（天体物理专业论文）发射线星系的星族合成研究.pdf

摘要 摘要 本文首先较为详细地介绍了理论和实验的星族合成方法，并着重介绍了星 i j 谱样本的星族合成方法和演化的星族合成方法。 为了研究蓝致密矮星系( b c d g ) 、蓝致密星系( b c g ) 和星暴星系( s b ) 等发 自f 线星系中的恒星组成、恒星形成历史、能源机制和尘埃分布情况，7 文中的第 ：部分，我们发展并利用星团谱样本的星族合成方法研究了这几类发射线星系 的光学谱。星族合成结果不仅给出了三类发射线星系中的恒星组分、恒星形成 f j 史：还使我们对恒星形成区的金属丰度和内红化有所了解利用扣除恒星吸 收影响的发射线谱，由巴尔末减缩计算出星系发射线产生区内红化值，使得我 们对连续谱产生区和发射线产生区空间分布及星系中尘埃分布有了深入了解。 利用扣除恒星成分影响和内红化校正的发射线区谱，我们得出蓝致密矮星系、 蓝致密星系和星暴星系的发射线区的电离机制是恒星引起的光致电离比较发 射线星系星族合成结果的异同，我们提出了矮星系之间一种可能的演化关系。 为了研究发射线星系m 8 1 的核区和其中一些亮的h i i 区中的恒星组成、恒 星形成历史、能源机制和尘埃分布，本文的第三章电我们从b a t c 多色巡天得 到的m s l 的h i i 区样本中，选取了一些亮度较高的t t i i 区和核区进行光谱观测， ，# 进行了星族合成研究。f 结果表明m 8 1 核区中，年老的星族贡献重要，它们中 的多数金属丰度较低；m 8 1 内部的h i i 区中，最近恒星形成率很高，金属丰度 分布的范围较大。对扣除恒星吸收影响的发射线区光谱，根据其巴尔末减缩， 计算m s l 内部h i i 区中发射线产生区域的内红化值- 利用北京天文台6 0 9 0c ms c h m i d t 望远镜的多波段中等宽度滤光片系统 一，i t a t c ) 观测得到的光度数据，结合最新的演化星族合成方法，我们发展了 种适合研究邻近星系的星族特性二维分布的星族合成方法。俄们将该方法应 月j 于旋涡星系m 8 1 研究中，在国际上首次得出了星系中星族的年龄、金属丰度 和内红化等特性的二维分布结果。该方法为充分利用b a t c 数据开拓了一个新 的研究领域。首先，利用宽的金属丰度和年龄范围的g s s p 模型，我们计算了这 些简单恒星族光谱通过b a t c1 3 个中带滤光片的颜色和色指数。我们发现了可 以用来区分星族合成时年龄和金属丰度耦合效应的色指数，确定星系中星族年 龄的颜色。利用这些颜色和色指数，我们获得了星系m 8 1 中星族的金属丰度， 星际内红化和年龄的两维分布为了检验我们的结果对恒星形成历史和星族合 成模型的敏感程度，我们利用了不同的恒星形成历史和星族合成模型。结果表 叫，尽管年龄、金属丰度和星际内红化的精确值有所不同，但它们的二维分布是 棚似的。对于m 8 1 的内红化和金属丰度的结果，我们比较了我们和以前工作， 发现它们符合的较好，主要结果是一致的。对于不同的结果，我们也给予了必 要和合理的解释m 8 1 的结果表明我们的方法和观察数据为研究邻近的f a c e o n 星系的金属丰度，年龄和星际内红化的二维分布提供了一种有效的路径。对于 星系m 3 1 、n g c 5 8 9 和n g c 5 0 5 5 的相似数据正在收集或已经收集，一系列的工 竹：! 在进行中 在利用星族合成方法时，一个极为棘手的问题是年龄和金属丰度具有耦合 效应。为了寻找有助于区分年龄和金属丰度的耦合效应的谱指数，本文的第五 章中利用主成分分析法，我们研究了年龄和金属丰度分布范围较广的简单星族 的谱指数，发现了一些可以用来确定星族年龄的特征谱指数。对年龄敏感的谱 指数种类随着星族金属丰度的不同而有所差别。另外，我们还发现第一主成分 的秆j 对贡献率很重要，它可以用来指示简单星族的年龄信息这是p c a 方法首 次被应用于搜寻区分年龄和金属丰度耦合效应的谱指数。j 摘要 a b s t r a c t i nt h ec h a d t e r1o ft h i st h e s i s ，w er e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n t o fp o p u l a t i o ns y n t h e s i s m e t h o da n dt h ei m p o r t a n c eo ft h i sm e t h o df o rs t u d y i n gc o m p o s i t es t e l l a rs y s t e m s ，a n d s u m h l a r i z et h r e em a i nk i n d so fp o p u l a t i o ns y n t h e s i sm e t h o d s ，e s p e c i a l l y f o rt h ee v o l u t i o n a iyp o p u l a t i o ns y n t h e s i s ( e p s ) a n dt h es t a rc l u s t e rl i b r a r y ss t e l l a rp o p u l a t i o ns y n t h e s i s f ( 1 p s ) i no r d e rt os t u d yt h es t e l l a rc o m p o n e n t s ，s t a rf o r m a t i o nh i s t o r y ，t h ee n e r g ys o u r c e a 】 dt h ei n t e r n a ld u s td i s t r i b u t i o ni nb l u ec o m p a c td w a r fg a l a x i e s ( b c d g ) ，b l u ec o m p a c t g a l a x i e s ( b c g ) a n d s t a r b u r s tg a l a x i e s ( s b ) ，w ed e v e l o p e da n da p p l i e dt h ec p sm e t h o d t ( ，a n a l y z et h es p e c t r ao ft h e s ee m i s s i o nl i n eg a l a x i e s ( e l g ) i nc h a p t e r2 f r o mt h e r e s u i t so fp o p u l a t i o ns y n t h e s i s ，w en o to n l yk n o wt h es t e l l a rc o m p o n e n t s ，s t a rf o r m a t i o n h ) s t o r y b u ta l s om e t a l l i c i t ya n di n t e r n a lr e d d e n i n go fe l g w eh a v ea l s o d e r i v e dt h e i n t e r n a lr e d d e n i n gf o rt h es t e l l a rp o p u l a t i o nb yp o p u l a t i o ns y n t h e s i sm e t h o d ，a n dt h e i n t e lh a lr e d d e n i n gf o rt h ee m i t t i n gg a sc l o u d sb yt h eb a l m e rl i n er a t i o t h ef o r m e ri s s i g n i f i c a n t l ys m a l l e rt h a nt h el a t t e rf o re l gam o d e lo fc l u m p yf o r e g r o u n dd u s t ，w i t h d i f f e r e n tc o v e r i n gf a c t o r sf o rt h eg a sa n ds t a r s ，c a ne x p l a i nt h ed i f f e r e n c e c o m b i n i n g t l ei n t e r n a lr e d d e n i n gv a l u ea n dt h es t e l l a rp o p u l a t i o n ，w eh a v ed e c r e a s e dt h ee f f e c tf r o m t h ei n t e r n a lr e d d e n i n ga n du n d e r l y i n gs t e l l a ra b s o r p t i o n ，a n da c c u r a t e l ym e a s u r e dm o s t e m i s s i o nl i n e sf o re a c he l g u s i n gt h e s ee m i s s i o nl i n e s ，w eh a v ea t t e m p t e dt o ) d e n t ) f y t h ei o n i z i n gm e c h a n i s mo fe l gt h ei o n i z i n gm e c h a n i s mf o rt h e s ee m i s s i o n1 i n er e g i o n s o le l gi st y p i c a lo fp h o t o i o n i z a t i o nb ys t a r s b a s e do nt h es t e l l a rp o p u l a t i o no fe l g ，w e s u g g e s tad e t a i le v o l u t i o n a r yl i n ka m o n g d i f f e r e n td w a r f g a l a x i e sa t l a s t t o s t u d y t h es t e l l a rp o p u l a t i o np r o p e r t i e sf o rs o m e b r i g h th i ir e g i o n sa n d t h en u c l e a r o fm s l ，w eh a v es e l e c t e ds o m e b r i g h th i ir e g i o n sa n d t h en u c l e a ro f m 8 1f r o mb a t cm u l t i c ( i o l s u r v e ys a m p l e ，a n do b t a i nt h es p e c t r af r o m2 1 6 mt e l e s c o p e ( b a o ) i nc h a p t e r3 ea p p l i e dt h ec p sm e t h o dt ot h e s es p e c t r a f o rt h en u c l e a ro fm 8 1 t h er e s u l t so f p o p u l a t i o ns y n t h e s i ss u g g e s tt h a tt h ec o n t r i b u t i o nf r o mo l da n dp o o r m e t a l l i c i t ys t e l l a r p o p u l a t i o ni si m p o r t a n t f o rs o m eb r i g h th i ir e g i o n s ，t h ep r e s e n ts t a rf o r m a t i o n r a t ei s v p r yh i g h ，a n dt h em e t a l l i c i t yi s d i f f e r e n tf o rd i f f e r e n th i ir e g i o n u s i n gt h es p e c t r a ，w e h a v ec a l c u l a t e dt h ei n t e r n a lr e d d e n i n gv a l u ef o rt h ee m i s s i o n l i n er e g i o n sa tl a s t u s i n g t h ed a t ao b t a i n e df r o mt h eb a t cm u l t i - c o l o rs k y s u r v e ya n d t h e o r e t i c a ls t e l l a r p o p u l a t i o ns y n t h e s i sm o d e l s ，w ed e v e l o p e da ne p sm e t h o dt h a tc a nb eu s e dt os t u d y t w o d i m e n s i o n a ls t e l l a rp o p u l a t i o np r o p e r t i e sf o rn e a r b yf a c e - o ng a l a x i e si nc h a p t e r4 v c eu s et h i sm e t h o dt ot h en e a r b ys p i r a lg a l a x ym 8 1 ，a n dw eh a v e ，f o rt h ef i r s t t i m e ， o b t a i n e dat w o - d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o no fa g e ，m e t a l l i c i t y , a n di n t e r n a lr e d d e n i n g t h i s m e t h o do p e nu pan e ws t u d yf i e l df o rt h eb a t c d a t a u s i n gt h ee x t e n s i v eg r i do fs i m p l e s w l l a rp o p u l a t i o nc o v e r i n gaw i d er a n g eo fm e t a l l i c i t ya n da g e ，w ec a l c u l a t e dt h ec o l o r s a n dc o l o ri n d i c e sf o r1 3c o l o r si nb a t ci n t e r m e d i a t e 。b a n df i l t e rs y s t e m w ef i n dt h a t s o m eo ft h e mc a nb eu s e dt or e s o l v et h ea g ea n dm e t a l l i c i t yd e g e n e r a c y , w h i c he n a b l e s u st oo b t a i nt w o - d i m e n s i o n a lm a p so fm e t a l l i c i t y ，i n t e r s t e u a rr e d d e n i n ga n da g eo fm 8 1 u s i n gt h e s ec o l o r sa n dc o l o ri n d i c e s ，w eq u a n t i f y t h er e l a t i v ec h e m i c a la b u n d a n c e ，a g e a n dr e d d e n i n gd i s t r i b u t i o n sf o rd i f i e r e n tc o m p o n e n t so fm 8 1 i no r d e rt ou n d e r s t a n dh o w s e n s i t i v eo u rm e t h o di st od i f i e r e n ta s s u m p t i o n sa b o u ts t a rf o r m a t i o nh i s t o r ya n d d i i r e r e n t s t e l l a rp o p u l a t i o n s y n t h e s i sm o d e l s w e h a v es t u d i e da ne x p o n e n t i a ls t a rf o r m a t i o nh i s t o r y a n dc o m p a r e dt h er e s u l t so b t a i n e dw i t hg s s pa n dp s s p w ef i n dt h a ta l t h o u g ht h ep r e c i s e v & l u e 8o fa g e ，m e t a l l i c i t ya n di n t e r s t e l l a rr e d d e n i n ga r ed i f i e r e n t t h eg e n e r a lt r e n do fi n t h em e t a l l i c i t y , a g ea n dr e d d e n i n gd i s t r i b u t i o n si ss i m i l a r f i n a l l y , w eh a v ec o m p a r e dt h e i n l e r l l a lr e d d e n i n ga n dm e t a l l i c i t ym a p so fm 8 1w i t hp r e v i o u ss t u d i e s kf i n dt h a tt h e a g r e e m e n t sa r eg e n e r a l l yg o o d i na d d i t i o n ，w ef i n dt h a tt h ep r o p e r t i e sf o rt h eb r i g h th i i r e g i o n sa n d o t h e rp a r t sm a yb ed i f i e r e n t t h er e s u l t so fm 8 1 p r e s e n t e dh e r ei l l u s t r a t et h a t o l l rm e t h o da n do b s e r v a t i o n a ld a t ap r o v i d ea ne f f i c i e n tw a yt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o no f m e t a l l i c i t y ，a g ea n d i n t e r s t e l l a rr e d d e n i n gf o rn e a r b yf a c e - o ng a l a x i e s e p st e c h n i q u ei sav e r ye f f i c i e n tm e t h o dt oi n f e rt h es t e l l a rc o m p o n e n t sf o rg a l a x i e s b u tfh ep r o b l e mi st h ed e g e n e r a c yo ft h ee r i e c t sf r o mv a r i a t i o n si na g ea n di nm e t a l l i c i t y m ，r e s o l v et h i sd e g e n e r a c y ，w eu s ead i f i e r e n ts o p h i s t i c a t e ds t a t i s t i c a lt e c h n i q u e p r i n c i p a l c c ，m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) ，t ot h es p e c t r a li n d e xs a m p l eo fs i m p l es t e l l a rp o p u l a t i o nw i t h m e t a l l i c i t i e sa n da g ei nc h a p t e r5w ew a n tt oe x t r a c tt h eo t h e rs p e c t r a li n d i c e st h a tc a n b ，u s e dt od e t e r m i n et h ea g eo fs t e l l a rp o p u l a t i o n b e s i d e st h ew e l l k n o w na g es e n s i t i v e i m t e x ，h 卢，w ea l s of i n ds o m eo t h e rs p e c t r a li n d i c e sh a v eg r e a tp o t e n t i a lt od e t e r m i n et h e a g eo fs t e l l a rp o p u l a t i o n ，s u c ha sg 4 3 0 0 ，f e 4 3 8 3 ，c 2 4 6 6 8 ，a n dm g b i na d d i t i o n ，w ef i n d t h e s es p e c t r a li n d i c e ss e n s i t i v i t yt oa g ed e p e n d so nt h em e t a l l i c i t yo fs s p ，h 5a n dg 4 3 0 0 a r em o r es u i t e dt od e t e r m i n et h ea g eo fl o wm e t a l l i c i t ys t e l l a rp o p u l a t i o n c 。4 6 6 8a n d m g ba r em o r es u i t e dt ot h eh i g hm e t a l l i c i t ys t e l l a rp o p u l a t i o n i ti st h ef i r s tt i m et h i s m e t h o di su s e df o rs e l e c t i n gt h ea g es e n s i t i v es p e c t r a li n d i c e s 插图目录 1 星团样本在“年龄金属丰度”图中的分布 b c d g 和b c g 的观测谱和星族合成光谱图， 星暴星系n g c 5 9 9 6 的观测谱和星族合成光谱图 谱线 n i i a 6 5 8 4 h a 与 o i i a 3 7 2 7 0 i i i j a 5 0 0 7 强度比值 b a t c 观测得到的m 8 1 扣除了连续谱贡献的h a 图像 m 8 1 核区合成谱 扣除内红化和恒星吸收影响的m 8 1 中h i i 区光谱 b a t c 滤光片透过率曲线 b a t c 的每个滤光片的对m 8 1 观测时间 利用兰的b a t c 0 2 ( 3 8 9 4 a ) ，绿的b a t c 0 7 ( 5 7 8 5 a ) 和红的b a t c l 0 ( 7 0 i o a ) 滤光片观测得到的m 8 1 图像合成的星系m 8 1 的彩色图像 g i s s e l 9 6 星族合成模型中不同金属丰度的简单星族( s s p ) 的颜色 a 随时间的演化关系 g i s s e l 9 6 星族合成模型中简单星族( s s p ) 的色指数厶5 1 0 与金属丰 度的关系 五种不同年龄的简单星族的色指数如s ，o 与金属丰度的关系 m 8 1 中星族的金属丰度二维分布 m 8 1 中金属丰度沿着主轴方向( 方位角为1 5 7 。) 的径向分布 m 8 1 中星族年龄的二维分布 ， m 8 1 中星际内红化的二维分布 ， 51 简单星族的第一主成分p c l 与年龄的变化关系 52 谱指数随年龄的变化关系 v 6 弘鹊 驵n 弱卯 叭 孔他 盯罟g l 2 3 l 2 3 ，2 3 4 5 6 7 8 9 1 13j；i二j i j 4 4 4 表格目录 l 1 星团谱样本编号 二i 发射线星系的基本参数和观测数据， ， 。：2 相对于5 8 7 0 h 处流量( f 5 8 7 0 ) 归一化的连续谱区间流量值日 13 发射线星系光谱中特征线的等值宽度( a ) ， ? 4 蓝致密矮星系光学谱m m p 算法的星族合成结果 ? 5 蓝致密矮星系光谱d c p 算法的星族合成结果 2 6 蓝致密星系光谱m m p 算法的星族合成结果， ：7 7 蓝致密星系光谱d c p 算法的星族合成结果， ， 2 8 星暴星系n g c 5 9 9 6 的星族合成结果a ) m m p 方法，b ) d c p 方法 2 9 发射线星系光谱中发射线相对于h a ( n o r m a l i z e d t o1 0 0 ) 的强度 ? 1 0 发射线星系的内红化值 ： l 目标源的观测数据 3 2 抽取谱的特征量 3 3 连续谱区间流量值，a a = 2 0 a 3 4 特征吸收线的等值宽度( a ) 3 5 m 8 1 核区谱的星族合成结果a ) m m p 方法，b ) d c p 方法 36 z z 。i - 0 6 的h i i 区谱的星族合成 37 z _ 0 0 的h i i 区谱的星族合成 38 z z o _ - 0 5 的h i i 区谱的星族合成 39 光谱发射线相对强度，流量相对于h 归一化 41 b a t c 滤光片参数和观测统计值 42 星系m 8 1 的中心区、核球区和盘区的二维能谱分布( s e d 51 l i c k i d s 谱指数的定义 52 p s s p 的p c a 研究结果 53 g s s p 的主成分分析结果， v l 7 孔弱；号鹅凹乩s； 们必翡诣蛳盯 鼹 虬雅踮 致谢 致谢 如墨的夜已伸展的很远，此时天宇呈现一片令人感动的安祥和静寂；在机 房中如此般度过了多少个不眠夜己不记得，其中甘苦现在都已微不足道当终 二j 可以为本文画上最后一个句号时，孤寂的心此时是如此的激动和不安，这一 刻真诚的感受，值得我一生去回味和寻觅到了该写些感激之言的时候，因为每 想到你们一各位尊敬的师长、亲爱的同学，多年来无私地给予我的大量鼓励、 支持、帮助和关怀，我就会感动 首先我要真诚地感谢我的导师程福臻教授，感谢程先生的宽容、接纳和不 弃。承蒙先生的悉心指导和无微不至的关怀，他在工作极为繁忙的情况下，为 本文投入了巨大的热情和精力，在他的科学安排和不断鼓励下，才使我最终能 提字成文，学而得果多年来，先生除了在学习上给予了我莫大的帮助，他那 种严谨的治学态度、良好的科学道德、正派高尚的人品，都给我留下了极为深 刻的印象，并给予我最直接的良好熏陶。无论做人、治学还是为师，先生都将 永远是我学习的榜样 在此我要特别地感谢北京天文台的陈建生院士和周旭博士，他们多次为我 提供了在北京天体物理中心( b a c ) 和b a t c 课题组作访问学者的机会本文的 部分工作得益于他们的帮助、讨论和指导感谢北京天文台的魏建彦博士在观 测上给予的诸多帮助感谢欧南台( e s o ) 的hr s c h m i t t 博士、l i c k 天文台的 gw o r t h e y 博士和p a d o v a 天文台的a b r e s s a n 博士等的有益讨论和提供的有关 计算程序 衷心的感谢天体物理中心的周又元教授、张家铝教授、褚耀泉教授、向守 平教授、卢炬甫教授、张扬教授等各位老师，他们以其渊博、严谨和宽容使我受 到极大的受益和影响，并一直鼓舞和教育着我同时，我要感谢中国科学技术 大学天体物理中心和北京天体物理中心的各位年轻教员和同学给予我的关心、 帮助和支持 农村是如此困顿，求学是如此艰难我深深地感激我的父母，他们用几近 虚弱的身体，为我能顺利完成学业而不停的劳作和奔波每每想到此，总是令 我感动的泪眼模糊最后，我要特别感谢我的爱人朱咏梅女士，温馨、美满的 家庭生活使我总是能以饱满的热情全身心地投入到紧张的学习和工作中 谨此之际，祝所有关心、支持我的师长和朋友身体安康! 论文目录( 1 9 9 7 2 0 0 0 ) l k o n g ，x ( 孔旭) & c h e n g ，f z ，2 0 0 0 ，m n r a s i np r e s s p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s1 0 rs p e c t r a li n d i c e so s t e l l a rp o p u l a t i o n s ：k o n g ，x ( 孔旭) z h o u ，x ，c h e n ，j s 、c h e n gfz ，e ta l ，2 0 0 0 ，a j ，i np r e s s s p a t i a l l yr e s o l v e ds p e c t r o p h o t o m e t r yo fm 8 1 ：a g e ，m e t a l l i c i t ya n d e x t i n c t i o nm a p s ： k o n g ，x ( 孔旭) ，c h e n g ，f z ，z h o u ，x ，c h e n ，j s ，2 0 0 0 ，c h a & a ，2 4 ，3 6 s t e l l a rp o p u l a t i o ns u n t h e s i sf o rt h es p e c t r ao fb l u ec o m p a c td w a t | g a l a x i e s i k o n g ，x ( 孔旭) c h e n g ，fz ，2 0 0 0 ，c h i n p h y s l e t i np r e s s v e wa g ei n d i c a t o r so fs t e l l a rp o p u l a t i o n s _ k o n g ，x ( 孔旭) ，c h e n g ，f z ，1 9 9 9 ，a & a ，3 5 1 ，4 7 7 s t e l l a rp o p u l a t i o ni nb l u ec o m p a c tg a l a x i e s l ，k o n g ，x ( 孔旭) ，z h a n g ，x l ，c h e n g ，fz ，1 9 9 8 ，i np r o c e e d i n g so ft h e c o n f e r e n c e ”u l t r a v i o l e ta s t r o p h y s i c s ，b e y o n dt h ei u ef i n a la r c h i v e ”，s e v i l l a s p a i n ， p 5 6 9 l h ee m i s s i o n - l i n eg a l a x yc a t a l o go fi u ea n di t ss t e l l a rp o p u l a t i o n ：k o n g ，x ( 孔旭) ，c h e n g ，fz ，1 9 9 8 ，c h a & a ，2 2 ，1 4 5 b t e l l a rp o p u l a t i o ns y n t h e s i sf o rt h es p e c t r ao | b c g s h 孔旭，程福臻，周旭，陈建生，1 9 9 9 天体物理学报，第1 9 卷，第4 期， 3 8 0 蓝致密矮星系谱的星族合成 ! 1 程福臻，芋l 旭，1 9 9 9 ，紫金山天文台台刊，第9 卷，第3 期，3 3 0 蓝致密星系中的星族成分 i n 孔旭，林伟鹏，等，1 9 9 9 ，自然科学进展，第9 卷，第1 2 期，7 4 3 m 8 1 核区及h i i 区光谱的星族合成 l l 子l 旭，程福臻，1 9 9 9 ，天文学进展，第1 7 卷，第3 期，2 6 6 星暴星系：研究进展和热点问题 12 孔旭，程福臻，1 9 9 8 ，天体物理学报，第1 8 卷，第l 期，1 蓝致密星系谱的星族合成 1 3 孔旭，薛随建，程福臻，1 9 9 7 ，天文学进展，第1 5 卷，第3 期，2 5 4 星族合成方法及发射线星系核区中的恒星组分 第一章星族合成方法 天文学中众多的研究领域基本上都与星系的研究( 形成、结构和演化) 有 j 。通过对星系的研究，我们可以了解宇宙中不同层次结构的形成和演化，了 祥宇宙的起源和演化，从而可以获知宇宙的整体信息。因为恒星是星系内已观 测到的数量最多的天体，它们集中了宇宙中可观测物质的绝大部分，恒星的形 成和演化必然影响星系和宇宙中的物质演化 4 7 。恒星组成的多样性导致了星 系特性的差异，所以在研究星系中的恒星形成、星际介质运动和星系的形成、 缔构和化学演化等物理过程时，必须先对星系中的恒星成分进行研究。因此， 对星系中恒星成分的分析，是认识星系乃至整个宇宙的基础。 研究星系中恒星组成的最理想的方法是通过观测研究星系中的每个恒星的 特性，即研究星系中恒星在hr 图上的分布，来了解星系中的恒星成分 1 6 1 】。 似是由于受到望远镜分辨本领的限制，现在除了对有限的几个邻近星系，我们 迢，不能区分星系中的单个恒星，所以对于星系中的恒星组成我们现在了解的还 很少，即使对最简单的星系，如矮星系，其中的恒星成分也远没有被完全了解 f 7 6 l 。对于更大的体系，如旋涡星系，恒星组分问题将变得更为复杂，大量的 忸i 星可能起源于各自独立的恒星形成事件。 现在，随着观测技术的不断发展，天文学家们正在试图通过利用星系的积 分特性，如光度特性、光谱特性，来了解星系内部的恒星特性和恒星形成历史， 其中星族合成方法就是利用这些观测特征来研究星系中恒星组分的一种很有效 手段，它是通过比较星系等复合恒星体系和各种年龄( t ) 、金属丰度( z ) 的恒 星、星团的光谱或光度特征，并在一些假设的前提下，给出复合体系的星族组 成的定量信息的一种方法【1 0 3 】 2 4 3 。它可以用来确定每个复合恒星体系中各 秒谱型、光度的恒星所占的比例，进而导出不同复合体系的颜色、线强度与绝 对星等的关系，结果给出复合体系的年龄、平均金属丰度、其内部最近恒星形 成发生的时间和其质光比 2 0 8 另外，对大红移星系研究时，可以给出不同年 龄和金属丰度的恒星代的演化关系f 3 3 1 自从首次用恒星样本谱解释星系谱以来，用各种理论或观测的恒星谱样本 去构造星系中的恒星组分已有很长一段时间。s c h e i n e r ( 1 8 9 9 ) 可能是第一次作此 尝试的人，他发现m 3 1 的光谱与太阳光谱极为相似，并得出m 3 1 是由与太阳相 似的恒星组分构成的一个远离我们的恒星体系的结论f 2 3 8 1 。1 9 3 4 年o h m a n 发 2第一章星族合成方法 现m 3 2 的核区谱与g 型矮星光谱极为相似，认为m 3 2 核区中的恒星成分可能 是g 型矮星 1 9 4 w h i p p l e 于1 9 3 5 年首次引入了星族合成方法，用许多单个恒 星光谱去拟合观测到的v i r g o 星系团的谱，以期得到星系中恒星成分的定量信 息。他测量了附近星系中恒星的颜色和光谱中吸收线的等值宽度，建立恒星样 本，并测定了v i r g o 星系团中这些特征量，最后利用这些光度和谱型不同的恒 星样本去拟合星系谱 2 8 2 】。在3 0 年代，因为缺少有效且全面的恒星样本谱，所 以w h i p p l e 的工作没有给出很多有用信息 2 2 9 。 近几十年来，由于观测技术的长足发展，理论模型的不断改进，计算能力 的迅速提高，星族合成技术也日趋完善，发展了从实验到理论演化的多种合成 力法，给出了许多有价值的结果。其中实验方法仅利用那些其形成、演化等特性 已被我们比较全面了解的恒星谱作为样本，对观测到的星系谱进行拟合，给出 该星系中的恒星有关信息。实验方法最有影响的文章是f a b e r ( 1 9 7 2 ) 7 9 。随后， 净多天体物理学家利用该方法得出星系中的恒星组分，特别是b i c a 等人构造了 个广泛的星团样本，在此基础上利用实验的星族合成方法给出各种星系的金 属丰度和年龄 2 2 。该方法的优点是一种纯经验方法，不需输入任何理论参数 千假设；该方法的缺点也很明显，不能直接给出星系中恒星形成的历史和初始 质量函数 8 5 1 6 1 】演化的星族合成方法原则上可以克服实验方法的不足，它 是假定我们对恒星形成演化等已有全面了解。对年龄、金属丰度、恒星形成率 不同的星系，由演化方法可直接给出其中的各种恒星组分 9 3 。如果我们对恒 星演化模型已有全面、准确的了解，则演化的星族合成方法将明显优于实验的 星族合成方法。遗憾的是直到现在我们对恒星演化的理解还很不全面，特别是 对大质量恒星演化过程。同时，对要输入的几个参数对合成模型结果的独立影 响也不清楚 1 7 3 。另外，根据样本谱的不同，实验的星族合成方法又分为以恒 星样本和以星团样本两种。 1 2实验的星族合成方法 1 2 1 恒星谱样本的星族合成方法( s p s ) s p s 是一种以恒星光谱或恒星光谱和少数几个球状星团谱的组合为样本， 拟合星系的观测特征，给出星系中各种光度和谱型的恒星所占比例的一种经验 方法。根据光度、有效温度和金属丰度将样本谱分成不同类，再将它们按照各 种百分比混合，以期找到对特定星系的光度或光谱特性作最佳拟合的组合，并 认为这种最佳拟合的组合真实反映了星系中的恒星分布。该方法能给出星系的 1 2 实验的星族合成方法 3 平均金属丰度、主序的转折点、最近恒星形成的爆发时间、年轻恒星组分的贡 献、星系的质光比等除了复杂程度不断增加外，该方法的基本思想直接源于 v h i p p l e ( 1 9 3 5 ) s t e b b i n & w h i r f o r d ( 1 9 4 8 ) 等早期工作v a n d e nb e r g h ( 1 9 7 5 ) 、m c 【h l r f ，( 1 9 6 9 ) 、s p i n r a d t a y l o r ( 1 9 7 5 ) 、a l l o i ne ta l ( 1 9 7 1 ) 、f a b e r ( 1 9 7 2 ) 、j o l y ? 、1 1 ( 1 r i l l a t ( 1 9 7 3 ) 、w i l l i a m s ( 1 9 7 6 ) 、o c o n n e l l ( 1 9 7 6 ，1 9 8 0 ) 、t u r n r o s e ( 1 9 7 6 ) 、p r i t c h e t ( 9 7 7 ) 、pc k l e s ( 1 9 8 9 ) 、p e l a t ( 1 9 9 7 ) 等工作对这种方法的发展都曾作过重要贡 献。这些研究工作的不同之处主要在于： 选择不同的观测特性作为合成判据：如光度、颜色、谱能量分布( s e d ) 、特 征谱线的等值宽度( e w ) 、谱线指数等； 恒星样本的不同：是否包含了非太阳金属丰度的恒星、蓝水平分支星等； 寻找最佳组合的算法的变化，如引入约束条件的不同； 另