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.     

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.     

高红移爆发源作为早期宇宙和第一代天体的探针

伽玛暴是宇宙中最为明亮的爆发现象,由于它们的高光度,人们可探测到发生在极早期宇宙处的伽玛暴.高红移伽玛暴可作为宇宙深处的灯塔,它们是探索早期宇宙性质的理想工具.利用高红移伽玛暴可以限制暗能量和宇宙学参数,测量高红移的恒星形成率,揭示第一代天体的性质,研究宇宙再电离和金属增丰历史.因此,高红移伽玛暴的观测具有重要的科学意义.相比目前的探测卫星,爱因斯坦探针(EP)拥有更高的灵敏度和更宽的观测视场,且主要观测能段为软X射线波段(0.5–4 keV),非常适合高红移伽玛暴的观测.考虑EP的能力和观测模式,并且借助能够很好解释目前Swift卫星的伽玛暴观测样本的理论模型,详细计算了未来EP对高红移伽玛暴的可能探测率.我们预测EP对z6伽玛暴的探测率约为20 events yr~(-1) sr~(-1),对z8伽玛暴的探测率约为6 events yr~(-1) sr~(-1),对z12伽玛暴的探测率约为1 events yr~(-1) sr~(-1).估计在3年的运行时间内,EP将能探测到约65个z6的伽玛暴,其中包括~20个z8的伽玛暴和~3个z12的伽玛暴.总之,EP有望显著提高高红移伽玛暴的观测能力,这些丰富的观测信息将很有可能揭开早期宇宙的部分科学谜团.     

500m口径球面射电天文望远镜(FAST)对高红移伽玛暴余辉的探测

伽玛射线暴(简称伽玛暴)可以发生在很远的宇宙深处,其余辉(尤其射电余辉)的长时标发射使得长期观测成为可能,从而可测量其红移并证认宇宙学起源和研究寄主星系性质。随着红移的增大,伽玛暴射电余辉的流量密度也会随之减少,这对高红移伽玛暴的探测造成一定的困难。然而,500 m口径球面射电天文望远镜(FAST)具有很高的探测灵敏度,利于对暗弱的高红移暴的观测。我们利用余辉动力学模型分析了射电余辉流量密度随红移(距离)的变化关系,以此评估FAST对高红移射电余辉的观测能力,同时预测其对不同类型伽玛暴射电余辉的探测率。     

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.     

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).     

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.     

近邻恒星形成星系的主序关系

为了验证现有孔径改正方法的有效性,基于一个具有星系总体Hα、Hβ发射线流量和紫外(UV)、远红外(FIR)多波段数据的近邻(150 Mpc)星系样本,研究不受孔径效应影响的Hα作为恒星形成率指示剂的恒星形成主序关系,并对Hα和远紫外(FUV)分别作为恒星形成率探针时的主序关系进行对比.结果表明:不受孔径效应影响的Hα作为恒星形成率指示剂的主序关系与已有的利用孔径改正所得主序关系一致,表明通常采用的孔径改正方法可以还原星系整体Hα流量.此外,利用总红外(TIR)与FUV之比以及FUV-NUV颜色对FUV流量进行尘埃消光改正所得FUV作为恒星形成率示踪物的主序关系一致,表明FUV-NUV颜色对FUV流量进行消光改正没有引入更大的误差.     

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。     

基于积分场光谱数据的近邻星系恒星形成区多波段恒星形成率定标研究

为探究多波段数据相结合的恒星形成率定标在近邻星系恒星形成区的可应用性,基于窄带Hα成像观测数据、二维积分场光谱数据(IFS)以及Spitzer/MIPS 24μm和Herschel/PACS 70、100、160μm的中远红外波段高空间分辨率图像,对5个近邻恒星形成星系中119个恒星形成区进行恒星形成率定标研究.以由IFS数据测得的巴尔末减缩得到的内部消光改正后的Hα光度为基准,将24、70、100和160μm与未经过内部消光改正的Hα光度相结合进行定标.结果发现:在1034~1039 erg/s光度范围内,4个红外波段与Hα光度的结合均能很好地示踪经过内部消光改正的Hα光度,RMS为0.20~0.27 dex.良好的数据分布表明基于较小样本的研究结果具有统计意义和可应用性.     

Lyα森林的接近效应和紫外背景辐射

采用10个中高红移类星体的高分辨率光谱数据作为样本来研究Lyα森林的接近效应.结果表明,接近效应确实存在,并且与谱线的静止等值宽度有关,弱线的接近效应较弱.采用Bajtlik,Duncan和Ostriker(BDO)提出的光致电离模型,我们估算了赖曼系限处紫外背景辐射的平均强度J(ν0).J(ν0)的最佳拟合值为:(1)对W≥0.32×10-10m的Lyα吸收线,log J(ν0)=-21.20;(2)对W≥0.16×10-10m的Lyα吸收线,logJ(ν0)=-21.63;(3)对0.16×10-10m＜W＜0.32×10-10m的Lyα吸收线,logJ(ν0)=-21.85.考虑到一些不确定因素,可认为本文的结果与以往的结果一致.     

Lya森林的接近效应和紫外背景辐射

采用10个中高红移类星体的高分辨率光谱数据作为样本来研究Lyα森林的接近效应.结果表明,接近效应确实存在,并且与谱线的静止等值宽度有关,弱线的接近效应较弱.采用Bajtlik,Duncan和Ostriker(BDO)提出的光致电离模型,我们估算了赖曼系限处紫外背景辐射的平均强度J(ν0).J(ν0)的最佳拟合值为(1)对W≥0.32×10-10m的Lyα吸收线,log J(ν0)=-21.20;(2)对W≥0.16×10-10m的Lyα吸收线,logJ(ν0)=-21.63;(3)对0.16×10-10m＜W＜0.32×10-10m的Lyα吸收线,logJ(ν0)=-21.85.考虑到一些不确定因素,可认为本文的结果与以往的结果一致.     

局部系数应用的假设

宇宙是由许多性质不同的局部宇宙组成的,引入局部系数．在两个局部宇宙中研究银河系与类星体之间大小与质量关系．根据旋涡星系中的恒星的转速与质量关系,找到旋涡星系中的恒星的质量的结构组成,研究旋涡星系中的恒星的转速与各个质量组成关系．     

现代宇宙学中的数值模拟技术和应用

宇宙尺度上物理过程的多样性和高度非线性使数值模拟成为现代宇宙学必不可少的研究手段,它不仅可以细致追踪宇宙结构的形成和演化历史,同时也为观测和理论模型的检验建立了一个桥梁.本文将总结计算宇宙学领域技术方法的最新发展,包括无碰撞粒子N体数值模拟技术,引入重子物理的计算流体方法.在此基础上,我们将针对现代宇宙学的核心科学问题,简要综述数值模拟技术在面向下一代巡天观测,尤其是暗物质和暗能量探测方面的实际应用.此外,我们选择性地讨论了数值模拟在第一代恒星和反馈作用、宇宙中的气体吸积和恒星形成,以及高红移星系盘的形成研究中所发挥的作用.因应下一代大规模巡天的开展和超级计算技术的快速进步,我们也展望了在未来十年计算宇宙学和相关科学可能取得的进展及发展趋势.     

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.     

恒星诞生使宇宙发出第一缕光

由于幼年时期宇宙温度太高,光在那时根本无法闪亮。那么宇宙中的第一缕光线是从哪儿来的呢?通过研究距地球2.81亿光年的一个小星系发出的辐射,天文学家认为,星系内部恒星的诞生可能促使宇宙发出了第一缕光。宇宙被认为产生于距今约137亿年前的“大爆炸”。紧接着“大爆炸”后的宇宙温度极高,物质粒子全部以离子化形式存在。这种情况下,恒星星系这种致密的物质结构无法轻易形成。随着宇宙的膨胀、冷却和去离子化,很多原子核和电子结合在一起,形成了氢和氦这种中性的、原子量小的原子。虽然恒星随后开始形成,但由于宇宙处于去离子化状态,光很…     

两类Seyfert星系的黑洞质量与吸积率

收集了89个Seyfert星系样本,利用反响映射法和恒星弥散速度法计算了Seyfert星系的黑洞质量,分别研究了Seyfert 1和Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间的相关性,结果发现Seyfert 1星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间具有强相关性,Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率之间具有弱的负相关性,与热光度和红移之间具有弱相关性.两类Seyfert星系的区别除了源于吸积盘倾角不同外,还可能与星系的环境、演化和星系核的活动有关.     

相变效应理论

研究了天体恒星、行星、卫星等宇宙星系的自转和不同步公转而产生观测周期差的主、次要原因及其组成部分,分析了Romer天文学方法测光速理论分析的错误,修正了Romer天文法测光速的光速理论计算公式,讨论了FanHoupeng相变效应理论与Romer天文学测光速理论的关系并计算出精确光速值,建立了FanHoupeng相变效应理论。     

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．