（天体物理专业论文）swire天区早型星系的颜色星等关系研究.pdf

摘要 摘要 半个世纪前，天文学家已经发现近邻早型星系的颜色和绝对星等之间存在相 关性( c o l o r m a g n i t u d er e l a t i o n ，简称c m 关系) ，表现为越亮的早型星系越偏 红。如何解释c m 关系? c m 关系随红移如何演化? 这是星系形成和演化研究领域 中的重要问题，直接涉及到早型星系中的恒星形成和化学演化历史。本文利用 s w l r e 巡天( t h es p i t z e rw i d e a r e ai n f r a r e de x t r a g a l a c t i cs u r v e y ) 的高 红移星系样本，分别对星系团和场中的早型星系的c m 关系进行研究。 由于s w i r e 巡天采用了先进的测光红移技术，利用正常星系的光谱模板拟合 河外天体的谱能量分布( s e d ：s p e c t r a le n e r g yd i s t r i b u t i 0 1 2 ) ，从而发现了大 量的高红移星系。本论文对s w l r e 巡天中被5 个光学波段( u ，g ，r ，i ，z ) 和2 个 红外波段( 3 6 um 和4 5um ) 覆盖的三个天区( e n i ，e n 2 ，v v d s ) 内的早型星系进 行了研究。根据星系的位置和测光红移信息，我们从中挑选出了7 6 个红移在o 1 到0 8 的星系团，并对其内部早型星系的c m 关系进行了研究。研究表明，星系 团内早型星系的c m 关系的斜率不随红移变化，但是它们的颜色在z = o 4 附近存 在突变：当z o 4 时，团内早型星系的颜色( u g ) 的均值变为o 1 5 。我们认为，近邻的富星系团 在z = o 4 处经历过一个剧烈的动力学演化时期，早型星系数目增加的同时颜色整 体变红。 为了研究引力环境对早型星系c m 关系的影响，我们还对同天区场星系中的 早型星系进行了c m 关系研究。我们发现，与星系团内的早型星系比较，c m 关 系在z = o 4 - 0 7 处的斜率也有所不同，表明高红移处的环境因素对早型星系的c m 关系还是有一定的影响的。我们同样得到了场内早型星系的颜色( u - g ) 也有较平 缓的颜色变化。另外，我们发现近邻( z 0 4 ) 星系团中的早型星系颜色和场中 早型星系颜色一致。 关键词：c m 关系星系颜色s w i r e 巡天宇宙学演化 2 a b s t r a c a b s t r a c t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc o l o ra n da b s o l u t e m a g n i t u d e ( s o c a l l e d c o l o r - m a g n i t u d er e l a t i o n ，b r i e f l yc mr e l a t i o n ) h a sb e e nr e v e a l e df o r t h en e a r b y e a r l y - t y p eg a l a x i e sf o ra b o u th a l fac e n t u r y b r i g h t e re a r l y t y p eg a l a x i e sa p p e a rt ob e r e d d e r h o wt oi n t e r p r e tt h ec mr e l a t i o n ? a n dh o wd o e st h ec mr e l a t i o nv a r yw i t h r e d s h i f l ( z ) ? t h ea n s w e r st ot h e s et w oq u e s t i o n sr e l a t ec l o s e l yt ot h eh i s t o r i e so fs t a r f o r m a t i o na n dc h e m i c a le v o l u t i o no fg a l a x i e s b a s e do nt h es a m p l eo f h i g h zg a l a x i e s d e t e c t e di nt h es w i r e ( i e ，t h es p i t z e rw i d e - a r e ai n f r a r e de x t r a g a l a c t i cs u r v e y ) r e g i o n , t h i st h e s i sp r e s e n t so u ri n v e s t i g a t i o n so nt h ec m r e l a t i o nf o rt h ee a r l y - t y p e g a l a x i e sb o t l li nc l u s t e r sa n di nt h ef i e l d a p h o t o m e t r i cr e d s h i f tt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt ot h em u l t i c o l o rp h o t o m e 仃i c d a t ao b t a i n e db yt h es w i r e s u r v e y as e to fs p e c t r a lt e m p l a t e so fn o r m a lg a l a x i e sh a s b e e nt a k e nt omt h es p e c t r a le n e r g yd i s t r i b u t i o n s ( s e d s ) o fg a l a x i e s ，a n dal a r g e n u m b e ro fg a l a x i e sw i m1 1 i g hr e d s h i f i sa r ed e t e c t e d t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nt h e e a r l y - t y p eg a l a x i e si nt h r e ea r e a s ( e n1 ，e n 2 ，a n dv v d s ) o ft h es w i r es u r v e y w h e r ep h o t o m e t r y 、析t h5o p t i c a lb a n d s ，g ，r , i ，z ) a n d2i n f r a r e db a n d s ( 3 6a n d4 5 l am ) h a sb e e np e r f o r m e d b a s e do nt h ep o s i t i o n sa n dp h o t o m e t r i cr e d s h i f t so f g a l a x i e s ，7 6g a l a x yc l u s t e r s 晰t ho 1 z 0 8h a sb e e ns e l e c t e d t h ee a r l y t y p eg a l a x i e s i nt h e s ec l u s t e r sa r et a k e nt oo b s e r v et h ec mr e l a t i o n o u rr e s u l t ss h o wt h a tt h es l o p e o ft h ec mr e l a t i o nf o rc l u s t e rg a l a x i e ss e e m st ob ei n v a r i a b l ew i t hr e d s h i f l ，a n dt h e r e i sas i g n i f i c a n tc h a n g ei nc o l o ra tz = 0 4 f o rt h ee a r l y - t y p eg a l a x i e si nn e a r b y c l u s t e r s ( z 0 4 ) w es u p p o s et h a tn e a r b y r i c hc l u s t e r sm i g h th a v ee x p e r i e n c e dad r a m a t i cd y n a m i c a le v o l u t i o na tz = 0 4 ，w h i c h l e a d st oa l li n c r e a s eo f e a r l y t y p eg a l a x i e sa n das y s t e m a t i cr e d d e n i n gi nc o l o r f o ri n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo nt h ec mr e l a t i o no fe a r l y t y p eg a l a x i e sb yt h e g r a v i t a t i o n a le n v i r o n m e n t ，w et a k et h ee a r l y - t y p eg a l a x i e si nt h ef i e l dt os h o w t h ec m r e l a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ee a r l y t y p eg a l a x i e si nc l u s t e r s ，t h es l o p e so ft h ec m r e l a t i o na tz - - 0 4 - 4 ) 7a r ed i f f e r e n t ，i n d i c a t i n gt h ep r e s e n c eo fe n v i r o n m e n t a le f f e c to n t h ec mr e l a t i o na th i g h e rr e d s h i f l s ad r a m a t i cc h a n g eo fc o l o rq j g c a nb ef o u n d f o rt h ef i e l de a r l y - t y p e s ，b u tt h ec h a n g es e e m st ob es m o o t h a d d i t i o n a l l y , w ef i n dt h a t t h ee a r l y t y p eg a l a x i e si nn e a r b y g a l a x yc l u s t e r sa n di nt h ef i e l da p p e a rt ob e a b s t r a c _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - - - 一_ t h e s a m ei nc o l o r k e yw o r d s ：c mr e l a t i o n ；c o l o r so fg a l a x i e s ；s w l r es u r v e y ；c o s m i ce v o l u t i o n 4 第一章绪论 第1 章绪论 我们知道，早型星系的颜色一星等关系( 简称c m 关系) 是针对早型星系而 言的，为了了解什么是早型星系，在此我们对河外星系的研究历史和星系的分类 做一个简单的介绍。 1 1 人们对河外星系的认识 人们对河外星系的认识经历了漫长的时间，近代天文学的重要特征，就表 现在人们对河外星系的认识上。早期1 8 世纪人们通过望远镜，观测到星空中有 一些模糊的延展天体，认为是气体的星云，其中旋涡星云最早成为人们的研究对 象。托马斯赖特和康德【1 】曾经提出，旋涡星云可能是和我们银河系一样的恒星 系统，旋涡星云是银河系之外的恒星系，这就是早期的“宇宙岛假说”。1 9 世纪 初，人们还只认识很少几个星云，但是随着照相方法在天文上的使用，再加上望 远镜口径的越来越大，人们观测到的星云数目也越来越多起来。1 8 9 9 年，德国 天文学家s c h e i n e r p 拍到了仙女座星云具有类似于太阳那样的黑线光谱以后，人 们就开始意识到星云实际上是遥远的恒星集团。而这一认识被美国天文学家 c u r t i s 【ij 所证实，他在1 9 1 8 年观测仙女星云时，发现一些暗的新星出现的相当频 繁。他假定新星的平均绝对星等相同，由于这些新星比银河系里的新星暗的多， 才意识到仙女座星云比银河系要远得多，约达到了1 0 0 万光年。 然而，在星系为数很多的问题上仍然存在这争议，其中啥普利是反对宇宙 岛主张的极端代表。他把一切能观测到的天体都归之为银河星的一部分，并认为 银河系的尺度比有些人所认为的要大得多。并在1 9 2 0 年4 月，美国科学院在华 盛顿召开了关于“宇宙尺度”的辩论会，会上啥普利和柯柿斯针对银河系的大小 和旋涡星云的真相展开了论战，这一争论就是天文史上著名的啥普利一柯蒂斯之 争。直到后来美国天文学家h u b b l e t 2 禾u 用口径为2 5 米的望远镜进行观测时发 现，仙女座星云的外层已经被分解为一颗颗恒星，并在其中认出几颗造父变星。 利用造父变星的周光关系，得到仙女座星云的距离为8 0 万光年。这结果证实 了星云中的绝大多数都是银河星以外的恒星系统，从此“宇宙岛假说才被绝大 多数人所承认。因此也开辟了人们对河外星系进行研究的广阔领域。 1 2 星系的h u b bie 分类 星系是宇宙中最壮观最重要的天体，它们是由恒星、气体、尘埃和暗物质 组成的庞大的恒星系统，在宇宙大尺度结构中具有核心地位。星系中包含约 第一章绪论 1 0 7 1 0 1 2 个恒星，我们的银河系在星系家族中也只是比较小的星系。 由于宇宙中星系的数目庞大，形态复杂多变，为了研究方便，美国天文学 家h u b b l e 按照星系的形态把星系分为：椭圆星系( e ) 、正常旋涡星系( s ) 、棒 漩星系( s b ) 、不规则星系( i r ) ，以及形态处于椭圆星系和旋涡星系之间的透镜 星系( s o ) 【2 】。图1 1 就是著名的h u b b l e 音叉图。由于h u b b l e 在根据形态给星 系分类时认为，年轻的星系分布在音叉图的左侧，而年老的星系分布在音叉图的 右侧，因此人们常常把位于音叉图左侧的椭圆星系和透镜星系称为早型星系，而 把位于音叉图右侧的旋涡星系称为晚型星系。 b a r r e d s p i r a l s 图1 1h u b b l e 音叉图( 来自维基百科网) h u b b l e 分类发中，不同类型的星系之间无论是星系的质量、光度、质光比、 气体含量等等都有明显的差别。椭圆星系的质量、绝对星等、质光比、直径都远 远大于旋涡星系和不规则星系，旋涡星系其次，而不规则星系最小。除此之外旋 涡星系( 正常旋涡星系和棒漩星系) 和椭圆星系与透镜星系之间的区别还有： ( 1 ) 椭圆星系和透镜星系有着平滑的表面亮度。 ( 2 ) 旋涡星系中恒星的旋转速度和随机速度之比要远远大于椭圆星系中恒 星的旋转速度和随机速度之比。 ( 3 ) 大部分椭圆星系气体和尘埃含量很少，旋涡星系和不规则星系则相反。 ( 4 ) 大部分椭圆星系中没有年轻星系存在的证据；而大部分旋涡星系都是 比较年轻的星系，并且内部有恒星的形成。 ( 5 ) 椭圆星系没有旋臂，透镜星系也很少有旋臂。 此外，不同类型之间的差别还表现在星系的光谱上面，椭圆星系和旋涡星 系的光谱上有着明显的区别。早型星系光谱中没有发射线，而晚型星系的光谱中 有发射线；在蓝端早型星系的光谱迅速下降，而晚型星系的光谱则是缓慢下降【3 】， 见图1 2 。 7 第一章绪论 由于早期人们认为，h u b b l e 分类法不仅反映了星系形态上的不同，同时 图1 2 椭圆星系( 深黑色) 、旋涡星系( 中间色) 、星暴星系( 浅色) 之间的光谱( 图片来自i l b e r te t a l 2 0 0 8 ) 。 也代表了星系从椭圆星系向旋涡星系( 包含正常旋涡星系和棒漩星系) 演化的方 向，所以人们习惯上把椭圆星系和透镜星系称为“早型星系”、而把旋涡星系和 棒漩星系称为“晚型星系。后来人们在研究中发现，h u b b l e 分类法并不是星系 演化的序列，并且以前称之为“早型”的星系大多数都是一些年龄非常老的星系， 相反，以前称为“晚型 的星系多数都是很年轻的星系并且还伴随这恒星的形成。 虽然如此，“早型星系”和“晚型星系的这种叫法还是被人们沿用了下来。 星系所发出的光来自其内部所有恒星，所以人们经常用星系的颜色来推论星 系内部恒星的成分。星系的类型和颜色之间存在着直接的关系，椭圆星系比旋涡 星系更红，旋涡星系比不规则星系稍红。随着研究的深入，人们发现早型星系在 颜色上偏红，而晚型星系在颜色上偏蓝，所以又将早型星系称为“红星系 ，晚 型星系称为“蓝星系 【4 】。 1 3 椭圆星系的观测特性 1 3 1 椭圆星系的径向面亮度轮廓 v a u c o u l e u r s ( 1 9 4 8 ) 【5 1 对椭圆星系表面亮度与距离的关系进行研究，发现巨 椭圆星系的表面亮度与距离的关系可以很好的用距离的四分之一次方来拟合，并 且巨椭圆星系的表面亮度与距离之间的关系为 ，( 尺) = te x p ( 一7 6 7 ( r r 。) 17 一1 ) o 2 一曲c=_o膏入ioi一一叠i辱气”盛o曩hrj彤一一-x，lj一鹭。一 第一章绪论 后来称为d ev a u c o u l e u r sr “4 定律，其中尼称为有效半径，在有效半径之内的 星系的光度等于总光度的一半；l 为有效表面亮度( 距星系中心一个有效半径处 的星系表面亮度) 。虽然d ev a u c o u l e u r sr u 4 定律能够很好的描述巨椭圆星系的 表面亮度与距离的关系，但是在实际的观测中发现，有很多椭圆星系的表面亮度 明显偏离d ev a u c o u l e u r sr “4 定律。后人们对d ev a u c o u l e u r sr “4 定律进行 了修正，也有人提出自己的椭圆星系表面亮度轮廓函数。如：s e r s i c ( 1 9 6 3 ) 【6 】 得到的椭圆星系表面亮度轮廓曲线为，( 尺) = le x p ( 一6 ( ( 尺r ) 1 肺一1 ) ) ，称为s e r s i c 尺u ”定律，而d ev a u c o u l e u r sr 4 只是后者的一个特殊情况；1 9 3 0 年的 h u b b l e r e y n o l d s 7 】定律，认为椭圆星系的表明亮度和距离的关系是 x ( r ) = 1 ( o ) ( 1 + r ) 2 ；以及d e h n e n ( 1 9 9 3 ) i s 】，认为椭圆型的表面亮度轮廓为 i ( r ) = r 卜7i 、( ( s i n h # ) 1 。7 ( 1 + r c o s # ) 4 - y ) d 矽。 1 3 2 椭圆星系的颜色和谱线强度 椭圆星系的中心区域比外围更红。f r a n xe ta 1 ( 1 9 8 9 ) 1 9 1 ，对1 7 个椭圆星 系样本进行了研究，发现椭圆星系的平均颜色梯度为d ( b r ) d l g r 一o 1 1 2 和 d ( u r ) d l g r 一o 2 5 。p e l e t i e re ta 1 ( 1 9 9 0 ) d 0 年通过对3 9 个椭圆星系 的研究也得到了类似的结论，并且认为颜色为常数的轮廓线与等照度线相一致。 对椭圆星系的颜色梯度进行研究是非常有意义的，因为这几乎肯定是由星系内部 恒星的平均年龄和金属丰度的梯度造成的。 由于星系颜色对天光背景的估计非常敏感，因此椭圆星系颜色梯度的确定非 常困难。而幸运的是，星系颜色梯度与星系光谱中各种谱线强度是一致的，因此 对星系光谱中谱线的精确测量比对星系颜色的测量要容易的多。1 9 9 3 年d a v i e s ， s a d l e r p e l e t i e r 1 1 】测量了1 3 个椭圆星系中心向外直到一个有效半径的范围内 一些谱线指数的值，研究发现：等照度线上的普指数趋于常数，并且根据m g 和 f e 的指数得到 d ( f e h ) ：- - 0 2 2 0 0 9 。1 “一一 d l g r 这一梯度与颜色梯度的早期研究相一致。 1 3 3 椭圆星系各参量之间的关系 上面我们已经看到，椭圆星系的颜色( u r ) 梯度与谱线强度指数( m 9 2 ) 的梯度是一致的。而在研究中人们还发现，椭圆星系的不同参数之间有着很紧密 的联系，如：椭圆星系的颜色和星等之间的关系，越亮的椭圆星系越红，图1 3 ； b e n d e re ta 1 ( 1 9 9 2 ) 1 2 】在研究中得到了椭圆星系谱线指数( m 9 2 ) 与椭圆星系 的速度弥散之间也有着紧密的联系，如图1 4 。 9 第一章绪论 b 图1 3 椭圆星系颜色和星等之间的关系。 图1 4 椭圆星系的谱线强度( m 9 2 ) 与速度弥散之间的关系。( 图片来自b e n d e r e ta 1 1 9 9 2 ) k o r m e n d y ( 1 9 7 7 ) 1 3 】发现，椭圆星系的表面亮度与有效半径之间有着较紧密 的联系，有效半径越大椭圆星系的表面亮度的平均值越低，并且得到两者之间的 关系为足 - o 8 3 o 0 8 ，图1 5 。 f a b e r 7 a s c k o n ( 1 9 7 6 ) 1 4 】在研究中发现，较亮的椭圆星系有较大的速度弥 散，其关系为t 爵，后来称之为1 b e r - j a s c k o n 关系，图1 6 。 1 0 第章绪论 图1 5 椭圆星系的有效半径和表明亮度z l h - 的关系。( 图片来自k o r m e n d y1 9 7 7 ) 量 蔓 图1 6f a b e r j a s c k o n 关系。( 图片来自f a b e r j a s c k o n1 9 7 6 ) 此外，为了更好的理解椭圆星系有效半径，表明亮度和速度弥散之间的关系， 人们以椭圆星系三个参数( 1 0 9 ( r e ) ， ，l o g ( o r o ) 为坐标，点在椭圆星系的 参数空间中，结果发现在观测的误差范围之内，几乎所有的椭圆星系都被限制在 一个平面之内，人们称为椭圆星系的f u n d a m e n t a l - p l a n e ，图1 7 给出了椭圆星 系的f u n d a m e n t a l p l a n e 在各个平面中的投影。d j o r g o v s k i d a y i s ( 1 9 8 7 ) 1 1 5 根据研究得到了椭圆星系f u n d a m e n t a l - p l a n e 个参数之间的关系为： l o g ( r 。) = 0 3 6 ( 。, u b ) + 1 4 1 0 9 ( o o ) 第一章绪论 图1 4 椭圆星系f u n d a m e n t a l p l a n e 在各个平面中的投影。 1 2 o广_警h oa1jo一 第2 章前人对c m 关系的研究 第2 章前人对c m 关系的研究 2 0 世纪5 0 年代末，b a u me ta 1 ( 1 9 5 9 ) l l6 j 发现椭圆星系的颜色与其绝对 星等之间存在这一定的关系，开启了人们对c m 关系研究的大门。在此后的研究 中人们发现，越亮的椭圆星系其颜色越偏红，并且包括透镜星系在内的早型星系 都满足c m 关系。人们还发现场星系和团星系的c m 关系的斜率不随红移变化，但 是随着红移的增加，早型星系的颜色渐变蓝，并且这种关系基本不受环境的影响。 有的学者认为，c m 关系是早型星系内部普遍存在的真实的规律，并且由于 c m 关系与环境无关，并且具有高度的一致性，所以可以利用c m 关系来作为判定 星系距离的指标【r 刀但是在早期，也有的学者提出相反的意见，认为c m 关系的 存在不是星系内部存在规律，这种关系可以通过技术的改进而消除的【l8 1 。就近代 的研究而言，所有的学者已经认可了c m 关系的存在。 2 1c m 关系的早期研究 1 9 5 9 年b a u me ta 1 【l6 】在用恒星计数、表面亮度、颜色来研究星系内部星族 成分时发现，虽然大量的巨椭圆星系在红移分布上有较大的区别，但是这些巨椭 圆星系的颜色却和m 3 2 非常类似，并且它们的颜色都表现出对绝对星等的依赖很 小。b a u m 也注意到了这种关系并不适合与矮椭圆星系。文章中b a u me ta 1 做出 了椭圆星系的b - v 颜色与绝对星等m 矿关系图，如图2 1 所示。其中圆圈代表包 含矮椭圆星系在内的椭圆星系，黑点代表球状星团。从图中可以看出，巨椭圆星 系的色指数处于一个区域，而矮椭圆星系和球转星团的色指数处于另外一个区 域。虽然b a u m 利用这张图来判断矮椭圆星系的星族成分为星族i i ，巨椭圆星系 的星族为星族i ，这却是人们对c m 关系最早的认识。 。 v a u c o u l e r u se ta 1 ( 1 9 6 1 ) u 9 利用u b v 三色系统研究亮星系累计颜色时， 发现不同类型的星系e ，s 0 ，s a s b ，s b c ，s c ，s c d ，s d ，s m - i m 中，e - s c d 型星系的中 心更红、矮星系和透镜星系总体比巨椭圆星系偏蓝，而且当绝对星等亮于一1 7 5 等时，星系的颜色和绝对星等之间存在这密切的相关性。在研究u - b 和b - v 的关 系时发现巨椭圆星系和透镜星系分布在范围很窄带中，而矮椭圆星系的颜色去比 前者偏蓝；在研究星系颜色与口径之间的关系时发现，巨椭圆星系的分布非常一 致，矮椭圆星系的颜色同样还是偏蓝，透镜星系的分布类似与据椭圆星系；从总 体上看；从e - s c 型星系红色的球状成分在减少，从s a i m 型星系蓝色的平坦成 分逐渐增加。v a u c o u l e u r se ta 1 ( 1 9 6 1 ) 【1 9 】还研究了星系颜色与绝对星等之间 的关系，发现绝对星等暗于- 1 8 0 的椭圆星系和透镜星系比巨椭圆星系更蓝，并 且颜色和绝对星等之间的关系一致可以延伸至一1 5 5 等。 第2 章前人对c m 关系的研究 a b s o l u t em a g n i t u d em y 图2 1b a u me t a l 文章中的c m 关系图。( 图片来自b a u m e t a l 1 9 5 9 ) 1 9 6 8 年m c c l u r e 1 8 】在研究恒星、星系、星系团的中波段五色测光时发现：巨 椭圆星系的核心是富金属核，而在核心的外围是包含大量贫金属恒星的晕；处于 星系团外部的巨椭圆星系( 场椭圆星系) 的金属含量低于处于星系团内部的相同 亮度的椭圆星系，从而m c c l u r e 认为环境对星系金属含量有一定的影响。然而同 年，m c c l u r e 在另外一篇文章中去推翻了这一结论，m c c l u r e ( 1 9 6 8 ) 【2 0 】用u b v 三色系统对场星系进行了新的研究，认为虽然场星系的金属含量比相同类型团星 系金属含量低，但是场星系的平均光度也低于团星系相同类型星系的平均光度， 而且m c c l u r e 还发现椭圆星系的金属指标q ( m e t a l l i c i t yi n d e x ) 随着椭圆星 系光度的增加也有略微的增加，所以判定场椭圆星系和团椭圆星系之间金属含量 的差异是由平均光度的差异引起的。 1 9 7 0 年l a s k e r 1 7 】发现，椭圆星系和透镜星系色指数的弥散度非常小，并且 认为把近邻星系样本作为宇宙学指标的基础是可行的。文章证实了b a u m 在1 9 5 9 年的结论，即矮星系总体上比巨型星系偏蓝。l a s k e r 还注意到了绝对星等在一2 1 等至u - 2 3 等之间的巨型星系的颜色相对独立于其绝对星等，但是当绝对星等大于 - 2 1 等时这种关系就会变得更加明显。由于对于色指数偏红的星系而言，星系的 颜色和绝对星等之间没有明显的关系，而巨椭圆星系和透镜星系颜色的弥散度相 对的很小，所以l a s k e r 认为这很好的支持了s a n d a g e 在1 9 6 6 年的结论，图2 2 是l a s k e r 文章中的c m 关系图。 巨椭圆星系和矮椭圆星系有不同的能量分布，对亮星系的双色研究也表明矮 椭圆星系整体比巨椭圆星系偏蓝。为了探索c m 关系与红移和星系团的依赖关系， 1 4 蠢毯遥o警霹qu卜冬昌笔一 第2 章前人对c m 关系的研究 1 9 7 2 年s a n d a g e 2 1 】对不同红移的c o m a 团和v i r g o 团内的椭圆星系和透镜星系的 c m 关系进行了研究。因为根据前人的结果，如果c m 关系是一个单参数的关系， 那么由于颜色和绝对星等之间关系以及星系的金属指标和其绝对星等之间的关 系就可以单凭测量颜色或者金属丰度q 就可以得到椭圆星系透镜星系的的绝对 星等和距离。而问题的关键在于c m 关系是否对不同红移的星系都适用。通过对 比c o m a 团和v i r g o 团的c m 关系与金属丰度与绝对星等的关系，s a n d a g e 发现c o m a 团和v i r g o 团里的椭圆星系和透镜星系在相当小的误差范围内遵从相同的c m 关 系和q m 关系。图2 3 就是l a s k e r 文章中关于c o m a 团和v i r g o 团c m 关系对比图 和q m 关系对比图。 图2 21 9 7 0 年l a s k e r 文章中的c m 关系图。( 图片来源于l a s k e re ta 1 1 9 7 0 ) 第2 章前人对c m 关系的研究 图2 3 左：c o m a 团和v i r g o 团的c m 关系；右：c o m a 团和v i r g o 团的q m 图。( 图 片来源于l a s k e re ta 1 1 9 6 8 ) 为了继续研究c m 关系的适用性，s a n d a g ee ta 1 ( 1 9 7 7 1 9 7 8 ) 1 2 2 - 2 4 1 连续发表 了一系列的文章研究其他近邻星系团的c m 关系。期间，主要对八个近邻的星系 团进行研究，并把结果与c o m a 和v i r g o 团的c m 关系进行了比较，发现c m 关系 不仅很好的适用于所研究的所有星系团，而且与环境无关，对场星系和团星系都 符合得非常好。图2 4 就是利用八个团的复合样本所做的c m 关系与c o m a 团和 v i r g o 团为样本的对比。通过研究发现：c m 关系具有普遍的适用性，它适用于星 系团、星系群和场星系的早型星系；c m 关系的斜率与波长有关，斜率的最大值 是a ( u ) = 3 5 0 0 a 和兄( 矿) = 5 5 0 0 a 两个波段构成的c m 关系，并给出了c m 关系的 相关公式为 一y ) = 一0 0 9 6 8 v + 3 2 8 ；椭圆星系和透镜星系的c m 关系几乎完全一 致，其颜色分布( 包括斜率和颜色弥散度) 是一样的；颜色弥散度是c m 关系内 部内秉的；如果对c m 关系经过绝对的校准，那么可以广泛的应用于求得星系团、 星系群或场星系中椭圆星系和透镜星系的测光距离模数；利用c m 关系可以求得 星系的绝对星等，并且误差与其颜色的弥散度有关；椭圆星系和透镜星系的颜色 分布完全一致；椭圆星系和透镜星系的星族成分致：环境对椭圆星系和透镜星 系的星族成分和颜色分布没有影响；星系团的环境不是透镜星系形成和演化的决 定性因素( 因为场星系中也有透镜星系的存在) ；大多数透镜星系是伴随着h u b b l e 序列产生的，而不是由于环境的原因使得一些星系转变而来的；有盘星系和无盘 星系的形成的关键在于第一次恒星暴发的时标与自由下落时标的比。 1 6 第2 章前人对c m 关系的研究 o l 3 图2 4 s a n d a g ee ta 1 在1 9 7 8 年所做的8 个紧邻星系团内早型星系的c m 关系图。( 图片来 自s a n d a g ee ta 1 1 9 7 8 ) 2 2c m 关系的演化 星系团中的早型星系都很好的满足c m 关系。长久以来，c m 关系也一直被视 为早型星系内部恒星有相同的恒星演化历史的证据，因此c m 关系是研究早型星 系演化的重要工具。 d a v i de ta 1 ( 1 9 9 6 ) 1 2 5 】对红移在0 2 和0 6 之间的场椭圆星系和团椭圆星 系进行了研究，没有找到两种环境下的椭圆星系有不同的演化的证据。 s t a n f o r de ta 1 ( 1 9 9 8 ) 【2 6 】对1 9 个z o 9 的星系团进行研究。发现随着 红移的增加，光学到红外的颜色逐渐变蓝；处于相同红移阶段的星系团，其颜色 的演化程度也相似；在z o 9 的范围内，c m 关系的斜率不随红移改变；光学到 红外的颜色弥散度很小，并且随着红移的增加，颜色的弥散度几乎等于常数； s t a n f o r d 等人通过研究认为，富星系团中的早型星系都是一些年龄很老星系， 并且早型星系内部的大多数恒星在宇宙的早期同时形成，然后缓慢演化。 h o l d e ne ta 1 ( 2 0 0 4 ) 【z7 j 对六个红移在o 7 8 和1 2 7 之间的星系团中的早 型星系进行了研究。发现早型星系颜色满足星族缓慢演化理论，随着红移的增加 早型星系的颜色逐渐变蓝，并且发现椭圆星系中最古老的恒星，在红移大于3 的 时候已经形成。 a n d r e o n ( 2 0 0 3 ) 【2 副针对星系团内早型星系c m 关系的一致性进行了研究，作 者利用s d s s 的数据对1 5 8 个红移为o 0 6 到0 3 4 的星系团和星系群进行了广泛 1 7 第2 章前人对c m 关系的研究 的研究。发现红移在0 0 6 到o 3 4 之间的星系团内早型星系的c m 关系具有高度 的一致性，并且早型星系颜色的弥散度只用0 0 2 等。通过对团星系和场星系的 研究发现，在o 0 2 等的范围内早型星系的颜色与环境无关，由于静止坐标系下 早型星系的颜色不仅与环境无关，对红移也没有明显的依赖，从而作者认为早型 星系的颜色可以用来作为宇宙距离的指标。 此外，t a y l o re ta 1 ( 2 0 0 9 ) 【2 9 】在工作中研究了测光红移为o 2 到1 8 的大质量的红星系的c m 关系。l a b b e ( 2 0 0 7 ) 3 0 】对红移接近3 的场星系的c m 关 系进行了研究。h i l t o n ( 2 0 0 9 ) 3 h 在工作中对红移为1 4 6 的x m m x c sj 2 2 1 5 9 1 7 3 8 团的c m 关系进行了研究。这都从各方面证明了c m 仍然满足高红移的条件。 s t a n f o r de ta 1 ( 1 9 9 8 ) 【3 2 】年的工作中对1 9 个红移在0 9 附近的星系团内 早型星系的研究。指出：星系团内早型星系的光学红外的颜色随着红移的增加缓 慢的变蓝；而随着红移的增加，星系团内早型星系c m 关系的斜率没有变化，这 表明c m 关系起源于星系质量和金属丰度之间的关系，而和星系的年龄没有关系； 并且星系团内早型星系光学到红外的颜色的弥散度很小，并且随着红移的增加光 学红外颜色的弥散度几乎为常数，表明星系团中大部分巨早型星系星系有相同的 恒星形成历史。通过研究s t a n f o r de ta 1 ( 1 9 9 8 ) 【3 2 】认为星系团中的绝大多数 的早型星系是非常年老的星系，在高红移的地方同时形成了其内部的据大多数的 恒星，然后缓慢演化，这个结论同样符合前人对早型星系形成的理论。 l a b b ee ta 1 ( 2 0 0 7 ) 3 3 】利用近红外望远镜v l t i s 从c 和光学望远镜 h s t w f p c 2 ，围绕h u b b l ed e e pf i e l ds o u t h 和星系团m s l 0 5 4 0 3 的场内，研究 红移在3 附近的星系从紫外到光学颜色和星等关系。研究表明，在低红移我们观 测到的大量红星系，而在红移等于3 的时候，红星系基本不存在。l a b b e 等人还 发现在各个红移阶段，蓝星系对c m 关系符合的很好。比如，在静止坐标系下，v 波段绝对星等越亮的蓝星系同样有更红的u v 指数，并且蓝星系c m 的斜率同样 不随红移变化，并且8 ( u 一矿) 8 m 矿= - o 0 9 0 0 1 ，如图2 5 。l a b b ee ta 1 ( 2 0 0 7 ) 【3 3 】还指出：对固定光度的蓝星系而言，其c m 关系的静止坐标系下颜色从红移为 3 到o 的过程中，a ( u y ) 变化了o 7 5 左右。蓝星系的颜色弥散度 o ( u v ) 0 2 5 _ + 0 0 3 并且和红星系的c m 关系一样，在红移等于3 的范围内蓝星 系颜色弥散度几乎是常数。根据研究，l a b b ee ta 1 ( 2 0 0 7 ) 3 3 】认为，蓝星新可 能在红移远远大于3 的宇宙早期已经形成，并且依靠周期性的恒星暴发才保持了 蓝星系在颜色上的偏蓝。 m e ie ta 1 ( 2 0 0 8 ) 【3 4 】对c m 关系的斜率、弥散度、零点进行了研究。发现 红移在1 3 的范围内，c m 关系的这些参数没有明显的演化，并且与星系的质量 之间没有明显的依赖关系。图2 6 和图2 7 是m e ie ta 1 文中的早型星系的c m 第2 章前人对c m 关系的研究 关系以及c m 关系的三个参数( 零点、斜率、弥散度) 与红移、速度弥散、x 射 线光度之间的关系图，图中黑点和灰点分别代表椭圆星系和透镜星系。 o oo ，51 o1 52 。o2 53 o r e d s h i f 匕 图2 5 蓝星系c m 关系的斜率随红移的交红关系。其中实心圆圈是h d f s 的数据，空心菱 形是m s l 0 5 4 0 3 场的数据。( 图片来自l a b b ee ta 1 。2 0 0 7 ) 1 0 - - q , t 2 j? 口- 0 0 5 2 ，3 5 ! ! t - o b 3 孵骥瀚雅鹚心i ?t 叼嗡影粥# i* ； j j c ，蛐 j：c l 6 t 盟： ”。”，礴褡慨建别： ：+ + - c + 9 2 ；霹。氅蜘妒 j fj p 二 ! 的c s 曲口o + s 2 ：。r o c s0 ? 5 9 - 2 9 2 7j r ”# ；哪瓣i 1 ：勘潮瀚瀚i jj # xj o 基 ，7 。j e s j 。 拍一惫峨： ：j + 12 7 嚣气* 嚷 j j j 一2 42 32 2- 2 1一一 9 2 4- 2 32 2- 2 - 2 0一 9 i k ，曲 图2 6m e ic ta 1 2 0 0 8 年的c m 关系图，其中黑点和灰点代表椭圆星系和透镜星系( 图片来 自m e ie ta 1 2 0 0 8 ) 1 9 蕾一。一耱麓埯一；oo甜i：一 舯小小 射枷讲 ”哪州小 础州m io)- 第2 章前人对c m 关系的研究 o s l o o 二0 o 当o 0 5 0 o 2 5 t0 1 5 萋o 1 0 岔o ， do d o 0 1 5 1* ，番孝 i 枣 毋 孝喀 ：川 ： e 肄 番 i | ! 1 。 专 0 。j 童 。 o 70 e0 g 1 0 1 1 21 3 6 0 08 0 0 t 0 0 0 2 0 001 02 0翔 z j ( m | ) l 乙( 1 0 _ h 。、9 t ) 图2 7m e ie ta 1 2 0 0 8 年的c m 关系与红移、速度弥散、光度之间的关系图，其中黑点和灰 点代表椭圆星系和透镜星系( 图片来自m e ie ta 1 2 0 0 8 ) h i l t o ne ta 1 ( 2 0 0 9 ) 3 5 】对x 射线挑选的红移为1 4 6 的星系团x m m x c s j 2 2 1 5 9 1 7 3 8 进行了研究，研究了该星系团内不同形态星系团的比例，以及团 内造型系的c m 关系。通过对光学和红外数据的研究发现该团