星系團分層效應(yīng)的研究進展

星系團分層效應(yīng)的研究進展

1星系團運動學(xué)的分層效應(yīng)星系是宇宙中確定的最大天線系統(tǒng)，在天文學(xué)科學(xué)研究中，尤其是在建立、系數(shù)動力學(xué)發(fā)展和宇宙規(guī)模結(jié)構(gòu)研究方面發(fā)揮著獨特的作用。與星團相類似,作為一類天體系統(tǒng),目前所觀測到的星系團中的成員星系表現(xiàn)出各種分層效應(yīng),而這些分層效應(yīng)的出現(xiàn)又與星系團形成時的條件和之后的動力學(xué)演化過程有關(guān)。與星團相比,星系團的分層效應(yīng)表現(xiàn)得更為復(fù)雜,這是因為:1)星系團中的成員星系不僅質(zhì)量各異(這一點與星團成員星有不同的質(zhì)量相類似),而且具有多種不同的形態(tài)類別;一方面不同形態(tài)的星系很可能有不同的形成條件和動力學(xué)演化進程,另一方面它們之間還可能存在某種演化上的聯(lián)系。2)星系團中的成員星系除了相互間的交會外,還可能發(fā)生碰撞,甚至并合;交會、碰撞和并合都會使星系的形態(tài)發(fā)生變化,并影響到星系團的運動學(xué)狀態(tài),而星團中恒星間發(fā)生直接碰撞的可能性幾乎不存在,影響其運動學(xué)狀態(tài)的主要因素是恒星間的近距離交會。3)星系團中,特別是對不規(guī)則星系團來說,比較普遍地存在一些次結(jié)構(gòu),因此星系團的總體結(jié)構(gòu)通常要比星團來得復(fù)雜。4)對星系團中的成員星系來說,唯一可以取得的運動學(xué)觀測資料是視向速度,而無法取得它們的自行,成員判定也比星團更困難。星系團的分層效應(yīng)可以表現(xiàn)為多種形式,其中包括形態(tài)分層(morphologysegregation)、光度分層(luminositysegregation)、質(zhì)量分層(masssegregation),以及最近有人開始研究的元素豐度分層(abundancesegregation)等。不僅如此,上述各種分層效應(yīng)又可以在位置空間或者速度空間(或兩者兼有之)中反映出來,這就是成員星系的空間分層(spatialsegregation)和速度分層(velocitysegregation)效應(yīng),而后者又可稱為星系團的運動學(xué)分層(kinematicalsegregation)。例如,就成員星系的形態(tài)分層來說,有形態(tài)空間分層和形態(tài)速度分層兩種不同的表現(xiàn)形式。對一個星系團來說,其中的成員星系是否存在某種分層效應(yīng),顯著程度如何,是否在位置和速度空間上同時表現(xiàn)出這種分層效應(yīng),不同類別、不同富度、不同距離處星系團的分層效應(yīng)有何異同等,這些問題必然涉及到星系團的形成和動力學(xué)演化、團內(nèi)星系的演化及其對團整體演化的影響等重要問題,因而受到天文學(xué)家的廣泛關(guān)注。2層的形成2.1貧旋轉(zhuǎn)指數(shù)法在一個團星系內(nèi),不同形態(tài)類別的星系可能有著不同的形成和演化方式,分析星系團在相空間(包括位置和速度空間)中的形態(tài)分層,便可以對星系的形成和演化機制給予觀測上的約束。因此,人們早就注意到了星系團的形態(tài)分層問題。最早可以追溯到Curtis及Hubble和Humason在20世紀(jì)初期所作的工作,他們注意到了與晚型星系相比,在早型星系所處的環(huán)境中,星系數(shù)密度比較高,這就是所謂形態(tài)-密度關(guān)系。1974年,Oemler利用測光資料對15個星系團的性質(zhì)做了研究。他把樣本星系團分為3類:富旋渦星系(富S)團、貧旋渦星系(貧S)團、有cD星系的團。他發(fā)現(xiàn)富S團看不出任何分層效應(yīng),而其他兩類團都表現(xiàn)出形態(tài)空間分層,其中貧S團的成員以S0星系居多,而在cD星系團中則含有大量的橢圓星系。1977年,Melnick和Sargent對6個Abell星系團進行了研究,其結(jié)果表明:透鏡星系S0和旋渦星系S的相對比例與團心距有關(guān),團心距越大,旋渦星系的比例越高(盡管這一比例的徑向梯度對不同的星系團會有很大的變化)。上述關(guān)系稱為形態(tài)-團心距關(guān)系,即星系團的形態(tài)空間分層效應(yīng),而有人認(rèn)為與形態(tài)-密度關(guān)系相比,其反映了星系團的更基本的內(nèi)稟關(guān)系,不過,人們對此還沒有取得完全一致的共識。1980年,Dressler利用55個星系團中6000多個星系的觀測資料,進一步證實了早型星系(E+S0)和晚型星系(S+Irr)有著不同的投影分布?？偟膩砜?早型星系在全部團星系中所占的比例隨團心距的減小而增大,而晚型星系比例的徑向變化情況恰好相反,表現(xiàn)出一定程度的形態(tài)空間分層效應(yīng)(參見圖1)。1998年,Adami等人利用40個規(guī)則星系團中大約2000個星系的觀測資料進行研究,發(fā)現(xiàn)E星系、S0星系、Se(早型旋渦星系)和Sl(晚型旋渦星系)的團心距分布有著顯著的差異,4類星系的核半徑按E-SO-Se-Sl序列逐漸增大,這就表明團星系存在形態(tài)空間分層。最近,Driver等人對富星系團Abell868的HST資料進行了分析,發(fā)現(xiàn)在該星系團的核區(qū),很少有晚型星系存在。探測團星系形態(tài)空間分層效應(yīng)可以通過幾種不同的途徑,例如討論不同類型星系的徑向面密度輪廓;分析不同形態(tài)星系所占比例(相對數(shù))的徑向變化規(guī)律;也可以比較不同形態(tài)星系的平均團心距、King模型中的核半徑或引力半徑(團星系間距以質(zhì)量加權(quán)的調(diào)和平均值)的大小等。2.2星系團的動力學(xué)研究隨著觀測資料的不斷累積,特別是越來越多的星系視向速度(紅移)的測定,人們對形態(tài)分層的研究也日益深化,即不僅討論團星系的形態(tài)空間分層,并且分析它們的形態(tài)速度分層效應(yīng)。與討論形態(tài)空間分層效應(yīng)的情況不同,探測團星系形態(tài)速度分層的唯一途徑,是就不同形態(tài)類別的星系,利用它們的視向速度觀測資料,分別確定其內(nèi)稟速度彌散度,并進而探討星系的形態(tài)-速度彌散度關(guān)系。這就要求分析用的團星系樣本應(yīng)該有比較大的容量。從20世紀(jì)70年代起,許多天文學(xué)家就已發(fā)現(xiàn)星系團中E和S0星系的速度彌散度σ要比S星系或S+Irr星系的σ小。例如:Tammann所作的Virgo星系團的工作;Melnick和Sargent對6個Abell團進行了討論;Sodre等人對15個星系團進行了分析;其他的工作可參閱文獻。另一方面,鑒于在一般情況下,對星系形態(tài)類別的準(zhǔn)確確認(rèn)要比確定星系的顏色來得困難,而星系的顏色和形態(tài)是有聯(lián)系的,因而不少作者分析了星系運動學(xué)狀態(tài)與顏色之間的關(guān)系。1996年,Beviano等人以及Colless和Dunn都發(fā)現(xiàn)了在Coma團中,藍色星系與紅色星系的σ之比約為1.3～1.4。不久,Carlberg等人也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。1998年,Adami等人證實團星系除了表現(xiàn)出形態(tài)空間分層效應(yīng)外,還被發(fā)現(xiàn)沿著哈勃序列E-S0-Se-Sl,不同形態(tài)星系的速度彌散度呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢,即還存在某種程度的形態(tài)速度分層(見圖2);他們還發(fā)現(xiàn)在著名的Coma星系團中也存在類似的形態(tài)速度分層效應(yīng)。不過,這種形態(tài)速度分層效應(yīng)在橢圓星系和其他類型星系之間的表現(xiàn)最為顯著,Andreon于1966年所作的工作也說明了這一點。2002年,Biviano等人利用59個近距富團中3056個星系的位置、速度和測光資料,進一步證實了團星系在位置和速度空間上都表現(xiàn)有形態(tài)分層效應(yīng)。不僅如此,他們還深入探討了在星系團中位于次結(jié)構(gòu)內(nèi)和次結(jié)構(gòu)外的團星系的形態(tài)分層細(xì)節(jié)情況,發(fā)現(xiàn)位于次結(jié)構(gòu)內(nèi)各類星系的團心距-速度分布與次結(jié)構(gòu)外星系有所不同,而且次結(jié)構(gòu)外的早型和晚型旋渦星系又有著不同的團心距-速度分布。團星系的形態(tài)速度分層能為分析團的動力學(xué)演化提供線索。例如,Adami等人根據(jù)他們的結(jié)果,進一步討論了不同形態(tài)星系的動力學(xué)演化狀態(tài)。他們認(rèn)為,團內(nèi)橢圓星系的相空間分布正朝著能均分狀態(tài)演化。晚型旋渦星系處于開始向團中心內(nèi)落的階段,而SO星系和早型旋渦星系的相空間分布則介于兩者之間。3質(zhì)量亮度層3.1星系團中成員系人們對星系團質(zhì)量(光度)空間分層效應(yīng)的研究已有幾十年的歷史,而這個問題對于探索星系團的動力學(xué)演化具有很重要的意義。早在1968年,Rood和Turnrose就已發(fā)現(xiàn),在Coma星系團中心區(qū),高光度、大質(zhì)量巨星系的中心聚度比低光度、小質(zhì)量的矮星系高。這就意味著團內(nèi)成員星系在光度或質(zhì)量上表現(xiàn)出某種空間分層效應(yīng)。1981年,Capelato等人在富星系團Abell196中探測到了團星系的質(zhì)量-密度關(guān)系;由于富星系團中成員星系的面分布總體上呈現(xiàn)出一定的中心聚度,質(zhì)量-密度關(guān)系在一定程度上反映了團星系的質(zhì)量空間分層效應(yīng)。與形態(tài)分層的情況相類似,并不是每個星系團都會呈現(xiàn)明顯的光度分層效應(yīng)。Yepes等人利用4個星系團中1228個星系的觀測資料,通過對所謂“星系間距離分布函數(shù)”的分析,就光度分層問題做了比較詳細(xì)的討論。他們發(fā)現(xiàn)不同的團存在不同程度的光度分層,具體情況與團的動力學(xué)狀態(tài)有關(guān),其中星系團Abell2111實際上并沒有表現(xiàn)出光度空間分層效應(yīng),而Abell2218的光度分層最為明顯。最近,Pracy等人對3個低紅移星系團進行了研究,發(fā)現(xiàn)只有其中一個團(Abell2218)中的最明亮星系存在較明顯的光度空間分層,而另外兩個團則沒有表現(xiàn)出這種分層效應(yīng)。Ferguson和Sandage通過對Virgo團和天爐(Fornax)團的研究發(fā)現(xiàn),團內(nèi)的矮橢圓星系cdE可以分為兩類:有核dE和無核dE。其中有核dE和暗無核dE的分布類似于E和S0星系,有明顯向團中心集聚的趨勢;而亮無核dE的分布則與S和Irr星系相類似。這就說明在這兩個團內(nèi)不僅存在形態(tài)分層,而且無核dE星系還表現(xiàn)有質(zhì)量分層效應(yīng)。分析不同區(qū)域團星系的光度函數(shù)同樣可以探測團內(nèi)成員星系的光度分層。Lobo等人通過這一途徑發(fā)現(xiàn),在Coma團中存在明顯的光度分層,巨星系集聚在兩個次團結(jié)構(gòu)中,而矮星系的分布則較為彌散。2002年,Andreson利用K波段的近紅外觀測資料,在更大的團天區(qū)范圍內(nèi)證實了紅移為z=0.31的星系團Abell2744同樣存在質(zhì)量分層效應(yīng)。3.2星系團和光學(xué)系統(tǒng)的速度分層效應(yīng)為了研究星系團是否存在質(zhì)量速度分層的問題,最早進行詳細(xì)討論的對象也許當(dāng)推Coma團。早在1957年,Zwicky就提出Coma團存在明顯的質(zhì)量速度分層,并以此作為系統(tǒng)達到能均分狀態(tài)的依據(jù)。1972年,Rood等人通過分析后認(rèn)為,這一結(jié)果主要是因場星系污染引起的一種表觀現(xiàn)象,在大范圍Coma團天區(qū)內(nèi),并不存在這種分層效應(yīng);但他們同時發(fā)現(xiàn),在團的中心區(qū)域,最明亮星系的速度彌散度σ明顯小于同一區(qū)域內(nèi)全部星系的σ值,不過結(jié)論并不十分明確。1979年,Struble利用較多的資料對Coma團做了進一步的分析和檢驗,發(fā)現(xiàn)31個最明亮成員星系的σ值(670km·s-1),與全部296個團星系的σ(945km·s-1)有顯著的差異,從而證實Coma團的中心區(qū)確實存在質(zhì)量速度分層效應(yīng)。與形態(tài)速度分層的情況一樣,隨著星系視向速度資料的不斷累積,對質(zhì)量(光度)速度分層的討論日益深入。1992年,Biviano等人對68個星系團的速度分層進行了詳細(xì)的討論,在每個星系團至少測得了30個星系的紅移。他們分析了其中61個大部分星系有星等資料的星系團,結(jié)果明確地發(fā)現(xiàn),對絕對目視星等M≤-21.38+5lgh100的團星系來說,顯然存在光度(質(zhì)量)速度分層效應(yīng)。1997年,Stain對12個星系團核區(qū)進行了研究,結(jié)果表明M≤-22mag的亮星系的速度彌散度明顯小于其余較暗星系的σ值。不僅如此,他們還進一步發(fā)現(xiàn)這種光度速度分層主要是由橢圓星系造成的,而對旋渦星系來說并不存在這種分層效應(yīng)。1998年Adami等人也證明M≤-21.5mag的亮星系與暗星系存在光度速度分層(見圖3)。他們還進一步討論了形態(tài)分層和光度分層之間的關(guān)系,結(jié)果表明在他們的樣本中,4類不同形態(tài)星系(E、S0、Se、Sl)的平均星等非常接近,分別為-20.2,-20.0,-20.2,-20.0mag,因而認(rèn)為兩者之間并不存在必然的因果關(guān)系。最近,Lares等人利用2dF紅移巡天資料,對星系群和星系團成員星系的動力學(xué)分層(dynamicalsegregation,即速度分層)做了比較詳細(xì)的研究。他們所用的樣本相當(dāng)大,涉及5568星系群(團)中的40978個星系。與通常用于探討速度分層的方法不同之處在于:1)他們不是就各星系群(團)來分析它們各自的動力學(xué)分層效應(yīng),而是通過某種確定的方式把全部星系群(團)綜合成一個單一的系統(tǒng)來加以討論;2)在分析動力學(xué)分層效應(yīng)時,速度空間的觀測量不是直接應(yīng)用星系的速度彌散度σ,而是由星系的視向速度觀測值與相應(yīng)的星系群(團)的平均視向速度之差,再除以該星系群(團)的速度彌散度σ,從而構(gòu)成所謂無量綱速度u,進而分析具有不同絕對星等MB的星系的速度分布函數(shù)f(u)。Lares等人得到的結(jié)論是:MB<-19mag的亮星系與MB>-19mag的暗星系存在顯著的光度速度分層效應(yīng)。4星系團元素地球化學(xué)機制1985年,Giovanelli和Haynes發(fā)現(xiàn),與孤立的場星系相比,包括Virgo團在內(nèi)的9個星系團中的星系表現(xiàn)出在氣體含量上的某種缺損,稱為氣體缺損(gasdeficient),而且這種氣體缺損的程度又與星系的團心距明顯相關(guān):星系團核區(qū)星系的HI氣體缺損,比位于團外圍區(qū)域中的星系更為顯著。之后,Cayat.te等人以及Vollmer等人的工作也進一步證實了這一結(jié)論。對此,人們通常認(rèn)為造成這一觀測現(xiàn)象的主要原因是沖壓剝離(rampressurestripping)機制,即星系團成員星系在運動過程中,星系內(nèi)的氣體因為與星系外的團內(nèi)氣體之間的相互作用而從星系內(nèi)被驅(qū)逐出去。由于恒星形成與星系的氣體含量有關(guān),因此氣體缺損的星系可能與正常的同類星系有著不同的化學(xué)演化過程。事實上,vandenBergh早已發(fā)現(xiàn),團內(nèi)旋渦星系中的恒星形成率(SFR),要比孤立旋渦星系的SFR低。最近,Koopmann和Kenney通過對55個Virgo團星系與29個孤立星系進行比較,進一步證實了這一結(jié)果。1996年,Skillman等人對Virgo團中9個旋渦星系進行了分析,結(jié)果表明:位于星系團核區(qū)的3個星系的HI氣體缺損最為明顯,其平均金屬豐度(O/H)要比團外圍星系高出0.3～0.5dex,從而表現(xiàn)出某種豐度分層效應(yīng),而后者的O/H豐度與同類場星系不相上下。據(jù)此他們認(rèn)為,在討論旋渦星系目前的化學(xué)性質(zhì)時,與星系團環(huán)境相關(guān)聯(lián)的動力學(xué)過程,要比星系是否屬于團的成員更為重要。Pilyugin等人于2002年的工作也證實了上述豐度分層效應(yīng):Viirgo團核區(qū)旋渦星系的O豐度比團外圍區(qū)域旋渦星系的O豐度高。最近,Dors和Copetti利用理論模型進行了研究,結(jié)果表明:Virgo團核區(qū)旋渦星系的O/H、N/O和S/O豐度比團外圍區(qū)域同類星系高約0.25dex。他們之所以考慮到S/O,是因為S和O的相對比例可以為星系中星團的初始質(zhì)量函數(shù)和質(zhì)量范圍提供重要的信息。有關(guān)星系團元素豐度效應(yīng)的討論起步較晚,而鑒于取得有關(guān)觀測資料比較困難,目前只限于一些近距星系團,其中研究得最多的是Virgo星系團。由于這一問題對研究星系團及團內(nèi)星系演化的重要性,近期必然會引起人們更為廣泛的關(guān)注。5星系團中的形態(tài)空間分層和形態(tài)速度分層星系團的分層效應(yīng)情況頗為復(fù)雜,目前所觀測到的星系團的各種分層效應(yīng),包括形態(tài)分層、質(zhì)量(光度)分層、豐度分層等在位置空間和(或)速度空間上的反映,必然是星系團形成過程和之后經(jīng)歷的演化過程所造成的結(jié)果,因而為有關(guān)星系團及團內(nèi)星系演化的理論工作提供了重要的觀測約束,星系團演化的理論研究必須對觀測到的分層效應(yīng)做出合理的解釋。為了說明觀測發(fā)現(xiàn)的各種分層效應(yīng),通常認(rèn)為在星系團內(nèi)不同形態(tài)、不同光度或者不同元素豐度的星系應(yīng)該有不同的形成過程,或有不同的演化史,或者兩種因素兼而有之。這就是所謂“遺傳和環(huán)境”(the“naturevs.nurture”problem,也就是“先天和后天”)的問題。“遺傳”指的是星系團形成時的物理狀態(tài),它可能在一定程度上保留到現(xiàn)在而能被觀測到,這是造成分層效應(yīng)的“先天”因素;“環(huán)境”是指在團形成后的漫長時間內(nèi),成員星系在不同的環(huán)境下經(jīng)歷各自的演化過程而表現(xiàn)為目前所被觀測到的狀態(tài),這是星系團呈現(xiàn)分層效應(yīng)的“后天”條件。對一個星系來說,有許多物理過程可能在影響它的形態(tài)、光度和運動速度。例如,動力學(xué)摩擦?xí)p慢較大質(zhì)量星系的運動,使其運動軌道逐漸變圓,并使星系間的并合率增大。沖壓剝離和碰撞可能使星系中的恒星形成逐漸變慢甚至最后停止。星系團的潮汐力場會對星系產(chǎn)生剪切作用,星系的光度因此減小,所產(chǎn)生的大量星系碎片則有利于形成位于星系團中央的cD星系。與無恒星形成的星系相比,正在形成恒星的星系有較大的速度彌散度和比較陡的速度彌散度輪廓,這說明后者正在向星系團內(nèi)落,也許是剛開始內(nèi)落。通常認(rèn)為導(dǎo)致星系團的質(zhì)量(光度)分層的原因是:在長時間的動力學(xué)演化過程中,動力學(xué)摩擦作用使動能從較大質(zhì)量的星系轉(zhuǎn)移到較小質(zhì)量的星系,從而表現(xiàn)為質(zhì)量速度分層,甚至?xí)_到能均分狀態(tài)。Adami等人根據(jù)上述的研究結(jié)果認(rèn)為,星系團存在光度速度分層這一事實表明,最明亮的一些團星系已經(jīng)達到能均分狀態(tài),這應(yīng)該是動力學(xué)摩擦的必然結(jié)果。與此同時,較大質(zhì)量星系因失去動能而使運動速度變慢,它們會沿著螺旋形的軌道朝著星系團的中心內(nèi)落,結(jié)果便形成質(zhì)量空間分層。Pracy等人指出,光度分層是關(guān)于星系等級形成和演化模型的一個重要預(yù)言,與巨星系相比,低光度星系的中心聚度較不明顯。另一方面,在星系團的核區(qū),星系的密度比較高,因高速而又頻繁的星系交會和團的潮汐加熱引起的星系擾損(galaxyharassment)作用更為有效,結(jié)果也會造成星系團核區(qū)內(nèi)低光度星系的缺損,即表現(xiàn)為光度空間分層。相對而言,星系團形態(tài)分層的演化意義可能顯得較為復(fù)雜一些。對形態(tài)分層的一種早期解釋是,形成盤結(jié)構(gòu)所需要的時間比形成橢球系統(tǒng)(橢圓星系和盤狀星系的核球部分)來得長,而星系之間的相互作用會阻礙盤的形成,因此旋渦星系只有在遠(yuǎn)離團中心的低密度區(qū)才容易形成。近期的一種觀點認(rèn)為,由于旋渦星系在團內(nèi)氣體中運動,只要氣體的密度達到每立方厘米5×10-4個原子,星系與氣體之間的相互作用引起的沖壓剝離和氣體蒸發(fā)效應(yīng)會把星際氣體驅(qū)