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2012-11-10

早期宇宙中的团块状星系

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 8:48 pm

只要对天文稍有概念,应该对星系的形态并不陌生。说到星系的形态,多数人首先想到的想必是规则的旋涡、棒旋以及椭圆星系,可能还要加上外观有些古怪的透镜星系。当然不规则的星系也是存在的,典型如大小麦哲伦云以及其他邻近的矮星系。随着红移的增加(等同于星系年龄的减小),星系的结构出现了很大的变化。

对远方星系的观测始于哈勃空间望远镜的发射。由于在同等尺度下越遥远的星系视直径越小,且团块状结构容易受到大气湍动的影响,采用传统地面观测手段是很难研究高红移星系形态的(当然,在装备有自适应光学系统的新型望远镜落成后,情况有所转变)。不过尽管如此,通过计数和测光等手段,人们还是认识到遥远的星系与宇宙近邻之间应该存在很大差别。

总的来说,高红移处的星系有相当一部分表现出了团块状的外观。这类星系的特点是颜色偏蓝、外观不对称,且并不存在相对星系中央集中的结构。这些星系中的团块是大规模产星活动发生的区域,年龄在几亿年上下。早期宇宙中的团块状星系,其团块无论从尺度还是质量上都远胜当代星系的产星区。从物质分布上说,它们在团块区域的面密度与周边密度的比例也较当代星系的产星区更高,最高可达6倍。更为古怪的是,其中的部分星系拥有若干明亮的斑块,且这些斑块往往排列成线,形成链状星系。也有斑块分布较均匀,大致成环状的,这种结构叫做团块团。

哈勃空间望远镜拍摄的团块状星系示例,图中的白线相当于2千秒差距的距离,左下方的数字是星系红移,右下方是COMBO-17编号。(图片来源:Elmegreen et al. 2009)

还有一些团块状星系拥有长长的尾迹,就好像是刚刚发生过并合一般,又称为蝌蚪状星系:

哈勃深场中的蝌蚪状星系。(图片提供:STScI)

深场观测表明,团块状星系在早期宇宙中极其普遍,甚至在红移大于1处在数量上胜过了其他类型,可以称得上主流。这些年轻的星系形态上与邻近的不规则星系较接近,但最大的区别在于,它们的质量更大,而且当代的不规则星系无论从哪个方向看去都是不规则的,但是团块状星系中团块大致沿同一盘面分布,侧视为链状,正视为团块团状,这两种结构只是从不同视角看去的结果,本质是相同的。因此团块状星系不大会是不规则星系的祖先,而更可能是大型旋涡星系儿时的面目。

说到旋涡星系,其中确实有这么一类,虽然具备整体结构,但内部物质分布明显具有团块,所谓絮状旋涡星系是也。这种结构在高红移区有所分布,在邻近中也存在:

絮状旋涡星系示例。(图片来源:Elmegreen et al. 2009)

介于絮状旋涡星系与偏蓝的团块星系之间的是埋藏在较年老星系中的蓝色年轻团块:

埋藏在偏红星系盘中的团块示例。(图片来源:Elmegreen et al. 2009)

这样看来,偏蓝的团块星系、古老星系中的年轻团块以及絮状旋涡星系这三种情况构成了一个演化序列,其团块与周边亮度比依次下降,星系中央的核球愈发明显,成员星也愈加古老。由于这些星系中多半不具备发生过并合的迹象,由团块向旋涡结构的演化应该是内在的过程驱使的。数值模拟工作表明,多团块的星系盘最终是可以形成如今所见具有核球的漩涡星系的。更有观测认为,团块是所有盘状星系演化过程中的必经阶段。

那么团块状的物质分布是如何起源的,它是盘面内部作用的产物还是星系并合过程的结果?根据动力学(如盘面自转)、年龄(同一星系内的团块年龄彼此接近)和形态(如各种团块状星系的轴比分布)分析,这更有可能是源自盘面内部的。当然的确存在明显发生过并合的个例,但是这只是个例而已。这样由于盘面的瓦解与盘本身的引力不稳定性有关,从团块的性质就可以判定整个盘的质量分布了,为了形成巨大的产星团块,盘面要几乎不具备核球,所有的恒星都要处在盘中。需要注意的是,虽说团块起源于盘面的不稳定性而非并合,但盘面的形成却可能是与并合有关的。

团块状星系何时会转化为旋涡星系呢?观测上看,这个过程可能会发生得很早,比如107亿光年之外的星系BX442已经具备了整体的旋臂。不过大多数团块星系要等到更晚些时候才能完成转变,因为产星事件释放的大量热量阻碍了大尺度结构的形成。

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