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高红移大质量早型星系的形成及演化

作　者: 范璐璐
导　师: 程福臻; Luigi Danese
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 天体物理
关键词: 星系形成-星系演化-星系椭圆星系-星系高红移
分类号: P152
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在该论文中,我将介绍我在中国科学技术大学(USTC)及意大利国际研究生院(SISSA)以联合培养学生的身份攻读博士学位期间在星系形成领域得到的-些研究成果。研究的方向主要集中在高红移早型星系(ETGs)的形成及演化。近10年来,高红移星系形成及演化问题得到了越来越多的关注。最近的观测证据表明,类星体(QSOs)的形成及演化与高红移星系的形成及演化存在严格地联系。人们发展了两种常用的方法去研究星系形成。一种是利用半解析模型；另一种是数值模拟。后种方法假设在暗物质晕等级成团的框架下,重子成分(恒星和气体)同样通过连续的并合而等级成团的。不同于该假设,在意大利国际研究生院和意大利帕多瓦天文台的研究小组提出了一种椭球(speroidal)和类星体在高红移共同演化的物理模型。在该模型中,星系寄主的暗物质晕形成于两个主要阶段：一个是快速塌缩和并合阶段,另一个是缓慢吸积阶段。早型星系主要形成于前一阶段,众多物理过程(像气体冷却、塌缩,恒星形成,中央黑洞的吸积以及类星体的反馈)均发生在前一阶段。而后一阶段对早型星系的演化有很少的贡献。我的工作主要集中在两个方面：一是分析了在红移2附近原初星系中恒星形成和尘埃之间的联系；二是研究了恒星及类星体触发的大量气体外流对早型星系尺度演化的效应。此外,我还参与了HERSCHEL远红外亚毫米卫星ATI.AS项目巡天的数据分析工作。一些主要的结果如下：i)基于光学2850波段,从GOODS-MUSIC列表中,我们选择了一个高红移光谱证认的星系样本。我们能够利用星族合成的方法来研究该样本以得到它们的物理参数。同时,我们选择了一个包括低红移极亮红外星系(ULIRGs)及漩涡星系、恒星形成区的样本。由这个样本,我们重新对8微米光度L8μm和红外光度LIR联系进行了定标。我们发现通常的采用固定消光率的星族合成技术不能产生期待的8微米光度和红外光度联系。我们提出了一种新的方法：将红外光度作为一个参数加入到拟合之中,并且采用一个更普适Calzetti率。利用这种方法,我们能够更可信地决定高红移星系的恒星成分,即恒星形成率,尘埃消光和恒星年龄。我们证实了低光度星系平均有显著更年老的恒星成分,而且恒星质量也比高光度星系的恒星质量要低。这是一种观测的’downsizing’现象：低质量星系首先形成,但是它们的恒星形成持续时间更长。该现象与反等级成团现象一致。ii)我们指出观测到的高红移早型星系致密尺寸(千秒差距甚至亚千秒差距量级)是可被理论模型预测的,只要假设星系中的大部分恒星在冷气体的耗散塌缩过程中形成。已有的观测数据强烈建议大部分尺寸演化发生在红移一以上,而在红移一以内,尺度增加不超过40%。大部分高红移被动演化星系投影在有效半径内的恒星质量是具有相似恒星质量的本地早型星系投影在同样物理半径内的恒星质量的两倍。观测数据同样显示了高红移早型星系的尺度分布比对应本地早型星系的更宽。一部分高红移大质量早型星系已经具有和它们本地对应体(具有同样质量的本地早型星系)一样大的尺度。然后,另一部分高红移大质量早型星系比它们本地对应体的尺度要小四到六倍。所有的这些观测结果可以被解释,只要假设大部分尺度演化是源于大量气体外流而导致的尺度膨胀。通过恒星质量函数的限制,无气体的子并合仅可以增大两倍高红移大质量早型星系的有效半径。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第1章引言  11-19
第2章 G04模型综述  19-31
  2.1 暗物质部分  19-20
  2.2 重子物质部分  20-31
    2.2.1 气体冷却与恒星形成  20-22
    2.2.2 黑洞增长  22-25
    2.2.3 超新星反馈  25
    2.2.4 类星体反馈  25-27
    2.2.5 化学演化  27-28
    2.2.6 解析近似解  28-31
第3章紫外选恒星形成星系  31-63
  3.1 莱曼断裂星系(LBGs)的紫外光度函数  31-33
  3.2 高红移星系中的恒星形成和尘埃消光  33-47
    3.2.1 Z_(850)波段选的高红移样本  33-34
    3.2.2 单星族和星族合成  34-36
    3.2.3 尘埃消光对恒星形成率的依赖关系  36-37
    3.2.4 8μm光度与红外光度之间的相关性  37-40
    3.2.5 从谱能分布推算的红外光度  40-41
    3.2.6 观测到的IRX-β关系  41-42
    3.2.7 红外光度L_(IR)对谱能分布拟合的限制  42-44
    3.2.8 红移2处Z_(850)波段选星系的物理性质  44-46
    3.2.9 质光比  46-47
  3.3 小结  47-63
第4章亚毫米星系  63-79
  4.1 高红移亚毫米星系的光度函数  63-71
    4.1.1 100和200μm的光度函数  63-66
    4.1.2 对大质量晕中恒星形成的提示  66-71
  4.2 亚毫米星系计数  71-75
  4.3 亚毫米亮,强引力透镜星系  75-76
  4.4 小结  76-79
第5章类星体光度函数和类星体反馈  79-87
  5.1 类星体光度函数  79-84
  5.2 类星体反馈  84-86
  5.3 小结  86-87
第6章大质量早型星系的尺寸演化  87-105
  6.1 模型期待的高红移星系尺寸  87-91
    6.1.1 重子物质的耗散塌缩  87-89
    6.1.2 富含气体的盘并合  89-91
  6.2 观测到的尺寸演化  91-94
  6.3 尺寸演化的几种物理机制  94-97
    6.3.1 气体排出  94-95
    6.3.2 子并合  95-96
    6.3.3 其它机制  96-97
  6.4 观测测试  97-104
    6.4.1 早型星系的质量演化  97-99
    6.4.2 尺寸演化  99-101
    6.4.3 速度弥散演化  101-104
  6.5 小结  104-105
第7章结论  105-109
参考文献  109-131
附录高红移亚毫米星系的测光红移  131-135
  A.1 高红移亚毫米星系的谱能分布  131-132
  A.2 测光红移估计  132-135
致谢  135-137
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  137

高红移大质量早型星系的形成及演化

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