红移2.3处正在快速形成的大质量椭圆星系前身

(沉寂了这么久,总该写点儿啥了。今天在arXiv上看到了付海师兄的Nature大作,瞬间眼前一亮!就用这篇回归吧。在美国学习期间,承蒙师兄关照,有幸观摩了Keck NIRC2的远程观测,也见识到了师兄在星系观测领域的造诣,发表在哪暂且不论,能有这种颇为惊艳的发现,真的可喜可贺。)

文章:The rapid assembly of an elliptical galaxy of 400 billion solar masses at a redshift of 2.3

  • 文章作者:Hai Fu, Asantha Cooray, C. Feruglio, R.J. Ivison, D.A. Riechers, M. Gurwell, R.S. Bussmann et al.
  • 论文索引:arXiv: 1305.4930
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景介绍:

在邻近宇宙中,质量在10^{11} M_{\odot}以上的椭圆星系构成了一个独特而且重要的星系类群(population)。星系演化研究中最头疼的问题就是,我们原则上永远无法完整的见证一个星系100亿年里的真实演化轨迹。但好在慷慨的宇宙还算留给了我们一线希望:通过不同红移处星系的观测,我们可以获得星系演化历史中的一幅幅截图。从光度函数,恒星形成率,成团性等统计上,我们已经慢慢的理清了星系成长的大致历史,但是具体到每一种星系具体的成长历史,依然有一个重要的问题需要克服,那就是把不同红移处观测到的不同类型的星系的化石信息(fossil record)在演化(evolution)上联系起来?从我的用词上也可以看到,这样的过程就好像人类学家要在浩如烟海的化石中找到真正的人类祖先一样。

对于大多数星系,这样的观测研究还是相对困难的,举例来说,你能看着HST拍摄的高红移星系图像指出我们的银河系在100亿年前应该最像其中哪个星系吗?虽然各种蛛丝马迹还是能指给你一些方向,但是离敲定这个问题还有一定的距离。然而,作为目前宇宙中最大质量的星系,这些大质量椭圆星系独享着一个得天独厚的演化位置:根据目前的宇宙结构形成和星系形成的图像,他们,以及他们所“居住”的大质量暗物质晕必定是最先开始形成的,在几乎任何一个红移上,他们都应该是你能看到的最大质量的星系!再考虑到对高红移的观测很显然是会偏向高光度,高恒星质量的星系的。几乎可以说,通过对不同红移处大质量星系的研究,我们还是有希望能够还原出这些星系演化的路线来的。

但即便如此,依然有很多问题需要解决。这篇Nature文章讨论的就是最近在高红移(z~2左右)发现的一批很大质量的”宁静“(quiescent)星系的形成的。这些星系在100亿年前就已经聚集了>10^{11} M_{\odot},而且已经基本停止了恒星形成活动,并且拥有和临近宇宙处相同质量椭圆形系很不一样的结构性质。想要解释这些性质,就需要他们的前身星系不仅能疯狂的进行恒星形成活动,还需要在很短的时标内停止掉恒星形成活动。这样的星系到哪里找呢?目前的线索告诉我们在z~3-4处的一类被称为亚毫米波星系(SMG)的富气体,大质量,超高恒星形成率星系是最可能的候选。本文正是通过Herschel观测的指引,一系列地面观测的补充,认证了红移~2.3处一个非常有可能导致大质量椭圆星系形成的有趣例子。

hxmm001图1 HXMM001,左侧为Herschel SPIRE 3波段观测的叠加图像;右侧展示了Keck近红外观测得到的星系形态和两个显著的前身星系。同时SMA亚毫米波观测和JVLA的CO(1-0)观测结果也叠加在上面

主要发现:

这个被称为HXMM01的星系来自于Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES)巡天的发现。作为这个大面积远红外巡天中几乎最亮的SMG,其性质显然会有一些过人之处。利用Keck望远镜的AO近红外观测,作者发现这个星系实际由相距20kpc左右两个部分组成,均位于红移2.3处,似乎还处于并和过程中,星系的结构不是很规则,而且两个星系之间还有潮汐相互作用产生的结构。在这个星系的前方还有两个较低红移的星系刚好充当了透镜的角色,将HXMM01的两个部分稍稍放大了一些。

结合了Keck的近红外,Herschel的远红外,以及SMA和JVLA的观测,作者得到了HXMM01两个部分比较完整的SED信息,并得到了这个星系的一些比较具体的物理性质:其两个部分各自的恒星质量大概在(9\pm2)\times 10^{10}M_{\odot}(1.3\pm0.3)\times 10^{11} M_{\odot}; 整个系统的总红外光度有{\it L}_{IR}=(2.0\pm0.4)\times 10^{13} L_{\odot}, 几乎对应于将近2000M_{\odot}/yr的恒星形成率。利用CO {\it J}=1-0的分子谱线观测,作者估计这个系统中的总分子气体质量在(2.3\pm0.6)\times 10^{11} M_{\odot}左右。结合这些性质,HXMM01几乎可以说是我们目前找到的最明亮,最富气体的主并和星系!

hxmm001_b图2 HXMM001整体和两个子系统在CO(1-0)线强度和红外总光度,以及恒星质量和恒星形成率关系上的位置。同时比较了其他红移2处的SMG。

这样的极其富气体的大质量星系在现在的宇宙学模拟中其实是很难重现出来的,这大概是因为在HXMM01过去的演化中,气体向星系吸积的速率在很长时段内都超过了恒星形成速率的原因。考虑这个系统完成并和的时标,其中的气体贮藏和恒星形成效率,这样的一个系统很可能会在红移1.7左右的时候演化为一个质量在4\times 10^{11} M_{\odot}的椭圆星系前身;而且,由于系统中很高的恒星形成效率和较短的动力学时标,即便不使用任何反馈机制,HXM001也能在230 Myr左右的很短时间内就消耗完其中的大部分气体贮藏,将星系变成一个典型的贫气体宁静星系。

作为一个极其稀有和极端的例子,HXM001的认证和研究可以帮助我们进一步理解宇宙中质量最大的星系的可能形成路径。也许不需要通过多次椭圆星系之间的并和活动,仅仅通过一次极其富气体的主并和活动能够形成一个足够大质量的椭圆星系呢?尽管目前只有一个这样的例子,作者还是根据观测天区的范围和这种极端高速恒星阶段的可能时标大致估计了一下相似系统在2

问题和讨论:

作者调动了从Keck到JVLA的各种地面大型设备,为我们仔细的描绘出了100亿年前一个极其罕见的大质量,富气体并和系统的面貌,并指出了类似的方式可能是形成超大质量椭圆星系前身的一种有效途径。

就我个人而言,看到这个非常有趣的系统后马上有两个我自己也不知道答案的问题浮现出来:

1.这样的系统所处的环境是怎么样的?因为在邻近宇宙中,质量在4\times 10^{11} M_{\odot}左右的超大质量椭圆形系很少孤立存在的,他们往往作为中心系统,拉家带伙的存在于星系团和大质量星系群中央。HXMM01是否也会有这样的结局呢?

2.作者认为HXMM001会在z~1.5左右变成一个很大质量的椭圆星系。从恒星质量上说没有问题,但是我们知道邻近宇宙中这样的星系有一些明确的结构和运动学性质,比如中心存在一个平坦的”core”结构,比如中心运动学完全由速度弥散度主导(所谓的slow rotator);然而,作为一个极其富气体的系统,HXMM001的最终并和产物很难会是一个完全没有旋转主导成分的星系(气体的耗散过程几乎一定会导致像盘一样的旋转成分的形成),而且气体在并和过程中通过耗散过程损失角动量向并和系统的中心下落最终会在中心导致恒星形成活动,产生一个额外的恒星聚集,而不是一个平坦的平台状结构。从z~1.5到z~0.0,这期间什么样的物理过程最终导致了旋转成分的消失和中心Core结构的形成呢?

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7 Replies to “红移2.3处正在快速形成的大质量椭圆星系前身”

  1. Zheng Cai

    Safari MacIntosh

    就第一个问题,我也在想,也想问一下Fu Hai师兄,两个正在并合的10^11 M_sun 的椭圆星系,dark matter halo 应该都在10^12M_sun左右,距离20kpc, 周围的环境应该是overdense的,红移刚好2.3, 我们有一个lambda= 4030A \pm 25A 的narrowband正好可以在周围做LAEs, 可以用KPNO 4m,不过问题是这是不是最unique的椭圆星系pair ? 值不值得写这个follow-up的proposal ? 如果是最亮,最unique的elliptical galaxy pair at z=2.3 我们可以和Fu Hai 师兄提一个NOAO proposal ?

      • Zheng Cai

        Safari MacIntosh

        @Song Huang:
        就是因为很多人围着QSO做,所以如果做才必须想出来一些unique的东西,BOSS QSO 的halomass一般是10^12.5左右,可能比这两个quiensent galaxy pair相当甚至还大,所以我在想simulation如果支持中心是一团quiescent galaxy, 或是什么 sersic index >4 galaxies, 这才比较好的理由做下去,不然直接用QSO或者QSO group找overdensity更方便,又亮而且halo又比较bias…

  2. Zheng Cai

    Safari MacIntosh

    如果要做environment, 能不能把这个中心quiescent galaxy pair, 和structure formation simulation联系起来,去test一个理论,stellar mass 10^11M_sun, dark matter 10^12 M_sun的pair 相距3arcsec, 离得是很近,但两个halo 加起来的质量到底有多么bias是一个需要回答的问题。

  3. Zheng Cai

    Safari MacIntosh

    想讨论一下一直不怎么搞得明白的恒星形成问题:

    “作为一个极其富气体的系统,HXMM001的最终并和产物很难会是一个完全没有旋转主导成分的星系(气体的耗散过程几乎一定会导致像盘一样的旋转成分的形成),而且气体在并和过程中通过耗散过程损失角动量向并和系统的中心下落最终会在中心导致恒星形成活动,”

    我记得以前听Phil Hopkins讲,脑子里形成的picture似乎是星系并合后点燃QSO phase, 然后由于feedback把星系中的气体吹走,似乎这种picture不容易形成恒星,还有就是feedback 导致hot gas无法冷却, 是否也会阻碍恒星形成? 最终导致恒星形成活动不知道有没有更定量一些的描述呢?

    “从z~1.5到z~0.0,这期间什么样的物理过程最终导致了旋转成分的消失和中心Core结构的形成呢?”
    elliptical galaxy形成演化现在似乎还问题多多,Romeel Dova的一个很不错的学生选做这个thesis, 但似乎在thesis 阶段也没有解决。

  4. karlan

    Firefox 15.0.1 Linux

    看到诸位的讨论,自己在这里随便哔哔两句

    高红移QSO来示踪cosmological overdensity region, 上周有一篇astroph ( http://arxiv.org/abs/1305.2199v1)。一般认为在高红移(z~5)最亮的quasar应该reside在当时DM distribution的peak位置,这些最大质量的halo可能是现在的一些supercluster的progeniter (expected),于是大家要找QSO。这文章考虑各种Feedback,搞了些模拟,基本上通过QSO周围星系overdensity来估计出来halo质量在当时不大(和最大的比较),所以不能来作当前supercluster这种尺度结构的前身。

    说这篇文章的另一个原因是,AGN的feedback感觉都要用烂了,什么理论观测不match了就上AGN feedback(如对于模拟观测星系光度分布函数的比较,如上面这篇Astroph对于local QSO没有reside在local 最massive的halo里的解释)。AGN为何抑制整个星系的恒星形成?模拟的工作对于观测有时过于selective。很难说清,观测上总能找到contradictory的evidences

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