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2022年01月14日
我校与国内学者合作首次探测到活动星系演化进程中恒星形成率的反弹现象

中国科学技术大学天文学系活动星系研究团队与广西民族大学,北京大学,南京大学等合作单位研究人员首次探测到活动星系演化进程中恒星形成率的反弹现象。论文于2022年1月14日在线发表在国际知名学术期刊《自然-天文学》(Nature Astronomy)上。

星系是宇宙的基本单元,如同人类的细胞之于人类本身。星系形成和演化过程是理解宇宙演化历史和限制宇宙学参数的关键之一。基于冷暗物质的理论预言的星系质量分布与观测相比,在小质量和大质量端均有超出。许多数值模拟的结果显示小质量端需要超新星的反馈而大质量端则需要有巨型黑洞驱动的活动星系核反馈来调节理论与观测之间的差异。

图1:理论与观测的星系质量分布存在差异

活动星系中心超大质量黑洞驱动的外流气体将质量,角动量以及能量从星系核区携带至寄主星系中, 是连接星系核区和寄主星系的纽带,因而被认为是活动星系核反馈的主要形式之一。但是外流的反馈是否有效,如有效,其反馈是正还是负目前依然是天文学和宇宙学领域中最受关注的争议之一。

在此前对外流物理性质的研究中,中国科大王挺贵教授,刘桂琳教授研究组特任副研究员何志成博士发展一种用光变测量外流物理参数的全新方法,并利用斯隆大样本巡天数据,发现大部分高速外流尺度在数十光年以上,并且有足够的能量影响星系的演化(该工作于2019年1月发表于《自然-天文学》)。继该工作后,何志成便着眼于寻找外流对星系演化是否产生反馈的观测证据。

根据活动星系外流产生的光谱特征,可将活动性星系分为三种基本类型:低电离宽吸收线,高电离宽吸收线,无宽吸收线活动星系。从时间演化角度来看,三种类型代表了不同的活动星系演化时期。因此比较三种类型活动星系的恒星形成率的差异或许能找出外流对星系演化反馈作用的线索。研究人员利用

图2:首次探测到活动星系演化进程中恒星形成率的反弹现象。

斯隆巡天最新释放的数据,组建成上述三种类型的活动星系样本。研究人员发现恒星形成率从低电离吸收线至高电离吸收线时期,恒星形成率出现下降,随后从高电离吸收线到无吸收线时期恒星形成率出现反弹。研究人员建立如图3的演化模型解释以上的观测现象。

图3:活动星系及其恒星形成的演化图景。

在活动星系早期,星系中心超大质量黑洞-吸积盘被浓厚的尘埃包裹,但此时星系中心黑洞已经驱动尘埃和气体产生非常强烈的外流。因此这个阶段在光谱上表现为:光谱因尘埃消光会很红,同时存在明显的低电离的蓝移吸收线。这个时期星系中有大量的尘埃和气体,并且外流仅存在于星系中心小尺度上,对恒星形成还未有影响。因而这个时期有着非常剧烈的恒星形成。根据这个类型的源比例可以大约推测,这个阶段的维持时间一般不超过百万年。随着时间的演化,外流尺度在增加,并且冲出尘埃的包裹,到达星系尺度,尘埃消光减弱,光谱变蓝,同时外流气体电离度提高。因而在光谱上表现为低电离吸收线消失,仅表现为高电离吸收线。这个时期外流对恒星形成产生显著的压制作用。根据这个类型的源比例可以大约推测,这个阶段的维持时间一般超过千万年的时标。值得一提的是典型的大质量O型星的典型寿命约为数百万年。因此在这个时期,我们看到恒星形成率的显著下降在时标上是自洽的。随着尘埃和气体含量的减弱,外流逐渐减弱,外流对恒星形成的压制作用也在减弱,因而会出现恒星形成的反弹现象。该观测结果表明外流对星系的恒星形成存在着全局性的压制作用。

论文的第一作者为广西民族大学陈志福副研究员。论文的通讯作者为中国科大特任副研究员何志成。其他主要的合作者包括北京大学科维理天文研究所何子山教授,庄明阳博士,南京大学天文与空间学院顾秋生教授,中国科大天文系王挺贵教授和刘桂琳教授。本项研究得到国家自然科学基金,中国科大青年创新重点基金等资助。

文章地址链接:https://www.nature.com/articles/s41550-021-01561-3


(物理学院、科研部)

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