恒星形成星系周围的大质量富金属气体晕

(上上周的Science上一下子出现了三篇天体物理的文章,而且他们都是来自HST上面的新神器COS:宇宙起源光谱仪的最新结果,这些结果确实都很漂亮,也很值得了解,这里正好给大家介绍一下吧;另外,最近进入写论文的冲刺阶段,虽然依然很想保证隔天更新,但是肯定会有一些时间上的冲突,我会尽量的保持更新,但是在文章的选择上,可能更倾向于自己熟悉一些的内容,另外,可能内容上,稍微的简短一些,请大家见谅)

文章: The Large, Oxygen-Rich Halos of Star-Forming Galaxies Are A Major Reservoir of Galactic Metals

  • 作者:Jason Tumlinson, Christopher Thom, Jessica K. Werk, J. Xavier Prochaska, Todd M. Tripp, David H. Weinberg, Molly S. Peeples, John M. O’Meara 等
  • 论文索引:astro-ph/1111.3980
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章背景:

本文讨论的内容其实归纳于“星系生态学”这个好玩的题目中,简单的说,我们看到了星系当中的恒星和部分气体成分,但我们也知道这些成分只是星系真实成分中的冰山一角,现代宇宙学带来的一个经验结论就是星系其实是位于一个暗物质晕当中,究竟什么粒子组成了暗物质我们说不清楚,但至少可以肯定,在星系的光学可见部分之外,还有很大一部分物理成分等待我们去挖掘;而且,如果你考虑星系演化的现代图像的话,和早起简单假定的早期气体坍缩形成星系的图像很不相同,每一个星系都很像一个生态系统,不断的和周围的环境交换物质和能量,宇宙大尺度结构可能会把冷气体源源不断的输送到星系周围,而星系内部的恒星形成,中心黑洞的活动,又保持着连续,或者一定周期性的反馈,这个有机的系统很可能携带了星系形成过程,所处环境和演化阶段的重要信息;比如,天文学家普遍假定如果星系中没有明显的并和过程或者形态扰动,而又有着持续的恒星形成,那么来自”cosmic flow”的吸积过程可能会对维持恒星形成有着重要的作用,就好比你大学毕业没工作但开宝马,那你在啃爹妈的概率就高了很多;而且如果星系中的恒星形成活动很丰富,天文学家认为在星系周围看到大质量恒星或者超新星暴发引起的外流的证据的可能性会高的多,这样的例子在临近宇宙请看M82;总之,通过研究被称为星系周介质(CGM:Circum-Galactic Medium)的气体成分(注意和IGM:Inter-Galactic Medium区分,不过其实界限很模糊),可以帮助我们更加深刻的理解星系形成的过程。

但和几乎所有的星系研究一样,这又是一项说来容易做来难的事情的范例,对于星系周介质,由于:

  • 1. 介质性质动态范围大:无论是密度还是温度
  • 2. 起作用的物理过程多样
  • 3. 气体发射成分微弱
  • 使得对这个成分的探测一直非常的困难,这个困难其实有两层含义,第一,是从信号探测的角度,这些年来,人们想通过X-ray发射示踪星系周围的热电离气体(Warm-Hot)的努力不是失败就是产生很不可信的结果,唯一比较可信的途径是通过背景类星体的辐射穿过前景星系周围的气体时候产生的静止波长在紫外的吸收线来研究,通过这个途径,我们对星系晕中的中性,电离态的氢原子气体已经有了不错的了解,但这还是不够的,这就涉及到了困难的第二方面,就是对信号的物理解读,前面已经提到,星系晕中本来就应该有丰富的气体,还很有可能同时受到吸积星系外比较原初的气体,和来自星系的反馈的双重影响,如果只看到了H气体,无论相对于星系本身在速度上是红移还是蓝移,都不好做非常有效的区分,这个时候我们更系外得到的信息可能会来自这些气体中的微弱电离金属成分,这些气体的金属丰度,电离态分布和其运动学,很可能告诉了我们他们的真实来历,因为可以相见,如果是早期形成时的晕气体和吸积的比较接近原初气体的成分会有很低的金属丰度,而来自星系反馈的气体很可能会因为恒星形成活动的增丰而有比较高的丰度。

    本文的工作就是这个方向上的一个比较明确的结果,来自于HST上面的新仪器,宇宙起源光谱仪,Cosmic-Origin Spectragraph (COS) 的工作,这个意思原则上就是一个高分辨的紫外光谱仪,取代了原来HST上面的STIS设备,但是有这么拉风的名字,其能力和科学目标绝对不是闹着玩的,在Carnegie有幸听过本文作者里面两位的报告,包括了一作,也是项目的主要负责人的,其科学前景非常的诱人,这不一下子就在Science上刷了三篇文章;本文的工作,一句话的概括就是利用这个牛逼的光谱仪拍了一个QSO的紫外光谱,找到了和其前景当中40多个星系相关的吸收气体系统中的金属成分,对其性质得到了比较明确的结果,在加上利用地面设备对周围这些星系进行的光谱观测,在星系性质和吸收气体性质之间找到了很有意思的关系,其中的技术细节我了解的极其有限,所以还是看图说话的介绍一下主要结果吧,等改天有时间了我会考虑介绍下COS这个仪器和其他两篇同时发表的工作,因为,如果我没说错的话,国内学者中在这个领域内工作的人应该是非常少的吧(芝加哥大学的陈晓雯是这个领域内非常知名的华人学者),但这真的是非常有意思的研究


    fig1

    图一:本文观测QSO的示意图以及周围恒星形成星系和被动演化星系的分布,图中还展示了COS观测到的光谱,还对图中标注出的G1和G2两个星系对应的OVI吸收双线成分给出了放大展示

    主要结论:

    前面已经把本文的思路非常简略的介绍了一下,具体的说,本文利用了5次电离氧在静止系波长1032,1038埃处产生的吸收双线作为金属成分的主要探测,这当然也是因为O元素是最为丰富和在这个波长内最容易探测的金属元素之一;通过和前景星系的性质结合在一起,本文的结论就是题目中的那句话:在恒星星系周围一直延展到150Kpc(产不多就是暗物质晕的大小了,依赖于星系质量)的地方,都探测到了一个含有高度电离金属成分的大质量气体晕,而且让这个结果更加有意思的是,在QSO前景上,那些恒星形成活动很弱的星系周围却普遍的缺乏这样的气体的痕迹,这不但在很大程度上证实了这些气体的存在,还很好玩的指向了恒星形成活动的起源,无论是其金属丰度还是和星系恒星形成活动性质的相关。


    fig1

    图二:这两幅图展示了观测到的OVI吸收成分和星系的关系,上图中展示的是QSO视线方向距离前景星系的投影距离和OVI吸收气体的柱密度的关系;下图展示了根据星系质量推算的星系Halo质量和OVI吸收系统的相对速度的关系,并且用虚线展示了Halo的逃逸速度,以凸显这些吸收系统属于Halo气体的结论

    通过对这些吸收系统相对于星系的运动学分析发现,其系统速度多在100-400km/s之间,但这个速度实际上是低于这些星系的Halo的逃逸速度的,换句话说,它们无法逃逸到星系际空间中去,而是会留存在星系晕中,甚至可能通过冷却返回星系,实现气体的循环再利用,而这样的模型和我们在银河系中首先看到的“星系喷泉”的证据也是比较一致的;通过一定的方法,主要是估计OVI气体占所有气体的比例(OVI是一个非常不稳定的电离态,如果能够观测到显著的OVI吸收,证明实际的气体总量要高的多),可以对这个气体晕中的气体质量做一个初步估计,虽然还有一些不确定,但至少可以肯定的是,这些晕中有着丰富的气体贮藏,甚至可能超过星系光学部分中的气体总量;把这些东西考虑在一起,产生了一个非常诱人的图像,那就是对于恒星形成星系,其实还有着一个一直被我们忽略的物理成分,就是星系晕中的电离气体,这些气体中的各种性质可能反映了星系恒星形成活动的历史信息,并作为贮藏对未来的恒星形成(可持续发展。。。)起到重要的作用,而当星系从活跃的恒星形成态转化为宁静的被动演化状态的过程中,不仅星系光学部分的恒星形成被熄灭,其Halo中的这些气体也被摧毁或者转移到其他地方。当然,本文的工作还只是这个图像的一个片段,相信COS在未来会带来更多的这方面的结果,而通过更大样本的研究,这样的观测甚至可以对星系演化中的恒星形成历史,吸积历史,反馈历史,化学演化等若干重要成分做出有力的限制。


    fig1

    图三:这两幅图展示了前景星系的不同性质和OVI吸收气体的联系,上图展示了星系的单位质量恒星形成率(specific SFR)和OVI吸收气体柱密度的关系,下图利用了星系质量和sSFR的关系凸显了两类星系在恒星形成性质上的显著差别

    延伸阅读:

  • 1. COS设备在STScI的主页
  • 2. 本文工作所属的COS-Halos巡天的主页,有很多有意思的信息
    • 分享到:

    5 Replies to “恒星形成星系周围的大质量富金属气体晕”

      • Song Huang

        Opera 11.52 MacIntosh

        很有意义,因为现在假定看高红移星系到临近的演化,总是去想质量长了多少等于发生了多少并和,其实如果这些恒星形成星系周围的气体,包括持续的冷气体吸积能够在星系变为被动星系之间把部分质量转化成恒星,对这个问题能有新的限制;在高红移的地方,看到的大质量SF星系上面的恒星形成clump,可能很可能是由inflow feeding的,在模拟里面也反映了这个问题,但是不是在稍微低红移一点儿的地方就不重要了还真的不好说

    1. Han

      Firefox 8.0 Windows 7

      各位真是什么都看啊,science很少这么照顾的天体物理的吧,我昨天才看到的,吓了我一跳。还有natrue这期的好像也有astronomy的专栏的~

    2. Zheng Cai

      Firefox 3.6.18 MacIntosh

      谢谢介绍这个重要的新观测

      想了半天这么多线为什么选OVI这条双线,简单查了一下,OVI 这条线是低红移星系最显著的线(transitional oscillation factor最大,截面也是最大),与column density这类物理性质被研究得也最清楚。CIV doublet也是很好的星系金属线,不过波长比OVI长些在这个sample大多星系的CIV到近紫外,不在COS观测的范围之内。所以选了OVI这条线观测。

    3. lariff

      Safari MacIntosh

      COS没有准备取代STIS,因为分辨率只有STIS的一半,而且COS的预计工作时间只有3年。不过COS的灵敏度实在很拉风,探测弱源只需要STIS的1%的时间。

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