近邻盘星系的演化及恒星形成历史研究

康晓宇

(中国科学院云南天文台昆明650216)

星系是构成宇宙的基石,其形成与演化是21世纪天体物理研究领域的前沿课题之一.近邻星系具有大范围的空间参数,可以较为容易地获得高空间分辨率和高信噪比的观测数据,为研究星系形成与演化的理论模型提供最丰富的观测约束,因此近邻星系是研究星系形成、结构和演化历史的理想“实验室”.为了了解星系的形成与演化历史,对单个星系个性特征的研究是非常有必要的.在星系个性特征的研究方面,唯象模型体现了其独特的价值.本文利用唯象模型分别研究了一个较为简单的、孤立的小质量盘星系NGC 300和一个较为复杂的、存在相互作用的大质量盘星系M51a,利用它们的最佳模型预言,分别与之前研究过的、和它们各自质量相当的对应目标进行了比较研究.希望通过比较研究这两类比较典型的盘星系的形成与演化历史,藉此了解盘星系的形成与演化.

首先,我们构建了NGC 300的化学演化模型.一方面,详细计算了分子氢和中性氢气体质量面密度(ΣH2(r,t)和ΣHI(r,t))、恒星形成率面密度(Ψ(r,t))和金属丰度(12+lg(O/H))的径向轮廓.通过模型预言与观测数据的比较,发现模型预言的结果对内落时标很敏感,而外流主要影响星系盘的金属丰度特征.另一方面,本星系群中的M33和NGC 300在光学性质上是“孪生姐妹”,但是观测研究发现:NGC 300的恒星质量面密度轮廓能够很好地用e指数分布描述,而M33在半径r≃ 8 kpc处存在截断;NGC 300是一个孤立的星系,而M33和M31之间存在相互作用.由此表明,NGC 300和M33应该具有不同的演化历史.利用NGC 300最佳模型预言,与之前研究过的M33的最佳模型预言进行了比较研究.得到如下结论:NGC 300恒星形成的主体时间早于M33;现阶段有更多的冷气体下落到M33的盘上,并且NGC 300盘上现今的恒星形成没有M33的恒星形成活跃;周围环境对星系的形成与演化历史有重要影响.

其次,我们建立了M51a的化学-颜色演化模型,详细计算了ΣH2(r,t)、ΣHI(r,t)、总气体质量面密度(Σgas(r,t))、Ψ(r,t)和(12+lg(O/H))的径向轮廓以及从FUV到K波段的面亮度轮廓,通过模型预言与观测数据的比较,发现当模型采用常数的内落时标tp=7.0 Gyr时,模型预言能够很好地重现M51a的大部分观测特征,并且能够很好地揭示其星系盘是“由内到外”形成和演化的;ΣH2(r,t)、Ψ(r,t)以及FUV和NUV波段的面亮度轮廓是示踪近期由于相互作用引起恒星形成的重要物理量.利用M51a最佳模型预言,与之前研究过的、相对孤立的盘星系银河系和UGC 8802的最佳模型预言进行了比较研究.得到如下结论:M51a星系盘中星族的平均年龄比银河系的小,而比UGC 8802的大;M51a大约有50%的恒星质量是在最近5 Gyr内增长的,目前的恒星形成比较活跃,是一个比较年轻的星系.

最后,我们比较研究了NGC 300、M33、M51a、UGC 8802和银河系最佳模型预言的金属丰度轮廓,结果表明:对孤立星系而言,越大质量的星系,其主体恒星形成时间越早,并且其内盘和外盘的增长速率都快于较小质量星系;相互作用盘星系的金属丰度梯度比孤立星系的金属丰度梯度平.