星系团的性质与其最亮成员星系中的恒星形成活动的相关性

李鼎鹏 李瑶 姜东飞

摘 要：基于哈勃空间望远镜的CLASH巡天观测数据，对其中23个大质量的、红移范围在0.18

关键词：星系团 熵 星系形成与演化 恒星质量 恒星形成率

中图分类号：P152 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（c）-0207-03

星系团是宇宙中最大的引力束缚系统，其最亮的成员星系（称为最亮团星系；英文Brightest Cluster Galaxy-缩写为BCG）是星系形成与演化重要的研究对象之一。它们通常处在星系团的中心（Smith et al.2005），大多由年老的恒星族主导，通常已没有较强的恒星形成活动，形态以枣型为主。由于最亮团星系处在独特的物理位置上（一般位于靠近星系团引力势阱的最低点）并具有区别于其他一般星系的性质，普遍认为它们的起源和演化与其宿主星系团的形成与演化有着密切的联系。尽管最亮团星系通常是宁静的大椭圆星系，然而近期基于光谱观测的研究表明一些低红移最亮团星系正经历着恒星形成活动甚至星暴活动（Liu et al.2012）。同时一些邻近最亮团星系具有较蓝色的核和紫外超现象也表明了它们正经历着恒星形成过程（Hicks et al.2010）。在先前的研究工作中，具有明显恒星形成活动的最亮团星系样本大多数是基于X射线选择的邻近样本，它们通常处在拥有致密核、高压气体、低熵的星系团中—即“冷核星系团”。这种星系团中的最亮团星系周围的热气体冷却时间一般小于 1 Gyr。目前的研究表明：基于光学观测数据选取的邻近样本中，10%～30%的最亮团星系中存在强射电活动星系核或恒星形成活动，或者两者同时存在（von der Linden et al.2007；Edwards et al.2007），而在基于X射线选取的邻近星系团样本中其比例可达70%或更高（Donahue et al.2010）。最近对20个基于X射线选择的，中等红移（0.18

在这项工作中，利用CLASH巡天观测的星系团样本，深入探讨中等红移星系团的质量、中心区域的熵等性质与其最亮团星系的恒星形成活动之间的关系。下面将详细介绍该项工作的样本与数据，结果与分析，以及结论。

1 样本与数据

CLASH（Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble）是2009年美国国家财政支持的一个针对星系团的巡天项目。CLASH利用哈勃空间望远镜全新的多波段成像设备对25个大质量的、红移从0.18～0.89的星系团进行深度观测。CLASH星系团样本可分成两大类，其中20个星系团是基于它们的X射线的表面亮度选择的，其余5个星系团是因它们具有相对较大的爱因斯坦半径而选择的（Postman et al.2012）。CLASH巡天耗时三年（2010—2013）利用哈勃空间望远镜的第三代广域照相机（WFC3）和先进巡天照相机（ACS）的从紫外、可见光、至近红外共16个波段对25个星系团进行深度观测。

在这项工作中，由于星系团MACS1931.8-2635和MACS0717.5+3745没有测定的质量，因此，把其它23个星系团作为研究样本（详见Postman et al.2012）。样本星系团的红移取自Postman et al.（2012）。星系团的质量是根据引力透镜性质计算得到的。星系团中心区域的熵值选自ACCEPT（Cavanolo et al. 2009）。中心熵值K0用公式（1）计算：

（1）

其中：TX为温度；ne为电子数密度。最亮团星系的恒星形成率（SFR）是利用静止参考系下紫外光度，采用Kennicutt关系（公式2；Kennicutt 1998）计算得到（Donahue et al.2015）。

（2）

其中：LUV为静止参考系下的紫外光度。最亮团星系的恒星质量选自Burke et al.（2015），是基于对多波段观测数据组成的光谱能量分布（Spectral Energy Distribution）做最佳拟合得到。

2 结果与分析

星系恒星形成率（SFR）间的关系，实心点的颜色表征最亮团星系的恒星形成率的大小。图1右幅：最亮团星系的恒星形成率（SFR）与其恒星质量（BCG mass）间的关系。

图1左幅给出了23个样本星系团的质量（cluster mass， Mcluster）、中心区域的熵（K0）及其最亮团星系的恒星形成率（SFR）之间关系。其中实心点的颜色表征最亮团星系的恒星形成率的大小，红色的水平虚线标明中心区域熵值K0=30 kev cm2，竖直虚线标明星系团质量为Mcluster =1.5×1015M⊙，黑色的实线则是对星系团的质量与中心区域的熵的线性拟合（K0=1.29M-17.84， Spearman Rank Order相关分析给出的相关系数为0.63，表明相关性很强）。从图1左幅图中可以看出星系团的质量、中心区域的熵及最亮团星系的恒星形成率彼此间具有很好的相关：统计上星系团的质量越小，其中心区域的熵也越低，而其中的最亮团星系的恒星形成率也越高。图1右幅给出了最亮团星系的恒星形成率与其自身恒星质量（BCG mass，M*，BCG）间的关系。Spearman Rank Order相关分析给出的相关系数为0.21，表明相关性较弱。这些研究结果表明：在中等红移，具有明显恒星形成活动的最亮团星系通常处在中心低熵、低温的冷核星系团中。这些造成这些最亮团星系的恒星形成活动的冷气体来源于其宿主星系团内的热气体冷却，而不是星系本身。这些中等红移最亮团星系的恒星形成性质与邻近最亮团星系的性质基本一致。

3 结语

该文利用哈勃空间望远镜的CLASH巡天观测数据，探讨了中等红移的、具有明显恒星形成活动的最亮团型星系的冷气体的可能来源。研究结果表明：最亮团星系的恒星形成率与其宿主星系团的质量、中心区域的熵值存在明显的相关性：质量越小、中心区域熵值越低的星系团中其最亮团星系的恒星形成率越高，而与最亮团星系本身的物理性质（如恒星质量）几乎不存在相关。研究结果意味着：造成中等红移最亮团星系中的恒星形成活动的冷气体来源于其宿主星系团内的热气体冷却，而不是星系本身。

参考文献

[1] Smith G.P.，Kneib J.-P.，Smail I.，et al.A Hubble Space Telescope lensing survey of X-ray luminous galaxy clusters-IV.Mass， structure and thermodynamics of cluster cores at z=0.2[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2005，359（2）：417-446.

[2] Liu F.S.，Mao S.，Meng X.M.Star formation activities in early-type brightest cluster galaxies[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2012，423（1）：422-436.

[3] Hicks A.K.，Mushotzky R.，Donahue M.Detecting Star Formation in Brightest Cluster Galaxies with GALEX[J].The Astrophysical Journal，2010，719（2）：1844-1858.

[4] von der Linden，A.，Best，P.N.，Kauffmann，G.How special are brightest group and cluster galaxies[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2007，379（3）：867-893.

[5] Edwards，L.O.V.，Hudson，M.J.，Balogh，M.L.，& Smith，R.J.Line emission in the brightest cluster galaxies of the NOAO Fundamental Plane and Sloan Digital Sky Surveys[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2007，379（1）：100-110.

[6]Donahue，M.，Bruch，S.，Wang，E.，et al.Star Formation and UV colors of the Brightest Cluster Galaxies in the Representative XMM-Newton Cluster Structure Survey[J].The Astrophysical Journal.2010，715（2）：881-896.

[7] Fogarty K.，Postman M.，Connor T.，et al.Star Formation Activity in CLASH Brightest Cluster Galaxies[J]. The Astrophysical Journal.2015，813（2）：117-137.

[8] Postman，M.，Coe，D.，Ben韙ez， N.，et al.The Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble：An Overview[J].The Astrophysical Journal Supplement，2012，199（2）：25-48.

[9] Cavagnolo， K. W.， Donahue， M.， Voit， G. M.， & Sun， M. Intracluster Medium Entropy Profiles for a Chandra Archival Sample of Galaxy Clusters[J].The Astrophysical Journal Supplement，2009，182（1）：12-32.

[10] Kennicutt， Jr.，R.C.Star Formation in Galaxies Along the Hubble Sequence[J].Annual Review of Astronomy and Astrophysics.1998，36：189-232.

[11] Donahue， M.，Connor，T.，Fogarty，K.，et al.Ultraviolet Morphology and Unobscured UV Star Formation Rates of CLASH Brightest Cluster Galaxies[J].The Astrophysical Journal，2015，805（2）：177-191.

[12] Burke，C.，Hilton，M.，Collins， C.Coevolution of brightest cluster galaxies and intracluster light using CLASH[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2015，449（3）：2353-2367.