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上海天文臺科研人員利用數值模擬探索盤星系的IFU運動學性質
2018-03-26 | 編輯: | 【】【打印】【關閉

  近日,上海天文臺沈俊太研究員領導的星系動力學團組在理解盤星系的積分視場光譜儀(IFU)觀測的運動學方面取得新進展。利用自洽的棒旋星系數值模擬,他們詳細研究了棒旋星系在IFU觀測中的視向速度均值與其速度分布偏斜度的關系,并詳細討論了不同傾角下這種相關性的變化情況,對棒旋星系的恒星運動學性質有了更深入的了解。論文已經發表在天文學國際核心期刊《天體物理雜志》(ApJ)上。   

  一、了解盤星系的有力工具——運動學信息 

  盤星系,顧名思義,指形態類似于薄盤狀的星系,包括了正常旋渦星系和棒旋星系等。盤星系結構復雜,內部有棒與核球,外圍的盤中存在旋臂,這些不同結構是如何形成和演化的?而盤星系整體又是如何演化而來?這些都是天文學家們關心的重要問題。解決方法之一便是通過運動學信息,也就是這些結構中的恒星或氣體是如何運動的,或者說速度分布怎樣。 

1IFU觀測可以得到星系的恒星速度圖、氣體的發射線強度圖以及速度圖。

  觀測上,為了得到盤星系中不同位置處的恒星、氣體的運動學信息,天文學家們需要獲得在這些不同位置處的光譜,然后通過譜線的多普勒效應測量恒星和氣體的運動速度。傳統上,一般使用長縫光譜觀測,一次只能獲取某一個位置處的光譜,那么如果要想得到不同位置處的光譜,我們便需要觀測多次。而一旦使用IFU,“便可以通過一次曝光就觀測到星系在二維投影平面上不同位置的光譜,所使用的觀測時間大大減少,也給了我們機會從整體上更加全面地研究星系的性質。”沈俊太研究員說。 

  二、觀測拋出的一個難題:速度分布的偏斜度與平均速度的關系 

  盤星系的光譜反映的是組成星系的大量恒星整體的統計性質,而不是某顆恒星的性質。統計問題要用統計方法來分析,我們從中可以得到的運動學參數主要有:平均視向速度(V)、速度彌散(σ)、整體速度分布的偏斜度(h3;見圖2)以及尖峭度(h4)。它們綜合反映了恒星整體視向速度分布的形狀。 

 

  2:偏斜度示意圖。橫坐標是速度,越往右,速度越大。分布最高的地方對應的橫坐標對應了速度的眾值,當平均值大于眾值時,表示分布偏斜度為正,呈現了一個高速長尾;當平均值小于眾值時,表示分布偏斜度為負,呈現出一個低速長尾。

  三、理論上:精細分析,探尋運動學信息背后的原因 

  “我們開展了一項科研項目,旨在利用數值模擬深入理解盤星系(特別是其中的棒結構)在IFU觀測中的運動學性質,特別是V與h3的相關性,并探究這種相關性產生的物理原因。”論文的第一作者、上海天文臺的李兆聿副研究員說。 

  他們從數值模擬中發現,側向觀察時,盤星系外圍(盤主導區域)呈現出,視線方向的平均速度V與速度分布的偏斜度h3呈反相關,當V為正時,速度分布偏斜度為負,具有低速長尾形態;而其內部的棒主導區域則表現出正相關,當V為正時,速度分布偏斜度為正,具有高速長尾形態。特別有趣的發現是,當盤星系的傾角減小時,棒的邊緣區域從正相關急劇轉換為反相關,而棒的中心區域則體現為較弱的正相關。 

  為了理解平均速度和偏斜度的相關性以及該相關性隨傾角的變化,“我們需要仔細研究不同空間區域的恒星速度分布。”李兆聿說。他們發現,在棒邊緣區域的恒星視向速度分布本身就具有明顯的偏斜度。在傾角較小的情況下,近端與遠端低視向速度恒星的缺失,是造成V與h3的關系從正相關急劇變為反相關的主要原因。 

  四、觀測是檢驗理論的標準 

  “模擬與真實IFU觀測數據的對比具有較好的一致性”,李兆聿介紹,比如銀河系核球區的恒星體現出視向速度與偏斜度h3的正相關,這是銀河系棒存在的一個重要指示器。另外,他們也與仙女座大星系M31IFU觀測進行了對比,觀測顯示,M31的核球區恒星的視向速度與偏斜度h3呈現出正相關,意味著核球區存在一個尾端幾乎朝向視線方向的棒結構,這與他們模型的預期一致。 

  沈俊太研究員表示,利用數值模擬來研究盤星系動力學,并與IFU觀測數據比較是非常有意義的,模型可以告訴我們不同子結構應該表現出來的運動學特點,結合觀測,我們就能更深刻地理解盤星系的結構形成與演化。未來他們還將從MaNGA巡天中挑選一批具有不同子結構的盤星系,利用大樣本的優勢在這一重要領域開展更多的研究。 

  課題受國家自然科學基金委優秀青年項目、重點項目“銀河系和近鄰星系的動力學模型”(批準號:11322326、11333003),科技部973重點科研計劃“基于LAMOST大科學裝置的銀河系研究:銀盤的運動學性質及動力學演化”(批準號:2014CB845700),國家自然科學基金委青年科學基金項目“銀河系核球三維拓撲結構研究”(批準號:11403072)以及中國科學院青年創新促進會資助。     

  論文鏈接http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaa771/pdf 

  科學聯系人 

  沈俊太中國科學院上海天文臺[email protected] 

  李兆聿中國科學院上海天文臺[email protected]   

  新聞聯系人 

  左文文中國科學院上海天文臺[email protected], 021-34775125 

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