CANDELS场中高红移盘星系的等光强轮廓性质

刘璐 姜东飞

摘 要：星系的等光强轮廓性质与其结构性质紧密相关。因此研究星系的等光强轮廓及其演化，可为探索星系的结构演化提供有用线索。描述星系等光强轮廓的参数主要是星系的椭率（ε）和A4（傅里叶展开第四阶的余弦项系数）。研究星系的ε和A4的径向分布有助于区分星系内部不同的结构成分（如盘、核球及恒星晕等）。在本项研究中，我们利用核球和盘的二维分解技术，从CANDELS五个场中选出一个高红移（0.5

关键词： 高红移；恒星形成星系；核球；盘

1 绪论

星系的结构演化是天体物理的重要前沿研究方向之一。但是由于高红移星系在静止坐标系辐射波段的红移，地球大气观测窗口的限制和cosmic dimming效应，导致长期以来对高红移星系的结构研究进展缓慢。直到近20年来哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope-HST）获取了大量高分辨率光学和近紅外图像数据，才使人们对高红移星系的内部结构有了较多的认识。然而对高红移星系等光强轮廓的研究目前还较少。

星系的等光强轮廓通常会偏离椭圆形状。对其偏离程度的描述一般来自对星系观测图像的等光强轮廓的强度进行傅里叶级数展开：

在式（1）中，I0是距离星系中心的某个半径处有限宽度的椭圆环内的平均强度值，θ是椭圆的方位角，An和Bn是各展开项的系数。其中描述偏离程度的典型参数为A4，即傅里叶展开第四阶的余弦项系数。A4>0表明星系的等光强轮廓呈现盘状（disky），A4<0表明星系的等光强轮廓呈盒状（boxy）。早期的研究（Bender et al.1988；Hao et al.2006）表明，近邻早型星系的等光强轮廓参数A4与其结构性质及动力学性质紧密相关。

除了描述星系等光强轮廓偏离椭圆的程度的参数A4，星系的椭率ε（ε=1-q，q=b/a为星系的短长轴比）也被表明与其内部结构和动力学参量紧密相关（Kormendy 2013）。与此同时，椭率ε和A4也存在相关（Hao et al.2016）。因此，对星系的等光强轮廓参数（ε和A4）性质及其演化研究有助于揭示星系的内部结构演化。最近，Jiang et al.（2018）首次利用HST第三代广域照相机（Wide Field Camera 3，WFC3）的高分辨率图像数据对高红移恒星形成星系的等光强轮廓参数的径向分布进行了研究。他们的研究结果暗示着星系的结构成分（核球、盘、恒星晕）在红移z=0.5-1.8范围内发生显著演化，然而他们并没有对星系的结构成分进行区分。

在本项工作中，我们利用星系的核球和盘的二维分解技术，从CANDELS五个场中选出一个红移z～1盘主导的恒星形成星系样本。通过重新分析这些盘星系的等光强轮廓性质，进一步检验盘成分对恒星形成星系的等光强轮廓的影响。

2 数据

本研究的图像数据来源于CANDELS巡天五个场的观测。样本星系的红移来自光谱红移或测光红移，如果样本星系具有可靠的光谱红移，则光谱红移被采用，否则其测光红移被采用。静止坐标下的多波段（从远紫外到近红外波段）积分星等通过EAZY程序拟合得到。星系的恒星质量是利用多波段测光数据通过FAST程序拟合得到。

星系在F125W波段和F160W波段沿主轴方向的半光半径（RSMA）、短长轴比（q=b/a）、方位角等结构参数是利用GALFIT程序拟合得到。F125W波段和F160W波段的核球光度占星系的总光度的比例（B/T）是通过二维核球和盘的分解得到（Dimauro et al.2018）。

3 样本选择

CANDELS 巡天包含五个场：COSMOS、EGS、GOODS-N、GOODS-S 和 UDS。其中COSMOS场包含38671个源，EGS场包含41457个源，GOODS-N场包含35445个源，GOODS-S场包含34930个源，UDS场包含35932个源。共计186435个源，本研究的样本选取标准如下：

（1）观测的F160W波段的视星等小于24.5；

（2）SExtractor的测光质量参数Photflag=0；

（3）SExtractor的CLASS_STAR<0.9，以剔除恒星；

（4）红移0.5

（5）GALFIT测光质量参数flag=0或者1。对z<1的星系我们使用F125W波段，对z>1星系我们使用F160W波段；

（6）Isophotal PhotFlag=0，以保证正确的等光强轮廓测量；

（7）RSMA>0.18角秒，以减少点扩散函数（PSF）对等光强轮廓参数的影响；

（8）利用UVJ双色图（Williams et al.2009）选取恒星形成星系：对z > 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.49，对于z < 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.59 ；

（9）B/T0.5，以选取盘星系。

基于以上标准我们最终从CANDELS五个场中选出了2927个盘星系。为了表明选出样本的基本性质，图1给出样本星系的UVJ分布图。

图1：样本星系在两个红移区间内的UVJ双色图，实线是星系形态分界线（Williams et al.2009）。分界线左上的阴影区域为宁静星系（QGs），其右下的区域为恒星形成星系（SFGs）。恒星形成星系区域内蓝色的点为盘主导的星系（盘星系），灰点为核球主导的星系。

为了对比不同倾角下盘星系的性质，我们进一步把样本星系划分为侧向盘星系（edge on；q0.5）和面向盘星系（face on；q>0.5）。图2给出样本星系的半径-恒星质量关系。可以看出，我们的星系较好地符合van der Wel et al.（2014）给出的最佳拟合结果。在此参数空间上，星系的短长轴比（q）分布近似均匀。因此，我们采用标准q

0.5（q>0.5）區分侧向与面向星系是合理的。

图2：样本星系在两个红移区间的半径-恒星质量关系，实线表示van der Wel et al.（2014）给出的最佳线性拟合结果。蓝色的点代表侧向的星系（q0.5），红色的点代表的是面向的星系（q>0.5）。

4 结果与分析

我们把整个样本分析划分为2个红移区间（0.5

图3：盘星系的椭率（ε）的径向分布。蓝色的点代表的是侧向星系，红色的点代表的是面向星系，每个恒星质量-红移区间内星系的数目被标明在右上角。

图4：盘星系的A4的径向分布。蓝色的点代表的是侧向星系，红色的点代表的是面向星系，每个恒星质量-红移区间内星系的数目被标明在右上角。

图3和图4表明面向盘星系的ε和A4轮廓几乎扁平，而侧向盘星系的ε和A4轮廓具有先上升到达最大值后下降的趋势。这个典型的特征说明盘成分对星系中间区域的等光强轮廓性质有较大影响。当从侧向观察盘星系时，旋转成分会主导星系中间区域，然而当从面向观察盘星系时，非旋转成分（速度弥散成分）主导星系的中间区域。这些研究结果证实了盘成分会影响恒星形成星系的等光强轮廓性质。

5 结论

基于星系核球和盘的二维分解技术，我们从CANDELS巡天五个场中选取了2927个红移在0.5

参考文献：

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

[2]Dimauro，Paola，et al.A catalog of polychromatic bulge-disc decompositions of ～17.600 galaxies in CANDELS[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2018，Volume 478，Issue 4，p.5410-5426.

[3]Hao，C.N.，et al.Isophotal shapes of elliptical/lenticular galaxies from the Sloan Digital Sky Survey[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2006，Volume 370，Issue 3，pp.1339-1350.

[4]Jiang，Dongfei，et al.The Isophotal Structure of Star-forming Galaxies at 0.5 < z < 1.8 in CANDELS：Implications for the Evolution of Galaxy Structure[J].The Astrophysical Journal，2018，Volume 854，Issue 1，article id.70，16 pp.

[5]Kormendy，John Secular Evolution in Disk Galaxies[M].Secular Evolution of Galaxies，by Jesús Falcón-Barroso，and Johan H.Knapen，Cambridge，UK：Cambridge University Press，2013，p.1.

[6]van der Wel，A.，et al.3D-HST+CANDELS：The Evolution of the Galaxy Size-Mass Distribution since z = 3[J].The Astrophysical Journal，2014，Volume 788，Issue 1，article id.28，19 pp.

[7]Williams，Rik J.，et al.Detection of Quiescent Galaxies in a Bicolor Sequence from Z = 0-2[J].The Astrophysical Journal，2009，Volume 691，Issue 2，pp.1879-1895.