近鄰盤星系的演化及恒星形成歷史研究

康曉宇

(中國科學院云南天文臺昆明650216)

星系是構成宇宙的基石,其形成與演化是21世紀天體物理研究領域的前沿課題之一.近鄰星系具有大范圍的空間參數,可以較為容易地獲得高空間分辨率和高信噪比的觀測數據,為研究星系形成與演化的理論模型提供最豐富的觀測約束,因此近鄰星系是研究星系形成、結構和演化歷史的理想“實驗室”.為了了解星系的形成與演化歷史,對單個星系個性特征的研究是非常有必要的.在星系個性特征的研究方面,唯象模型體現了其獨特的價值.本文利用唯象模型分別研究了一個較為簡單的、孤立的小質量盤星系NGC 300和一個較為復雜的、存在相互作用的大質量盤星系M51a,利用它們的最佳模型預言,分別與之前研究過的、和它們各自質量相當的對應目標進行了比較研究.希望通過比較研究這兩類比較典型的盤星系的形成與演化歷史,藉此了解盤星系的形成與演化.

首先,我們構建了NGC 300的化學演化模型.一方面,詳細計算了分子氫和中性氫氣體質量面密度(ΣH2(r,t)和ΣHI(r,t))、恒星形成率面密度(Ψ(r,t))和金屬豐度(12+lg(O/H))的徑向輪廓.通過模型預言與觀測數據的比較,發(fā)現模型預言的結果對內落時標很敏感,而外流主要影響星系盤的金屬豐度特征.另一方面,本星系群中的M33和NGC 300在光學性質上是“孿生姐妹”,但是觀測研究發(fā)現:NGC 300的恒星質量面密度輪廓能夠很好地用e指數分布描述,而M33在半徑r? 8 kpc處存在截斷;NGC 300是一個孤立的星系,而M33和M31之間存在相互作用.由此表明,NGC 300和M33應該具有不同的演化歷史.利用NGC 300最佳模型預言,與之前研究過的M33的最佳模型預言進行了比較研究.得到如下結論:NGC 300恒星形成的主體時間早于M33;現階段有更多的冷氣體下落到M33的盤上,并且NGC 300盤上現今的恒星形成沒有M33的恒星形成活躍;周圍環(huán)境對星系的形成與演化歷史有重要影響.

其次,我們建立了M51a的化學-顏色演化模型,詳細計算了ΣH2(r,t)、ΣHI(r,t)、總氣體質量面密度(Σgas(r,t))、Ψ(r,t)和(12+lg(O/H))的徑向輪廓以及從FUV到K波段的面亮度輪廓,通過模型預言與觀測數據的比較,發(fā)現當模型采用常數的內落時標tp=7.0 Gyr時,模型預言能夠很好地重現M51a的大部分觀測特征,并且能夠很好地揭示其星系盤是“由內到外”形成和演化的;ΣH2(r,t)、Ψ(r,t)以及FUV和NUV波段的面亮度輪廓是示蹤近期由于相互作用引起恒星形成的重要物理量.利用M51a最佳模型預言,與之前研究過的、相對孤立的盤星系銀河系和UGC 8802的最佳模型預言進行了比較研究.得到如下結論:M51a星系盤中星族的平均年齡比銀河系的小,而比UGC 8802的大;M51a大約有50%的恒星質量是在最近5 Gyr內增長的,目前的恒星形成比較活躍,是一個比較年輕的星系.

最后,我們比較研究了NGC 300、M33、M51a、UGC 8802和銀河系最佳模型預言的金屬豐度輪廓,結果表明:對孤立星系而言,越大質量的星系,其主體恒星形成時間越早,并且其內盤和外盤的增長速率都快于較小質量星系;相互作用盤星系的金屬豐度梯度比孤立星系的金屬豐度梯度平.