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

  • 黄河2026年主汛期前调水调沙启动

  • 在中国最高城守望“天路”

独家策划

推荐阅读
瑞典哥德堡大学和查尔姆斯理工大学研究团队在人工智能(AI)应用方面取得新成果,教会一款名为SmartTrap的AI系统使用光学镊子,从而让光镊实现了全自动运行。光镊是一种利用高度聚焦的激光束来操控微小物体的技术,其操作对象包括单个DNA分子、活细胞以及其他直径远小于发丝的微观粒子。
2026-06-23 09:40
“十五五”规划纲要提出,建立健全数据产权、流通利用、收益分配、安全治理等数据要素基础制度。
2026-06-23 09:38
上午9时,随着小浪底水利枢纽3个闸门徐徐升起,巨大水流喷涌而出,在空中形成层叠奔涌的排浪,轰鸣着冲向水面——2026年度黄河调水调沙正式启动。
2026-06-23 09:35
2026年,发布《高端科学仪器创新发展行动计划》,推进“AI+”赋能仪器创新,鼓励建设全自动“黑灯”实验室等前沿科研新范式……灵心巧手(北京)科技有限公司联合创始人左家平举起一款灵巧手向记者介绍:“我们最轻的灵巧手只有370克,但它能提起50公斤重物。
2026-06-23 09:34
中国散裂中子源科学中心与港澳8所高校合作共建大湾区首台同步辐射光源,所有谱仪面向港澳全面开放,港澳用户完成实验课题超过100项,产出系列重要成果。据了解,2025年,“深圳-香港-广州”创新集群首次跃居全球创新指数第一,“澳门-珠海”集群连续两年入围全球百强,国际科技创新中心地位进一步凸显。
2026-06-23 09:30
准确来说,“原位纳米晶限域”是一种让晶体在生长过程中“长得好又长不大”的精细调控技术。科学家在材料结晶前,预先混入一种可聚合配体,它在晶体刚冒头时原位形成一张分子级的“网”,网眼便是晶体生长的唯一空间。
2026-06-23 09:29
这就是“管中窥豹”的困境,也是当前AI辅助荧光成像面临的核心难题。团队的解决思路颇具巧思:提出了一种全新的通用型荧光成像复原网络LargePNet。
2026-06-22 09:45
6月20日,中技船舶首批9艘新能源船舶集中试航仪式在广西南宁港举行。9艘船舶包含无人驾驶智慧船、商用作业船、民用休闲船,适配执法巡逻、景区观光等各类场景,助力内河航运绿色转型。新华社发
2026-06-22 09:44
法国“科技万岁”科技创新展6月20日在巴黎闭幕。法国“科技万岁”科技创新展创立于2016年,是科技创新和初创企业的重要展示平台。图为一名男子在“科技万岁”科技创新展上体验VR设备。新华社发
2026-06-22 09:44
英国《新科学家》周刊网站在近日的报道中指出,科学家正奋力探索多条有望恢复听力的道路,新一代治疗技术正在集中爆发。对于重度或极重度听力损失者,人工耳蜗植入也能极大改善他们的生活质量。
2026-06-22 09:44
在全球产业链、供应链面临复杂性和不确定性的背景下,第四届中国国际供应链促进博览会(以下简称“链博会”)如期而至。本届链博会首次设立人工智能专区以及升级的“数智科技链”,让联合国贸易和发展会议资深经济学家梁国勇高度期待。
2026-06-22 09:44
历时8年、由全球多个机构38位科学家共同完成的一项国际研究发现,线粒体并非通过简单扩散为细胞核提供能量,而是铺设“专线”供能,即通过一种此前未知的直接物理连接将能量分子定向输送至细胞核。
2026-06-18 10:33
近日,2026年上海国际养老、辅具及康复医疗博览会落幕。本次展会直观印证,人工智能既是夯实基础养老保障的务实抓手,更是释放银发经济增长潜力的核心引擎。
2026-06-18 10:32
奇索姆不会中文,叶子不会英文,但这并没有妨碍两人在短短几分钟内就交上了朋友,她们的“秘密武器”正是人工智能(AI)。
2026-06-18 10:29
高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”,深度融入我们的日常生活?答案,就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。
2026-06-18 10:28
如各大顶尖研究型高校一样,数学学科的全球竞争力需要长期稳定的支持,时间会证明数学研究和人才培养的后劲十足。
2026-06-18 10:24
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
加载更多