上海天文台在星系中棒的投影改正方法的研究获进展

[ 录入者:数星星的猫 | 时间:2014-08-18 18:11:55 | 作者:数星星的猫 | 来源:原创 | 浏览:1910次 ]

观测上的盘星系相对于天空平面在一定程度上都是倾斜的。为了研究其中普遍存在的棒结构,天文学家通常将直接测量到的倾斜的棒通过投影改正(deprojection)尽量还原其正向的本来面貌。这种投影改正方法已经被广泛使用,但是其可靠性尚未有过系统的研究?近日,中国科学院上海天文台研究生邹燕飞在沈俊太研究员和李兆聿助理研究员的指导下,首次通过分析数值模拟中的棒旋星系的棒的性质,对这种投影改正方法存在的不确定性进行了探讨。他们发现:星系盘的倾角越大,投影改正还原正面图像带来的不确定性更大;当盘的倾角大于60度时,所有的投影改正方法都不能可靠地还原棒的本征属性。该团组确认了棒垂直方向上的厚度是该不确定性的主要来源,并建议未来对星系棒的性质的统计研究应扣除倾角大于60度的盘星系。该工作已经发表在最新一期的国际核心期刊《天体物理杂志》上。

浏览哈勃空间望远镜提供的精美星系图片时,我们不难发现星系形态种类很多。根据哈勃分类方法,星系分类成椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等。不少盘星系中能看到棒状结构,根据观测研究,存在棒的星系能占全部星系的50%-65%。

棒旋星系示例

盘星系中普遍存在的棒,对星系的外貌和更内在的成长过程有怎样的影响呢?天文学家们发现,棒就像西游记中孙悟空的金箍棒一样,能重新分布星系盘中物质的转动性质(角动量)和能量,影响着星系外貌形态的长期演化。棒同样对星系盘上的化学分布施加影响,使其更加平滑。几乎每个星系中心都拥有一个大质量黑洞。在有棒的星系中,棒还能驱动盘中的气体向星系中心聚集,甚至可能促发黑洞的活动性(气体运动到中心区域而被黑洞吃掉),尽管对于棒是否能促发黑洞的活动性这一观点还存在一些争议。

 “了解棒,我们就能更好地了解星系形态的外在和内在,从而对星系的成长有更深入的认识。在不同的盘星系中棒的强度是不一样的。”文章的第一作者邹燕飞(上海天文台研究生)解释道,“因为观测上天文同行们发现更长、椭率更高的星系具有的棒的强度也更高。因此在我们的工作中,我们也主要是通过棒的长度和棒的椭率来表示棒的强度。”

真实的星系相对于天空平面都是有一定倾角的。观测上,天文学家通常将有倾角的棒通过投影改正尽量还原其面向我们的面貌。这种投影改正方法已经被广泛使用。“但是,之前的大部分工作忽略了投影改正的不确定性,因为星系中的棒具有倾角,即使投影还原之后,我们仍然不知道它是否可靠,最重要的问题在于你无法看到其正面的图像。”文章的第三作者——上海天文台的助理研究员李兆聿补充道。

在2012年,李兆聿助理研究员就通过对沈俊太研究员此前发表的银河系核球模型的细致分析,发现银河系核球区存在一个奇特的垂向X型结构,并对其作出动力学解释。在该团组的这次工作中,沈俊太研究员指导研究生邹燕飞创新地使用了研究观测数据的方法来探索数值模拟,目的是评估投影改正方法的不确定性,并理解来不确定性的主要原因是什么。数值模拟数据最大的优势,在于可控性很强。你可以知道一个棒旋星系360度的全貌图。打个比方,你有个棒旋星系,你可以把它转到盘正对你的方向,看看它是什么样子,称它为‘参考标准’。然后,你把它转到其他角度,再使用投影改正方法还原其正面相貌,把它与‘参考标准’对比,就知道投影改正方法有多可靠了。当然这种研究上的比较,不是简单的看看图是否相同,而是需要一个量化的参量,也就是棒的主要特征参数:长度和椭率。

邹燕飞分别选取了沈俊太研究员此前发表的银河系核球模型和合作者Jerry Sellwood(Rutgers University)提供的盘星系模型,并截取各自模拟中系统演化至18亿年和24亿年时的星系图像。从两个模型得到的图像中,类似于旋臂、棒的特征与真实的棒旋星系较接近,与其他同行的数值模拟结构也一致,因此具有足够的代表性。针对这两组从模拟中获得的棒旋星系图像,该团组使用了目前常用的多种投影还原方法,包括一维的解析投影改正、二维的解析投影改正、基于整体亮度守恒假设的图像拉长投影改正和基于傅里叶方法的投影改正。所谓解析投影改正,假设棒从正面看是一个无限薄的椭圆,那么就可以根据几何解析方法从你真实看到的(在一定盘倾角下的棒)改正至正向的结果。而图像拉长投影改正,更形象地表达是,对于一个倾斜的盘,假设星系的整体亮度守恒,对星系的图像进行上下、左右的拉伸,从而达到改正至正向的效果,就如同下图展示的这样:

展示图:基于整体亮度守恒假设的图像拉长投影改正

通过对这些方法得到的正向改正图像进行测定棒的星系,并与模拟提供的“真实”棒的正向图像结果进行比较,确定各种投影改正方法的可靠性。他们发现:相对来说,一维的解析投影改正带来的不确定程度最大。这点也不难理解,它对于棒结构的假设——“棒就是一根线段”是太简单了。如爱因斯坦所说,模型应该尽量简单而不是更加简单。随着盘倾角的增加,各种方法带来的不确定程度都在变大。当盘的倾角大于60度时,所有的投影研究方法都不能可靠地还原棒的正面性质。沈俊太研究员最后总结说:“棒的竖直方向上厚度是不确定性的主要来源,未来对星系棒的性质的统计巡天研究都应扣除盘倾角大于60度的盘星系。”

 

原文链接: Zou, Y., Shen, J., & Li, Z.-Y. 2014, ApJ, 791, 11

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