Ma N GA:繪制星系的二維光譜

□ 上海天文臺 林琳 袁方婷

Ma N GA:繪制星系的二維光譜

□ 上海天文臺 林琳 袁方婷

阿帕奇波因特天文臺（Apache Point Observatory，簡稱APO）的斯隆望遠(yuǎn)鏡所開展的斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）可謂迄今為止最成功的大規(guī)模巡天之一。MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）是SDSS第四期中的一個全新項目，該項目通過引入積分視場單元（Integral Field Unit，簡稱IFU）設(shè)備來觀測鄰近星系，以研究星系的結(jié)構(gòu)和演化。

光譜觀測是天文學(xué)研究中的一個重要手段。遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的輻射經(jīng)過色散系統(tǒng)（棱鏡、光柵）分光后，將被色散開的單色光按波長（或頻率）大小依次排列出來，即為一條一維光譜。星系是一個巨大的引力束縛系統(tǒng)，包含了數(shù)億顆恒星，還有塵埃和氣體，遠(yuǎn)比我們想象中復(fù)雜。橢圓星系和旋渦星系是星系分類中的兩大類別。典型的橢圓星系由年老恒星主導(dǎo)（K、M型恒星），光譜中包含豐富的金屬吸收線；而典型的旋渦星系中有豐富的氣體，其中正在進(jìn)行著恒星的形成，年輕的大質(zhì)量恒星電離著周圍的氣體，產(chǎn)生明顯的發(fā)射線特征（見手繪圖左下方）。

傳統(tǒng)光纖光譜儀一次只對一個星系放置一條光纖，采集一條光譜。用一條光譜表征一個星系，其實并不能很好地還原星系本來的樣貌。近幾年來技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們可以利用I F U設(shè)備覆蓋目標(biāo)星系，對星系的不同位置同時做光譜觀測，得到星系各個區(qū)域的光譜，更加精細(xì)地研究星系的二維結(jié)構(gòu)。

下圖左側(cè)顯示了M a N G A項目中所使用的包含127根光纖的I F U，每根光纖直徑為120微米（對應(yīng)天空上張角為2角秒）。127根光纖束用金屬外殼包裹成一個元件束（b u n d l e），這個元件束可以方便地插在S D S S面板上（下圖右側(cè)所示）。M a N G A項目使用了不同大小的元件束，一個小的元件束只包含19根光纖，最大的則有127根光纖，可以覆蓋直徑在12角秒至32角秒范圍內(nèi)的不同大小的星系。

目前，I F U觀測已經(jīng)從對單個源的觀測發(fā)展到了巡天的模式，可以完成大樣本觀測以得到統(tǒng)計上的結(jié)果。之前的項目有S A U R O N1及A T L A S3D2，這兩個項目主要關(guān)注近鄰的早型星系中心區(qū)域的動力學(xué)研究；C A L I F A3選取了600個大小為1角分左右的星系樣本，目前已釋放了300個星系的數(shù)據(jù)。M a N G A4計劃完成6000個近鄰星系觀測，樣本紅移中值為0.02。S A M I5計劃完成3000個星系觀測，樣本紅移中值為0.05，已釋放107個星系觀測數(shù)據(jù)。

二維光譜是研究星系結(jié)構(gòu)與演化的有力工具，它有望完成一維光譜無法達(dá)到的科學(xué)目標(biāo)。MaNGA項目試圖探究的科學(xué)問題包括：

1.氣體吸積是如何驅(qū)動星系增長的？

2.在星系形成核球或者成長為橢圓星系的過程中，星系中的恒星、星系間的并合作用以及星系自身的不穩(wěn)定性，到底扮演了怎樣的角色？什么條件下恒星形成會停止？在星系群或星系團(tuán)中的恒星形成會受到怎樣的外部作用？

3.在星系形成過程中，在重子物質(zhì)和非重子物質(zhì)之間，角動量如何分布？

4.

5.星系中不同大小的質(zhì)量團(tuán)塊如何集合起來并相互影響？

M a N G A項目將為科學(xué)家們提供一個可用于以上研究的統(tǒng)計樣本。M a N G A選擇不同質(zhì)量且均勻分布的星系樣本，每個星系經(jīng)過3小時曝光，可以達(dá)到在1.5倍有效半徑處單個像元的信噪比大于5。

下圖顯示了M a N G A在試觀測階段拍攝并分析的一個星系U G C 5124，從左到右分別為S D S S三色合成圖、星系中的氣體密度分布、氣體速度場分布、恒星年齡分布以及恒星視向速度分布。我們可以看出，星系中不同位置的物理狀態(tài)大不相同，氣體和恒星在星系中心聚集，盤星系正在轉(zhuǎn)動，一側(cè)朝向我們，一側(cè)遠(yuǎn)離我們。通過對星系不同位置的光譜分析，不僅可以得到星系內(nèi)部的速度分布，還可以得到恒星年齡、金屬豐度、塵埃消光的分布。年老恒星主要聚集在星系中心，恒星形成及其產(chǎn)生的金屬元素聚集在旋臂上，塵埃聚集在旋臂內(nèi)側(cè)。這些物理量在星系中的分布取決于星系動力學(xué)和星系的具體演化過程。

手繪圖中左半部分，象征我們可以利用I F U光纖束鉆到星系的肚子里面，把星系中發(fā)生的事情看得清清楚楚。左側(cè)最下方E、S，分別代表橢圓星系和旋渦星系的典型光譜：由年老星族主導(dǎo)，或由年輕星族和氣體發(fā)射線主導(dǎo)。兩個箭頭將左側(cè)（觀測數(shù)據(jù)、手段）和右側(cè)（數(shù)據(jù)分析得到的星系性質(zhì)的二維分布圖像）聯(lián)系起來，說明了這些科學(xué)問題可以通過觀測數(shù)據(jù)與科學(xué)分析得到解答。

這是手繪圖右下角示意圖對應(yīng)的實際觀測案例。本圖中右側(cè)四個方框分別表示氣體密度分布（中心密度高，周圍密度低）、氣體旋轉(zhuǎn)速度分布（藍(lán)色表示朝向我們運動，紅色表示遠(yuǎn)離我們運動）、恒星星族年齡分布（中心顏色越深表示年齡越老）以及恒星旋轉(zhuǎn)速度分布（紅色表示遠(yuǎn)離我們，藍(lán)色表示朝向我們運動）。

MaNGA項目的觀測已經(jīng)從2014年秋季開始，將一直持續(xù)到2020年春季。讓我們一起期待MaNGA的二維光譜觀測在未來幾年內(nèi)帶給我們的驚喜吧！

注：本文的手繪圖是2014年7月在上海天文臺舉行的第三屆青年天文論壇上的海報作品。更多信息可參閱：http://yastro. csp.escience.cn/dct/page/70013。圖片作者：林琳、袁方婷、羅文濤。后期：李瑞文。

1. SAURON (Spectrographic Areal Unit for Research on Optical Nebulae) http://www.strw.leidenuniv.nl/sauron/

2. ATLAS3Dhttp://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/

3. CALIFA (The Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey) http://califa.caha.es/

4. MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at APO) https://www.sdss3.org/future/manga.php

5. SAMI (Sydney-Australian-Astronomical-Observatory Multi-object Integral-Field Spectrograph) http://sami-survey.org/