从运动学和金属丰度梯度看S0星系的形成

(最近忙的抬不起头,鲜有功夫读好玩的东西了,只好写和工作相关的了;这篇文章是一篇利用运动学观测研究S0星系的个案文章,NGC3115是一个南天的很著名的侧向S0星系,正好在我自己的样本里,就顺手介绍给大家吧)

标题:The Fossil Record of Two-phase Galaxy Assembly: Kinematics and Metallicities in the Nearest S0 Galaxy
作者:Jacob A. Arnold, Aaron J. Romanowsky, Jean P. Brodie, Laura Chomiuk, Lee R. Spitler, Jay Strader, Andrew J. Benson, Duncan Forbes
论文索引:astro-ph:1106.0745
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

S0星系,也叫做透镜状星系,一类最早被简单定义为有核球和盘,但没有旋臂和明显尘埃带的星系,自从Hubble爷爷把他引入星系形态分类开始,就成为了星系形态结构演化研究中一个极其纠结的问题,Hubble把这类星系放在了著名“音叉图”的分叉处,象征着从早型星系向晚型星系演化的关键分支;随着早晚型星系意义的颠覆,很多人把S0星系的演化路径倒转过来,看成是旋臂消失和恒星形成终止之后的旋涡星系;随着星系的并合形成模型热闹起来,这类普遍缺乏气体,正向形态有时候很难和椭圆星系区分的星系也被热爱并合过程的天文学家选中,作为某类并合(多种可能,质量比,有无气体,轨道顺行逆行。。)的最终产物;上世纪80年代开始,随着一批观测天文学前辈把目光投向邻近和稍稍遥远(z=0.2-0.4)的星系团,他们发现著名的形态-密度效应的主要驱动可能就是这类S0星系,因而S0形成模型也被和环境效应联系起来,各种团环境下的物理效应,比如冲压剥离都被引入到S0星系的形成过程中,确实,在邻近星系团中观测到的拖着长长HI气体尾巴的盘星系显示了团环境可能很给力;但同时,在相对柔和的多的星系群环境和更加孤立的环境中也有很多S0星系存在,他们又要如何解释呢?

已经经历了60多年的研究,关于S0星系,依然是迷雾重重,近来江湖上传说颇多: Laurikainen和de Vaucouleurs的亲传弟子Budda进行的NIRS0S (近红外S0星系巡天) 揭示出了棒,环,卵状结构在理解S0星系结构上面的重要性:按照传统的理解,S0星系的核盘比高于Sa星系,属于典型的早型星系,可是根据NIRS0S的研究,S0星系的核球光度分布极其广泛,横跨了整个旋涡星系的范围;的确,最近Gadotti更是惊人的指出了M104(草帽星系)这个早型S0星系和经典大核球的原型星系可能根本就没有经典核球; 除却测光的研究,动力学研究也不甘示弱,从SAURON巡天到现在的Atlas3D巡天,利用IFU对邻近早型星系中心区域的运动学研究提供了非常好玩的线索,这些早型星系,不管他们形态如何,有效半径内的运动学都可以用“Slow-Rotator“和”Fast-Rotaor”的二分模型来分类,而且最近的一篇Atlas3D的研究中,更是直接的改变掉了Hubble音叉图的形式。。。总之,S0星系,可能给星系形成演化研究带来新的改变,但是还有太多的事情要做。

关于S0星系,可以总结和介绍的东西实在太多了,而且又和我工作相关,如果再写下去估计就很难刹车了;希望大家理解的一个问题就是,S0星系可能是一类混杂的,由不同的途径演化得到;应该从测光结构,光谱运动学(盘上,核球中,晕里面。。),恒星形成历史,星际介质的性质多种角度入手,仅仅就目前的观测和理解,想拼凑出一幅完整的图象是很难的,这也是为什么我在后面的介绍中淡化了作者关于两阶段形成模型的推荐,请大家分辨对待,感兴趣的,还请参考原文。


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Fig.1: NGC3115的J, H, K三波段合成图 (图片来自2MASS巡天)

本文工作

本文是一篇S0星系的个案研究,目标星系NGC3115是位于南天的一个侧向(edge-on, 见上图)明亮S0星系,也是距离我们最近的S0星系之一(9Mpc),被认为是典型的高核盘比S0星系;因为其邻近的优势可以进行非常好的运动学观测; 此外,高分辨的测光观测还可以提供大量的球状星团候选,这些球状星团是早型星系的恒星晕动力学的很好指示器。

本文的测光观测利用Subaru望远镜上的Suprime-Cam进行,获得了大量的球状星团候选;后续的光谱观测利用Keck-II望远镜上的DEIMOS多目标光谱仪进行,本文的作者从09年开始就致力于利用多狭缝光谱观测取得更大范围内的运动学数据,他们已经发展出了这种被称为SKiMS (Stellar Kinematics from Multiple Slits)的技术,通过按照星系光度分布和球状星团分布精心选择的上百个狭缝布置,同时观测球状星团和背景恒星的光谱,从光谱拟合中得到运动学信息;光谱的观测以8580埃附近的一次电离钙的三重吸收线为主(CaII Triplet),这三根谱线经常被用来提供准确的运动学信息,和Balmer吸收线相比,他们的自身的致宽影响很小,几乎可以认为所有的致宽都由大量恒星的运动学提供;光谱的拟合采取了目前最为流行的pPXF算法(Cappellari & Emsellem 2004),以不同类型的恒星光谱作为模板,用Gauss-Hermite级数拟合观测光谱,同时得到视线速度,速度弥散度和描述谱线与Gaussian偏离的h3, h4系数;得到了所有观测光谱的速度分布后,对于球状星团,先筛选出比较可能属于观测星系的真实成员,然后和背景恒星的光谱结合起来,采用Voronoi的二维区域分割方法(Cappellari & Copin 2003),以达到一定的信噪比为要求,把离散的光谱运动学信息结合成一个一定范围内完整的运动学参数场。


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Fig.2: NGC3115的运动学观测展示;上面是距离星系较小半径内的恒星光谱观测限制的速度场,速度弥散度场和h3参数场,观测狭缝选择以十字标注在左图内;下方图中红蓝色点指示出的是观测认证出的不同颜色分类的球状星团,由球状星团限制出的更大尺度上的速度场也分别展示出来。

上面简单的介绍了一下这种运动学观测的数据处理过程,得到了这个速度,速度弥散度场之后,可以研究这些参数随半径和方位角的分布,也可以使用各种引力势模型进行拟合,但本文的没有用这种模型依赖的方法,而是把运动学信息和不同类型的球状星团的运动学以及金属丰度分布结合起来,得到对星系结构的一个直观认识。这里稍微提一下河外星系的球状星团研究的一个主要进展,就是天文学家发现,这些球状星团按照颜色可以比较明显的分成两支,如果考虑到球状星团都是年老的星族为主,颜色的差异可以反应为星族平均金属丰度的差别;因此,在邻近的早型星系中,球状星团可以分成富金属 (Metal Rich Globular Cluster:MRGC)和贫金属(MPGC)两类,他们不同的运动学和空间分布也可以给星系的演化研究提供重要的信息。


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Fig.3: 富金属与贫金属族的球状星团视向速度的方位角和径向分布;中图上方的灰色实线反应和核球附近恒星给出的速度分布;右图中的虚线是某参数下的1:10模拟给出的速度曲线,可以看到明显的差别,尤其是旋转速度随半径下降的趋势;右图最下方的曲线反应了I波段观测下得到的等光度曲线的椭率径向分布。

主要结论

本文需要大家关注的主要结论其实一句话就可以解决 (细节请参考图注):NGC3115的恒星运动旋转速度的径向分布有明显的下降,而且由球状星团单独得到的运动学,和球状星团颜色指示的金属丰度的也有随着半径下降的趋势。

这个结论能说明什么?完全受到你偏爱的模型的影响,虽然作者在文中讨论了所谓的两阶段星系形成模型,但作者也承认,其实调整Major Merger模型的各种参数也可以解释本文的观测;客观的说,尽管这个工作本身的运动学观测非常仔细,但依然不足以提供足够的信息让我们了解到具体的形成过程。不过至少有以下的几点,需要考虑在内。

  • 1. 旋转速度的外围下降显示了出了除去薄盘+核球之外的成分的存在,这个成分的空间分布应该很延展,是厚盘?恒星晕?或者如作者讨论,属于不同阶段形成的核球?很难讲,抑或干脆像我们在M104中看到的那样,这个星系根本就没有那么高的核盘比?
  • 2. 金属丰度的负梯度延伸到了很外围的区域,虽然是由球状星团得到的间接估计,但如果属实,意味着,无论是什么形成图象,必须能够保留金属丰度的梯度,而不能像有些模型预言的那样,后续的并合过程“抹平”了所有的丰度梯度信息;但究竟是并合过程没能完全消除丰度梯度,还是后续重新形成这样的梯度,还需要进一步的关注。
  • 3. 球状星团的颜色双态分布,无论是否可以单纯的解释为丰度的差别,都意味着存在着两个不同族群的球状星团,这的确可以看成是两个恒星形成阶段,或者是质量聚集过程 (考虑到并合带来不同丰度的球状星团) 的证据;值得关注的是,似乎从椭圆星系到S0星系,甚至有些早型旋涡星系中,这样的颜色双态分布都存在,这是否意味着什么呢?
  • 问题还很多,说实话,对本文这样的文章,我看过之后是越看越糊涂,这也是我没有进一步介绍作者讨论的模型的原因;不管怎样,更多更好的观测,不同角度的研究会让我们离解决这个问题更近一步,也希望我自己的工作能有所贡献吧。


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    Fig.4: 球状星团的颜色与径向分布,两条实线为把样本看成是两个不同的颜色分布子样本的混杂得到的不同子样本的颜色径向分布曲线,其随半径下降的趋势可以直接反应为金属丰度的梯度;左侧的直方图分布让大家可以比较清楚的看到球状星团颜色的双态分布; 图最右侧的红色标记为对应数字指示的不同质量比的并合给出的预测金属丰度梯度。

    延伸阅读

  • 1. 以运动学研究为主的SAURON整场光谱仪巡天网站
  • 2. Voronoi binning method和pPXF运动学拟合算法的介绍和程序
  • 3. 邻近早型星系的大样本多波段巡天Atlas3D,其中SAURON的运动学观测仍然是核心
  • 4. 以河外球状星团系统为主要研究目标的SAGES巡天
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    5 Replies to “从运动学和金属丰度梯度看S0星系的形成”

    1. Lei Hou

      Firefox 4.0.1 Windows XP

      旋转速度的外围下降为啥说明有一个延展成分?我怎么觉得是反过来没有延展成分才对……

      • Song Huang

        Chrome 12.0.742.91 MacIntosh

        本文的假定是3315有一个光度占90%的大核球,这个延展的定义其实有问题,因为可能根本不是这么高的核盘比,而是小核球+薄盘+厚盘+恒星晕的结构;你看那个旋转曲线随半径的下降是和椭率的下降对应的,这意味着在外围测量的完全不是盘,旋转速度不占主导,应该是一个更relax的结构,你叫他延展的核球,还是别的什么,从这文章的数据得不到佐证

      • Song Huang

        Chrome 12.0.742.91 MacIntosh

        不是没有核球,而是没有那么大的经典核球,原来草帽的核盘比可能是70-90%,现在如果你考虑到外面的成分不是核球,而是恒星晕的话,核盘比只有20%左右了;当然,这个也是一家之言

    2. 快乐中微子

      Firefox 4.0.1 Windows 7

      关于丰度梯度的问题, insides-out 形成机制可以解释. 星系并和形成机制在几乎所有的丰度观测数据面前都失去了从宇宙学那里得来的荣耀.

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