点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

来源:光明网2021-12-22 10:45

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  浩瀚的宇宙中,分布着数以亿计的星系,它们形态各异,有着各自独特的生命轨迹。有的星系在漫长的时光中呼朋引伴,多次与其他星系合并融合而形成更大质量的星系;有的星系在历经沧桑后投入星系群或者星系团大家庭的怀抱;有的星系则踽踽独行,在独属于自己的角落感受岁月变迁。星系的不同演化路径对于星系最终呈现的性质有着深远影响,因此通过对星系现今性质的分析,能够帮助理解星系形成与演化的过程。

  与最初利用单色图像或者多色成像研究星系性质相比,光谱提供了更为丰富的信息,通过光谱分析可以得到星系的诸如恒星年龄、恒星形成率、化学丰度、气体组分、速度、速度弥散等一系列性质。2000年开始的斯隆数字化巡天项目(Sloan Digital Sky Survey,简称SDSS)提供了近邻宇宙上百万个星系的光学光谱,对于星系性质的系统性研究提供了大样本数据。

  但是,SDSS所提供的是单光纤光谱数据,单光纤光谱是指将望远镜对准星系的中心区域并通过单根光纤把望远镜收集到的星光传输到光谱仪上进行色散得到的光谱,因此SDSS光谱所提取出来的信息反映的仅仅是星系中心区域的性质(见图1)。我们知道,星系是内外不同的结构组成的,从最中心的超大质量黑洞和由超大质量黑洞驱动的活动星系核,到接近中心的核球和棒,再到外围的盘及旋臂,不同的结构有着不同的星族成分和动力学性质。正所谓“管中窥豹,只见一斑”,如果只有星系中心区域的光谱,那么对于星系的研究如同盲人摸象,得到的结论将是不全面的。

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

图1. MaNGA星系11835-12705的SDSS图像,左图中红色方块表示SDSS单光纤光谱区域,星系的大部分区域没有相应的光谱信息,右图中正六边形为MaNGA视场范围,覆盖了星系的大部分区域(图源:SDSS网站)

  为了能够全面了解单个星系不同区域的性质,在斯隆数字化巡天第四期(SDSS-IV)中,MaNGA(Mapping Nearby Galaxies at APO)项目利用积分视场光谱(Integral Field Spectroscopy)的观测技术对一万个近邻星系进行了观测(见图2)。积分视场光谱在二维的视场里对每一个成像单元都获得对应的一维光谱信息,相当于在图像信息的基础上直接增加了一个波长维度的信息,得到所谓的数据立方。数据立方提供了一维光谱的空间分布信息,进而提供了由光谱分析得到的星族成分及动力学性质的空间分布(见图3)。与以往的SDSS单光纤光谱相比,积分视场光谱既能覆盖更大的空间范围,又能区分星系不同区域的性质差异,得到更加丰富的信息。以图3为例,展示了MaNGA积分视场光谱得到的星系性质二维分布,如果从SDSS单光纤光谱来分析这个星系,看到的仅仅是恒星形成率较高、恒星年龄较老的中心区域,既看不到在外围旋臂上分布的高恒星形成率区域,也看不到外围较为年轻的星族,对于理解星系恒星形成过程有所限制。如果说SDSS的大样本单光纤光谱巡天是从宏观角度对近邻星系的“健康状况普查”,那么MaNGA的积分视场光谱则是在微观角度对近邻星系的代表进行了“全面体检”,后者从另外一个视角大大加深人们对于星系形成演化的理解。

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

图2. 左图是MaNGA积分视场光谱示意图,下方是由多根光纤组成的光纤束,一个光纤束可以同时得到一个星系不同区域的光谱;右图展示MaNGA视场覆盖的范围,每个圆圈对应一根光纤的位置(图源:MaNGA官网)

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

图3. MaNGA积分视场光谱得到的星系性质分布。从左往右分别为SDSS图像(图中紫色六边形代表MaNGA的视场)、Hα辐射(反映恒星形成率)、气体速度、恒星速度、D4000(反映恒星年龄)(图源:MaNGA官网)

  MaNGA项目为期6年(2014-2020),利用位于阿帕奇山顶天文台的2.5米望远镜对近邻宇宙(平均红移0.03)大约10000个星系进行了积分视场光谱的观测。MaNGA星系样本的恒星质量大约在109太阳质量到1012太阳质量之间呈均匀分布,没有对星系倾角、所处环境、星系形态等性质做筛选,因此MaNGA的星系样本能够接近无偏的代表近邻星系。同时,MaNGA的视场覆盖了样本星系至少1.5倍的半光度半径的范围,其中三分之一的星系能达到2.5倍的半光度半径,能够对星系大部分区域进行光谱分析。与其他较早或者同期的积分视场光谱项目(SAURON、ATLAS3D、CALIFA、SAMI等)相比,MaNGA的星系样本数大大增加,从72(SAURON)、260(ATLAS3D)、600(CALIFA)、3000(SAMI)增加到10000,意味着MaNGA不但能够准确全面地刻画每一个星系的性质,也能提供足够多的样本进行统计性分析。

  在日常生活中,体重的测量是体检里一个必不可少的项目,对于星系同样如此甚至更加重要,用MaNGA对近邻星系做“全面体检”自然也少不了星系的“体重增长”这一项目。MaNGA巡天项目的一个重要结果是对星系中恒星形成历史及其“熄灭”机制的研究。所谓恒星形成历史指的是星系中恒星形成速率随时间的变化,当星系中有大量冷气体时,质量超过金斯质量的气体团块就会坍缩形成恒星,这时星系通过大量新恒星的形成处于质量快速增长的阶段;当星系中的冷气体逐渐消耗,恒星形成率就会降低甚至停止,成为一个几乎没有恒星形成的“熄灭”星系。恒星作为星系的基本组成成分,恒星形成历史很大程度上反映了星系的“体重增长史”,尽管星系的“体重增长”还可以通过合并其他星系的方式,研究恒星形成历史及其“熄灭”机制仍然是理解星系演化的重要环节。

  许多机制能够降低星系的恒星形成率乃至使其“熄灭”,主要原理是通过影响星系内冷气体的含量来调节恒星形成率,冷气体作为“食物”提供了星系“体重增长”的物质来源,当“食物”不足时星系的“体重增长”就会逐渐变缓乃至停止。目前星系的“熄灭”机制主要分为“自内向外”(inside-out)和“自外向内”(outside-in)两种模式,“自内向外”熄灭机制包括活动星系核的反馈作用移除星系中心气体、核球质量增长消耗星系中心气体等等,“自外向内”熄灭机制包括星系受到其他星系的潮汐剥离而失去气体,星系在介质中运动时因为冲压剥离(ram pressure)作用下失去外围气体、星系无法吸积冷气体“窒息而亡”(strangulation)等等。可以说,星系“控制体重”的两个方式是“少吃”(不从外界补充冷气体)和“多动”(通过气体外流或者剥离作用移除自身已有的冷气体)。通过MaNGA积分视场光谱得到的D4000径向分布,可以发现大部分MaNGA星系中心的恒星年龄更老,处于“自内向外”的“熄灭”过程(见图4)。

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

图4. MaNGA星系中D4000的分布反映了星系“自内向外”的熄灭机制。左图是D4000径向梯度和中心D4000的关系,右图是1.5倍半光度半径处D4000和中心D4000的关系。蓝色的点代表有大量恒星形成的星系,绿色的点代表部分区域恒星形成停止的星系,红色的点代表完全“熄灭”的星系。(图源:Wang et al. 2018)

  MaNGA项目的另一个研究亮点是对星系内部运动的观测,在SDSS前期的观测中,星系的内部运动信息仅通过一根光纤拍摄的光谱获得,观测者只能获得星系内部恒星随机运动的信息,却无法了解星系内部恒星整体转动的信息。而在MaNGA项目中,观测者可以获得一个星系在不同位置处的视向速度,从而全面了解星系的内部运动(见图5)。利用这些观测数据,科学家就可以计算星系内部的引力是如何分布的,进而了解星系的物质构成,了解星系内部发光的恒星和不发光的暗物质在空间上的分布状况【5】。

给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介

图5. 三个MaNGA星系的图像(左)、恒星速度(中)和恒星速度弥散(右)。(图源:SDSS Marvin)

  MaNGA项目的观测已于2020年落下帷幕,它的所有数据也于2021年12月向全世界全面开放。在过去六年的时间里,MaNGA在研究星系的形成与演化方面取得了丰硕的成果,这其中,来自中国科研机构(包括国家天文台、清华大学、上海天文台、南京大学等在内)的研究者们做出了重要的贡献,承担了其中三分之一的课题。虽然MaNGA项目已经结束,但是它所留下的数据仍然有着巨大的潜力,我们期待着全世界的天文学家们在其中挖掘出更多的宝藏,加深我们对星系形成与演化的理解。

  参考资料:

  【1】https://www.sdss.org/surveys/manga

  【2】Bundy, K. et al. 2015, ApJ ,798,7

  【3】https://arxiv.org/abs/2112.02026

  【4】Wang, Enci et al. 2018, ApJ,856,137

  【5】Li, Ran et al. 2019, 490, 2124

  作者简介:朱凯,中国科学院国家天文台在读博士生,主要研究方向为利用积分视场光谱数据对星系进行动力学及星族性质的研究。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 科技创新开拓共建"一带一路"新空间

  • “环俄世界”俄罗斯文化节在沪开幕

独家策划

推荐阅读
9月23日,秋分时节,清晨的杭州笼罩在蒙蒙烟雨中,别具江南韵味。但亚运气象台副台长郑沛群却无暇顾及,她的注意力全在精准预判当晚的天气变化,为杭州亚运会成功开幕提供气象保障。
2023-09-25 09:40
2022年10月,团队成功研制出±500千伏/1200安培葛南直流输电改造工程可控换相换流阀产品,并一次性顺利通过48项电气型式试验、226项控制验证试验。
2023-09-25 09:39
不久前,粟多武和他的同事们来到珠峰大本营。前方一块海拔5153.6米的高地,立着珠峰高程测量纪念碑。珠峰测高,正是从那里起算。
2023-09-25 09:38
20世纪二三十年代,以顾颉刚为代表的禹贡学派开始了中国历史地理学的探索之路,在谭其骧、侯仁之、史念海等的共同努力之下,中国的历史地理学发展起来。
2023-09-25 09:35
北京高压科学研究中心的星球撞击构造研究日前取得重要进展——在吉林省通化市发现了世界第一个位于高山上的类似冰斗状的陨石坑。
2023-09-25 09:33
古有茶博士,今有茶院士。“茶院士”陈宗懋是我国当代茶学研究的领军人物。
2023-09-25 09:08
9月20日,2023世界制造业大会在安徽省合肥市启幕。大会以“智造世界·创造美好”为主题,包括人工智能、机器人、元宇宙等在内的众多前沿产品让参展者感受“智”造魅力。
2023-09-22 10:43
首创“1+6”一体化数字办赛服务平台、首条5G-Advanced万兆网络走进现实、境外“电子钱包”首次在境内“无缝对接”……即将开幕的杭州第19届亚运会,是史上首届提出智能办赛理念的亚运会,“智能亚运”成为中国尖端数字技术发展的展示窗口。
2023-09-22 10:42
为让更多好项目走出“深巷”,参展高校与各行业企业融合联动,打通基础研究、应用开发、成果转化和产业化链条,为专利成果转化按下加速键。
2023-09-22 10:42
今年峰会主题为“建设包容、普惠、有韧性的数字世界——携手构建网络空间命运共同体”,将围绕全球发展倡议、数字化绿色化协同转型、人工智能、算力网络、网络安全、数据治理、数字减贫、未成年人网络保护等议题举办20场分论坛。
2023-09-22 03:40
“天宫课堂”是一扇连接地球与太空的奇妙之门。这是中国航天员首次在梦天实验舱内进行授课。记者专程来到位于北京航空航天大学的地面课堂,在这里与同学们一起跟随航天员穿越波澜壮阔的星空,展开一场关于宇宙的美妙旅程。
2023-09-22 03:50
中共中央政治局常委、国务院总理李强9月21日在北京市调研专精特新企业发展情况。他强调,要深入贯彻落实习近平总书记重要指示精神,进一步坚定信心、保持定力,支持广大专精特新企业聚力科技创新、深耕细分领域,为推进科技自立自强、稳定产业链供应链发挥更大作用。
2023-09-22 03:30
党的十八大以来,我国将推进新型工业化作为全面建成社会主义现代化强国的关键支撑。做强做优做大实体经济,加快构建以先进制造业为骨干的现代化产业体系。
2023-09-22 03:30
报告围绕7个可持续发展目标,提供了全球与中国尺度的数据产品32套,弥补了指标监测的数据空缺,提升了指标监测与评估的空间精细度,揭示中国和全球环境变化新动态。
2023-09-22 03:30
人力资源和社会保障部职业能力建设司副司长王晓君认为,本届大赛为广大技能人才提供了展示精湛技能的舞台,搭建了相互切磋技艺的平台。
2023-09-21 10:37
本届工博会高校展区共815项参展项目,集中展示了高校创新科技成果,体现了高校在服务国家战略及加快实现高水平科技自立自强的担当作为。
2023-09-22 03:50
中国企业联合会、中国企业家协会20日在安徽合肥发布了2023中国企业500强榜单。其中申报发明专利74.34万件,比上年“500强”增长了10.48%,发明专利数量连续5年持续增长,占专利数比重为39.43%。
2023-09-21 10:36
研究人员发现了一种模式,在该模式下,钻石会像火山岩浆一样从地球深处喷涌而出。这种美丽而奇异的现象吸引了诸多学者的目光。研究人员调查发现,这些钻石形成于地壳深处约145公里处,以每小时18—132公里的速度喷发到地表。
2023-09-21 10:34
瑞士素有冰雪王国之称,畅享冰雪运动成为全球游客选择前往当地度假的重要原因之一。 适宜的自然环境促使冰雪运动成为瑞士的国民运动,几乎每个瑞士人都会滑雪。
2023-09-21 10:30
2017年正式通车的蒙内铁路穿越内罗毕国家公园、察沃国家公园等野生动植物保护区。 因此,未来应以落深落实《关于推进共建“一带一路”绿色发展的意见》为抓手,高质量持续推进绿色“一带一路”建设。
2023-09-21 10:30
加载更多