星系形成和演化

斯隆巡天的一般星系（r<17.7)和亮红星系 分布(Blanton and SDSS)
光谱：SED （Spectral Energy Distribution)+谱线---丰富信息
星系物理性质的定量描述
• 星系尺度r50：half-light radius; r90 • 星系颜色，如 g-r • 星系分布形状：Sersic profile • 星系恒星质量 M *; 光度 Mr • 星系年龄：t ；D4000 • 星系速度弥散 • 星系的重元素含量 （metallicity • 光谱类型；星系形态
• Luminosity dependence of the bias (r_p=2.7 Mpc/h)
• Stellar mass dependence
• Li, et al 2019a,b
• 星系成团的幅度，即 偏袒因子b，随光度 （上图）和恒星质量 （下图）的变化。
Dependence of CF on physical properties (Li et al. 2019a,b)
星系形成和演化
景益鹏 上海交通大学天文天体物理中心
中国科学院上海天文台
本讲内容
• 回顾：宇宙结构 • 近邻星系的主要观测性质 • 星系形成的理论基础 • 高红移星系和星系的演化
银河系 （千亿个恒星组成）
太阳：距银河系中 心2.4万光年
Coma星系团方向的近邻星系的空间分布 （美国为主的国际斯隆巡天）
近邻星系的性质
基本天文测量
• 照相（图像；photometry）观测：寻找天 体以及（某一波段）亮度
• 光谱（spectrum）观测：物质成分、谱线 移动（运动速度）和宇宙学红移（距离）
照相和光谱例
星系形态的分类(Hubble)
• E,S0,S,S-Bar,Irr…….
1亿个星系的照像图像；100万个 星系的光谱－－SDSS巡天
天文学研究前沿问题
• 以揭示宇宙暗物质、暗能量的物理本质和 研究宇宙起源为主要目标的观测宇宙学研 究
• 以研究恒星和星系的起源和演化为主要目 标的宇宙结构形成研究
• 以研究黑洞的形成和黑洞的物理作用为主 要目标的天体剧烈活动研究
• 以探索宇宙中生命起源为主要目标的行星 和行星系统的搜寻和研究
美国天文天体物理十年规划 优先科学目标
黑洞吸积和星系活动
星系形成的理论基础
宇宙大尺度结构的形成
WMAP5年温度分布（z＝ 1100）；密度变化1/10000
数值模拟宇宙密度分布（ z=0); 密度变化1000倍
星系形成的主要物理过程
• Gas cooling and disk galaxy formation; • Galaxies falling into bigger halos with halos
Redshift two-point correlation functions(Li, Cheng, JYP, Kauffmann, G., S.D.M. White, G. Boerner, F.Z. Cheng, astroph/0509874; 0509873)
相红 关移 函空 数间 （的 李星 成系 等两 ）点
星系的统计性质
• 光度函数：单位体积单位光度间隔内的星 系数目
• 质量函数：单位体积单位质量间隔内的星 系数目
• 某一性质星系的光度函数，质量函数：反 映一定性质的星系数目
来自百度文库
与大尺度结构环境的关系
Two-point Correlation Function ξ(r12)
dP=n2[1+ξ(r12)]dv1dv2
星系物理性质总结
• 颜色分布，年龄分布呈现双模； • 速度弥散（旋转速度）、质量（光度）、
星系尺度等存在相关关系 （Tully-Fisher, Faber-Jackson)； • 质量大的星系年龄较大（D4000），颜色越 红； • 质量小的星系，接近漩涡星系（n=1）；质 量大的星系，接近椭圆星系（n=4） • ……
• searching for the first stars, galaxies, and black holes （寻找第一代恒星、星系和黑 洞）;
• seeking nearby habitable planets（寻找可 居住行星）;
• advancing understanding of the fundamental physics of the universe （推 进对宇宙基本物理的了解）
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 important as well; formation of E galaxies • Black holes grow with merges and accretion; • Supernova feedback and AGN feedback
银河系
星系团：
10**（14---15）太阳 质量（一百万亿至一 千万亿太阳质量）
5 兆秒差距（Mpc）
银河系： 10**12 太阳质量（ 一万亿太阳质量） 600 千秒差距（ kpc ，pc＝3光年 ）
宇宙结构：它是那样寥 廓而深邃
银河系中心：一百万个太阳质量 的黑洞
黑洞吸积和星系活动 恒星运动轨道和黑洞的质量测量
宇宙大尺度结构和星系形成与演化
宇宙年龄：
0 早3期5万年
7亿年
137亿年
大爆炸
第一代 结构
现在
最简宇宙模型：
1）大爆炸模型：宇宙学原理＋广义相对论
2）原子（重子）物质＋冷暗物质＋宇宙学常数
3）原初高斯密度涨落，功率谱为 P(k) k**alpha, (alpha 约为 1）
宇宙微波背景的温度分布
结参征星 构量（系 和、恒的 形恒星成 态星形团 ）质成性 的量的随 变面历颜 化密史色
度）、 （和光 星密谱 系集特
Velocity vs luminosity (Li, et al. 2019a,b)
构的化度星 环星，弥系 境系反散相
的映随对 暗不光运 物同度动 质光的的 结度变速
黑洞与星系的共同演化