康曉宇

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)昆明650216)

星系是構(gòu)成宇宙的基石,其形成與演化是21世紀(jì)天體物理研究領(lǐng)域的前沿課題之一.近鄰星系具有大范圍的空間參數(shù),可以較為容易地獲得高空間分辨率和高信噪比的觀測(cè)數(shù)據(jù),為研究星系形成與演化的理論模型提供最豐富的觀測(cè)約束,因此近鄰星系是研究星系形成、結(jié)構(gòu)和演化歷史的理想“實(shí)驗(yàn)室”.為了了解星系的形成與演化歷史,對(duì)單個(gè)星系個(gè)性特征的研究是非常有必要的.在星系個(gè)性特征的研究方面,唯象模型體現(xiàn)了其獨(dú)特的價(jià)值.本文利用唯象模型分別研究了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的、孤立的小質(zhì)量盤(pán)星系NGC 300和一個(gè)較為復(fù)雜的、存在相互作用的大質(zhì)量盤(pán)星系M51a,利用它們的最佳模型預(yù)言,分別與之前研究過(guò)的、和它們各自質(zhì)量相當(dāng)?shù)膶?duì)應(yīng)目標(biāo)進(jìn)行了比較研究.希望通過(guò)比較研究這兩類(lèi)比較典型的盤(pán)星系的形成與演化歷史,藉此了解盤(pán)星系的形成與演化.

首先,我們構(gòu)建了NGC 300的化學(xué)演化模型.一方面,詳細(xì)計(jì)算了分子氫和中性氫氣體質(zhì)量面密度(ΣH2(r,t)和ΣHI(r,t))、恒星形成率面密度(Ψ(r,t))和金屬豐度(12+lg(O/H))的徑向輪廓.通過(guò)模型預(yù)言與觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較,發(fā)現(xiàn)模型預(yù)言的結(jié)果對(duì)內(nèi)落時(shí)標(biāo)很敏感,而外流主要影響星系盤(pán)的金屬豐度特征.另一方面,本星系群中的M33和NGC 300在光學(xué)性質(zhì)上是“孿生姐妹”,但是觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn):NGC 300的恒星質(zhì)量面密度輪廓能夠很好地用e指數(shù)分布描述,而M33在半徑r? 8 kpc處存在截?cái)?NGC 300是一個(gè)孤立的星系,而M33和M31之間存在相互作用.由此表明,NGC 300和M33應(yīng)該具有不同的演化歷史.利用NGC 300最佳模型預(yù)言,與之前研究過(guò)的M33的最佳模型預(yù)言進(jìn)行了比較研究.得到如下結(jié)論:NGC 300恒星形成的主體時(shí)間早于M33;現(xiàn)階段有更多的冷氣體下落到M33的盤(pán)上,并且NGC 300盤(pán)上現(xiàn)今的恒星形成沒(méi)有M33的恒星形成活躍;周?chē)h(huán)境對(duì)星系的形成與演化歷史有重要影響.

其次,我們建立了M51a的化學(xué)-顏色演化模型,詳細(xì)計(jì)算了ΣH2(r,t)、ΣHI(r,t)、總氣體質(zhì)量面密度(Σgas(r,t))、Ψ(r,t)和(12+lg(O/H))的徑向輪廓以及從FUV到K波段的面亮度輪廓,通過(guò)模型預(yù)言與觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較,發(fā)現(xiàn)當(dāng)模型采用常數(shù)的內(nèi)落時(shí)標(biāo)tp=7.0 Gyr時(shí),模型預(yù)言能夠很好地重現(xiàn)M51a的大部分觀測(cè)特征,并且能夠很好地揭示其星系盤(pán)是“由內(nèi)到外”形成和演化的;ΣH2(r,t)、Ψ(r,t)以及FUV和NUV波段的面亮度輪廓是示蹤近期由于相互作用引起恒星形成的重要物理量.利用M51a最佳模型預(yù)言,與之前研究過(guò)的、相對(duì)孤立的盤(pán)星系銀河系和UGC 8802的最佳模型預(yù)言進(jìn)行了比較研究.得到如下結(jié)論:M51a星系盤(pán)中星族的平均年齡比銀河系的小,而比UGC 8802的大;M51a大約有50%的恒星質(zhì)量是在最近5 Gyr內(nèi)增長(zhǎng)的,目前的恒星形成比較活躍,是一個(gè)比較年輕的星系.

最后,我們比較研究了NGC 300、M33、M51a、UGC 8802和銀河系最佳模型預(yù)言的金屬豐度輪廓,結(jié)果表明:對(duì)孤立星系而言,越大質(zhì)量的星系,其主體恒星形成時(shí)間越早,并且其內(nèi)盤(pán)和外盤(pán)的增長(zhǎng)速率都快于較小質(zhì)量星系;相互作用盤(pán)星系的金屬豐度梯度比孤立星系的金屬豐度梯度平.