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郭守敬望远镜与斯隆数字巡天数据助力星系对研究

文章来源: 上海天文台       发布时间:2019-06-14

星系是宇宙中的基本结构单元。在由基本宇宙学参数决定的宇宙整体演化基础上,星系自身也经历着复杂的形成和演化过程。其中,星系和星系之间的并合是星系演化过程中所经历的复杂途径之一。近日,综合使用国际合作的斯隆数字巡天(SDSS)和我国郭守敬望远镜(LAMOST)光谱巡天的观测数据,中国科学院上海天文台研究员沈世银领导的科研团组首次精确地测量了一批近距离星系对的二元光度函数,一定程度上揭示了本地宇宙中星系是如何成双成对的。目前,该工作已被国际学术期刊《天体物理杂志》(Astrophysics Journal)接收。


当两个星系成双成对之后,它们两者之间首先会上演一出精彩的双人华尔兹,直到最终合二为一(参见图1)。星系和星系之间的双人舞是如何开始、如何进行、最终又将如何结束呢?这些基本而又复杂的问题是目前星系演化研究领域的热点之一。


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图1. 著名的相互作用星系对M51。其由大的星系为M51a(右),小的为M51b(左)。


随着计算机科学的发展,天文学家利用数值计算的方法对星系并合过程中发生的物理过程进行了模拟。通过模拟发现,星系在成对之后、合并之前这段“双人舞”的时间可以长达10到20亿年。在这段时间中,由于“双人”之间的相互作用,星系中会触发更多的恒星形成。然而,数值模拟并不能考虑到星系并合中实际发生的所有物理过程,模拟得到的结论还需要观测的进一步验证。


由于星系并合的时标非常长,没有办法通过观测去追踪任意一个真实星系对之间将要发生的物理过程。幸运的是,宇宙在对人类关上了“时标”这扇门的同时,打开了一扇“空间”的窗户。如果能够观测到宇宙中大量的“星系对”样本,那么根据宇宙学原理,人们可以知道这些不同的星系对必然处于星系-星系并合过程中的不同状态。也就是说,根据大样本的星系对的统计描述,就可以在一定程度上反演出星系对的并合过程。


最近,上海天文台博士研究生冯帅在导师沈世银的指导下,完成了一项开创性的研究工作——首次精确地测量了一批星系对的二元光度函数。具体来说,这个二元光度函数给出的是不同光度的两个星系构成星系对的概率分布。也就是说,这个二元光度函数告诉了人们本地宇宙中的星系是如何成双成对的。


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图2. 一个典型星系对的观测和证认过程。其中,两个星系的光谱观测先后由斯隆数字巡天(蓝色)和郭守敬望远镜(红色)完成。只有同时获得两个星系的红移(距离),才能最终证认这两个星系是在空间中是真实的成对还是由投影效应所造成。


冯帅进一步介绍说,根据星系对的二元光度函数,研究人员解码出三个结论。首先,星系—星系之间的二人舞从相距50万光年之远开始进行,在更远的距离上,星系的行为完全是一场“单人舞蹈”。其次,在二人舞开始之后,这场舞蹈的进行时间取决于舞蹈中的两位成员的质量:两位舞者中主导成员的质量越大,这场舞蹈的时间就越短。第三个结论就是,在这场舞蹈的高潮阶段,成员星系中会触发更多的恒星形成,而这个高潮阶段的时间可以达到2亿年之久。


值得一提的是,这项系统研究除了利用来自于国际合作的斯隆数字巡天计划的近邻星系观测样本之外,还得到了来自于我国郭守敬望远镜巡天科学数据的帮助。由于光谱观测中的光纤碰撞效应,如果两个星系靠得太近,比如星系对,斯隆数字巡天通常只观测了其中一个星系的光谱,而剩余的那个没有光谱观测的星系就构成了郭守敬望远镜巡天中观测的补充星系样本(图2)。


沈世银进一步介绍说,在这项研究中,研究人员利用了郭守敬望远镜提供的超过7000个星系的光谱数据作为补充,构成了该研究中的一个重要环节。这项研究也表明,郭守敬望远镜的巡天工作除了在银河系研究方面大展身手之外,在河外星系的研究上同样可以做出重要贡献。


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