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如何給星系做體檢分類(lèi)別？ | 賽先生天文

2022/06/15
導(dǎo)讀
“音叉”變“梳子”，星系分類(lèi)圖譜更新
哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的IC 427（Arp 40），圖片來(lái)源：NASA, ESA, and B. Holwerda (University of Louisville Research Foundation, Inc.)

  • 導(dǎo)讀

浩瀚的宇宙中，分布著數(shù)以?xún)|計(jì)的、形態(tài)各異的星系，這些動(dòng)人的天體構(gòu)成了宇宙大廈的基石，見(jiàn)證了宇宙百億年的歷史。在漫長(zhǎng)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并；有的星系則踽踽獨(dú)行，在屬于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(zhì)，如何通過(guò)百億歲的星系化石，理解歲月長(zhǎng)河中它們所經(jīng)歷的、紛繁復(fù)雜的物理過(guò)程，是眾多天體物理學(xué)家畢生的追求。本期賽先生天文，讓我們一起給這些星系做個(gè)體檢，重新分分類(lèi)！

撰文 | 陳燕梅（南京大學(xué)）責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

  • 積分視場(chǎng)光譜巡天：星系的全身檢查


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

近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大規(guī)模的光譜巡天（如Sloan Digital Sky Survey，簡(jiǎn)稱(chēng)SDSS；The Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope，簡(jiǎn)稱(chēng)LAMOST）成為了天文觀(guān)測(cè)的突破口，獲得了數(shù)以十萬(wàn)、百萬(wàn)甚至千萬(wàn)計(jì)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(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星系的中心區(qū)域，并通過(guò)單根光纖把望遠(yuǎn)鏡收集到的輻射傳輸?shù)焦庾V儀上進(jìn)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(qū)域的性質(zhì)（見(jiàn)圖1上）。一個(gè)星系的典型結(jié)構(gòu)包括位于中心區(qū)域的由老年恒星組成的核球 + 核球外圍的由年輕恒星主導(dǎo)的盤(pán)，核球和盤(pán)這兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)具有截然不同的性質(zhì)和形成歷史。所謂“管中窺豹，只見(jiàn)一斑”，如果只看到星系的中心區(qū)域，那么對(duì)于星系的理解將如盲人摸象一般片面。

圖1: 典型的星系結(jié)構(gòu)示意圖，上圖中紅色圓圈表示SDSS單光纖光譜覆蓋區(qū)域，中圖中正六邊形為SDSS-IV MaNGA視場(chǎng)范圍，下圖顯示的六邊形積分視場(chǎng)單元是由很多根光纖捆綁在一起的集合，每根光纖觀(guān)測(cè)星系不同區(qū)域，輸出相應(yīng)光譜，圖片來(lái)源：作者供圖

科學(xué)的需求推動(dòng)了積分視場(chǎng)單元（Integral Field Unit, IFU）觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，極大地提高了具有空間分辨能力的星系二維光譜觀(guān)測(cè)的效率，使得一批大樣本近鄰星系IFU觀(guān)測(cè)項(xiàng)目得以順利展開(kāi)（如SAURON, Atlas3D, CALIFA, SAMI及SDSS-IV MaNGA）。以MaNGA項(xiàng)目為例，其空間分辨能力的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)為其可以通過(guò)將多根光纖捆綁在一起，每根光纖輸出相應(yīng)觀(guān)測(cè)位置的光譜，進(jìn)而達(dá)到對(duì)星系進(jìn)行全身檢查的效果（圖1中、下），部分檢查結(jié)果示例如圖2。


圖2：MaNGA星系觀(guān)測(cè)性質(zhì)示例。從左往右分別為恒星速度場(chǎng)、Hα發(fā)射線(xiàn)輻射強(qiáng)度、氣體速度場(chǎng)。速度場(chǎng)中，綠色代表相對(duì)觀(guān)測(cè)者靜止，藍(lán)色代表靠近觀(guān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)，紅色代表遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者，圖片來(lái)源：Francesco Belfiore

  • 從哈勃音叉形態(tài)分類(lèi)到梳形序列


20世紀(jì)中葉，近鄰宇宙中常見(jiàn)的各形態(tài)類(lèi)型的星系均已被發(fā)現(xiàn)。面對(duì)千奇百怪的星系，埃德溫·哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）于1936年提出了使用音叉圖來(lái)分類(lèi)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(tǒng)稱(chēng)晚型星系）。一個(gè)優(yōu)秀的分類(lèi)系統(tǒng)能夠引導(dǎo)人們透過(guò)現(xiàn)象思考背后的物理本質(zhì)。進(jìn)一步對(duì)星系性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，沿著哈勃音叉從左往右，星系的星族趨于年輕化，顏色由紅變藍(lán)，中心聚集度降低。自提出以來(lái)，哈勃分類(lèi)法一直流行于業(yè)余與職業(yè)天文學(xué)界。

Atlas3D積分視場(chǎng)單元巡天的開(kāi)展，使得天文學(xué)家對(duì)早型星系運(yùn)動(dòng)學(xué)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了質(zhì)的變化，也導(dǎo)致了變革的降臨。在可見(jiàn)光圖像中，早型星系看起來(lái)光滑平整，一般認(rèn)為其恒星成分是在更圓滑的范圍內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，彼此的角動(dòng)量互相抵消，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的凈自轉(zhuǎn)十分不明顯。Atlas3D研究團(tuán)組結(jié)合圖像與自轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)早型星系（甚至是橢圓星系）都是快速自轉(zhuǎn)的橢球體，自轉(zhuǎn)速度幾乎與旋渦星系相當(dāng)，早型星系應(yīng)該被重新分類(lèi)為“慢速自轉(zhuǎn)體”與“快速自轉(zhuǎn)體”兩類(lèi)。由此，研究團(tuán)組成員指出，“外觀(guān)可能是具有欺騙性的。我們驚人的新結(jié)果是，對(duì)于被專(zhuān)業(yè)天文學(xué)家歸類(lèi)為橢圓的星系來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤分類(lèi)的比例可高達(dá)66%！”

研究小組基于這些發(fā)現(xiàn)提出了替代哈勃音叉圖的分類(lèi)法：Atlas3D梳形圖（圖3右）。它將早型星系沿梳柄排布，自轉(zhuǎn)速度依次遞增，而旋渦星系占據(jù)的是三支梳齒而非音叉的兩叉?？焖僮赞D(zhuǎn)的星系位于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(lái)的。

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(lèi)；（右）Atlas3D梳形圖，自轉(zhuǎn)速度由左到右依次遞增。圖片來(lái)源：https://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/

  • 陰差陽(yáng)錯(cuò)的偶遇：出乎意料的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征


圖4：三個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致星系速度場(chǎng)示例。從上到下，分別為氣體與恒星反轉(zhuǎn)、具有兩個(gè)反轉(zhuǎn)恒星盤(pán)，及兩個(gè)反轉(zhuǎn)氣體盤(pán)的星系。從左往右顯示了SDSS多色圖像，粉紫色六邊形標(biāo)出了MaNGA IFU覆蓋區(qū)域、恒星速度場(chǎng)、氣體速度場(chǎng)，以及不同盤(pán)成份的模型圖，藍(lán)色代表氣體盤(pán)，紅色代表恒星盤(pán)。速度場(chǎng)中，綠色代表相對(duì)觀(guān)測(cè)者靜止，藍(lán)色代表靠近觀(guān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)，紅色代表遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者，圖片來(lái)源：作者供圖

一個(gè)關(guān)于恒星形成的非常粗糙的認(rèn)知是星系中致密冷氣體在自引力作用下塌縮形成，這幅圖景中，恒星起源于氣體，因而繼承了氣體的角動(dòng)量。因此，恒星成份和氣體成份具有相同的旋轉(zhuǎn)方向（如圖2）。30多年前，天文學(xué)家基于沿著星系某一特定方向（如主軸）的長(zhǎng)縫光譜觀(guān)測(cè)，陸續(xù)報(bào)導(dǎo)了在個(gè)源中發(fā)現(xiàn)的一些奇特運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，主要包括氣體 - 恒星，恒星 - 恒星，氣體 - 氣體旋轉(zhuǎn)方向不一致。這些小樣本的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究持續(xù)了大概十多年時(shí)間，而后卻戛然而止，并未引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。

21世紀(jì)初，隨著大樣本積分視場(chǎng)單元巡天項(xiàng)目的推進(jìn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致星系再次進(jìn)入了天文學(xué)家的視野。統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，星系運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象的出現(xiàn)概率對(duì)星系的類(lèi)型有很強(qiáng)的依賴(lài)，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(lèi)運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致星系的例子，從上到下，分別為氣體盤(pán)與恒星盤(pán)反轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)的恒星盤(pán)，及兩個(gè)反轉(zhuǎn)的氣體盤(pán)示例。

大量運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象的涌現(xiàn)，吸引著人們探索它的成因。如果我們把星系看成一個(gè)孤立系統(tǒng)，因?yàn)楹阈莵?lái)源于氣體吸積，從角動(dòng)量守恒的角度，這個(gè)過(guò)程中氣體及恒星成份的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向應(yīng)該是一致的。雖然星系內(nèi)部的超新星爆發(fā)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(huì)擾動(dòng)星系中的氣體運(yùn)動(dòng)學(xué)，但該過(guò)程導(dǎo)致星系尺度反轉(zhuǎn)盤(pán)的可能性微乎其微。

事實(shí)上，星系的演化歷程與一個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)程有一定的相似之處，由內(nèi)因和外因共同作用。既然內(nèi)部過(guò)程難以導(dǎo)致星系尺度的運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象，那么我們只能放眼外部環(huán)境因素。這些因素包括：并合和氣體的吸積（包括從宇宙網(wǎng)、暗物質(zhì)暈及小個(gè)子富氣鄰居星系的吸積）。

  • 環(huán)境影響：星系生命中的漣漪還是命運(yùn)的主宰

星系從其外部吸積角動(dòng)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(huì)觸發(fā)新恒星的形成，因此一個(gè)直接的問(wèn)題就是外部氣體的吸積如何影響星系的后續(xù)演化？只是在星系的生命歷程中激起一絲漣漪，還是會(huì)完全改變星系的命運(yùn)？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們不得不綜合考慮內(nèi)部因素和外部因素。我們從最簡(jiǎn)單的假設(shè)和模型出發(fā)，列舉三種不同的情況下，外部氣體的獲取對(duì)星系演化的可能影響：

  1. 一個(gè)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(dòng)量方向不同的氣體（圖5左上），只要恒星盤(pán)和氣體盤(pán)不共面或者不垂直，那么氣體盤(pán)就會(huì)受到來(lái)自于恒星盤(pán)的力矩作用，向恒星盤(pán)靠近直至共面（圖5左下）。這個(gè)過(guò)程中，氣體和恒星間的相互作用，由于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(gè)小插曲，使其獲得一個(gè)反轉(zhuǎn)氣體盤(pán)，不影響星系其它性質(zhì)。
  2. 一個(gè)富氣的漩渦星系，從其外部獲得角動(dòng)量方向相反的冷氣體，且所捕獲的外部氣體的角動(dòng)量大于星系中原有氣體角動(dòng)量（圖5中）。由于氣體與氣體的碰撞截面很大，星系中的原有氣體會(huì)與外部氣體發(fā)生相互作用，導(dǎo)致角動(dòng)量重新分布。極端情況下，我們假設(shè)兩部分氣體的角動(dòng)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(fā)中心星暴的同時(shí)因外部缺乏冷氣體而抑制了星系外圍的恒星形成。
    由于外部氣體的角動(dòng)量大于原有氣體，該系統(tǒng)最終會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)氣體—恒星反轉(zhuǎn)的星系，圖4中第一個(gè)星系就屬于此類(lèi)情，其圖像顯示的中心藍(lán)核是中心星暴的發(fā)生過(guò)的直接證據(jù)。該過(guò)程導(dǎo)致了星系中心一個(gè)類(lèi)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(guò)程還為Atlas3D梳形圖中三支梳齒上的漩渦星系向位于梳齒與梳柄連接處的透鏡星系的演化提供了一種切實(shí)有效的途徑。透鏡星系中氣體—恒星成份的反轉(zhuǎn)高于其它類(lèi)型星系，這一觀(guān)測(cè)現(xiàn)象是該演化軌跡的有效支持。
    圖5：三種不同情形下，外部氣體的吸積對(duì)星系演化的影響示意圖。紅色橢圓代表恒星盤(pán)，藍(lán)色點(diǎn)線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)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(lán)色實(shí)心圓代表新形成的類(lèi)核球成份。箭頭長(zhǎng)短代表角動(dòng)量大小，同樣紅色為恒星成份的角動(dòng)量，藍(lán)色為氣體成份，圖片來(lái)源：作者供圖
  3. 與 2 類(lèi)似，富氣的漩渦星系獲取外部角動(dòng)量相反的冷氣體，但原有氣體的角動(dòng)量大于外部氣體（圖5右），這時(shí)星系的最終命運(yùn)也與2）類(lèi)似，唯一的差異是氣體盤(pán)的最終角動(dòng)量由原有氣體主導(dǎo)，氣體與恒星共轉(zhuǎn)而非反轉(zhuǎn)。另外，星系并合也是星系運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象的可能起源之一。數(shù)值模擬顯示，曾經(jīng)的并合過(guò)程會(huì)在星系化石的圖像上留下如潮汐尾和殼層結(jié)構(gòu)等暗弱的遺跡特征（圖6）。系統(tǒng)從深場(chǎng)巡天圖像中搜索并合遺跡特征發(fā)現(xiàn)，星系并合對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象的貢獻(xiàn)在早型星系中最高，可以達(dá)到20%左右。由此可見(jiàn)，外部氣體的吸積對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致現(xiàn)象的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于并合作用。
    圖6：星系并合遺跡中的潮汐尾（左圖中淺色旋臂）和殼層結(jié)構(gòu)（右），圖片來(lái)源：The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Legacy Imaging Surveys

  • 寫(xiě)在結(jié)尾

相對(duì)于浩瀚的宇宙而言，人類(lèi)只是一粒微塵。愛(ài)因斯坦說(shuō)“宇宙最不可理解之處，就是它可被理解”。星系中包含的物質(zhì)成份各樣，涉及的物理過(guò)程眾多，它們交織在一起并相互影響，剪不清、理還亂。所以請(qǐng)?jiān)试S作為微塵的天文學(xué)家在試圖理解宇宙規(guī)律的探索中感嘆一句：“難題太多，生命太短！”

從積分視場(chǎng)巡天觀(guān)測(cè)大量發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)不一致星系到今天，才經(jīng)歷了短短十多年，距離充分理解其所經(jīng)歷的紛繁復(fù)雜的物理過(guò)程還很遙遠(yuǎn)，但多波段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的充分結(jié)合，定會(huì)進(jìn)一步幫助我們揭開(kāi)其神秘的面紗。

  • 作者簡(jiǎn)介：


陳燕梅，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授。研究方向?yàn)樾窍档男纬珊脱莼?/span>

  • 參考文獻(xiàn)：

[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., Krajnovi?, 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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