Ma N GA:绘制星系的二维光谱

□ 上海天文台 林琳 袁方婷

Ma N GA:绘制星系的二维光谱

□ 上海天文台 林琳 袁方婷

阿帕奇波因特天文台（Apache Point Observatory，简称APO）的斯隆望远镜所开展的斯隆数字化巡天（SDSS）可谓迄今为止最成功的大规模巡天之一。MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）是SDSS第四期中的一个全新项目，该项目通过引入积分视场单元（Integral Field Unit，简称IFU）设备来观测邻近星系，以研究星系的结构和演化。

光谱观测是天文学研究中的一个重要手段。遥远天体发出的辐射经过色散系统（棱镜、光栅）分光后，将被色散开的单色光按波长（或频率）大小依次排列出来，即为一条一维光谱。星系是一个巨大的引力束缚系统，包含了数亿颗恒星，还有尘埃和气体，远比我们想象中复杂。椭圆星系和旋涡星系是星系分类中的两大类别。典型的椭圆星系由年老恒星主导（K、M型恒星），光谱中包含丰富的金属吸收线；而典型的旋涡星系中有丰富的气体，其中正在进行着恒星的形成，年轻的大质量恒星电离着周围的气体，产生明显的发射线特征（见手绘图左下方）。

传统光纤光谱仪一次只对一个星系放置一条光纤，采集一条光谱。用一条光谱表征一个星系，其实并不能很好地还原星系本来的样貌。近几年来技术的飞速发展，使得人们可以利用I F U设备覆盖目标星系，对星系的不同位置同时做光谱观测，得到星系各个区域的光谱，更加精细地研究星系的二维结构。

下图左侧显示了M a N G A项目中所使用的包含127根光纤的I F U，每根光纤直径为120微米（对应天空上张角为2角秒）。127根光纤束用金属外壳包裹成一个元件束（b u n d l e），这个元件束可以方便地插在S D S S面板上（下图右侧所示）。M a N G A项目使用了不同大小的元件束，一个小的元件束只包含19根光纤，最大的则有127根光纤，可以覆盖直径在12角秒至32角秒范围内的不同大小的星系。

目前，I F U观测已经从对单个源的观测发展到了巡天的模式，可以完成大样本观测以得到统计上的结果。之前的项目有S A U R O N1及A T L A S3D2，这两个项目主要关注近邻的早型星系中心区域的动力学研究；C A L I F A3选取了600个大小为1角分左右的星系样本，目前已释放了300个星系的数据。M a N G A4计划完成6000个近邻星系观测，样本红移中值为0.02。S A M I5计划完成3000个星系观测，样本红移中值为0.05，已释放107个星系观测数据。

二维光谱是研究星系结构与演化的有力工具，它有望完成一维光谱无法达到的科学目标。MaNGA项目试图探究的科学问题包括：

1.气体吸积是如何驱动星系增长的？

2.在星系形成核球或者成长为椭圆星系的过程中，星系中的恒星、星系间的并合作用以及星系自身的不稳定性，到底扮演了怎样的角色？什么条件下恒星形成会停止？在星系群或星系团中的恒星形成会受到怎样的外部作用？

3.在星系形成过程中，在重子物质和非重子物质之间，角动量如何分布？

4.

5.星系中不同大小的质量团块如何集合起来并相互影响？

M a N G A项目将为科学家们提供一个可用于以上研究的统计样本。M a N G A选择不同质量且均匀分布的星系样本，每个星系经过3小时曝光，可以达到在1.5倍有效半径处单个像元的信噪比大于5。

下图显示了M a N G A在试观测阶段拍摄并分析的一个星系U G C 5124，从左到右分别为S D S S三色合成图、星系中的气体密度分布、气体速度场分布、恒星年龄分布以及恒星视向速度分布。我们可以看出，星系中不同位置的物理状态大不相同，气体和恒星在星系中心聚集，盘星系正在转动，一侧朝向我们，一侧远离我们。通过对星系不同位置的光谱分析，不仅可以得到星系内部的速度分布，还可以得到恒星年龄、金属丰度、尘埃消光的分布。年老恒星主要聚集在星系中心，恒星形成及其产生的金属元素聚集在旋臂上，尘埃聚集在旋臂内侧。这些物理量在星系中的分布取决于星系动力学和星系的具体演化过程。

手绘图中左半部分，象征我们可以利用I F U光纤束钻到星系的肚子里面，把星系中发生的事情看得清清楚楚。左侧最下方E、S，分别代表椭圆星系和旋涡星系的典型光谱：由年老星族主导，或由年轻星族和气体发射线主导。两个箭头将左侧（观测数据、手段）和右侧（数据分析得到的星系性质的二维分布图像）联系起来，说明了这些科学问题可以通过观测数据与科学分析得到解答。

这是手绘图右下角示意图对应的实际观测案例。本图中右侧四个方框分别表示气体密度分布（中心密度高，周围密度低）、气体旋转速度分布（蓝色表示朝向我们运动，红色表示远离我们运动）、恒星星族年龄分布（中心颜色越深表示年龄越老）以及恒星旋转速度分布（红色表示远离我们，蓝色表示朝向我们运动）。

MaNGA项目的观测已经从2014年秋季开始，将一直持续到2020年春季。让我们一起期待MaNGA的二维光谱观测在未来几年内带给我们的惊喜吧！

注：本文的手绘图是2014年7月在上海天文台举行的第三届青年天文论坛上的海报作品。更多信息可参阅：http://yastro. csp.escience.cn/dct/page/70013。图片作者：林琳、袁方婷、罗文涛。后期：李瑞文。

1. SAURON (Spectrographic Areal Unit for Research on Optical Nebulae) http://www.strw.leidenuniv.nl/sauron/

2. ATLAS3Dhttp://www-astro.physics.ox.ac.uk/atlas3d/

3. CALIFA (The Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey) http://califa.caha.es/

4. MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at APO) https://www.sdss3.org/future/manga.php

5. SAMI (Sydney-Australian-Astronomical-Observatory Multi-object Integral-Field Spectrograph) http://sami-survey.org/