郭守敬望遠鏡巡天數據助力星系對研究

星系是宇宙中的基本結構單元。在由基本宇宙學參數決定的宇宙整體演化基礎上，星系自身也經歷著複雜的形成和演化過程。其中，星系和星系之間的併合是星系演化過程中所經歷的複雜途徑之一。近日，綜合使用國際合作的斯隆數字巡天（SDSS）和我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）光譜巡天的觀測數據，中國科學院上海天文台研究員沈世銀領導的科研團組首次精確地測量了一批近距離星系對的二元光度函數，一定程度上揭示了本地宇宙中星系是如何成雙成對的。目前，該工作已被國際學術期刊《天體物理雜誌》（Astrophysics Journal）接收。

當兩個星系成雙成對之後，它們兩者之間首先會上演一出精彩的雙人華爾茲，直到最終合二為一（參見圖1）。星系和星系之間的雙人舞是如何開始、如何進行、最終又將如何結束呢？這些基本而又複雜的問題是目前星系演化研究領域的熱點之一。

隨著計算機科學的發展，天文學家利用數值計算的方法對星系併合過程中發生的物理過程進行了模擬。通過模擬發現，星系在成對之後、合併之前這段「雙人舞」的時間可以長達10到20億年。在這段時間中，由於「雙人」之間的相互作用，星系中會觸發更多的恆星形成。然而，數值模擬並不能考慮到星系併合中實際發生的所有物理過程，模擬得到的結論還需要觀測的進一步驗證。

由於星系併合的時標非常長，沒有辦法通過觀測去追蹤任意一個真實星系對之間將要發生的物理過程。幸運的是，宇宙在對人類關上了「時標」這扇門的同時，打開了一扇「空間」的窗戶。如果能夠觀測到宇宙中大量的「星系對」樣本，那麼根據宇宙學原理，人們可以知道這些不同的星系對必然處於星系-星系併合過程中的不同狀態。也就是說，根據大樣本的星系對的統計描述，就可以在一定程度上反演出星系對的併合過程。

最近，上海天文台博士研究生馮帥在導師沈世銀的指導下，完成了一項開創性的研究工作——首次精確地測量了一批星系對的二元光度函數。具體來說，這個二元光度函數給出的是不同光度的兩個星系構成星系對的概率分布。也就是說，這個二元光度函數告訴了人們本地宇宙中的星系是如何成雙成對的。

馮帥進一步介紹說，根據星系對的二元光度函數，研究人員解碼出三個結論。首先，星系—星系之間的二人舞從相距50萬光年之遠開始進行，在更遠的距離上，星系的行為完全是一場「單人舞蹈」。其次，在二人舞開始之後，這場舞蹈的進行時間取決於舞蹈中的兩位成員的質量：兩位舞者中主導成員的質量越大，這場舞蹈的時間就越短。第三個結論就是，在這場舞蹈的高潮階段，成員星系中會觸發更多的恆星形成，而這個高潮階段的時間可以達到2億年之久。

值得一提的是，這項系統研究除了利用來自於國際合作的斯隆數字巡天計劃的近鄰星系觀測樣本之外，還得到了來自於我國郭守敬望遠鏡巡天科學數據的幫助。由於光譜觀測中的光纖碰撞效應，如果兩個星系靠得太近，比如星系對，斯隆數字巡天通常只觀測了其中一個星系的光譜，而剩餘的那個沒有光譜觀測的星系就構成了郭守敬望遠鏡巡天中觀測的補充星系樣本（圖2）。

沈世銀進一步介紹說，在這項研究中，研究人員利用了郭守敬望遠鏡提供的超過7000個星系的光譜數據作為補充，構成了該研究中的一個重要環節。這項研究也表明，郭守敬望遠鏡的巡天工作除了在銀河系研究方面大展身手之外，在河外星系的研究上同樣可以做出重要貢獻。

圖1. 著名的相互作用星系對M51。其由大的星係為M51a（右），小的為M51b（左）。

圖2. 一個典型星系對的觀測和證認過程。其中，兩個星系的光譜觀測先後由斯隆數字巡天（藍色）和郭守敬望遠鏡（紅色）完成。只有同時獲得兩個星系的紅移（距離），才能最終證認這兩個星系是在空間中是真實的成對還是由投影效應所造成。

來源：中國科學院上海天文台

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