（天体物理专业论文）星系的恒星形成性质及其环境效应.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：煎笼簦 日期：2 1 丑( 盥 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 互叠立 日期： 丛亟玉f 受 中文摘要 摘要 星系的恒星形成性质的研究是目前河外天体物理学的热门研究领域。通过研究 星系的恒星形成性质及其随环境变化的规律，有助于我f l i t 解星系的形成和演化。 基于越来越先进的观测技术，测量星系中的恒星形成率的精度也越来越高，尤其是 近年来大规模l 簦j s l o a n 巡天( t h es l o a nd i g i t a ls k ys u r v e y ，简称s d s s ) 使得星系的 样本不断的扩大，从而使得星系的恒星形成性质方面的研究也取得了很大的进展。 星系团a b e l l 2 1 9 9 正好被s d s s 巡天覆盖。在文中，我们对该星系团的2 9 0 个成员 星系的恒星形成性质进行了研究，利用s d s s 提供的图像、光谱和测光数据，我们在 对这些成员星系进行形态分类的基础上，研究这些星系的恒星形成率及其与形态和 相关物理特性之间的关系。该星系团中星系的特征恒星形成率与h a 等值宽度、星系 光谱在4 0 0 0 a 处的跃变程度以及星系所包含的恒星质量之间有较强的相关性。这些 星系的恒星形成活动没有表现出明显的环境效应，表明该星系团仍处在剧烈的动力 学演化阶段，远没有达到动力学平衡。 为了研究星系的恒星形成性质在高密度和低密度环境中的差异，我们根据 k a u f f m a n n 等提供的数据，选出了处于致密环境中的团星系成员和低密度环境中的 场星系成员进行研究。通过对场星系和团星系的物理特性的比较，研究了处在不同 引力环境中星系的恒星形成性质。研究表明，聚度高的星系主要居于星系团中，而 大部分低质量星系是场星系。发现星系的特征恒星形成率与恒星质量和金属丰度之 间存在着显著的相关性。另外，团星系和场星系在红移小于o 1 的范围内仍表现出了 明显的宇宙学演化效应。 为了明确星系的恒星形成活动随环境密度的变化趋势，我们还研究了星系的恒 星形成活动和化学演化随着环境密度的变化情况。我们用星系周围1 。1m p c 范围内 中文摘要 邻近星系的数目n 来描述星系的局域密度环境。我们发现，星系的特征恒星形成率 随着密度的增加有逐渐减少的趋势，而且在不同的环境密度下星系的化学增丰过程 表现出不同的规律：在低密度环境( n 1 0 ) 下，该斜率随局域密 度的变化呈现出不确定性。另外，星系的金属丰度一恒星质量关系的相关系数在不同 环境密度下也表现出不同的变化规律：在低密度环境( n 1 0 ) 下，该相关系数的变化幅度增加，且变化也表现出不确定 性。上述研究表明，星系的化学增丰过程在低密度环境( n 1 0 ) 中表现出渐变的 特征，而在高密度环境( 如星系团) 中表现出较大的不确定性，说明在星系团环境 中，有许多的物理过程影响了星系的化学演化进程。 关键词：星系，星系团，早型星系，晚型星系，恒星形成率 英文摘要 s t a rf o r m a t i o np r o p e r t yo f g a l a x i e sa n d i t s e n v i r o n m e n t a le f f e c t a b s t r a c t t os n l d yt h es t a rf o r m a t i o np r o p e r t i e so fg a l a x i e si so n eo ft h e m a j o rt a s k so f e x t r a g a l a c t i ca s t r o n o m y t h ec u r r e n ts t a rf o r m a t i o nr a t e s ( s f r s ) o fg a l a x i e sa n dt h e v a r i a t i 彻w i t hm o r p h o l o g ye n v i r o n m e n ta n ds o m ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fg a l a x i e sa r e c r u c i a li no u ru n d e r s t a n d i n go ft h ee v o l u t i o no fg a l a x i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o b s e r v a t i o n a lt e c h n o l o g y t h es f rm e a s u r e m e n tb e c o m e sm o r ea c c u r a t e al a r g en u m b e r o fg a l a x i e ss p e c t r o s c o p i c a l l yo b s e r v e db yt h es l o a nd i g i t a ls k ys u r v e y ( s d s s ) i m p e l sa g r e a tp r o g r e s si nt h i sf i e l d t h ec l u s t e ro fg a l a x i e sa b e l l 2 1 9 9i sc o v e r e db yt h es d s s t h e p h y s i c a lp a r a m e t e r s o f 2 9 0b r i g h tm e m b e r g a l a x i e sd e r i v e df r o mt h es d s sd a t aa n a l y s e sb yb r i n c h m a n ne ta 1 ( 2 0 0 4 ) a l l o wad e t a i l e ds t u d yo nt h es t a rf o r m a t i o np r o p e r t i e so fg a l a x i e sw i t h i nac l u s t e r a ti n t e r m e d i a t er e d s h i f f i nt h i st h e s i sw ep e r f o r mam o r p h o l o g i c a lc l a s s i f i c a t i o no nt h e b a s i so ft h es d s si m a g i n ga n d s p e c t r a ld a t a ，a n di n v e s t i g a t et h em o r p h o l o g i c a l d e p e n d e n c eo f t h es t a rf o r m a t i o nr a t e s ( s f r s ) f o rt h e s em e m b e rg a l a x i e s b a s e do nt h em o r p h o l o g i c a lc l a s s i f i c a t i o nf o r2 9 0m e m b e rg a l a x i e si na b e l l2 1 9 9 ， r e l a t i o n so ft h es t a rf o r m a t i o nr a t e s ( s f r s ) w i t hm o r p h o l o g ya n dr e l e v a n tp h y s i c a l p r o p e r t i e so f c l u s t e rg a l a x i e sa r es t u d i e d at i g h tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es f rn o r m a l i z e d b ys t e l l a rm a s s ( s f r 坛) a n dt h eh ae q u i v a l e n tw i d t ha r ef o u n d t h ec o r r e l a t i o n so f s f r m w i t ht h ec o n t i n u u mb r e a ks t r e n g t ha t4 0 0 0 aa n ds t e l l a rm a s s ( m 。) a r ea l s o c o n f i r m e d t h e s ec l u s t e rg a l a x i e ss h o wn os i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a le f f e c ti nt h e i rs t a r f o r m a t i o na c t i v i t i e s ，w h i c hs u g g e s t st h a ta b e l l2 1 9 9i ss t i l la ta na c t i v e s t a g eo f d y n a m i c a le v o l u t i o n ，f a rf r o mt h es t a t u so f d y n a m i c a le q u i l i b r i u m b yc o m p a r i n gt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fc l u s t e rg a l a x i e sa n df i e l dg a l a x i e s ，s u c ha s 3 英文摘要 c o n c e n t r a t i o ni n d e x ，s p e c i f i cs t a rf o r m a t i o nr a t e ，s t e l l a rm a s s ，a n dm e t a l l i c i t y , t h es t a r f o r m a t i o np r o p e r t i e so f g a l a x i e sw i t h i nd i f f e r e n tg r a v i t a t i o n a le n v i r o n m e n t sa r es t u d i e d i t i ss h o wt h a th i 【曲l yc o n c e n t r a t e dg a l a x i e sd o m i n a t ei ng a l a x yc l u s t e r s ，a n dl e s sm a s s i v e g a l a x i e sa r ep r e d o m i n a t e l yf i e l dg a l a x i e s t h ec o r r e l a t i o n so ft h es p e c i f i cs t a rf o r m a t i o n r a t ew i n ls t e l l a rm a s sa n dm e t a l l i e i t ya r ef o u n d a d d i t i o n a l l y , b o t hf i e l da n dc l u s t e r g a l a x i e sw i t hz o 1s h o ws i g n i f i c a n te f f e c to f c o s m i ce v o l u t i o n i no r d e rt oo b s e r v eh o wt h es t a rf o r m a t i o na c t i v i t i e si ng a l a x i e sv a r i e sw i t h g r a v i t a t i o n a le n v i r o n m e n t , w es t u d yt h ev a r i a t i o no fs t a rf o r m a t i o na n dt h ec h e m i c a l e v o l u t i o ni ng a l a x i e sw i t hl o c a ld e n s i t y t h en u m b e ro fn e i g h b o rg a l a x i e s ( n ) w i t h i na d i s t a n c eo f 1h 1m p ct oag i v e ng a l a x yi sd e f i n e dt od e s c r i b et h el o c a ld e n s i t y t 1 l e s p e c i f i cs t a rf o r m a t i o nr a t e ( s f r m ) d e c l i n e sm o n o t o n o u s l yw i t hai n c r e a s i n gd e n s i t y , a n dc h e m i c a le n r i c h m e n ts h o w sd i f f e r e n tb e h a v i o r sa td i f f e r e n tl o c a id e n s i t i e s f o rt h e g a l a x i e si nl o w - d e n s i t yr e g i o n s 州 1 0 ) ，h o w e v e r , t h es l o p ea n dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f m e t a l l i c i t y - m a s sr e l a t i o nb e c o m e ss c a t t e r e da n du n c e r t a i n ，s h o w i n gt h a tt h ec h e m i c a l e n r i c h m e n tf o rc l u s t e rg a l a x i e sm i g h th a v eb e e n s t r o n g l y d i s t u r b e d b yt h e l o c a l g r a v i t a t i o n a lp o t e n t i a l t h i ss u g g e s t st h a tm a i np h y s i c a lm e c h a n i s m sw h i c hh a v ee x e r t e d a ni n f l u e n c eo nt h es t a rf o r m a t i o na n dc h e m i c a le n r i c h m e n to fg a l a x i e sa r ed i f f e r e n ti n d i f f e r e n t1 0 c a lg r a v i t a t i o n a le n v i r o n m e n t s k e yw o r d s ：g a l a x i e s ，c l u s t e ro fg a l a x i e s ，e a r l y t y p eg a l a x i e s ，l a t e - t y p eg a l a x i e s ，s t a r f o r i l l a t i o nr a t e 4 前言 研究星系的恒星形成性质已经成为近年来河外天体物理学最热门的研究领域之 一。研究星系的恒星形成性质及其随着环境密度的变化规律，有助于我们了解星系 的形成和演化，从而了解整个宇宙的形成和演化的历史。星系团是宇宙中最大的自 引力束缚系统，它们由团内热气体、星系际尘埃和大量星系组成，是宇宙大尺度结 构的重要示踪物，也是星系和星系、星系和环境之间相互作用的重要场所，因此研 究星系团中成员星系的恒星形成性质具有重要的意义。此外，研究各种环境下星系的 恒星形成性质对于了解星系乃至宇宙的演化进程也有重要意义。大量的研究表明， 高密度环境中的星系比低密度环境中的星系的恒星形成率低，晚型星系的恒星形成 活动要比早型星系活跃，星系的恒星形成活动以及各种物理性质与星系所处的环境 有着重要的关系。 随着观测技术的不断发展，人们的观测范围和观测深度也不断的提高，星系的 观测数据更加精确和完备，从而使得人们对星系的各种性质的研究和认识也越来越 深入。近年来借助s d s s 巡天，人们在星系的恒星形成性质方面的研究取得了很大的 进展。 本文第一章主要对星系的恒星形成性质及其环境效应的背景知识和前人的研究 进行扼要的阐述，主要介绍了星系的恒星形成理论和测量星系恒星形成率的方法。 目前的研究发现，星系的恒星形成活动与星系的形态、质量、光度、红移以及星系 所处的环境都有一定的关系。第二、三、四章是我们的主要工作，数据主要来s d s s 释放的星系光谱、测光数据以及k a u f f m a v m 等人的数据，我们分别研究了：( 1 ) 星 系团a 2 1 9 9 的恒星形成性质；( 2 ) 团星系和场星系的恒星形成性质的比较；( 3 ) 星 系演化中的环境效应。第五章是总结和展望。文中使用的宇宙学参数是f l m - - - - 0 3 q a = o 7 和h 0 = 7 0k ms “m p e 。 我们的主要研究工作如下： i 星系团a 2 1 9 9 的恒星形成性质 星系团a 2 1 9 9 被s d s s 巡天覆盖，我们选出了2 9 0 个成员星系对其恒星形成性质进 行研究。根据s d s s 提供的图像、光谱和测光数据，我们对这些成员星系进行形态分 类。研究这些星系的恒星形成率及其与形态和相关物理特性之间的关系。该星系团 中星系的特征恒星形成率与h a 等值宽度、星系光谱在4 0 0 0 a 处的跃变程度以及星系 所包含的恒星质量之间有较强的相关性。a 2 1 9 9 中心含有一个c d 星系，c d 星系一般 都是出现在很致密的引力环境中，是整个星系团的引力中心。一般来说，仅含有一 颗c d 星系的星系团往往具有较高的维里化程度。我们发现该星系团成员星系的恒星 形成性质和星系团的动力学演化阶段密切相关。这些星系的恒星形成活动没有表现 出明显的环境效应，表明该星系团仍处在剧烈的动力学演化阶段，远没有达到动力 学平衡状态。 这部分工作已投稿至天文学报。 场星系和团星系的恒星形成性质 为了研究星系的恒星形成性质在不同环境密度中的差异，我们根据k a u f f m a n n 等提供的数据，选出了处于致密环境中的团星系成员和低密度环境中场星系的成员 进行研究。通过对场星系和团星系的物理特性的比较，研究了处在不同引力环境中 星系的恒星形成性质。研究表明，聚度高的星系主要居于星系团中，大部分低质量 星系是场星系。发现星系的特征恒星形成率与恒星质量和金属丰度之间存在着显著 的相关。另外，团星系和场星系在红移小于0 1 的范围内仍表现出了明显的宇宙学演 化效应。 这部分工作将于2 0 0 7 年0 6 月发表在南京师大学报( 自然科学版) 。 星系演化中的环境效应 我们还研究了星系的恒星形成活动和化学演化随着环境密度的变化情况。我们 发现星系的恒星形成活动随着星系环境密度的增加而逐渐减缓，在不同的环境中星 系化学演化表现出不同的规律：在低密度环境下，星系的金属丰度一恒星质量关系的 斜率大体上随局域密度的增加而呈单调下降的趋势，表明随着星系所处环境数密度 的增加，化学增丰进程逐渐减缓；而在高密度环境下，该斜率随局域密度的的变化 呈现出不确定性。另外，星系的金属丰度恒星质量关系的相关系数在不同环境密度 6 下也表现出不同的变化规律：在低密度环境下，星系的金属丰度一恒星质量关系的相 关系数的变化不大，但有随局域密度的增加而下降的趋势；而在高密度环境下，该 相关系数的变化幅度增加，且变化也表现出不确定性。上述研究表明，星系的化学 增丰过程在低密度环境中表现出渐变的特征，而在高密度环境( 如星系团) 中表现 出较大的不确定性，说明在星系团环境中，有许多的物理过程影响了星系的化学演 化进程。 这部分工作正在整理中，准备近期向天文学报投稿。 第一章研究背景 第一章研究背景 1 1 星系的恒星形成活动的观测和理论 星系的恒星形成率( s f r ) 是表征星系中恒星形成活动的重要参量( 即一年中 有多少质量的恒星形成) ，它是研究星系的形成演化历史以及内部的恒星组成的重要 参数。星系的恒星形成活动的大部分信息来自于紫外、远红外以及星云复合线的累 积光度，这些年轻星族的直接示踪物很大程度上已代替了早先的恒星形成率的测量。 以前的恒星形成率的测量是以宽波段颜色的合成模型为基础的，这种方法现在仍应 用于暗弱星系的多色观测，而星族合成模型是所有测量恒星形成率的方法的基础。 尽管星系的光谱是由所有类型光谱的恒星所贡献的，但可以很容易发现那些中 等类型的主序星( a 型f 型) 和g - k 巨星在可见光波段占主导作用，因此一个星系的 颜色、光谱就和这个星系中早型星和晚型星的比值或者年轻恒星( 年龄小于1 g y r ) 和年老恒星( 年龄大约在3 1 5 g y r 之_ 间) 的比值有关。这样，我们就可以用星系的光 谱去估算星系中年轻恒星的比值和在过去1 0 8 1 0 1 0 年的时间内的平均恒星形成率。这 种测量恒星形成率的方法是基于如下假设：恒星形成率与星系的某一波段( 蓝波段 或远紫外波段) 的光度成一定的比例。这种方法在星暴星系中是很有效的，因为星 暴星系中年轻的恒星主导着可见光波段，而对于大多数正常星系，这种方法就无效 了，因为正常星系的连续谱很大部分是由年老星族贡献的。然而，恒星形成率与连 续谱光度的比例因子是星族颜色的函数，且可用演化的星族合成模型来校准该比例 因子。 星族合成方法是利用观测累积的星系特征来研究星系内部恒星组成和恒星形成 历史的一种手段，它通过比较复合恒星体系( 如星系、星团等) 和不同年龄和金属 丰度的恒星、星团的光谱或光度特性，并在一些假设的前提下，给出符合体系的星 族组成的定量信息。目前日趋成熟和完善并被广泛使用的是演化的星族合成方法， 它假定我们对恒星形成演化等已有全面的了解，对不同年龄、金属丰度和恒星形成 第一章研究背景 率的星系，用演化的方法给出其中的各种恒星组分。演化的星族合成方法已逐步变 成研究星系光谱光度演化的一种标准方法。在假定初始质量函数( m 伍) 和恒星形 成率( s f r ) 的前提下，我们可以计算星系中不同时刻形成的各种质量和金属丰度 的恒星数，并可以得出该星系的积分光谱。 演化的星族合成方法中的主要参数包括：( 1 ) 恒星演化轨迹库；现在被广泛应 用的恒星轨迹库主要是p a d o v a 和g e n n v a 研究组的计算工作。这两个恒星库的金 属丰度和恒星质量范围都较宽，且都基于最新的恒星物理参数，包括不透明度、恒 星质量损失、混合和对流超射。它们的不同主要在于输入参数的差别、观测和理论 的不确定性。文【1 】和文【2 】详细讨论了这两种恒星演化轨迹库对演化的星族合成模型 的影响。在星系中形成的各种恒星将沿它们在h - r 图中的演化轨迹演化，所以可根 据恒星演化理论得出完全的恒星演化轨迹，计算出这些恒星在h - r 图中的分布。然 后，我们就可以利用这个恒星演化轨迹库，得到不同质量的恒星的有效温度和热光 度随时间的变化规律。( 2 ) 恒星光谱库；恒星演化的轨迹决定了星系中任意时刻包 含的恒星在h - r 图上的分布。为了将h r 图上的恒星分布转换成可以与观测进行比较 的特征量，需要一个比较完备的恒星光谱样本。现在常用的恒星光谱样本有两类： 理论的恒星光谱库3 。川和观测的恒星光谱库 1 1 - 1 3 】。( 3 ) 初始质量函数( i m f ) ；因为 恒星的主要特征是由其质量确定的，所以描述星系中形成的恒星的质量分布就显得 很重要。初始质量分布函数表示恒星形成时各种质量恒星的分布，常用的初始质量 函数有s a l p e t e ri m f 1 4 】、m i l l e r & s e a l oi m f 【1 5 】、k e n n i c u t ti m f 【1 6 】、k r o u p ai m f 【1 7 】 以及s c a l oi i v l f 【l ”。( 4 ) 恒星形成历史；已知了恒星演化的轨迹和恒星的光谱，我 们就可以得到恒星的宽波段光度或单色流量关于时间的一个函数。我们对恒星样本 加权相加( 权重因子为恒星初始质量分布函数i m f ) ，就能得到简单星族( 简称s s p ， 是指年龄和金属丰度相同的一批恒星的集合) 的光度、颜色或光谱随时间的变化。 如果再对恒星形成历史进行线性叠加，我们就可以计算年龄为t 的星系在波长丸处的 单色流量。当一个星系的年龄、初始金属丰度和i m f 给定后，那么这个星系的光谱、 光度、颜色等特性就完全取决于其恒星形成历史。 目前被广泛使用的演化的星族合成方法主要有b r u z u a l & c h a r i o t 1 9 ，2 0 】、 b e r t e l l i 2 1 1 和f i o c & r o c c a _ v o i m e r a n g e l 2 2 1 等理论模型；它们主要区别在于：输入的物 9 第一章研究背景 理参数不同、假定的金属丰度不同、恒星形成率和初始质量函数的选取不同、使用 的恒星轨迹库和恒星光谱库不完全相同。这种局面完全取决于目前尚无一个很全面 的恒星演化轨迹图，另外星系中恒星形成过程也不确定。 下面简单介绍一下用紫外( u l t r a - v i o l e t ：u v ) 、远红外( f a r - i n f r a r e d ：f i r ) 、 1 4 g h z 、h a 以及f o i l l 的光度来估算现阶段的恒星形成率的方法，这些方法都用到 了上面的星族合成理论。 i 用紫外光度测量恒星形成率：紫外波段的范围是1 2 5 0 - 2 5 0 0 a ，这个波段可 以将来自年老星族光谱的影响降到最低。当星系的红移z 0 5 时，我们在地面上无 法观测到这个波段。当星系的红移处在1 o 7 ) 的成员星系比低红移星系团中的 星系显示出活跃的恒星形成活动。然而，星系团的恒星形成率的红移效应也可能与 星系团的整体质量有关。由于观测的选择效应，高红移处的星系团的质量和光度要 比低红移处的星系团高，因此在研究星系团的恒星形成活动的红移效应时也必需考 虑星系团质量的影响。目前，我们尚不清楚不同红移处的星系团的恒星形成率差异 究竟是由星系团质量不同引起的还是由星系团红移的不同引起的。g o t o 【3 6 】从s d s s 中选取了zso 0 9 的1 1 5 个星系团，研究晚型星系的占比、星系团的恒星形成率与星 系团质量的关系，他们发现星系团中的晚型星系占比、星系团的总恒星形成率、星 系团的特征恒星形成率( 对星系团质量进行归一化) 与星系团的维里质量没有明显 的联系，他们认为对星系团的质量起作用的物理机制( 如r a m - p r e s s u r es t r i p p i n g 等) 很可能对星系团的演化不起重要的作用。 晚型星系的恒星形成率与它们所含的气体含量紧密相关【2 3 。为了研究是什么原 因影响邻近星系团中旋涡星系的气体含量，k o o p m a n n 等人【3 刀比较了v i r g o 团中的旋 涡星系和孤立场中的旋涡星系的h 口成像，他们发现在v i r g o 团中一半的旋涡星系有 截断的( t r u n c a t e d ) h a 盘。由于孤立场中的旋涡星系很少有截断的h a 盘，因此他们认 第一章研究背景 为v i r g o 团中的许多旋涡星系的星际介质( i s m ：i n t e r s t e l l a rm e d i a n ) 在与团内介质 ( i c m ：i n t r a c l u s t e rm e d i a n ) 的碰擦过程中被剥离( i c m i s ms t r i p p i n g ) 。g a v a z z i 等人【3 8 l 研究t v i r g o 、c o m a 和a 1 3 6 7 团中的3 6 9 个晚型星系的恒星形成特征随着团中 心投影距离变化的情况，他们发现v i r g o 团中的亮旋涡星系越靠近团中心其恒星形成 率越低，而暗的晚型星系有的没有这些趋势，有的甚至有相反的趋势。y u a n 等人【3 卵 研究了正处于合并中的星系团a 2 2 5 5 的恒星形成性质，他们发现不同形态的星系表 现出不同的恒星形成性质，其恒星形成活动随投影距离的变化趋势遵循相反的规律： 早型星系在靠近星系团中心时，恒星形成活动有受到抑制的迹象，而晚型星系越靠 近星系团中心越表现出活跃的恒星形成活。他们认为，这种现象的产生是由于该星 系团子团之间的碰撞合并激发了星系与星系之间的相互作用而导致的。 宇宙大尺度结构的等级成团理论认为，星系团是通过不断吸积周围场星系而形 成的。当场星系进入一个致密的环境( 如星系团) 中，其恒星形成活动会受到多种 物理机制( 如星系之间的引力相互作用和合并以及星系的气体、尘埃盘被剥离等) 的制约而慢慢停止。星系团的动力学演化阶段不同，其成员星系的恒星形成性质可 能也不一样。当星系团处于动力学演化的早期阶段时，团内会进行着星系问的碰撞 和合并，星系团的引力势阱处于变化之中，这时的恒星形成活动很剧烈；而当星系 团演化到动力学晚期时，大规模的碰撞已经结束，星系团也已经达到很高的维里化 程度，其中心密集处的星系随着气体尘埃等物质的消耗而逐渐停止了恒星的形成。 k a u f f m a n n 等人 2 8 - 3 0 】研究了大量低红移星系的质量、恒星形成性质以及内部结 构等之间的关系，他们发现低质量的星系中含有大量年轻的星族，有较强的恒星形 成活动。而随着星系中包含的恒星质量的增加，恒星形成活动减慢。大质量的星系 表现出年老星族的特征，恒星形成活动几乎停止。他们同时发现，星系的恒星形成 和表面质量密度关系最密切，其次是星系的恒星质量，最后才是星系的形态。 h o o p e s 等人【加】利用s d s s 的数据，对一批紫外光度的星系进行研究，他们发现低表 面光度的星系成员主要是年老的恒星，而高表面光度的星系多数是星暴星系。 另外，基于对高红移星系 4 1 】和低红移星系m 】的研究，表明大质量星系早就停止 了恒星形成，而小质量星系中仍有很大部分的恒星正在形成。这种情况最近也被证 实【4 3 1 ，而导致这种现象的物理机制仍然是一个有争议的问题 4 4 1 。 1 4 第一章研究背景 1 3 星系恒星形成性质的环境效应的研究进展 星系的物理特征( 如质量、光度、形态和恒星形成) 呈现出多样性，且星系的 这些物理特征之间存在着很强的联系。目前普遍认为这些特征与星系所处的环境密 度有关，星系演化的等级模型认为，颜色偏红、明亮、年老、大质量、很少或几乎 没有恒星形成的早型星系多居于致密的环境( 如星系团中心) 处，而颜色偏蓝、暗 弱、年轻、小质量且恒星形成比较活跃的晚型星系大多数居于低密度的环境中。星 系的这种环境效应是在星系形成初期就存在还是在后来的演化中形成的( 即所谓的 “n a t u r e - n u r t u r e ”p r o b l e m ) ，至今仍然是个谜。最基本的环境效应的就是形态密度 关系【4 5 】，即星系的形态类型与星系所处的环境密度有很强的联系，高密度区域主要 由早型星系主导，而低密度区域大多是晚型星系。另一个基本的关系是恒星形成与 环境的关系，在高密度的星系团内恒星形成活动明显下降脚】。不同的环境中，星系 光谱的发射线的强弱也不同【4 ”，这本质上是由于在致密的环境中气体含量的减少的 缘故【4 ”。星系的恒星形成率的环境效应又与星系光度有关，暗星系的s f r - z ( 星系 数密度) 关系比亮星系的要陡d 9 ，而星系的结构参数受星系环境的影响要小得多嘲。 k a u f f m a n n 等人【2 7 】研究了星系特性( 如结构、恒星形成等) 随星系质量和环境密 度的改变。他们发现，对于质量相同的星系，其恒星形成活动与星系所处的环境有 密切的关系，而环境对结构参数等作用不明显。星系的恒星形成活动与星系质量、 星系表面质量密度以及星系的形态之间的关系对于处于不同环境下的星系是不同 的。星系特征中对环境最敏感的是特征恒星形成率。对于小质量的星系( m 3 x 1 0 1 35 m o ) 中，恒星形成率低的星系的比例与星系所 处的密度以及星系群的半径有关，而在小质量的星系群中，没有明显的这种效应。 t a n a k a 等【5 9 】用s d s s 数据研究星系的恒星形成、形态、光度与星系所处的密度以及星 系系统( 如星系群和星系团) 的富度的关系，发现在致密环境中有更多的早型星系， 且星系的恒星形成受到抑制。恒星形成和形态在临界密度l o g 乞。0 4g a l m p c 。2 处 变化，而且仅在暗星系中看到这种变化，而亮星系中没有这种变化( 见图1 3 和图 1 - 4 ) ，这表明不同光度的星系表现出不同的环境效应。他们还研究了星系系统富 度的效应，星系的特征在富星系系统中没有表现出明显的变化，且富星系系统中的 星系多数是没有恒星形成的早型星系，而贫星系系统中的星系的恒星形成活动不同 于场星系。这些结果表明，仅在富系统中有效的环境机制，如星系气体的剥离 ( r a m - p r e s s u r es t r i p p i n go f c o l dg a s ) 和摩擦( h a r a s s m e n t ) 等，在星系转变成红色早 型星系时不起主要作用，而星系间的相互作用在环境效应中还是起作用的。在致密的 环境中。暗星系的颜色慢慢地转变，而亮星系的颜色转变不明显，表明亮星系的演 化与星系系统的富度的关系不密切，而暗星系的演化很可能与星系系统的富度紧密 相关。 近来的研究已将环境范围延伸到密度极低的区域，极底密度区域下的星系称之 为v o i d 星系。v o i d 星系已被g r o 舀n 等唧1 和r o j a s 等6 1 1 研究。他们的结果表明v o i d 和 第一章研究背景 叶 互曷 石相 z 著2 二 g 邑 砖 邑 鲁 亡 o ，。j ；a )、，：二y 、。一、一，i 超烟i ：。，： 一飞搦r 、。j l0l2 b g 5 t h g a l a x i e sh 2 5 m p c - 2 】 图l 一3 星系的h a 等值宽度随着环境密度的变化，红线和蓝线分别代表亮星系和暗星系， 实线表示中间值，虚线分别表示7 5 和2 5 的概率分布。 l o g 5 t h g a l a x i e sh 7 2 5 m p c 一2 】 图1 - 4 星系的形态随着环境密度的变化，红线和蓝线分别表示亮星系和暗星系。b t - 椭_ 系核球的光度与整个光度的比值。 1 8 o eo啦。寸oo 高o；o甜-铀【甜ofwo【o二clioii 第一章研究背景 n o n - v o i d 星系有明显的不同，v o i d 星系在颜色上更蓝，且形态类型更接近于晚型星系。 i b i 豁等【6 2 】用s d s s 数据研究了v o i d 星系和w a l l 星系( 即高密度环境中的星系) 的恒星 形成特征，他们比较了在相同光度情况下v o i d 和w a l l 星系的h c t 、 o i i 、【n i i 】、【o i i i 、 h b 等发射线的等值宽度，发现v o i d 星系的值更大，表明它们仍处于高恒星形成时期。 通过测量连续谱在4 0 0 0 a 处跃变的强度，揭示v o i d 星系的星族比w a l l 星系的年轻。他 们还用h a 和 o i i 估计了v o i d 星系并t j w a l l 星系的恒星形成率和恒星质量，并计算了特 征恒星形成率。他们发现，v o i d 和w a l l 星系的恒星形成率在多数情况下差不多，但v o i d 星系的质量较小，光度较暗，因此v o i d 星系的特征恒星形成率高，一种可能的解释 是v o i d 星系是最近形成，因此其年龄小、质量低、恒星形成活跃，但是，那些完全 在低密度的环境中形成的星系，在他们的物质流入到高密度环境中之前就形成了 如果v o i d 星系消耗其气体的速度比高密度环境中的星系慢的话，那么就可以解释 v o i d 星系的颜色更蓝和恒星形成活动更活跃了。 许多人【6 3 6 习还研究了星系恒星形成随环境的变化是否与星系的形态、年龄、质 量随环境的变化有关。星系恒星形成随环境的变化不能单独由星系的形态随环境的 变化来解释，这个结论被k a u f f