中，绿色代表相对观测者静止，蓝色代表靠近观测者运动，红色代表远离观测者，图片来源：作者供图

一个关于恒星形成的非常粗糙的认知是星系中致密冷气体在自引力作用下塌缩形成，这幅图景中，恒星起源于气体，因而继承了气体的角动量。因此，恒星成份和气体成份具有相同的旋转方向（如图2）。30多年前，天文学家基于沿着星系某一特定方向（如主轴）的长缝光谱观测，陆续报导了在个源中发现的一些奇特运动学特征，主要包括气体 - 恒星，恒星 - 恒星，气体 - 气体旋转方向不一致。这些小样本的运动学研究持续了大概十多年时间，而后却戛然而止，并未引起学界的广泛关注。

21世纪初，随着大样本积分视场单元巡天项目的推进，运动学不一致星系再次进入了天文学家的视野。统计研究发现，星系运动学不一致现象的出现概率对星系的类型有很强的依赖，其比例从富气晚型星系中的2～5%快速上升为透镜星系和椭圆星系这些早型星系中的30～40%。图4显示了三类运动学不一致星系的例子，从上到下，分别为气体盘与恒星盘反转，两个反转的恒星盘，及两个反转的气体盘示例。

大量运动学不一致现象的涌现，吸引着人们探索它的成因。如果我们把星系看成一个孤立系统，因为恒星来源于气体吸积，从角动量守恒的角度，这个过程中气体及恒星成份的运动学方向应该是一致的。虽然星系内部的超新星爆发所释放的核能、中心黑洞吸积所释放的引力能等大量能量会扰动星系中的气体运动学，但该过程导致星系尺度反转盘的可能性微乎其微。

事实上，星系的演化历程与一个人的成长过程有一定的相似之处，由内因和外因共同作用。既然内部过程难以导致星系尺度的运动学不一致现象，那么我们只能放眼外部环境因素。这些因素包括：并合和气体的吸积（包括从宇宙网、暗物质晕及小个子富气邻居星系的吸积）。

  • 环境影响：星系生命中的涟漪还是命运的主宰

星系从其外部吸积角动量方向不同的气体，这些气体积累到一定程度，不可避免的会触发新恒星的形成，因此一个直接的问题就是外部气体的吸积如何影响星系的后续演化？只是在星系的生命历程中激起一丝涟漪，还是会完全改变星系的命运？要回答这个问题，我们不得不综合考虑内部因素和外部因素。我们从最简单的假设和模型出发，列举三种不同的情况下，外部气体的获取对星系演化的可能影响：

  1. 一个气体含量可以忽略的早型星系，该星系从其外部获取了角动量方向不同的气体（图5左上），只要恒星盘和气体盘不共面或者不垂直，那么气体盘就会受到来自于恒星盘的力矩作用，向恒星盘靠近直至共面（图5左下）。这个过程中，气体和恒星间的相互作用，由于其碰撞截面很小而可以忽略。这种情况下，外部气体的获取，只是早型星系生命中的一个小插曲，使其获得一个反转气体盘，不影响星系其它性质。
  2. 一个富气的漩涡星系，从其外部获得角动量方向相反的冷气体，且所捕获的外部气体的角动量大于星系中原有气体角动量（图5中）。由于气体与气体的碰撞截面很大，星系中的原有气体会与外部气体发生相互作用，导致角动量重新分布。极端情况下，我们假设两部分气体的角动量相互抵消，气体自由落体到星系中心，大量气体在星系中心聚集，触发中心星暴的同时因外部缺乏冷气体而抑制了星系外围的恒星形成。
    由于外部气体的角动量大于原有气体，该系统最终会表现为一个气体—恒星反转的星系，图4中第一个星系就属于此类情，其图像显示的中心蓝核是中心星暴的发生过的直接证据。该过程导致了星系中心一个类核球成份的诞生以及外部旋臂的消退，星系从漩涡星系演化为透镜星系，从此脱胎换骨。另外，这一过程还为Atlas3D梳形图中三支梳齿上的漩涡星系向位于梳齿与梳柄连接处的透镜星系的演化提供了一种切实有效的途径。透镜星系中气体—恒星成份的反转高于其它类型星系，这一观测现象是该演化轨迹的有效支持。
    图5：三种不同情形下，外部气体的吸积对星系演化的影响示意图。红色椭圆代表恒星盘，蓝色点线和实线分别代表星系中原有气体和外部吸积气体。情形2和3中的蓝色实心圆代表新形成的类核球成份。箭头长短代表角动量大小，同样红色为恒星成份的角动量，蓝色为气体成份，图片来源：作者供图
  3. 与 2 类似，富气的漩涡星系获取外部角动量相反的冷气体，但原有气体的角动量大于外部气体（图5右），这时星系的最终命运也与2）类似，唯一的差异是气体盘的最终角动量由原有气体主导，气体与恒星共转而非反转。另外，星系并合也是星系运动学不一致现象的可能起源之一。数值模拟显示，曾经的并合过程会在星系化石的图像上留下如潮汐尾和壳层结构等暗弱的遗迹特征（图6）。系统从深场巡天图像中搜索并合遗迹特征发现，星系并合对运动学不一致现象的贡献在早型星系中最高，可以达到20%左右。由此可见，外部气体的吸积对运动学不一致现象的贡献远大于并合作用。
    图6：星系并合遗迹中的潮汐尾（左图中浅色旋臂）和壳层结构（右），图片来源：The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Imaging Surveys

  • 写在结尾

相对于浩瀚的宇宙而言，人类只是一粒微尘。爱因斯坦说“宇宙最不可理解之处，就是它可被理解”。星系中包含的物质成份各样，涉及的物理过程众多，它们交织在一起并相互影响，剪不清、理还乱。所以请允许作为微尘的天文学家在试图理解宇宙规律的探索中感叹一句：“难题太多，生命太短！”

从积分视场巡天观测大量发现运动学不一致星系到今天，才经历了短短十多年，距离充分理解其所经历的纷繁复杂的物理过程还很遥远，但多波段观测数据与数值模拟的充分结合，定会进一步帮助我们揭开其神秘的面纱。

  • 作者简介：


陈燕梅，南京大学天文与空间科学学院教授。研究方向为星系的形成和演化。

  • 参考文献：

[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 

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