CANDELS場中高紅移盤星系的等光強(qiáng)輪廓性質(zhì)

劉璐 姜東飛

摘 要：星系的等光強(qiáng)輪廓性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)性質(zhì)緊密相關(guān)。因此研究星系的等光強(qiáng)輪廓及其演化，可為探索星系的結(jié)構(gòu)演化提供有用線索。描述星系等光強(qiáng)輪廓的參數(shù)主要是星系的橢率（ε）和A4（傅里葉展開第四階的余弦項(xiàng)系數(shù)）。研究星系的ε和A4的徑向分布有助于區(qū)分星系內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)成分（如盤、核球及恒星暈等）。在本項(xiàng)研究中，我們利用核球和盤的二維分解技術(shù)，從CANDELS五個場中選出一個高紅移（0.5

關(guān)鍵詞： 高紅移；恒星形成星系；核球；盤

1 緒論

星系的結(jié)構(gòu)演化是天體物理的重要前沿研究方向之一。但是由于高紅移星系在靜止坐標(biāo)系輻射波段的紅移，地球大氣觀測窗口的限制和cosmic dimming效應(yīng)，導(dǎo)致長期以來對高紅移星系的結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展緩慢。直到近20年來哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope-HST）獲取了大量高分辨率光學(xué)和近紅外圖像數(shù)據(jù)，才使人們對高紅移星系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了較多的認(rèn)識。然而對高紅移星系等光強(qiáng)輪廓的研究目前還較少。

星系的等光強(qiáng)輪廓通常會偏離橢圓形狀。對其偏離程度的描述一般來自對星系觀測圖像的等光強(qiáng)輪廓的強(qiáng)度進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開：

在式（1）中，I0是距離星系中心的某個半徑處有限寬度的橢圓環(huán)內(nèi)的平均強(qiáng)度值，θ是橢圓的方位角，An和Bn是各展開項(xiàng)的系數(shù)。其中描述偏離程度的典型參數(shù)為A4，即傅里葉展開第四階的余弦項(xiàng)系數(shù)。A4>0表明星系的等光強(qiáng)輪廓呈現(xiàn)盤狀（disky），A4<0表明星系的等光強(qiáng)輪廓呈盒狀（boxy）。早期的研究（Bender et al.1988；Hao et al.2006）表明，近鄰早型星系的等光強(qiáng)輪廓參數(shù)A4與其結(jié)構(gòu)性質(zhì)及動力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。

除了描述星系等光強(qiáng)輪廓偏離橢圓的程度的參數(shù)A4，星系的橢率ε（ε=1-q，q=b/a為星系的短長軸比）也被表明與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)參量緊密相關(guān)（Kormendy 2013）。與此同時，橢率ε和A4也存在相關(guān)（Hao et al.2016）。因此，對星系的等光強(qiáng)輪廓參數(shù)（ε和A4）性質(zhì)及其演化研究有助于揭示星系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化。最近，Jiang et al.（2018）首次利用HST第三代廣域照相機(jī)（Wide Field Camera 3，WFC3）的高分辨率圖像數(shù)據(jù)對高紅移恒星形成星系的等光強(qiáng)輪廓參數(shù)的徑向分布進(jìn)行了研究。他們的研究結(jié)果暗示著星系的結(jié)構(gòu)成分（核球、盤、恒星暈）在紅移z=0.5-1.8范圍內(nèi)發(fā)生顯著演化，然而他們并沒有對星系的結(jié)構(gòu)成分進(jìn)行區(qū)分。

在本項(xiàng)工作中，我們利用星系的核球和盤的二維分解技術(shù)，從CANDELS五個場中選出一個紅移z～1盤主導(dǎo)的恒星形成星系樣本。通過重新分析這些盤星系的等光強(qiáng)輪廓性質(zhì)，進(jìn)一步檢驗(yàn)盤成分對恒星形成星系的等光強(qiáng)輪廓的影響。

2 數(shù)據(jù)

本研究的圖像數(shù)據(jù)來源于CANDELS巡天五個場的觀測。樣本星系的紅移來自光譜紅移或測光紅移，如果樣本星系具有可靠的光譜紅移，則光譜紅移被采用，否則其測光紅移被采用。靜止坐標(biāo)下的多波段（從遠(yuǎn)紫外到近紅外波段）積分星等通過EAZY程序擬合得到。星系的恒星質(zhì)量是利用多波段測光數(shù)據(jù)通過FAST程序擬合得到。

星系在F125W波段和F160W波段沿主軸方向的半光半徑（RSMA）、短長軸比（q=b/a）、方位角等結(jié)構(gòu)參數(shù)是利用GALFIT程序擬合得到。F125W波段和F160W波段的核球光度占星系的總光度的比例（B/T）是通過二維核球和盤的分解得到（Dimauro et al.2018）。

3 樣本選擇

CANDELS 巡天包含五個場：COSMOS、EGS、GOODS-N、GOODS-S 和 UDS。其中COSMOS場包含38671個源，EGS場包含41457個源，GOODS-N場包含35445個源，GOODS-S場包含34930個源，UDS場包含35932個源。共計186435個源，本研究的樣本選取標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）觀測的F160W波段的視星等小于24.5；

（2）SExtractor的測光質(zhì)量參數(shù)Photflag=0；

（3）SExtractor的CLASS_STAR<0.9，以剔除恒星；

（4）紅移0.5

（5）GALFIT測光質(zhì)量參數(shù)flag=0或者1。對z<1的星系我們使用F125W波段，對z>1星系我們使用F160W波段；

（6）Isophotal PhotFlag=0，以保證正確的等光強(qiáng)輪廓測量；

（7）RSMA>0.18角秒，以減少點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）對等光強(qiáng)輪廓參數(shù)的影響；

（8）利用UVJ雙色圖（Williams et al.2009）選取恒星形成星系：對z > 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.49，對于z < 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.59 ；

（9）B/T0.5，以選取盤星系。

基于以上標(biāo)準(zhǔn)我們最終從CANDELS五個場中選出了2927個盤星系。為了表明選出樣本的基本性質(zhì)，圖1給出樣本星系的UVJ分布圖。

圖1：樣本星系在兩個紅移區(qū)間內(nèi)的UVJ雙色圖，實(shí)線是星系形態(tài)分界線（Williams et al.2009）。分界線左上的陰影區(qū)域?yàn)閷庫o星系（QGs），其右下的區(qū)域?yàn)楹阈切纬尚窍担⊿FGs）。恒星形成星系區(qū)域內(nèi)藍(lán)色的點(diǎn)為盤主導(dǎo)的星系（盤星系），灰點(diǎn)為核球主導(dǎo)的星系。

為了對比不同傾角下盤星系的性質(zhì)，我們進(jìn)一步把樣本星系劃分為側(cè)向盤星系（edge on；q0.5）和面向盤星系（face on；q>0.5）。圖2給出樣本星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系?？梢钥闯?，我們的星系較好地符合van der Wel et al.（2014）給出的最佳擬合結(jié)果。在此參數(shù)空間上，星系的短長軸比（q）分布近似均勻。因此，我們采用標(biāo)準(zhǔn)q

0.5（q>0.5）區(qū)分側(cè)向與面向星系是合理的。

圖2：樣本星系在兩個紅移區(qū)間的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系，實(shí)線表示van der Wel et al.（2014）給出的最佳線性擬合結(jié)果。藍(lán)色的點(diǎn)代表側(cè)向的星系（q0.5），紅色的點(diǎn)代表的是面向的星系（q>0.5）。

4 結(jié)果與分析

我們把整個樣本分析劃分為2個紅移區(qū)間（0.5

圖3：盤星系的橢率（ε）的徑向分布。藍(lán)色的點(diǎn)代表的是側(cè)向星系，紅色的點(diǎn)代表的是面向星系，每個恒星質(zhì)量-紅移區(qū)間內(nèi)星系的數(shù)目被標(biāo)明在右上角。

圖4：盤星系的A4的徑向分布。藍(lán)色的點(diǎn)代表的是側(cè)向星系，紅色的點(diǎn)代表的是面向星系，每個恒星質(zhì)量-紅移區(qū)間內(nèi)星系的數(shù)目被標(biāo)明在右上角。

圖3和圖4表明面向盤星系的ε和A4輪廓幾乎扁平，而側(cè)向盤星系的ε和A4輪廓具有先上升到達(dá)最大值后下降的趨勢。這個典型的特征說明盤成分對星系中間區(qū)域的等光強(qiáng)輪廓性質(zhì)有較大影響。當(dāng)從側(cè)向觀察盤星系時，旋轉(zhuǎn)成分會主導(dǎo)星系中間區(qū)域，然而當(dāng)從面向觀察盤星系時，非旋轉(zhuǎn)成分（速度彌散成分）主導(dǎo)星系的中間區(qū)域。這些研究結(jié)果證實(shí)了盤成分會影響恒星形成星系的等光強(qiáng)輪廓性質(zhì)。

5 結(jié)論

基于星系核球和盤的二維分解技術(shù)，我們從CANDELS巡天五個場中選取了2927個紅移在0.5

參考文獻(xiàn)：

[1]Bender，R.Velocity anisotropies and isophote shapes in elliptical galaxies[J].Astronomy and Astrophysics，1988，Volume 193，No.1-2，p.L7-L10.

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