星系形成和演化

1、星系形成和演化1本講內(nèi)容回顧：宇宙結(jié)構(gòu)近鄰星系的主要觀測性質(zhì)星系形成的理論基礎(chǔ)高紅移星系和星系的演化2回顧：宇宙結(jié)構(gòu) 由近及遠(yuǎn)太陽系系統(tǒng) 它是那樣自由而寧靜3 Distance O_Period Name # Orbits (000 km) (days) Incl Eccen Discoverer Date A.K.A.- - - - - - - - - -Sun - - - - - - - - Sol (0)Mercury I Sun 57910 87.97 7.00 0.21 - - (0)Venus II Sun 108200 224.70 3.39 0.01 - - (0)Earth

2、III Sun 149600 365.26 0.00 0.02 - - (0)Mars IV Sun 227940 686.98 1.85 0.09 - - (0)Jupiter V Sun 778330 4332.71 1.31 0.05 - - (0)Saturn VI Sun 1429400 10759.50 2.49 0.06 - - (0)Uranus VII Sun 2870990 30685.00 0.77 0.05 Herschel 1781 (0)Neptune VIII Sun 4504300 60190.00 1.77 0.01 Adams(9) 1846 (0)Plut

3、o IX Sun 5913520 90550 17.15 0.25 Tombaugh 1930 (0)Moon I Earth 384 27.32 5.14 0.05 - - Luna (0)4銀河系 （千億個(gè)恒星組成）太陽：距銀河系中心2.4萬光年5Coma星系團(tuán)方向的近鄰星系的空間分布（美國為主的國際斯隆巡天）銀河系星系團(tuán)：10*（14-15）太陽質(zhì)量（一百萬億至一千萬億太陽質(zhì)量）5 兆秒差距（Mpc）銀河系：10*12 太陽質(zhì)量（一萬億太陽質(zhì)量）600 千秒差距（kpc ，pc3光年）100 Mpc宇宙結(jié)構(gòu)：它是那樣寥廓而深邃6銀河系中心：一百萬個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞黑洞吸積和星系活動(dòng)恒星運(yùn)動(dòng)

4、軌道和黑洞的質(zhì)量測量7宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和星系形成與演化 早期大爆炸第一代結(jié)構(gòu)現(xiàn)在 宇宙年齡： 0 35萬年 7億年 137億年最簡宇宙模型：1）大爆炸模型：宇宙學(xué)原理廣義相對論2）原子（重子）物質(zhì)冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)常數(shù)3）原初高斯密度漲落，功率譜為 P(k) k*alpha, (alpha 約為 1）8宇宙微波背景的溫度分布910天文學(xué)研究前沿問題以揭示宇宙暗物質(zhì)、暗能量的物理本質(zhì)和研究宇宙起源為主要目標(biāo)的觀測宇宙學(xué)研究 以研究恒星和星系的起源和演化為主要目標(biāo)的宇宙結(jié)構(gòu)形成研究 以研究黑洞的形成和黑洞的物理作用為主要目標(biāo)的天體劇烈活動(dòng)研究 以探索宇宙中生命起源為主要目標(biāo)的行星和行星系統(tǒng)的搜尋和研究

5、11美國天文天體物理十年規(guī)劃優(yōu)先科學(xué)目標(biāo)searching for the first stars, galaxies, and black holes （尋找第一代恒星、星系和黑洞）; seeking nearby habitable planets（尋找可居住行星）; advancing understanding of the fundamental physics of the universe （推進(jìn)對宇宙基本物理的了解）12近鄰星系的性質(zhì)13基本天文測量照相（圖像；photometry）觀測：尋找天體以及（某一波段）亮度光譜（spectrum）觀測：物質(zhì)成分、譜線移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)速度）和

6、宇宙學(xué)紅移（距離）14照相和光譜例1516171819星系形態(tài)的分類(Hubble)E,S0,S,S-Bar,Irr.201億個(gè)星系的照像圖像；100萬個(gè)星系的光譜SDSS巡天21斯隆巡天的一般星系（r17.7)和亮紅星系分布(Blanton and SDSS)22光譜：SED （Spectral Energy Distribution)+譜線-豐富信息23星系物理性質(zhì)的定量描述星系尺度r50：half-light radius; r90星系顏色，如 g-r星系分布形狀：Sersic profile 星系恒星質(zhì)量 M *; 光度 Mr星系年齡：t ；D4000 星系速度彌散星系的重元素含量 （

7、metallicity 光譜類型；星系形態(tài)24252627282930313233星系物理性質(zhì)總結(jié)顏色分布，年齡分布呈現(xiàn)雙模；速度彌散（旋轉(zhuǎn)速度）、質(zhì)量（光度）、星系尺度等存在相關(guān)關(guān)系 （Tully-Fisher, Faber-Jackson)；質(zhì)量大的星系年齡較大（D4000），顏色越紅；質(zhì)量小的星系，接近漩渦星系（n=1）；質(zhì)量大的星系，接近橢圓星系（n=4）34星系的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)光度函數(shù)：單位體積單位光度間隔內(nèi)的星系數(shù)目 質(zhì)量函數(shù)：單位體積單位質(zhì)量間隔內(nèi)的星系數(shù)目 某一性質(zhì)星系的光度函數(shù)，質(zhì)量函數(shù)：反映一定性質(zhì)的星系數(shù)目353637與大尺度結(jié)構(gòu)環(huán)境的關(guān)系3839404142Two-point

8、 Correlation Function (r12)dP=n21+(r12)dv1dv243Redshift two-point correlation functions(Li, Cheng, JYP, Kauffmann, G., S.D.M. White, G. Boerner, F.Z. Cheng, astroph/0509874; 0509873)紅移空間的星系兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)（李成等）44Luminosity dependence of the bias (r_p=2.7 Mpc/h)Stellar mass dependence Li, et al 2005a,b星系成團(tuán)的幅度，

9、即偏袒因子b，隨光度（上圖）和恒星質(zhì)量（下圖）的變化。45Dependence of CF on physical properties (Li et al. 2005a,b)星系的成團(tuán)性隨顏色、光譜特征（恒星形成的歷史）和密集參量、恒星質(zhì)量面密度（星系結(jié)構(gòu)和形態(tài)）的變化46Velocity vs luminosity (Li, et al. 2005a,b)星系相對運(yùn)動(dòng)的速度彌散隨光度的變化，反映不同光度的星系的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境47黑洞與星系的共同演化黑洞吸積和星系活動(dòng)4849星系形成的理論基礎(chǔ)50宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成WMAP5年溫度分布（z1100）；密度變化1/10000數(shù)值模擬宇宙密度分

10、布（z=0); 密度變化1000倍5152星系形成的主要物理過程Gas cooling and disk galaxy formation;Galaxies falling into bigger halos with halos merges; ram pressure and tidal stripping may take away hot gas, cold gas, and even stars from satellite galaxies;Mergers of gaseous galaxies lead to starbursts; dry mergers are importa

11、nt as well; formation of E galaxiesBlack holes grow with merges and accretion;Supernova feedback and AGN feedback5354Okamoto et al. 2005, MNRAS, 363,129Formation of galactic disk depends on the formation of stars and the feedback; much more complicated than the conventional disk formation scenario i

12、n which disk is related to the spin of total gas within the host halo5556Strangulation: hot gas strippingGravitational tidal force can remove cold gas and even part of stellar mass of a satellite galaxyWang, H.Y., Jing et al., in preparation57Hierarchical formation, galaxies falling into bigger halo

13、s, and galaxies mergeOne can understand the formation of galaxies from their environmentsOrientation of central elliptical galaxiesDownsizing evolutionColor distribution of satellite and centralsStarbursts and relation to galaxy interactionAGN activities 5859星系的60星系形成理論的研究方法解析方法：定性研究數(shù)值模擬：流（氣）體、N-體模擬，是原則上唯一可行的方法。但由于物理過程的復(fù)雜性（恒星形成，AGN，湍流，激波，輻射等），還是有實(shí)際的局限性。是當(dāng)前的工作重點(diǎn)星系形成的半解析模型：主要物理過程由解析模型+N體模擬經(jīng)驗(yàn)結(jié)論+觀測經(jīng)驗(yàn)。半定量理論，對于理解觀測結(jié)果重要非常具有挑戰(zhàn)性61高紅移星系：星系的