近邻椭圆星系的测光结构与演化历史

【摘要】大质量早型星系的形成与演化是星系物理研究中一个独特且近来备受关注的话题。越来越多的高红移星系的观测研究揭示出了这类星系在其演化过程中所经历的不同阶段和显著的结构上的转变。为了进一步确认大质量早型星系的结构演化图像,进一步完善其形成演化的模型,我们对近邻和中等红移处的早型星系的多波段测光结构研究进行了细致的二维图像的成分分解研究。首先,我利用来自卡内基-欧文巡天所提供的94个明亮的近邻椭圆星系的高质量地面光学图像对这个具有一定代表性的椭圆星系样本进行了细致的二维测光分解研究。样本分布在恒星质量M*=1010.2to1012.0M(?)的区间和一定的环境分布上。利用二维图像分解技术所赋予的独特能力,我讨论了在近邻椭圆星系中发现测光性质上有显著区别的子结构的可能,以及是否能够利用这些结构对其形成历史进行更好的限制。相比于传统的一维测光技术,二维模型可以同时准确的复原出椭圆星系的面亮度轮廓和其几何形状随着半径的系统变化。与之前基于一维面亮度轮廓得到的模型有很大不同,我的工作明确的指出大部分的近邻椭圆星系(≥75%)的二维面亮度分布不能很好的用一个Sersic成分来进行描述。与之对应的,我发现这些椭圆星系的测光结构都包含三个性质上有区别的S∈rsic子成分：一个包含总光度10%-15%的较为致密的中心成分；一个占总光度20%-25%的,平均有效半径Re≈2.5kpc的中间成分；以及一个占光度主导地位(f=0.6)的延展(Re≈10kpc)外侧成分。各个成分的面亮度分布的Sersic指数均在n≈1—2之间,比之前工作中对整体面亮度轮廓拟合得到的要低得多。每个成分都各自很好的符合已知的椭圆星系的测光标度关系以及重要的质量-半径关系,尽管相关的紧致程度以及关系的斜率略有不同。结合这些具体的性质和标度关系,我们对这些成分的物理性质和可能的起源进行了讨论。为了进一步的将这些独特的子结构的性质与大质量星系在过去100亿年的时标上的结构演化联系起来,我尝试将近邻椭圆星系的测光子结构与在较高红移处观测到的大质量早型星系的测光性质进行比较。我发现将前面模型中包含的中心和中间两个成分合并起来考虑的时候,这个符合的测光结构遵守着一个异常紧致的质量-有效半径关系。并且,更加有趣的是,这个关系与在红移≈1.0处观测到的大质量早型星系所遵守的质量-有效半径关系非常一致。通过比较这些星系的平均质量密度轮廓,可以进一步的发现,在星系中心1.0kpc以外,近邻早型的中心复合测光结构与z≥1.5的大质量早型星系非常接近。尽管当考察具体星系时,也可以发现很多近邻椭圆星系的中心复合结构相比于高红移的典型早型星系,也有了一定的半径增长。基于这个观测比较的结果,我提出,在近邻椭圆星系中利用成分分解方法提取出的中心复合成分很可能和高红移处的大质量宁静致密星系(“Red-Nuggets”)有着直接的演化联系。而这个成分,很可能就是在最近提出的大质量星系演化的两阶段模型中,通过第一个阶段中的剧烈的耗散过程引发的恒星形成过程形成的。根据这个模型,在随后的非耗散过程占主导的时期,通过一系列的并和,尤其是不涉及耗散过程的干并和过程逐渐累积形成了近邻椭圆星系外部的延展恒星包层。从近邻椭圆星系中分解出的外部测光结构在质量-有效半径关系上的显著的弥散很可能正反应了这个并和主导阶段的随机特性。虽然两阶段形成模型逐渐获得了越来越多的观测支持,包括我们从近邻椭圆星系的测光结构中得到的证据的支持,但距离真正的确立其可靠的地位还有一段距离。在两阶段形成模型中,一个非常重要的参量就是在第二个由干并和主导的阶段中,不同质量比的并和各自发生了多少次；换句话说,即平均的干并和质量比是多少。在模型中,这个参量很大程度上决定了早型星系的半径成长和面亮度轮廓的变化。然而,这个重要参数的观测限制却是非常难获得的。为此,我构想了一个基于多成分椭圆星系测光模型结果的手段,结合一些基本假设,对这个参数尝试给出观测限制。首先,利用非常简单可靠的参数限制,我成功的将在V-band上获得的多成分模型拓展到S-band和R-band上去。利用这组多波段模型,我将近邻椭圆星系测光分解出的中心复合成分与外部延展成分之间的光学颜色差别与组成它们的主要星族平均性质联系起来。考虑到早型星系遵守着一个有良好定义的质量-颜色关系,并且如果假定在两阶段形成模型的背景下,大质量椭圆星系在其中的恒星形成阶段后就只通过多次干并和沿着质量-颜色关系向大质量端演化,那么我们得到的颜色差异恰好可以帮助我们对于平均并和质量比给出一个粗略的限制。尽管目前这个方法还受到很多数据不确定性上的限制,但我得到的结果：5—15：1的平均并和质量比与目前的数值模拟给出的范围符合的较好。随后,为了更加直观的给出一个大质量星系结构演化的基本图像,我认为最直接的观测方法就是利用HST对高红移早型星系的观测数据和一致的二维测光分解技术对进行细致的结构分析。如果两阶段模型的正确性能得到未来观测的证实,那么我们可以很自然的想到,随着高质量的高红移早型星系观测的出现,我们必定可以看到椭圆星系中心成分经历的结构变化以及外部延展恒星包层的逐渐累积。尽管难度相比于近邻椭圆星系要增加了很多,我通过使用非常独特的哈勃极深场观测覆盖的7个分布在z=0.6—1.5之间的早型星系的静止波长下的近红外极深曝光数据与CANDELS巡天提供的相同星系在相同波段上的正常曝光深度的图像的对比给出了非常令人振奋的结果。我的测光分解分析指出：(1)这些中等红移处的早型星系绝大多数已经有明显的多成分结构的证据；(2)虽然目前HST观测在分辨率和观测深度上还不足以提供这些高红移星系和近邻椭圆星系可以比较的图像,像CANDELS这样的巡天项目已经足以用来对z≤1.5的大质量早型星系进行结构分解研究。尽管这还仅仅是对一个不完备小样本的试探性结果,也已经为我们进一步开展后面针对高红移星系的工作提供了信心。
【作者】黄崧；
【导师】顾秋生；何子山；
【作者基本信息】南京大学，天体物理学，2014，博士
【关键词】星系形成与演化；椭圆星系；测光结构；

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