低红移河外星系中性氢原子气体观测

我们回顾了近年来近邻宇宙星系中HI的研究进展,包括星系怎样吸积HI气体、HI在星系中的含量和分布、HI跟恒星形成率的关系以及环境对星系中HI的影响.近邻宇宙中仍然没有发现直接的证据支持HI吸积,说明这个过程很缓和.星系团、组尺度的环境以及局部星系密度环境对星系中HI含量有很明显的影响,然而我们仍不清楚实现这一过程的具体细节.不同星系内HI的分布具有很多共性,例如HI质量-直径关系,HI盘在光学盘外沿弯曲的普遍性,然而从宇宙学下的星系形成模型上理解这些共性仍然是个难题.在没有可探测的分子气体的低气体面密度区,HI与恒星形成活动有密切联系,表现在恒星形成覆盖面积比例和恒星形成面密度都与HI面密度相关.然而HI和恒星形成之间的联系怎样被激发以及被哪些物理条件约束仍然未明.相信接下来几年到几十年里,射电数据量的大爆炸会让一些未解之谜逐渐明朗.     

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).     

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.     

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.     

河外星系恒星形成的物理规律探讨

冷气体(T<20 K)是星系中恒星形成(SF)的原料,冷气体随引力塌缩成致密分子云核并终将继续塌缩转变成SF到恒星,而SF反馈又推动着星系的形成和演化.详细了解气体的性质,描绘SF和星系的物理关联以及SF对星系的反馈等,是当今极为重要的关键研究.本文主要总结了河外星系中SF的物理规律,探讨了SF与冷气体的相关关系,特别是随着对SF的进一步物理认识,归纳了我们对SF与致密气体关系的系列相关研究,从河外星系整体的研究到对近邻星系空间分解以及与银河系内致密云核的跨度10个数量级的关系;甚至是对更高密度的致密气体,从星系整体到近邻星系空间分解以及河内致密云核的跨度10个数量级的线性相关关系,并指出在ALMA时代SF研究方向的未来发展前景.JCMT的大项目MALATANG提供了对极高密度致密分子气体在近邻星系中大规模分布和SF的认识,了解在星系的中心和更广阔的漩涡盘区各种不同气体状态与致密分子气体和SF之间的物理关联,以及SF和致密分子气体在不同物理尺度上的联系等.随着ALMA/NOEMA的观测推进以及下一代望远镜的投入,有望最终获得不论是遥远或近邻星系从分子云尺度到星系局部、整体各个不同物理尺度上对致密气体和SF的物理性质和规律、多谱线诊断和星系局部SF效率等前沿问题的突破性认识.     

远红外亮类星体的研究进展

远红外亮类星体是极亮红外星系中具有I型活动星系核光谱特征的天体,光学光谱研究表明它们在光学波段的辐射主要由中心活动星系核主导,其中心超大质量黑洞的质量为107~108M☉,且有超爱丁顿吸积率.与光学选类星体相比,远红外亮类星体在远红外波段存在明显的辐射超出,这可能是由其核区周围~1 kpc尺度内的星暴活动(恒星形成率约为几百M☉yr-1)加热尘埃造成.对分子气体进行观测发现远红外亮类星体的宿主星系中存在约109~1010M☉的分子气体,这些分子气体可以为黑洞和核球的增长提供"原料".几乎所有远红外亮类星体都处于富气星系并合的晚期,是极亮红外星系向光学选类星体演化的过渡天体.     

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     

活动星系核中的尘埃

尘埃是活动星系核统一模型的基石,该模型认为呈现不同观测特征的活动星系核在物理本质上属于同一类天体,活动星系核外围绕着一个光学厚尘埃环,不同类型的活动星系核只是因观测者视线相对于活动星系核对称轴的取向不同而已.观测表明,活动星系核中尘埃的组成成分及尺寸与银河系星际尘埃有很大的差别.本文介绍活动星系核核周尘埃的消光和红外辐射以及尘埃可能的化学组成和尺寸分布的研究现状.     

星系形成专辑·编者按

<正>星系形成是天体物理学和宇宙学的前沿领域.如果说20世纪是宇宙学发展的黄金时期,星系研究的黄金时期已于21世纪初悄然来临.经过近一个世纪的发展,一个具有预言力的标准宇宙学模型在20世纪末得以确立,我们进入到所谓的"精确宇宙学时代",这为研究星系提供了强有力的理论框架,再加上新的观测设备和大型计算机不断投入使用,星系形成和演化的研究在过去十多年里取得了快速的发展.观测方面,针对中低红移星系的斯隆数字化巡天(SDSS)从21世纪初以来已成功实施了三期巡天项目,获得     

旋涡星系M81,M51的恒星臂与气体臂的相移

如果考虑到星系盘中主要的非力学能量交换过程(恒星形成及其对气体的加热),就能够对星系密度波的维持以及恒星臂与气体臂之间的相移两个问题,统一地加以解释。应用文[1]和[2]中发展的理论,本文中具体计算了M81、M51两星系的恒星臂与气体臂之间的相移。给出了两星系的星臂及气臂的式样,与21厘米射电观测结果比较表明,理论与观测基本上是符合的。     

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.     

用场发射涨落法研究原子在金属单晶面上的表面扩散

本文介绍了用场发射涨落法研究吸附原子(或分子)在金属单晶面上表面迁移的原理、实验装置和方法以及所取得的新的研究结果。这些研究结果包括:吸附的气体(H_2,O_2,CO等)在W(110)面上的表面扩散;吸附的气体(H_2)在Ni(100)面上的表面扩散;在较高温度时钨台阶表面上钨原子的表面自扩散和热租糙化过程的研究等。     

量子化学从头计算中的电子云移动模型 (Ⅱ)多原子分子

本文用“分子中原子的电子云重心偏离原子核模型”(简称电子云移动模型)从头计算了CH_4,NH_3,H_2O,N_2H_2,C_2H_2,C_2H_4等六个多原子分子,连同本文(Ⅰ)中的H_2,F_2,N_2,CO,BF,HF等六个双原子分子的结果证明,这个模型对于STO-3G和双ζ方法都能使分子总能量明显下降,从而表明在分子中原子电子云重心是互相靠近的而不是固定在原子核位置。这个模型可以用来改善各种量子化学计算结果,而不必对该方法作任何改动。 可用这个模型研究分子的几何构型。     

基于叠加的河外星系中性氢(HI)谱线数据处理方法

中性氢(HI)巡天是探测宇宙气体大尺度结构的重要手段.在对河外星系进行HI巡天的过程中,由于信号本身非常弱,再加上望远镜灵敏度的限制,导致观测数据中大量星系的HI谱线信号被湮没在噪声之中,无法直接观测到.但是利用谱线叠加技术就可以通过叠加一些已知光学红移和位置的星系来提高谱线的信噪比.本文所要介绍的就是将一个星系群中所有成员星系的HI谱线进行叠加得到合成HI谱线的方法.通过这种方法获得的叠加谱线就是该星系群中总的HI辐射.叠加后的谱线由于rms水平的降低而获得比单一成员星系的谱线更高的信噪比,从而使一些在原来单条谱线中并不明显的HI信号在叠加后的合成谱线中显现出来,达到S/N 4.5的水平.谱线叠加过程涉及了大量数据的批量处理,因此我们开发了相关的自动化软件,用来处理美国Arecibo望远镜ALFALFA中性氢巡天观测的数据,成功得到了80多个选自SDSS观测星表的星系群样本的叠加谱线.预计未来我国的FAST望远镜巡天将产生大量的中性氢谱线数据,这一软件将会在大批量处理FAST河外星系HI谱线叠加方面发挥重要作用.     

星系对选择的新方法讨论

了解星系对的空间分布和随时间的演化是研究星系的形成和演化的重要手段之一,而其中完备星系对样本的选择是研究的关键.比起光学波段,在红外波段选择和观测星系对有很多优势.介绍了利用红外望远镜Spitzer卫星的SWIRE(the Spitzer Wide-area Infra Red Extragalactic survey)数据选择完备星系对样本的新方法,比较分析了星系对选源标准,得到了初步星系对样本.     

r-过程核合成的场所和重元素丰度的离散

首先考虑到随前身星质量增加Ⅱ型超新星爆发α元素的产量并不单调增加,从而导致Ⅱ型超新星所污染的星际气体的α元素丰度出现反转的因素,将贫金属星Ba的观测丰度分为2支,其中i支元素丰度产生于较低质量超新星,y支元素丰度产生于较高质量超新星,采用FM2004的Ⅱ型超新星爆发Mg元素的产量,利用Tsujimoto提出的方法,根据观测到的极贫金属星Ba和Mg丰度数值计算各种质量超新星r-过程的产量,得出星系中r-过程元素核合成的主要质量区间.然后,根据得到的不同质量Ⅱ型超新星r-过程的产量关系,改进Fields等所提出的方法,解释观测到的贫金属星中子俘获元素的弥散性;另外,还根据3成份(晕、厚、薄盘)多相模型(气体、分子云、大小质量恒星以及剩余物质),利用所得到的产量计算了r-过程元素的均匀化学演化.     

最新星系演化图

宇宙中有无数的星系。它们的形状千姿百态,有的像旋涡,有的呈圆形。宇宙有大约137亿年的历史,并非一开始就有这些星系,它们是经过了难以想象的漫长岁月才演化成了今天的模样。近年来,天文学家既观测遥远的星系,也观测近旁的星系,已经根据这些观测资料从理论上勾勒出星系的一部演化历史。本文介绍的不是计算机模拟实验的结果,而是根据实际观测资料所推测的宇宙星系在一百多亿年间所经历的变故。     

塞弗特2型星系窄线区的形态

使用国家天台兴隆观测站2．16m望远镜的BFOSC相机，对6个塞弗特2型星系进行了窄带成像观测，并获得了它们的[OⅢ]λ007和Ha [NⅡ]λλ6548，6583发射线像以及邻近的连续辐射像，用来研究其窄线区延展电离气体的形态和性质．根据简化的活动星系核的统一模型，假设窄线区气体成球状分布，那么应观测到塞弗特2型星系的窄线区电离气体成V-状(电离锥)．但观测表明，只在一些塞弗特2型星系中观测到了电离锥，而在另外一些塞弗特2型星系中观测到了简化的活动星系核统一模型所不能解释的窄线区电离气体的“晕”状形态．结合观测结果，讨论了导致在塞弗特星系中观测到窄线区电离锥和其它不同形态的因素以及对活动星系核统一模型的验证等相关问题．