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

  • 香港特区政府举行悼念活动

  • 天津首家市内免税店投入运营

独家策划

推荐阅读
11月28日晚,2025中国・E-TOWN电竞节超级冠军杯开幕式在位于北京经济技术开发区(又称“北京亦庄”)的北京智慧电竞赛事中心举行。
2025-11-28 20:51
加强重点液态食品道路散装运输监管,守护“舌尖上的安全”;督促连锁餐饮企业落实食品安全主体责任,规范一些连锁餐饮企业“只开店、不管店”问题;“旧国标”电动自行车全面停售……12月新规,一起来看!
2025-11-28 17:11
从神舟二十号乘组换乘返航的刷屏热搜,到“太空烧烤”的温情热议;再到“十五五”期间中国计划发射4颗科学卫星任务……近期中国航天事业的新进展层出不穷。
2025-11-28 09:15
人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术,其标准化建设直接关系到关键核心技术自主可控、智能成果普惠于民以及在全球科技治理中赢得话语权。
2025-11-28 05:00
在黑龙江省齐齐哈尔市甘南县东阳镇隆胜村树莓园,凛冽寒风中,东北农业大学园艺园林学院教授霍俊伟正蹲在田埂上仔细查看果树修剪情况。
2025-11-28 05:00
11月27日,国家文物局在京召开专题新闻发布会,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副所长付巧妹向媒体介绍了石峁遗址最新科学研究成果。
2025-11-28 05:00
日前,中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作,在纳米尺度量子精密测量领域取得重大突破
2025-11-28 05:00
近日,在广西南宁举行的全国科普创作大会上,中国科普作家协会发布了2025年度十大科普热词——全国科普月、科学家精神、大模型、低空经济、人形机器人、智能体、创新文化、工业遗产、场景创新、科幻产业。
2025-11-27 05:40
近期,在一些电商平台,有买家利用AI技术制作假图,伪造商品质量问题,向商家骗取“仅退款”,引发大家关注。利用AI造假骗取退款,既反映出这些人的诚信缺失,更触碰了法律红线。
2025-11-27 09:07
在城市公共服务领域,“祥云”载人飞艇可用于大型活动期间的空中安保巡逻、交通流量监测或承担城市形象的空中展示平台。
2025-11-27 09:06
稀土纳米晶是发光材料中的“绝缘宝石”,虽具有巨大的发光潜力,却因自身局限无法被电流直接“点亮”,成为其实现光电技术产业化应用的根本瓶颈。
2025-11-27 05:40
从中国载人航天工程办公室获悉,因任务规划调整,2026年我国将组织实施天舟十号、神舟二十三号、神舟二十四号、梦舟一号4次飞行任务。
2025-11-27 05:40
广西梧州苍梧县沙头镇龙科村,稻田、房屋、道路、小河勾画出美丽丰收画卷。 春采茶、夏摘花、秋收果、冬育苗,如今在都镇湾镇,一朵朵洁白芬芳的栀子花,成了带动群众增收致富的“幸福花”。
2025-11-27 07:38
近日,自然资源部发布了矿产资源节约与综合利用先进适用技术目录(2025年版),共有376项技术入选,其中新增入选186项,与2022年版相比有了大幅更新。
2025-11-26 10:26
全国科学技术名词审定委员会近日举办2025年度工作会议暨学术年会。
2025-11-26 10:24
不久前,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》,首次在国家层面对场景培育开放进行系统部署。看似细微的“场景”二字,实则内蕴驱动产业变革、催生颠覆性技术的巨大能量,是撬动全局创新的重要支点。
2025-11-26 10:22
光明日报北京11月25日电 记者温源从中交集团获悉,我国自主设计建造的新一代超大型耙吸挖泥船“通浚”轮25日在中国黄海海域成功完成全部海上试验项目,顺利返航停靠江苏启东振华船厂码头。“通浚”轮是我国首艘自主设计建造的35000立方米舱容等级超大型耙吸挖泥船,最大舱容达38168立方米,位列亚洲第一、世界第二。
2025-11-26 10:15
日前,记者来到广西南宁东部新城的宁福新能源科技有限公司生产车间,这里的机械臂精准协作,生产线正全速运转,每天超10万颗电池下线发往全球。依托面向东盟的比较优势,南宁将新能源电池产业列为核心牵引性产业,以全产业链思维开展精准招商。
2025-11-26 10:13
传统无机颜料虽然色彩稳定,却因重金属添加而存在健康风险隐患。“新型稀土环保颜料的呈色策略突破了传统颜料的局限,其出现及量产不仅解决了传统颜料有毒性、环境污染等问题,还在稳定性和生产成本上展现出显著优势。
2025-11-26 10:06
《办法》明确,卫星导航定位基准站的建设和运行维护实行统一规划、统一标准、统一监管,以“合理布局、依法备案、资源共享、保障安全”为原则,必须符合国家有关法律法规、技术规范和标准。
2025-11-25 09:43
加载更多