椭圆星系晕中的星族性质变化

(介绍这篇文章的主要原因是和我自己所做的项目有很大的关系,而且有幸在发表之前就看到了文章的草稿,很有意思的工作,而且让我很惊讶的是在AGN领域做的风生水起的Jenny同学居然也对椭圆星系这么感兴趣,让我压力很大啊;不过似乎椭圆星系最近出现的过于频繁了,后面我会注意调整文章的方向的;当然,还是希望有更多的同学能来结合自己的工作给我们投稿的)

文章: The Stellar Halos of Massive Elliptical Galaxies

  • 作者:Jenny E. Greene, Jeremy D. Murphy, Julia M. Comerford, Karl Gebhardt, Joshua J. Adams
  • 论文索引: astro-ph:1202.4464
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

Take Home Message:

椭圆星系的形成依然是一个星系形成中的开放问题,而且随着进来高红移的观测重新成为了热点,仔细看看astroph上面每天的星系文章有多少是关于椭圆星系或者早型星系的形成演化的就知道了。早先我们认为椭圆星系是通过高红移clumpy的原初气体的快速坍缩或者与之相伴的cold flow吸积形成的,这个图像和很早就发现的椭圆星系不同性质之间的紧致关系符合的比较好,在解释椭圆星系整体的老年星族特性和中心区域的化学性质上有一些优势;但随着CDM宇宙学模型和等级并和的结构成长的图像逐渐清晰起来,加上70年代到80年代初关于并和星系的激动发现的影响,“并和假设”从Toomre兄弟可爱的模拟工作中呈现出来,这个假设下,所有的椭圆星系都是来自盘星系的并和;这个图像在随后产生了很多的影响,随着观测和模拟的成熟,并和过程中的耗散过程,对恒星形成的影响,等级并和的宇宙学下的多次并和逐渐俺的被考虑进来,成为了一个得到了充分认可的“主流”模型。但随着高红移的早型星系观测带来的新的发现,“两朵乌云”出现在这个模型的上空:首先,在红移等于2的地方,已经观测到了大质量的,早型形态,老年星族的星系存在,但是其大小,中心运动学等,和临近宇宙中相似质量的早型星系有着很大的差别,大小上更加紧凑,中心恒星密度已经和现今大质量椭圆星系中心的一样,但是速度弥散度更高。。第二,观测上要求从红移等于1以来到现在,这些早型星系的质量平均上要加倍,大小(有效半径或者半质量半径)上要增大三倍左右,而这段时间内显然没有这么多的主并和来实现size的演化,等等等等。总而言之,新的观测指向了一个新的Two-Phase的早型星系形成模型,在高红移的地方,椭圆星系是靠着cold flow吸积以及富气体的并和来成长,但是到了低红移的地方,主要靠着质量比很高,几乎没有气体的小并和过程,甚至通过Halo中的hot mode吸积来实现;这个模型在很多方面都很有希望,但仍然需要仔细的观测检验,其中主要的一个就是按照这个模型,椭圆星系内部和外部的恒星星族性质应该存在差别,本文主要的目的,就是通过仔细的恒星光谱观测来检验这个模型。


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图一:不同星系在不同半径处得到的恒星光谱以及测量的几个主要恒星吸收谱线指数的随半径的变化。

椭圆星系的陡峭的面亮度分布使得到了2倍以外的有效半径的地方恒星面密度已经很低,想得到有效的,高信噪比的光谱观测不是一件很容易的事情;本文使用了McDonald天文台Harlan Smith望远镜上面的Mitchell光谱仪(以前称为VIRUS-P光谱仪),利用覆盖星系很大半径的很多光纤光谱观测的一定半径范围内的平均来得到光谱,并对其中重要的恒星吸收线指数进行测量并结合星族模型得到星族参数的变化;最重要的结果就是在6个临近的大质量早型星系中得到了星族参数在不同半径处发生明显变化的证据,这种变化的趋势就是代表了alpha元素丰度的Mg元素指数随着半径显著下降,并且失去了和星系速度弥散度的相关,而这个Mgb-sigma关系在经典的椭圆星系观测中被认为是最为紧密的关系之一,而且一直作为通过强烈的耗散过程在高红移形成椭圆星系的证据;除去这个指数,作者发现在早型星系中普遍存在的金属丰度梯度能一直延伸到很大的半径处,但是alpha元素和Fe峰元素的丰度比基本不随半径改变太多。这样的一个图像,基本上支持了椭圆星系的延展的恒星晕是通过吸积小星系成长起来的,这些小星系形成于高红移的小质量Halo中,但是恒星形成很早就被停止了,因而保持了高效率的恒星形成产生的高[alpha/Fe]比值和早期恒星形成留下的低丰度。这是从星族性质角度,对上面介绍的两阶段椭圆星系形成模型很好的支持。


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图二:不同星系中,利用观测的不同线指数得到的星族性质随半径变化的趋势。

Key Words:

  • VIRUS-P光谱仪:这是一个利用多光纤排布覆盖一定天区实现空间分辨的光谱观测的IFU设备,作为HETEX巡天使用的超大VIRUS光谱仪的一个子结构开发。能够得到不同波长覆盖和分辨率的光谱观测,从而研究星系中恒星或者电离气体成分的运动学和星族性质。这样的观测需要很细致的光谱处理流程,关于天空背景的扣除和发射线的干扰都需要细致的考虑;在本文中,作者使用了SAURON小组开发的GANDOLF软件处理光谱的拟合和连续谱的扣除;目前VIRUS光谱仪已经进入了改进版本VIRUS-W的研制,目前已经开始用于观测了。
  • Lick线指数:全称是Lick/IDS线指数,是利用Lick天文台的IDS光谱仪通过恒星光谱观测定义的25个分布在光学波段的谱线特征,其本质很类似于谱线的等值宽度的测量,但是有些谱线是定义在一组谱线之上的;Lick指数之所以广泛的应用于星族研究,是因为结合了有细致物理性质测量的标准星的观测,可以把光谱特征与星族的年龄,丰度,丰度比联系起来;本文中使用了Lick天文台天文学家开发的EZ_Age套件进行的谱指数测量
  • Discussion:

    本文支持的椭圆星系形成图像还需要很细致的检验,虽然有了一定程度的观测证据,但是这些证据并不是唯一可以用这个图像解释的;而且,如果你仔细看本文得到的星族性质随半径的变化,一定会觉得还有很多不确定的地方。但是本文做了一个很有意思的尝试,结果正确与否并不重要,这个想法真的很棒,不愧是毕业没几年就在普林找到职位的姐姐!

    这个想法就是上面那张图展示的,简单的说,如果大质量椭圆星系的Halo是通过吸积小星系形成的,那么我们能不能知道这些星系的质量是多大呢?这个想想就是一个很难的问题,但是并不是没有途径;如果假定在吸积的时候,小星系的恒星形成早就停止(结合以前的知识和本文的观测,可以说这是一个很好的假设),那么恒星星族的性质会作为“化石”保留下来,正如本文观测到的那样;再进一步,假设这些吸积的星系主要是早型星系(这同样不是一个不靠谱的假设)的话,那么其星族性质,比如Mgb指数,Fe丰度之间和星系的速度弥散度,从而和星系的恒星质量之间可以找到一定的关系;利用本文在很大半径处观测到的星族信息,可以利用不同的参数和关系在临近的椭圆星系中寻找相似的天体,这些临近的,拥有和大质量椭圆星系外围相同的星族性质的星系,很可能和我们需要寻找的并和前身星系有相近的质量。这个想法在目前还是有很大的不确定性,但是不得不说,这个想法,很赞!

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