何永強 師冬冬 潘治政
(1中國科學(xué)院紫金山天文臺 南京 210023)
(2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 合肥 230026)
自Zwicky[1]發(fā)現(xiàn)星系團/群內(nèi)光(ICL(Intra-Cluster Light)/IGL (Intra-Group Light))以 來,ICL/IGL的研究有了越來越多的進展[2–3].其中,大部分彌散恒星是在最亮團星系(Brightest Cluster Galaxy,BCG)周圍被探測到,因此ICL/IGL的形成被認為和BCG的形成與演化有密切聯(lián)系[2].數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),星系群和星系團在形成過程中,引力使靠近的星系束縛在一起形成星系群.在星系群中,星系之間的相互作用會導(dǎo)致潮汐剝離,出現(xiàn)潮汐尾.之后在掉落星系團過程中,這些物質(zhì)就會變成彌散恒星;星系合并也會將一些恒星釋放到星際空間;星系在落入星系團過程中,會受到團間引力勢阱的影響,使得一些恒星被剝離,從而形成彌散恒星[3–4].
ICL/IGL可以用來研究星系團/群的動力學(xué)演化,包括星系合并、暗物質(zhì)成分、吸積過程和潮汐剝離.由于暗物質(zhì)暈的形狀會影響剝離物質(zhì)的數(shù)量,ICL/IGL也可以指示暗物質(zhì)分布[5].在大部分情況下,與熱氣體的X射線輻射相比,ICL可以更好地追蹤暗物質(zhì)的質(zhì)量分布[2].對于BCG質(zhì)量缺失的問題,也可以用BCG和ICL的共同演化來解釋[6],也就是說星系團中存在一個低表面亮度的、彌散的恒星成分[7].還有很多問題也和ICL有關(guān),比如超致密矮星系的起源[8]和透鏡星系的形成機制[9].不過目前對于天文圖像上的ICL/IGL還沒有一個嚴格定義,也沒有找到一個最佳方法進行探測.由于表面亮度很低,在深度成像和光譜觀測中,對于ICL/IGL的研究也是一個非常有挑戰(zhàn)性的課題.不同時期的ICL對于星系團恒星質(zhì)量的貢獻也有很多爭論.在紅移等于0時,觀測結(jié)果分布在10%–50%之間,這和模擬一致[10].
目前測量ICL/IGL的方法存在差異,主要方法包括:(1)表面亮度閾值截取法.該方法使用一個預(yù)設(shè)的表面亮度閾值將ICL/IGL和星系區(qū)分開來.常用的有Holmberg半徑[11],定義為μB=26.5 mag·(′′)?2.有許多工作采用了閾值截取的方法[10,12–13],不同的研究中會用不同的閾值,得到的結(jié)果也會有差異.還可以為中央星系設(shè)置閾值半徑,即半徑內(nèi)的恒星屬于中央星系,半徑外的恒星屬于ICL,例如可以設(shè)置一個3倍有效半徑的閾值半徑[14].(2)模型擬合法.該方法用de Vaucouleurs輪廓擬合BCG的亮度分布,外圍多余的光就認為是ICL[15],也可以用一個s′ersic輪廓對BCG+ICL亮度分布進行擬合[16].還有人用多種輪廓進行擬合,比如雙s′ersic輪廓[17]和雙指數(shù)輪廓[18].(3)多尺度、基于小波的算法,例如OV WAV軟件包[5,19]和DAWIS(Detection Algorithm with Wavelets for Intracluster light Studies)[20].目前,這些方法都有各自的優(yōu)勢和劣勢.
Hickson致密星系群(Hickson Compact Group,HCG)由4–10個密集星系組成,速度彌散很低(大約200 km·s?1),角尺度大小為0.7′–16.4′[21].HCG展示出多種相互作用特征,包括潮汐恒星流、潮汐尾、彌散包層和橋[2],為研究IGL提供了理想的環(huán)境.近年對于HCG的研究發(fā)現(xiàn)IGL的光度占星系群總光度的比例fIGL在0–46%之間,并且從星系群中心的延展程度最大達到了80 kpc[22].Da Rocha等[5]對HCG 79、HCG 88和HCG 95中的IGL進行了研究.HCG 79是Hickson目錄中最致密的星系群[23],在HCG 79中發(fā)現(xiàn)fIGL為46%,并且IGL成分的形狀不規(guī)則.星系群中還有相互作用的特征,包括棒、潮汐尾和塵埃帶.他們認為這個星系群快要塌縮成一個單獨的結(jié)構(gòu),或者處于晚期演化階段.HCG 88由4個晚型星系組成,在其中沒有探測到IGL.星系群中90%的HI氣體和星系盤有聯(lián)系,這說明這個星系群還處于早期演化階段.HCG 95的IGL成分形狀近似圓形,中心在HCG 95A中.IGL比例為10%,很有可能來自于相互作用星系剝離出的物質(zhì).Da Rocha等[19]后來又對HCG 15、HCG 51和HCG 35中的IGL進行了研究,分別探測到了19%、15%和26%的IGL.所有的星系群中都展示出不規(guī)則的IGL形狀,并且發(fā)現(xiàn)IGL比例和早型星系比例以及穿越時間有關(guān).Poliakov等[2]研究了39個HCG中的IGL,發(fā)現(xiàn)IGL的平均表面亮度在25.3–28.3 mag·(′′)?2之間,其中5個星系群的IGL比例在7.5%–25.1%之間.他們還發(fā)現(xiàn)IGL比例和早型星系比例有關(guān).當星系群越亮?xí)r,IGL就越亮并且IGL比例越高.Ragusa等[22]測得HCG 86中IGL比例為16%.通過將觀測和模擬得到的IGL比例以及顏色進行對比,他們發(fā)現(xiàn)HCG 86中的IGL來自4 Gyr前衛(wèi)星星系的瓦解.
HCG 95是一個中心由4個亮星系組成的致密星系群,紅移為0.0396,暈質(zhì)量為2×1013M⊙[24],其中M⊙為太陽質(zhì)量.HCG 95A是一個巨橢圓星系,HCG 95C包含一個雙核,可能是2個盤星系相互作用的并合遺跡[25].HCG 95C還有2個明顯的潮汐尾,且和HCG 95A之間有一個橋連接[26],表明HCG 95A和HCG 95C之間正在發(fā)生相互作用,本文研究的IGL就是來自它們之間的相互作用.HCG 95D是一個側(cè)向的漩渦星系[25].HCG 95B被認為是一個前景星系[27].之后,人們在距離HCG 95星系群中心約3.5′處探測到了2個富含HI氣體的星系(HCG 95E和HCG 95F),被認為也是其成員星系[24,28].其中,HCG 95E是一個矮星系,HCG 95F是一個超彌散星系(Ultra-diffuse Galaxy,UDG).HCG 95星系群中也探測到了各種輻射,包括UV(UltraViolet)、Hα、HI和X-ray[5,27].圖1為我們利用中國近地天體望遠鏡(Chinese Near Object Survey Telescope,CNEOST)觀測的圖像,左圖為HCG 95場42′×42′區(qū)域的圖像,圖片中心處于場中心,赤經(jīng)1數(shù)據(jù)來自于NED(NASA Extragalactic Database),http://ned.ipac.caltech.eduRA(J2000)=23h19m31s,赤緯Dec(J2000)=+09?29′30′′.右圖為HCG 95星系群放大后的圖像(6.7′×6.7′),星系群中心有4個亮星系,A、B、C、D,其中B為前景星系.
本文利用觀測的g波段和r波段的深場成像對HCG 95中的IGL進行分析研究.利用模型擬合與表面亮度閾值截取2種方法來測量IGL,并將測量結(jié)果與其他研究結(jié)果進行對比.HCG 95距離模數(shù)為36.05 mag(距離為162.2 Mpc),1′′=0.762 kpc.我們采用的宇宙學(xué)常數(shù)為:物質(zhì)密度比重?M=0.3,與暗能量相關(guān)的宇宙常數(shù)密度比重?∧=0.7,哈勃常數(shù)H0=70 km·s?1·Mpc?1.全文采用AB星等系統(tǒng)[24].
圖1 左圖:HCG 95場g+r波段疊加圖,大小為42′×42′,圈表示virial半徑,virial radius=559.6 kpc,方塊表示星系群區(qū)域.右圖:HCG 95星系群的成員星系分布,大小為6.7′×6.7′,A–F表示群中的星系.Fig.1 Left panel:the g+r band stack image of the HCG 95 field,the size is 42′×42′,the cirle denotes the virial radius,virial radius=559.6 kpc,the square is the area of the group.Right panel:the distribution of member galaxies in galaxy group HCG 95,the size is 6.7′×6.7′,A–F show the galaxies in the group.
我們的觀測數(shù)據(jù)來自于盱眙觀測站的中國近地天體巡天望遠鏡,視場為3?×3?,中心位于HCG 95星系群.望遠鏡配備了一個10 k×10 k STA(Semiconductor Technology Associates)1600 CCD(Charge-Coupled Device),有16個讀出通道,像素大小為1.029′′.觀測使用斯隆數(shù)字巡天(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)g波段和r波段濾光片進行5個晚上的成像,時間從2015年10月10日到16日,單次曝光為90 s,g波段和r波段的積分時間分別為16.15 h和10.65 h.2個波段的3σ深度(10′′×10′′)分別為:μg=29.16 mag·(′′)?2和μr=28.38 mag·(′′)?2.在g波段和r波段中心區(qū)域,PSF(point spread function)的FWHM(full width at halfmaximum)分別是4′′和3′′[24].
我們使用模型擬合法來測量IGL.我們以星系群為中心截取部分區(qū)域(9′×9′)作為測光天區(qū),需要擬合的目標源為星系群中的5個星系:A、C、D、E、F.需要注意的是,圖像中有很多非目標源的信號.為了避免對我們探測目標源產(chǎn)生影響,這些非目標源都需要遮住.我們利用測光軟件SExtractor(Source Extractor)[29]探測出圖像上大于1σ背景的所有的源,將目標源保留,然后將剩下的源都遮住.
我們使用GALFIT[30]對g和r波段的星系群中5個星系同時進行擬合,并且采用s′ersic模型來擬合星系群中的星系,s′ersic徑向強度輪廓表達式為:
其中I(R)為半徑R處的強度,Ie表示有效半徑處的強度,Re為有效半徑,b n是一個形狀參數(shù)的函數(shù),n表示s′ersic指數(shù).表1和表2分別為g波段和r波段的GALFIT模型擬合參數(shù),從其中可以看出,HCG 95A的s′ersic指數(shù)比較大,輪廓比較陡.其他星系s′ersic指數(shù)比較小,輪廓比較平.
表1 g波段GALFIT模型擬合參數(shù),從左到右分別為星系名、積分星等、有效半徑、s′ersic指數(shù)、軸比和方位角Table 1 The parameters of GALFIT model fitting in g band,from left to right show the galaxy name,integrated magnitude,effective radius,s′ersic index,axis ratio and position angle
表2 r波段GALFIT模型擬合參數(shù)Table 2 The parameters of GALFIT model fitting in r band
如圖2所示,從左到右分別為遮住后的觀測圖像(陰影部分為遮住區(qū)域)、模型和殘差圖像.模型是使用星系最佳擬合參數(shù)得到的.將殘差中扣減不佳的區(qū)域遮住,從而得到IGL圖像.
我們使用IRAF2IRAF由美國國家光學(xué)天文臺(NOAO)發(fā)行(Image Reduction and Analysis Facility)中的ellipse軟件包來得到星系群的表面亮度輪廓,ellipse的擬合是一種等光強輪廓擬合.首先我們將中心位置、橢率和方位角設(shè)為自由參數(shù),得到最佳擬合參數(shù).然后我們將中心位置、橢率和方位角固定,觀察表面亮度輪廓的變化情況,中心位置位于HCG 95A中.我們利用ellipse分別得到了g波段和r波段數(shù)據(jù)、s′ersic模型、IGL的表面亮度輪廓以及模型與IGL之和.如圖3所示,從圖中可以看出,輪廓擬合得比較好.我們用g波段和r波段IGL圖相減得到了IGL顏色分布圖,如圖4所示,上圖為g波段和r波段IGL的表面亮度徑向分布,下圖為IGL顏色的徑向分布,顏色大概在0.8左右.
從觀測圖像上判斷,g波段和r波段的IGL主要集中在HCG 95A和HCG 95C之間,這說明IGL主要來自于這2個星系的相互作用.在計算中認為IGL主要位于星系群中心的30′′和80′′之間,通過ellipse計算出孔徑內(nèi)的積分流量就可以得到IGL光度,利用模型擬合的數(shù)據(jù)也可以得到星系群中5個星系的總光度.HCG 95星系群IGL的g波段和r波段視星等分別為mg=17.8±0.11 mag和mr=16.9±0.15 mag,光度分別為LIGL,g=2.23±0.23×109L⊙和LIGL,r=3.40±0.51×109L⊙.星系總光度分別為Lgalaxies,g=6.07×1010L⊙和Lgalaxies,r=8.66×1010L⊙.從而得到IGL光度占星系群總光度比例分別為LIGL,g/Lgroup,g=3.55%±0.38%和LIGL,r/Lgroup,r=3.78%±0.59%.通過圖4可以計算出IGL的平均顏色〈g?r〉=0.78±0.37.HCG 95A顏色為0.85,HCG 95C顏色為0.82.這說明在星系群中星系和IGL顏色一致,都屬于比較老的星族.
為了進一步檢驗測量的IGL結(jié)果,我們采用常規(guī)的表面亮度閾值截取法來估計IGL.由于星系群HCG 95的IGL主要來自于HCG 95A和HCG 95C,我們首先用SExtractor將外圍星系都遮住,只保留HCG 95A和HCG 95C,利用IRAF/ellipse將中心位置、橢率和方位角設(shè)為自由參數(shù),得到最佳擬合的參數(shù).再將中心位置、橢率和方位角固定,分別得到g波段和r波段的表面亮度輪廓,中心位置位于HCG 95A中.之后采用HCG 95A和HCG 95C兩倍半光半徑將HCG 95A和HCG 95C中心亮區(qū)域遮住,使用相同的ellipse參數(shù)再分別得到g波段和r波段的表面亮度輪廓,如圖5所示,上圖為HCG 95A和HCG 95C被遮住之前與之后的星系群表面亮度輪廓,下圖為顏色的變化.
圖2 g和r波段HCG 95圖像的擬合,從左到右分別為遮住后的圖像(陰影部分為遮住區(qū)域)、模型和殘差圖像,圖像大小為5′×5′.Fig.2 The fitting of g and r band images of HCG 95,from left to right show the masked image(the shaded part is the masked region),the model and the residual image,the image size is 5′×5′.
圖3 HCG 95的g和r波段表面亮度輪廓的模型,μ表示表面亮度,黑點表示數(shù)據(jù),綠線表示模型,藍線表示IGL,紅線為模型與IGL之和,虛線表示3σ極限.Fig.3 The model of g and r band surface brightness profiles of HCG 95,μdenotes the surface brightness,the black dots show the data,the green line is the model,the blue line denotes the IGL,the red line shows the sum of model and IGL,the dashed line shows the 3σlimit.
圖4 IGL的顏色分布,藍色虛線表示平均值.Fig.4 The color distribution of IGL,the blue dashed line shows the average value.
圖5 HCG 95A和HCG 95C被遮住之前與之后的星系群表面亮度輪廓,左側(cè)青色垂直虛線為g波段HCG 95A的有效半徑.右上方的圖為HCG 95A和HCG 95C被遮住之后的圖像,大小為2.5′×2.5′.Fig.5 The surface brightness profiles of galaxy group with or without masking HCG 95A and HCG 95C.The cyan dashed line in the left denotes the effective radius of HCG 95A in the g band.The group image with masking HCG 95A and HCG 95C is in the top right,the size is 2.5′×2.5′.
圖5上圖中的綠色和紅色曲線分別表示HCG 95A和HCG 95C被遮住之前的g波段和r波段表面亮度輪廓,藍色和黑色曲線分別表示遮住之后的g波段和r波段輪廓,可以看到在50′′之后2個波段的輪廓趨于一致.根據(jù)表面亮度輪廓變化趨勢,我們設(shè)定了3個閾值,24.5、25.5和26.5 mag·(′′)?2,3條垂直虛線表示這3個閾值在g波段輪廓對應(yīng)的位置,39.0′′對應(yīng)于24.5 mag·(′′)?2,50.5′′對應(yīng)于25.5 mag·(′′)?2,64.2′′對應(yīng)于26.5 mag·(′′)?2.綠色和紅色水平虛線分別表示g波段和r波段的3σ探測極限.下圖為HCG 95A和HCG 95C被遮住之前的g–r顏色變化情況,內(nèi)部偏紅,外部趨于一致.
通過不同的表面亮度閾值,我們得到了IGL占星系群總光度比例.24.5、25.5和26.5 mag·(′′)?2對應(yīng)的g波段IGL比例分別為9.75%、4.97%和1.97%,r波段IGL比例分別為10.06%、5.28%和1.59%,IGL顏色分別為0.68、0.66和0.63.g波段IGL比例在1.9%–10%之間,r波段IGL比例在1.5%–10%之間,這和第1種方法得到的結(jié)果一致.IGL顏色在0.6–0.7之間,這也與前述測量結(jié)果是一致的.
我們將測量的IGL比例與其他的模擬和觀測進行對比.圖6為ICL/IGL比例隨著星系群/團總質(zhì)量的變化,我們發(fā)現(xiàn)ICL/IGL比例和暈質(zhì)量沒有明顯的聯(lián)系.藍點表示Da Rocha等[5]得到的HCG 95場R波段的IGL數(shù)據(jù),紅點表示我們的r波段結(jié)果,這個結(jié)果在前者誤差范圍之內(nèi),表示結(jié)果是一致的.圖中的數(shù)據(jù)包括HCG[2,5,19,22,31–33]和Fornax A[34]星系群的IGL數(shù)據(jù),還包括Coma[35–38]、Virgo[39]和Fornax[40]星系團的ICL數(shù)據(jù).可以看到在質(zhì)量為1013M⊙附近,彌散恒星比例分布范圍很大,從4%一直到46%.綠點表示Burke等[41]的觀測結(jié)果,使用了CLASH(Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble)的數(shù)據(jù).Contini等[42]用了3種模型來模擬ICL的形成,圖中黑色虛線表示的是Disruption模型,這種模型和觀測數(shù)據(jù)比較接近,并且發(fā)現(xiàn)ICL比例和暈質(zhì)量之間沒有明顯的關(guān)聯(lián).Tang等[43]利用宇宙流體動力學(xué)模擬得到的星系群和星系團,來研究ICL比例和各種參數(shù)的關(guān)系,包括表面亮度極限、宇宙紅移模糊、PSF和CCD像素尺寸.藍色虛線表示極限表面亮度為26.5 mag·(′′)?2,SDSS的r波段、紅移z=0.1的數(shù)據(jù).他們分析發(fā)現(xiàn)PSF寬度對ICL比例測量影響很大,在暈質(zhì)量小于1013M⊙時,ICL比例隨著暈質(zhì)量增加而減小,但在暈質(zhì)量大于1013M⊙時和暈質(zhì)量沒有明顯關(guān)聯(lián).Zibetti等[15]發(fā)現(xiàn)ICL比例隨著暈質(zhì)量變化而保持不變.另一方面,Purcell等[44]發(fā)現(xiàn)ICL比例隨著暈質(zhì)量增加有較小的增長,Lin等[45]在模擬中發(fā)現(xiàn)ICL比例隨著暈質(zhì)量增加有緩慢的增長.目前,對于這個問題還沒有一致的結(jié)論[22].
圖6 ICL/IGL比例和暈質(zhì)量關(guān)系圖.黑色虛線來自于Contini等[42]的模型,藍色虛線來自于Tang等[43]的模型,綠點來自于Burke等[41]的結(jié)果.星系團數(shù)據(jù)來自于文獻[35–43],星系群數(shù)據(jù)來自于文獻[2,5,19,22,31–34].Fig.6 ICL/IGL fraction versus halo mass.The black dashed line is taken from the model of Contini et al.[42],the blue dashed line is taken from the model of Tang et al.[43],the green dots are taken from the result of Burke et al.[41].The values of galaxy clusters are taken from Refs.[35–43],the values of galaxy groups are taken from Refs.[2,5,19,22,31–34].
圖7左圖為IGL比例和紅移的關(guān)系,右圖為IGL比例和早型星系比例的關(guān)系.紅點表示本文r波段結(jié)果,HCG的紅移數(shù)據(jù)來自于NED.在星系群中可以看到IGL比例在紅移為0.01處附近有較大的彌散.右圖展示了IGL比例和星系群中早型星系比例的關(guān)系,隨著早型星系比例增加,IGL比例也增加.Da Rocha等[19]認為早型星系比例越高,IGL比例就越高.Ragusa等[22]發(fā)現(xiàn)即使存在較大的彌散,但存在一個早型星系對晚型星系之比隨著IGL比例增大而升高的弱趨勢.在星系團中也有相同的趨勢.Burke等[41]通過CLASH的數(shù)據(jù)測量了BCG恒星質(zhì)量的增長,ICL比例和發(fā)生在BCG中的合并數(shù)目,在0.18 我們通過2種方法測量的IGL顏色都接近于星系HCG 95A和HCG 95C的顏色,并且偏藍,這說明IGL主要來自于星系團形成早期HCG 95A和HCG 95C的相互作用,還有一部分來自于近期的吸積.隨著星系群的演化,包括星系合并、大質(zhì)量星系的吸積等過程,星系群中的IGL在不斷增加.這說明IGL比例和星系群演化有聯(lián)系.致密星系群中晚型星系和矮星系通過合并轉(zhuǎn)換成早型星系的過程越強烈,剝離恒星形成的IGL就越亮,這說明IGL可以指示致密星系群的動力學(xué)演化階段[2].HCG 95星系群中顯示出了強烈的相互作用,包括潮汐尾和橋,潮汐尾上還有Hα輻射和TDG(Tidal Dwarf Galaxy)候選體,相互作用系統(tǒng)包括橢圓星系HCG 95A和雙核星系HCG 95C,雙核分別來自于2個盤星系C1和C2[5].通過星族的空間分布和系統(tǒng)的形態(tài),這個演化系統(tǒng)有2種模型[46].第1種模型中,C1和C2在不同時期和橢圓星系都有影響,第2種模型認為在不同時期,C1和C2的相互作用和橢圓星系是獨立的,合并完成以后再和橢圓星系相互作用.星系群正在進行相互作用說明這個星系群還比較年輕或者正在進入動態(tài)演化階段中期,在橢圓星系中發(fā)現(xiàn)和一塊模糊塵埃相關(guān)的異常顏色梯度,再加上延展Hα輻射的形態(tài),這些都顯示潮汐尾和星系之間有質(zhì)量轉(zhuǎn)移,說明這個系統(tǒng)會在幾個軌道周期內(nèi)合并[5,25]. 圖7 左圖為IGL比例和紅移的關(guān)系,右圖為IGL比例和早型星系比例的關(guān)系.HCG數(shù)據(jù)來自于文獻[2,5,19,22,31–32].Coma、Virgo、Fornax和Fornax A數(shù)據(jù)來自于文獻[34–40].Fig.7 The left panel shows the relation between IGL fraction and redshift,the right panel shows the relation between IGL fraction and early type galaxies fraction.The values of HCGs are taken from Refs.[2,5,19,22,31–32].The values of Coma,Virgo,Fornax and Fornax A are taken from Refs.[34–40]. 我們利用中國近地天體巡天望遠鏡g和r波段的深場觀測數(shù)據(jù),研究了HCG 95場中的IGL性質(zhì).本文主要結(jié)果如下: (1)我們用2種方法來測量星系群的IGL.第1種是GALFIT模型擬合,分別得到g波段和r波段的IGL比例為3.55%±0.38%和3.78%±0.59%,平均顏色〈g?r〉=0.78±0.37.第2種方法是表面亮度閾值截取,分別得到g波段和r波段的IGL比例為1.9%–10%和1.5%–10%,顏色在0.6–0.7之間,可以看到2種方法得到的結(jié)果是一致的; (2)通過將我們的結(jié)果和其他研究結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)我們的結(jié)果和之前保持一致.并且發(fā)現(xiàn)IGL占星系群總光度的比例和暈質(zhì)量沒有明顯的聯(lián)系,但是IGL比例和星系群演化有關(guān); (3)其中IGL主要來自于星系團形成早期HCG 95A和HCG 95C的相互作用,還有一部分來自于近期的吸積.4 總結(jié)