宇宙中的结构形成

现代宇宙学的中心问题是宇宙中大尺度结构的形成问题.在标准等级成团结构形成理论中, 暗物质主宰着宇宙.今天所观测到的各种结构如星系、星系群和星系团,是通过引力不稳定 性形成.由于引力不稳定性,暗物质的小扰动先坍缩最终形成暗物质晕(或暗晕). 较小的 暗晕通过并合形成较大的暗晕.引力形成的结构的质量分布通常称为质量函数,由观测来确定[1-4]. Press等[5]。     

高红移星系的结构与形态研究

本文主要介绍近年来利用哈勃空间望远镜第三代宽场相机的近红外成像对高红移星系结构形态的研究.对红移1-3区间内宁静星系的研究发现其结构较近邻等质量宁静星系更致密,且有很显著的随红移演化趋势.最近的观测证据建议高红移致密宁静星系可能遵循从内而外的演化图像,干子并合可能在其演化过程中扮演了很重要的角色.在红移z1,正常恒星形成星系的结构演化符合等级成团模型的预言.高红移星暴星系,包括极亮红外星系、尘埃遮蔽星系和亚毫米星系等,多数显示了并合的形态特征,表明主并合可能是触发高红移星暴星系中剧烈星爆活动的主要机制.对高红移活动星系核宿主星系结构形态的研究显示了不同的结果:中低光度X射线选活动星系核宿主星系与比较样本中的正常星系相比并不具有显著更高的并合比例;而高光度类星体宿主星系却具有很高的并合比例.该结果表明主并合可能只在高光度活动星系核的核活动触发过程中扮演主要角色.诸多观测事实表明星暴星系、致密恒星形成星系、类星体和致密宁静星系可能处于同一演化序列之上,是高红移大质量星系演化过程中的不同阶段.     

星系的暗晕占据分布模型

从星系巡天的观测中可以测量宇宙中星系的分布,而这些我们观测到的可见物质只占据了宇宙组分的很小一部分.如何从观测的星系分布来联系暗物质分布,建立星系与暗晕之间的关联,从而限制宇宙学参数,一直都是星系宇宙学研究领域的一大课题.本文具体介绍了描述星系空间分布的暗晕占据分布模型的主要框架和参数形式,并介绍了模型的一个简单应用.这个模型被广泛用于解释观测到的星系分布的两点相关函数,通过模型构建星系和暗晕之间关联,可以从理论上获得不同星系样本所在暗晕质量分布的信息,这对于我们理解星系形成与演化模型以及限制宇宙学参数都有着重要的意义.     

星系团Abell 2255的恒星形成性质

研究了星系团Abell 2255中184颗成员星系的恒星形成性质.通过对这些星系的形态分类,发现星系光谱在4×10-7m处的跃变程度对区分星系类型非常有效.该星系团中星系的恒星形成活动和星系所处的环境有关,并且不同形态的星系随投影距离的变化趋势遵循不同的规律.此外还确认了团星系的金属丰度与恒星质量之间的相关性,并推断星系团Abell 2255是在单个星系形成后,经过引力相互作用而形成的,这一结果支持了等级成团理论.     

星系中心大黑洞的宇宙学演化

在冷暗物质晕等级成团宇宙学模型中,伴随着暗物质晕并合,星系中心黑洞也断地并合和增长.于展Press-Schechter公式（EPS）我们编写了一自适应时间长Monte Carlo程序,重构了表征暗物质晕等级成团并合树.在成功地建立了黑洞和暗物质晕宇宙学演化模型后,我们通过引入直接吸积（包标准薄盘吸积和磁流体力学吸积）和随吸积两类黑洞吸积模式,论了黑洞自旋和质量宇宙学演化.通过与观测到AGN光度函数比较,我们发现黑洞通过磁流体力学吸积模式增长,与观测符合最好.于以上理论框架,我们还研究了双大质量黑洞演化,发现双黑洞通过共转气体吸积盘吸积对双黑洞质量比分存在显著影响.     

星系与子暗晕的统计联系

伴随N体数值模拟精度的不断提高,不仅暗物质晕的成长历史可以被追踪,位于暗物质晕势场中的子暗晕的成长历史也能够被追踪.与暗物质晕相比,子暗晕和星系的关联更为紧密.由此发展出一系列以子暗晕为基础的研究星系与子暗晕统计联系的研究工作.这类方法介于传统的暗晕占据分布模型和星系形成半解析模型之间.星系的位置和速度通过追踪数值模拟中的子暗晕的轨道和并合历史来预言.星系的物理性质如恒星成分质量、光度、颜色等由统计的参数化模型和其所在暗晕/子暗晕的性质直接联系起来,而并不通过模拟具体的恒星形成以及反馈等过程确定.本文总结并介绍这类星系与子暗晕的统计联系的方法,举例说明典型模型的建立过程,并指出星系-子暗晕关联模型的优势和应用时需要注意的问题.     

宇宙中的双黑洞

在星系形成的等级结构模型中,亚星系的结构先形成,之后再不断地通过并合形成越来越大的星系.伴随着星系的并合,星系中心的大质量黑洞也不断经历并合.在富气体星系的并合过程中,气体落入星系的中心,可能触发恒星的形成和黑洞的吸积.黑洞不断通过并合和气体吸积,从小到大形成现在观测到的在不同红移处的超大质量黑洞,因此,在星系的演化过程中,不同红移处必然存在很多大质量黑洞双体系统,甚至三体系统.本文将主要对宇宙中大质量双黑洞的观测和理论做一个简要的评述.美国升级后的激光干涉引力波天文台宣称首次直接探测到了引力波,该引力波源为几十倍太阳质量黑洞双星的并合.这么大质量的致密双黑洞是如何形成的?它们的并合率为什么这么高?本文也会简单提及恒星级双黑洞的形成和演化模型.     

一对近邻大质量早型星系的并合性质

星系并合在星系的形成与演化中具有关键作用,利用深度曝光成像观测数据,研究了一对相互作用星系的并合性质以及其中一个星系壳状结构的起源.结果表明:壳状结构的g-i颜色较星系中心处蓝,多波段能谱分布显示壳状结构的u*波段颜色较核心更蓝.这说明星族年龄更年轻或金属丰度更低,因此壳状结构来源于次并合,其所产生的壳状结构为主星系贡献了14.1%的恒星质量. 2个星系各自整体的能谱分布表明它们的星族性质十分接近,结合中性氢的观测结果可知这对星系正在进行主干并合(major dry merger).通过对并合时标的估算得出在没有新的并合事件发生的情况下,这对星系将在～1.4 Gyr后并合成为1个恒星质量为～2×1011M⊙的贫气体星系.     

星系团Abell 2199的动力学子结构

近年来Sloan巡天的光谱观测使近邻富星系团Abell 2199的成员星系数目增加了近两倍.基于该星系团1.5 h-1Mpc范围内的366颗成员星系的位置和红移信息,对其动力学结构进行了分析.计算出中心cD星系的本动速度为(189±45)kms-1,说明cD星系在星系团完全维力化之前就形成了.从这些星系的空间分布和局域视向速度分布中,发现了三个明显的子团.这些子团的并合现象表明,星系团Abell 2199远未达到动力学平衡状态,从而支持了星系团形成的等级模型     

星系中的恒星形成活动的熄灭过程

宇宙平均恒星形成率密度在z～2达到峰值后持续下降,这意味着平均而言,星系中的恒星形成活动在逐渐减弱甚至"熄灭",这种减弱和熄灭的过程主导着过去上百亿年的星系演化历史,百亿年前占据主导地位的星爆星系在今天的宇宙中已不多见,而红星系的比例则上升为百亿年前的两倍有余.到底是哪些物理机制造成星系中恒星形成活动的熄灭?这些机制在不同的星系、环境以及宇宙时期所起的作用有何不同?这些是当前星系形成领域的关键科学问题,21世纪以来的大规模多波段图像和光谱巡天观测极大地促进了对这些问题的认识.本文试图对当前研究结果稍作总结,考虑到中央星系和卫星星系的显著区别,先对两类星系分别讨论,然后将二者综合起来,总结了导致恒星形成活动熄灭的三个主要物理过程:大质量暗物质晕中的Halo Quenching效应(下落气体激波加热、潮汐力和冲压导致的气体剥离)、棒状结构和次并合驱动的星系自演化(Morphology Quenching、活动星系核反馈)、以及中小质量星系的主并合(早型星系和经典核球的形成).需要强调的是,这种对现有观测现象的总结只能是经验性的和阶段性的,下一步既要从观测上继续深入研究(更大样本、更多波段、更高红移),以改进和完善观测结果,更重要的还要及时和充分地利用最新观测结果来检验和限制星系形成的物理模型(如半解析模型和流体动力学数值模拟).     

星系团Abell 1795的形态和动力学研究

基了SDSS和NED关于星系团Abell1795的1．5h^-1Mpc范围内154个成员星系的位置和红移信息,对该朋的动力学结构和形态进行了分析．计算出中心CD星系的本动速度为235±72km·s^-1,说明cD星系在星系团完全维里化之前就已经形成．从这些星系的空间投影分布和局域视向速度分布中,发现了正在并合之中的一个子闭,进一步说明了该星系团并未处于动力学平衡状态．该星系团中心区域早型星系的比例显著偏高,说明中心区域的恒星彤成率偏低．外围区域晚型星系所占的比例略高,可能预示着气体、尘埃等的存在,表现出恒星形成的活跃．团星系的空间延展方向和中心CD星系的方位角一致,在观测上支持了等级成团理论．     

科学家谈天文学重要方向 星系的演化

正星系的形成和演化是天体物理的前沿领域。该领域以现代宇宙学提供的大尺度结构形成和演化的成熟理论作为基本框架,通过观测和统计研究宇宙各时期星系的形态结构、星族构成、气体吸积、恒星演化、黑洞成长、化学元素、恒星和气体动力学等物理性质及其演变过程,试图阐明宇宙中各类星系的物理起源、演化关系以及它们与宇宙大尺度结构的物理联系,从而总结出支配星系演化的普适物理规律。目前被普遍接受的星系形成理论认为,星系在暗物质晕中形成和演化,其基本图     

星系空间取向的理论和观测研究

星系在空间的分布并非随机,在不同的尺度上呈现不同的排列特征.在星系和星系团等中小尺度上,卫星星系的分布倾向于分布在中央星系的主轴方向上.在大尺度上,中央星系的主轴倾向于指向大尺度的物质分布,如平行于大尺度的纤维结构.在更大尺度上,星系的主轴之间也有一定的取向关联.此外,星系的角动量也与大尺度物质分布有一定的关联.本文将回顾星系空间取向的相关理论和观测研究的进展,指出小尺度上星系的空间各项异性主要是由非球对称的暗物质晕决定的,与大尺度物质分布的相关性正是冷暗物质模型下结构形成的典型特征,研究星系在不同尺度上的各项异性分布有利于理解星系形成物理和限制暗物质、暗能量模型.     

星系团的性质与其最亮成员星系中的恒星形成活动的相关性

基于哈勃空间望远镜的CLASH巡天观测数据,对其中23个大质量的、红移范围在0.18z0.89的星系团的物理性质(质量、中心区域的熵等)与其最亮成员星系(最亮团星系)中的恒星形成活动间的关系进行了研究。研究表明最亮团星系的恒星形成率与其宿主星系团的质量、中心区域的熵值存在明显的相关:质量越小、中心区域熵值越低的星系团中其最亮团星系的恒星形成率越高,而与最亮团星系本身的物理性质(如恒星质量)几乎不存在相关。研究结果意味着:造成中等红移最亮团星系中的恒星形成活动的冷气体来源于其宿主星系团内的热气体冷却,而不是星系本身。     

A2142星系团子结构中的星系演化

系统整理了星系团A2142的光谱和测光数据．利用花树算法得到的子结构,将星系团视场中的星系分为非子结构、子结构和外围星系3类．通过研究它们的分布、产星活动、D_n4000等物理信息,发现了A2142星系团中的星系存在明显的径向演化趋势．星系从星系团外围落入团中心的过程中,其演化不仅受到星系团内介质的影响,还受到子结构自身的调制．      

星系紫外深场巡天观测进展

紫外波段是星系能谱分布中的重要部分.其包含大量原子、离子和分子的共振线以及研究重要物理过程的连续辐射,提供了理论研究重要的观测限制.在星系研究中,紫外辐射追踪大质量恒星,是测量和理解宇宙中恒星形成历史的重要工具.紫外辐射也可追踪大质量黑洞吸积盘,是理解吸积物理过程的重要手段.其涉及的关键科学问题包括宇宙正午时期的恒星形成历史与星系演化、宇宙重子物质缺失、宇宙再电离能量来源以及星系吸积和外流反馈等.本文重点阐述了紫外深场巡天观测的发展现状及其在星系科学研究中发挥的作用.主要介绍了深场仪器的基本参数、深场观测的目的和任务,以及数据及科学产出,并对国内外正在计划中的未来紫外观测进行了总结和展望.     

并合星系团MACS J0358.8-2955再分析

尝试用最新的方法重新分析并合星系团MACS J0358.8-2955，给出并合事件的更多细节:在光学波段，采用花树算法寻找星系团子结构，确认了2个子结构的存在，并给出了具体成员；在X 射线波段，通过X射线光谱拟合，得到星系团内介质的红移分布，既给出了X射线气体与光学星系关联的直接证据，也呈现出2个子团的接近路径；ClusterPyXT工具生成的高分辨率温度图还揭示了周围环境中的激波加热信号，给出了并合成分的运动轨迹．新方法提供的光学星系和热气体的视向速度运动信息，较好地补充了星系团MACSJ0358并合过程的已有认识，构建出一个完整的并合早期三维图景．      

SDSSDR9星系对中恒星形成速率的测量与研究

星系演化是天体物理研究领域的重要课题和前沿之一.其中,星系并合演化理论在其中具有至关重要的地位.恒星形成速率是这一研究的重要参数之一.近些年来,对于恒星形成速率测量方法的研究更是取得了长足的进展.本论文选取了SDSS DR9中0z≤0.3的3 444个星系对以及4 000个场星系作为样本,通过对恒星形成速率的计算来对比研究星系相互作用对星系演化所起的作用.     

团星系和场星系的恒星形成性质

通过对团星系和场星系的聚度参数、特征恒星形成率、星系中包含的恒星质量、金属丰度等物理参量的比较,研究了处在不同引力环境中星系的恒星形成性质.研究表明,聚度高的星系主要居于星系团中,大部分低质量星系是场星系,星系的特征恒星形成率与恒星质量和金属丰度之间存在着显著的相关.另外,团星系和场星系在红移小于0.1的范围内仍表现出了明显的宇宙学演化效应.     

DAMPE首个宇宙线电子观测结果的科学意义

 1933年F.Zwicky利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。发现它们的速度弥散度太高,对应的质光比在100以上。因此星系团中应该存在大量的不可见物质,这开启了现代暗物质研究。之后陆续有支持暗物质存在的研究结果出现,1970年V.C.Rubin和W.K.Ford对仙女座大星云中星体旋转速度开展了高精度的光谱测量,探测到了远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着或者牛顿引力定律是不正确的,或者星系中有大量的不可见物质并不分布在星系核心区,并且其质量远大于发光星体的质量总和。由此开始,星系及星系团中暗物质存在这一假说逐渐被天文学界广泛接受。