星系形态分类的研究进展

传统的哈勃星系形态分类法可以很好地对近邻的亮星系进行分类,但对低面亮度星系、矮椭球星系、矮旋涡星系以及高红移星系等都已无能为力。德沃古勒分类系统、叶凯士分类系统和范登伯分类系统是在哈勃分类法的基础上进行了发展和细化,利用光的中心聚集度或光度级等作为星系形态分类的参数。模型化分类系统试图定量地测量星系形态参数,但需要假定星系面亮度分布满足一定的形式,如r^(1/4)律、指数律等。最近几年,又有一些学者提出了非模型化分类系统,给出了若干个可以直接测量星系形态的结构参数,如:聚集度指数C、非对称指数A、簇聚指数S、基尼系数G及矩指数M_(20)。这些参数可以反映星系的形成历史、恒星形成、与其他星系的相互作用、已经发生或正在进行的并合活动等。它们不仅可以有效地给出近邻星系的分类特性,还能用于测量高红移星系的形态。该文介绍了不同的星系形态分类方法,比较了各类方法的优点和不足。在此基础上,最后介绍了基于非模型化分类系统的星系形态分类的研究进展。

一种星系形态分类的新方法

在天文学研究领域,星系的分类一直是一个热点和难点问题。近年来有学者将机器学习应用于星系形态的简单分类,但在分类过程中出现特征选择困难、特征遗漏、分类器选择困难等一系列问题。星系在视觉形态上可以分为椭圆星系、旋涡星系、透镜星系以及不规则星系。针对SDSS DR16,Galaxy Zoo2和EFIGI目录中星系的测光图像,提出了一种分类精度更高的星系形态分类(Galaxy Morphological Classification,GMC)方法。首先对图像进行剪裁、去噪,然后采用旋转、平移、缩放等方法进行数据增强,最后搭建了星系形态分类网络GMC-net对图像进行分类。从实验结果来看,旋涡星系、椭圆星系、透镜星系以及不规则星系分类精确率分别为98.29%,98.49%,99.18%和99.91%,召回率分别为98.44%,99.03%,98.89%和99.34%;对单独来自EFIGI目录中4种形态星系的分类准确率也达到了99.34%。实验结果表明,星系形态分类相较于其他分类方法表现更好,可以有效地用于星系的形态分类。

早型旋涡星系M81(NGC 3031)的形态学解构研究

利用星系解构软件GALFIT通过面亮度轮廓拟合对近邻早型旋涡星系M81 (NGC 3031)进行形态学解构,旨在探究M81星系的结构组成并对其进行形态学量化.通过6种解构模式,对M81进行了不同复杂程度的结构分解,其中最复杂的解构模式包含核球、盘、外旋臂、内旋臂、星系核5个子结构.研究结果显示, M81有一个Sérsic指数约为5.0的经典核球,其形态和光度在不同解构模式中均保持稳定;M81星系盘的Sérsic指数约为1.2,但它的形态参数和光度与是否分解内旋臂相关.不同子结构的组合对作为混合体的星系整体的形态有不可忽视的影响.星系解构的结果提供了不同解构模式适用性的建议:其中核球+盘+星系核的三成分解构适用于大样本星系的核-盘研究;而考虑旋臂的复杂解构则适合于对星系子结构的精确测量,如小样本(或个源)研究.基于Spitzer-The Infrared Array Camera (IRAC) 4.5μm的单波段图像的形态学解构研究是后续一系列研究的开始,在此基础上未来将会对M81进行多波段解构,同时研究不同子结构的光谱能量分布和星族性质,并推断M81各子结构的形成历史和演化过程.

大大质量星系的尺度演化研究进展

星系(恒星质量M_*>10^(10)M_⊙)的尺度(re)与M*之间有着明显的re_∝Mα_*关系。已有的研究揭示晚型星系(LTGs)和早型星系(ETGs)的α值分别对应0.22±0.03和0.75±0.05。另外,星系的尺度r_e与红移z之间存在演化关系:re_∝(1+z)~β。对于z<3的ETGs来说,它们在静止光学波段的尺度随时间生长的指数β=-1.5～-1.2,其在LTGs中对应β=-0.8～-0.6。介绍了星系形成理论模型,星系尺度的测量,星系恒星质量与星系尺度之间的关系,不同类型星系的尺度演化,以及阐述了该领域未来的研究方向。

红移z≈2极亮红外星系的研究进展

极亮红外星系(ULIRGs)是指红外(IR,8~1000μm)光度L_(IR)>10^(12)L_⊙的一类星系。研究表明,红移z≈2处极亮红外星系是大质量(M_*>10^(11)M_⊙)、富尘埃和强恒星形成(大于100 M_⊙·a^(-1))的特殊星系。极亮红外星系可分成活动星系核起主导作用的源和恒星形成占主导的星系。恒星形成主导的源,中红外光谱有明显的多环芳香烃辐射;而活动星系核主导的星系,光谱呈现出幂律形式并有很强的硅线吸收。极亮红外星系的静止光学波段形态存在多样化,既有并合结构特征,又有椭圆形态。这类星系很可能是近邻大质量宁静星系的前身星系。介绍了红移z=2附近极亮红外星系的各种物理性质的研究进展,如形态和结构、光谱特征、成团性、尘埃分布和形成机制等,以及阐述了该领域未来的研究方向。

星系中分子气体与恒星形成的研究进展

星系中气体转化为恒星的过程决定了星系的结构和演化,因此研究恒星形成最直接的原料--分子气体的含量、分子气体形成恒星的规律以及会受哪些物理机制的影响,对于理解星系的形成和演化具有重要意义。近年来,随着观测技术和设备(尤其是射电望远镜)的发展,天文学家可以在不同尺度上探测到越来越多星系的多种分子多种能级跃迁的谱线。首先,介绍了探测分子气体的多种方法和新的发现;然后基于CO巡天数据和致密分子气体数据,分别在统计上讨论了分子气体分布及分子气体含量与恒星形成率之间的紧密关系,并与小尺度上的恒星形成理论进行了比较;最后,结合影响星系演化的物理过程,讨论活动星系核、星系形态以及星系所处环境对分子气体的影响。

目视观察:五个自带尘埃带的侧向星系

通过望远镜目视观察并描绘星系形态具有一定难度,那不如从观察亮度较集中的侧向星系开始吧。侧向星系是星系盘与地球观察者的角度造成的视觉现象,这类星系亮度较高且集中,长宽比也较夸张。当侧向星系最外围存在不发出可见光的尘埃带时,地球观察者就会看到暗带遮挡住星系主体的光芒。

红移z≈1极红天体的研究进展

极红天体(EROs)是指利用光学和近红外两个波段的色指数(如I-K>4 mag)挑选出来的一类星系。研究表明极红天体可分为两类:一类是被大量尘埃红化的高红移恒星形成星系,主要是较年轻的旋涡或不规则星系,有恒星正在形成,称为DGs;另一类是由年老星族(≥1 Ga)主导的高红移椭圆星系,基本上没有或仅有弱的恒星形成,简称为OGs。极红天体中这两种不同类型的星系,很可能是近邻大质量星系的前身星系,只是分别代表着不同的形成历史。介绍了不同类型极红天体的各种物理性质的研究进展,如形态和结构、光谱特征、成团性、红移分布和星系计数等,以及阐述了该领域未来的研究方向。

高红移星系的结构与形态研究

本文主要介绍近年来利用哈勃空间望远镜第三代宽场相机的近红外成像对高红移星系结构形态的研究.对红移1-3区间内宁静星系的研究发现其结构较近邻等质量宁静星系更致密,且有很显著的随红移演化趋势.最近的观测证据建议高红移致密宁静星系可能遵循从内而外的演化图像,干子并合可能在其演化过程中扮演了很重要的角色.在红移z>1,正常恒星形成星系的结构演化符合等级成团模型的预言.高红移星暴星系,包括极亮红外星系、尘埃遮蔽星系和亚毫米星系等,多数显示了并合的形态特征,表明主并合可能是触发高红移星暴星系中剧烈星爆活动的主要机制.对高红移活动星系核宿主星系结构形态的研究显示了不同的结果:中低光度X射线选活动星系核宿主星系与比较样本中的正常星系相比并不具有显著更高的并合比例;而高光度类星体宿主星系却具有很高的并合比例.该结果表明主并合可能只在高光度活动星系核的核活动触发过程中扮演主要角色.诸多观测事实表明星暴星系、致密恒星形成星系、类星体和致密宁静星系可能处于同一演化序列之上,是高红移大质量星系演化过程中的不同阶段.

低红移河外星系中性氢原子气体观测

我们回顾了近年来近邻宇宙星系中HI的研究进展,包括星系怎样吸积HI气体、HI在星系中的含量和分布、HI跟恒星形成率的关系以及环境对星系中HI的影响.近邻宇宙中仍然没有发现直接的证据支持HI吸积,说明这个过程很缓和.星系团、组尺度的环境以及局部星系密度环境对星系中HI含量有很明显的影响,然而我们仍不清楚实现这一过程的具体细节.不同星系内HI的分布具有很多共性,例如HI质量-直径关系,HI盘在光学盘外沿弯曲的普遍性,然而从宇宙学下的星系形成模型上理解这些共性仍然是个难题.在没有可探测的分子气体的低气体面密度区,HI与恒星形成活动有密切联系,表现在恒星形成覆盖面积比例和恒星形成面密度都与HI面密度相关.然而HI和恒星形成之间的联系怎样被激发以及被哪些物理条件约束仍然未明.相信接下来几年到几十年里,射电数据量的大爆炸会让一些未解之谜逐渐明朗.