宇宙中的空洞星系

W020160413416807948825星系在宇宙中的三维空间分布并不是均匀的,大型红移巡天发现宇宙中存在网状结构:在“网”的节点处,星系分布的密度非常高,星系和星系之间相互作用的频率较高,科学家们把这样的区域叫做星系团,星系团的尺度大约为几百万光年;在“网”的孔洞处,星系极其松散地分布在宇宙空间中,科学家们将这样的大尺度结构称为宇宙学空洞,空洞的尺度可以达到数亿光年,但是每个空洞中平均只有十几到几十个星系,空洞占宇宙总体积的比例超过60%。星系和星系之间的相互作用被认为可以很大程度地影响星系一生的演化轨迹,宇宙学空洞为我们提供了一个很好的实验室,在这里人们可以更好地了解星系自身演化的情况。

中国科学院上海天文台研究员郝蕾团组对宇宙学空洞中的星系的性质展开了基于光谱发射线的观测数据的分析,发现宇宙学空洞中星系光度比较低,星系质量比较高,恒星形成率比较高,星族更为年轻,这些现象完全是由于空洞中恒星形成星系的更高比例造成的——其比例比空洞外高出接近20%。目前该工作已经发表在2015年9月份的天文期刊《天体物理学报》上。

2004年以来,基于斯隆数字化巡天第三次数据释放的星系表中定义出来的大约一千个空洞星系样本,国际上很多科学家进行了多方面的研究。普遍发现空洞星系跟空洞外星系相比,光度比较低,质量比较小,恒星形成率比较高,星族年龄比较高,颜色比较蓝,形状偏向于盘星系。科学家们猜测,有可能空洞中的星系由于缺少星系和星系之间的相互作用,演化得较慢,相比于空洞外的星系,空洞中的星系还处于一生演化轨迹中比较早期的状态,气体由于被消耗的比较少,也十分充足。

郝蕾团组已经出站的一个博士后Danny Chia-Yu Pan 基于斯隆数字化巡天的第七次数据释放的星系列表认证出了八万个空洞星系。他们发现这些空洞星系的确比空洞外的星系更小、更暗、星族更年轻,但是上述两个星系样本各种性质的差别非常小。并且他们进一步发现,如果固定了星系质量,那么空洞星系和空洞外星系在上述各方面的性质上的差别将不再显现,这说明空洞星系和空洞外星系可能并不存在本征的差别。

空洞星系性质有别于空洞外的星系有两种可能的解释。一种可能是空洞中每一个星系都比空洞外的星系处于更早的演化阶段;另一种可能是空洞中的星系比空洞外面的星系含有更多的光度低、质量小、年轻的恒星形成星系,空洞星系同空洞外星系本身没有差别,总体性质的差别完全是由于组分的不同造成的。

为了研究空洞星系具有特殊性质的根本原因,郝蕾团组按照星系的发射线特征将空洞星系和空洞外星系分别归类成了活动星系核、复合星系、恒星形成星系和非发射线星系。统计结果表明空洞中恒星形成星系的比例比空洞外要高出将近20%,非发射线星系的比例比空洞外低大约20%左右,与此同时其它类型的星系的组分在两个样本中保持一致。

对于每一种特定类型的星系,比如将空洞中的活动星系核和空洞外的活动星系核相比较,或者将空洞中的恒星形成星系同空洞外的恒星形成星系相比较,他们发现空洞中特定类型的星系的各种光谱特性同空洞外星系相同。由此,他们得出结论:空洞中星系具有特殊的性质并不是由于整体演化比较慢,而是完全由于空洞中具有更多的质量小、光度低、更加年轻的恒星形成星系造成的。

关于宇宙学空洞中存在更多小质量低光度的恒星形成星系的原因,郝蕾解释,目前还不清楚,一个可能的原因是,根据宇宙学模型的预言和现有的观测数据,科学家们发现空洞中的暗物质晕的质量比星系团低100~1000倍,而星系都是在暗物质晕中形成的,并且小质量的暗物质晕中倾向于形成较低质量的星系。

论文链接:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/810/2/165/meta

(据上海天文台)

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