浩瀚的宇宙中,分布着数以亿计的、形态各异的星系,这些动人的天体构成了宇宙大厦的基石,见证了宇宙百亿年的历史。在漫长的生命轨迹中,有的星系呼朋引伴,多次与其他星系擦肩乃至合并;有的星系则踽踽独行,在属于自己的角落感受岁月变迁。星系的不同生命历程造就了其不同的物理性质,如何通过百亿岁的星系化石,理解岁月长河中它们所经历的、纷繁复杂的物理过程,是众多天体物理学家毕生的追求。
在本文中,让我们一起给这些星系做个体检,重新分分类!
星系光学波段的观测,主要包含成像和光谱两个方面。图像巡天在为我们描绘出深邃而生动的星系形态的同时,也给出了星系在天空上准确的二维投影位置。而光谱则是标示星系物理性质的指纹,是解锁星系起源奥秘的核心。只有通过光谱观测,我们才能估算星系的年龄,分析星系的化学组分等信息。
近20多年来,国内外大规模的光谱巡天(如Sloan Digital Sky Survey,简称SDSS;The Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope,简称LAMOST)成为了天文观测的突破口,获得了数以十万、百万甚至千万计的天体光谱信息。
早期的光谱巡天(包括SDSS I-III期、LAMOST)所提供的主要是单光纤光谱: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辐射传输到光谱仪上进行色散,从而得到光谱,因此光谱携带的信息反映了星系中心区域的性质。一个星系的典型结构包括位于中心区域的由老年恒星组成的核球 + 核球外围的由年轻恒星主导的盘,核球和盘这两个不同的结构具有截然不同的性质和形成历史。
科学的需求推动了积分视场单元(Integral Field Unit, IFU)观测技术的发展,极大地提高了具有空间分辨能力的星系二维光谱观测的效率,使得一批大样本近邻星系IFU观测项目得以顺利展开(如SAURON, Atlas 3D, CALIFA, SAMI及SDSS-IV MaNGA)。
以MaNGA项目为例,其空间分辨能力的实现体现为其可以通过将多根光纤捆绑在一起,每根光纤输出相应观测位置的光谱,进而达到对星系进行全身检查的效果。
20世纪中叶,近邻宇宙中常见的各形态类型的星系均已被发现。
面对千奇百怪的星系,埃德温·哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-1953)于1936年提出了使用音叉图来分类星系的概念,他将椭圆星系(E)和透镜星系(S0)放在了叉柄上(早型星系),而普通旋涡星系与棒旋星系(S与Sb)分处两叉(统称晚型星系)。一个优秀的分类系统能够引导人们透过现象思考背后的物理本质。
进一步对星系性质的研究发现,沿着哈勃音叉从左往右,星系的星族趋于年轻化,颜色由红变蓝,中心聚集度降低。
Atlas 3D积分视场单元巡天的开展,使得天文学家对早型星系运动学的认识发生了质的变化,也导致了变革的降临。在可见光图像中,早型星系看起来光滑平整,一般认为其恒星成分是在更圆滑的范围内随机运动的,彼此的角动量互相抵消,导致整个系统的净自转十分不明显。
Atlas 3D研究团组结合图像与自转数据后发现,大多数早型星系(甚至是椭圆星系)都是快速自转的椭球体,自转速度几乎与旋涡星系相当,早型星系应该被重新分类为“慢速自转体”与“快速自转体”两类。
一个关于恒星形成的非常粗糙的认知是星系中致密冷气体在自引力作用下塌缩形成,这幅图景中,恒星起源于气体,因而继承了气体的角动量。因此,恒星成份和气体成份具有相同的旋转方向。
30多年前,天文学家基于沿着星系某一特定方向(如主轴)的长缝光谱观测,陆续报导了在个源中发现的一些奇特运动学特征,主要包括气体 - 恒星,恒星 - 恒星,气体 - 气体旋转方向不一致。这些小样本的运动学研究持续了大概十多年时间,而后却戛然而止,并未引起学界的广泛关注。
21世纪初,随着大样本积分视场单元巡天项目的推进,运动学不一致星系再次进入了天文学家的视野。统计研究发现,星系运动学不一致现象的出现概率对星系的类型有很强的依赖,其比例从富气晚型星系中的2~5%快速上升为透镜星系和椭圆星系这些早型星系中的30~40%。大量运动学不一致现象的涌现,吸引着人们探索它的成因。
星系从其外部吸积角动量方向不同的气体,这些气体积累到一定程度,不可避免的会触发新恒星的形成,因此一个直接的问题就是外部气体的吸积如何影响星系的后续演化?只是在星系的生命历程中激起一丝涟漪,还是会完全改变星系的命运?要回答这个问题,我们不得不综合考虑内部因素和外部因素。我们从最简单的假设和模型出发,列举三种不同的情况下,外部气体的获取对星系演化的可能影响。
爱因斯坦说“宇宙最不可理解之处,就是它可被理解”。星系中包含的物质成份各样,涉及的物理过程众多,它们交织在一起并相互影响,剪不清、理还乱。从积分视场巡天观测大量发现运动学不一致星系到今天,才经历了短短十多年,距离充分理解其所经历的纷繁复杂的物理过程还很遥远,但多波段观测数据与数值模拟的充分结合,定会进一步帮助我们揭开其神秘的面纱。