星系的多波段形态学研究收获新发现

 

   

图1.由不同的空间和地面望远镜成像观测得到的星系M81在20个波段的图像，波长覆盖远紫外—近红外。

 

 

太阳成集团tyc539天文系教师毛业伟博士带领的研究小组通过分析由空间和地面望远镜观测到的远紫外—近红外多波段成像数据，得到了星系形态随波长的函数变化关系，并构建出星系核球和盘的多波段图像。远紫外—近红外的波长范围实现了对星系中的恒星光谱能量分布（SEDs）的全覆盖，也首次让人们能够领略星系形态在如此宽广的波长范围中如何变化。该研究更新了人们对星系形态的认知，对于近邻星系子结构的深入研究和高红移星系的研究都具有指导意义，有助于让星系形成和演化的大剧本更加完善。

 

 

【研究背景】

星系的形态是星系最基本的属性，其中蕴含着星系形成和演化的信息。传统上对星系形态的观测及相关研究都是在单一波段进行，包括星系形态的证认结果也多来自单一波段。由于受到观测波段的限制，同一星系在不同的波长窗口会呈现出怎样的外观一直以来都没有明确的答案。在这种情况下，单一波段得到的形态特征用于其它波段就可能给研究结果带来很大的不确定性。如今，多波段天文学正在蓬勃发展，关于星系形态的多波段研究的条件已经具备。

 

【研究对象和方法】

这项研究的对象是近邻星系M81（又名NGC 3031），它是位于北天大熊星座的著名星系，哈勃形态分类为早型旋涡星系（SAa），兼有大核球和显著的盘结构；M81距离银河系很近（约3.6 Mpc），因此视尺度大，空间分辨率高（~ 1 kpc arcmin^-1）；对M81的空间和地面观测非常丰富，多波段数据齐全。这些特点使得M81是对星系核球和盘进行多波段空间分解（Spatially Resolved）研究的理想对象。该研究搜集了目前已有的空间和地面望远镜/巡天项目观测到的远紫外—近红外一共20 个波段的成像数据（图1），通过面亮度轮廓拟合对星系的核球和盘进行解构（图2），从而得到核球和盘在20个波段的图像以及相应的形态学参数。

 

   

图2.星系M81核球-盘解构方法示意图，以Spitzer-IRAC 4.5 μm波段为例。左图展示了星系的观测图像、模型图像、观测减模型后的剩余残差图像，其中模型图像包括两个Sérsic成分（分别代表核球和盘）和一个PSF成分（代表星系中心活动星系核）；右图是星系和各成分的面亮度轮廓图。

 

【研究结果及意义】

形态学参数Sérsic指数（n，反映亮度的聚集程度）与波长的函数关系清楚呈现了M81核球和盘的形态随波长的变化（图3）。核球的聚集程度从 λ < 3000 Å 的紫外波段到 λ ~ 6000 Å 的光学波段急剧增加（即形态从趋近于扁平状向趋近于球状转变），在 λ > 6000 Å 的更长波长（光学→近红外）保持球状形态不变；相比之下，星系盘的形态更加稳定，在光学到近红外的波长范围中，Sérsic指数几乎恒定为1，即为指数分布的形态，而在紫外波段 n < 1，表明星系盘的紫外形状异常平坦（见图3左图中的标识）。

 

值得注意的是，核球形态随波长的变化将导致核球在不同波段可能被证认为不同的类型。M81的核球在光学—近红外波段是经典核球（Classical Bulges，n ~ 3—5），然而在紫外波段却落入伪核球的类别中（Pseudo-bulges，n ~ 1）。这一“变脸”现象意味着如果仅通过紫外波段（静止波长）观测，那么经典核球就会被误判为伪核球甚至无核球（见图3右图中的标识）。

 

经典核球在紫外波段的伪核球或无核球表现意味着目前高红移星系研究结果中的核球（包括球状星系）的数目可能被低估，这是因为观测高红移星系的波段多位于静止波长的紫外波段。不过令人期待的是，正在运行的詹姆斯-韦布空间望远镜（JWST）将在更长波长的窗口重新审视高红移星系的形态——JWST观测的高红移星系静止波长将移至光学波段，根据这项研究的结果，在光学波段经典核球不会表现为伪核球或无核球的外观，形态证认结果更加可靠；新的观测证认结果也将检验目前的星系形成和演化理论是否准确或需要修改。

 

   

图3.星系M81核球和盘的Sérsic指数（n）与波长的函数关系图。图中红色和蓝色数据点分别代表核球和盘；点虚线和点线分别是二次多项式和双斜率线性最佳拟合曲线。左右两幅图的数据点和曲线相同但附加不同的标注——左图标出函数关系趋势，右图标出核球形态类别的波长分歧（“变脸”）。

 

【后续研究计划】

这项研究所获得的星系核球和盘在远紫外—近红外20个波段的图像将在接下来的研究中用于构建这两个基本子结构系统的二维SEDs，从而让研究人员可以绘制出核球和盘的年龄、金属丰度等物理参数的空间分布，由此推断它们各自的形成和演化过程，并结合对星系的数值模拟，构建M81这类早型旋涡星系的组建、成长历史。

 

 

著名天文学家、美国艺术与科学院院士、国际天文学权威期刊《The Astrophysical Journal Letters》（ApJL）副主编、北京大学科维里天文与天体物理研究所主任/所长何子山教授（Prof. Luis C. Ho）对该研究评价道：

“Galaxies are highly complex ecosystems consisting of many components that are yet to be fully understood. An important first step is to perform careful, quantitative measurements of their internal structure. This detailed analysis of the multiwavelength properties of the nearby galaxy M81 is an important step toward this goal.”

（译：“星系是由众多成分构成的高度复杂的天体生态系统，而目前对星系及其组成成分的了解却远非完善。全面认识星系重要的第一步是对它们的内部结构进行仔细的量化测量。这项对近邻星系M81的多波段性质进行细致分析的工作是向着这个目标迈进的重要一步。”）

 

该研究的论文发表在国际天文学权威期刊《The Astrophysical Journal Supplement Series》（ApJS）上，题为《Multiwavelength Bulge–Disk Decomposition for the Galaxy M81 (NGC 3031). I. Morphology》，作者是太阳成集团tyc539天文专业研究生龔俊宇，广州大学教师毛业伟（通讯作者），美国夏威夷大学博士后研究员高桦，德国马克斯-普朗克射电天文研究所洪堡博士后学者余思悦。

 

该研究得到国家自然科学基金项目(NSFC)、国家天文科学数据中心粤港澳大湾区分中心、广东省高校和广州市天文观测与技术重点实验室的支持以及北京大学科维里天文与天体物理研究所(PKU-KIAA)的协助。

 

研究论文链接：

https://doi.org/10.3847/1538-4365/acd554

https://arxiv.org/abs/2306.01605