像银河系一样的巨型星系通过合并形成的大量例子

宇宙中的巨型星系给天文学家带来了棘手的问题。 星系不知何故变大了,唯一能形成星系巨人的可能是其他星系。 因此,并购肯定发挥了重要作用。

天文学家早就知道星系合并,但这个过程仍然是个谜。 一项基于十年工作的新研究提出了对星系合并过程的观察和直接测量,从而消除了一些谜团。

星系通过与其他星系合并而变大似乎是不言而喻的。 他们还能在哪里获得如此多的质量? 星系是宇宙中最大、质量最大、独特的结构。 星系团和星系团更大,但它们是由不同的、单独的星系组成的集体结构,这些星系相互关联但不相互作用。 对于像我们的银河系这样的巨大星系——或者我们更大的邻居仙女座星系——要变得如此巨大,它必须获得大量的质量。 唯一可用的大规模质量来源是其他星系。

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星系形成是宇宙学研究的一个活跃领域,星系合并的理论工作非常丰富。 但是观察和详细的结论已经落后了。

根据星系形成的层次模型,小的星系构建块首先形成,然后在宇宙的整个生命周期中合并成越来越大的星系。 图片来源:ESO/L。 卡尔萨达
根据星系形成的层次模型,首先形成小的星系构件,然后在宇宙的整个生命周期中合并成越来越多的巨型星系。 图片来源:ESO/L。 卡尔萨达

哈勃望远镜和其他望远镜捕捉到了许多看起来像正在合并的星系的图像。 但这里有很多东西,至少在哈勃太空望远镜的早期是这样。 古老的太空望远镜缺乏清晰地观察最遥远和最古老的星系的技术。

这张图片是哈勃太空望远镜拍摄的六个星系合并的拼贴画。 上排从左到右:NGC 3256、1614、4195 下排从左到右:NGC 3690、6052、34 - 图片来自 ESA/Hubble/NASA
这张图片是哈勃太空望远镜拍摄的六个星系合并的拼贴画。 上排从左到右:NGC 3256、1614、4195 下排从左到右:NGC 3690、6052、34 – 图片来自 ESA/Hubble/NASA

当哈勃太空望远镜开始执行任务时,它难以观察 红移星系. 哈勃仍然看到许多奇特且不规则的红移星系,但天文学家无法确定他们所看到的是真实的还是哈勃当时观测限制的结果。

不规则的形态是合并后星系的一个标志,但问题是星系可能有奇怪的形状还有另一个原因:强烈活跃的恒星形成。 强烈的恒星形成可以在银河结构中产生类似于合并后形态的结和块。 因此,在 1990 年代初期,在哈勃望远镜范围内工作的天文学家无法确定他们看到了什么。 他们是否只看到了这些星系的活跃恒星形成区(SFR),而其余的恒星都低于检测阈值? 还是他们确实在关注合并后的星系?

由于存在如此明显的不确定性,天文学家很难对星系合并、它们的影响和普遍性做出任何明确的结论。

但是一篇基于哈勃观测的新论文——以及现代机器智能、超级计算机和神经网络——正在得出一些关于星系合并的新结论。 新论文是“一种用于分离合并和恒星形成星系的模拟驱动深度学习方法:所有 CANDELS 场中团块星系的形成历史。” 它发表在《天体物理学杂志》上。 曼彻斯特大学河外天文学教授克里斯托弗·康塞利斯领导了这项研究。

该研究部分基于 IllustrisTNG100,这是该研究中的三个大规模模拟系列之一。 插画TNG 项目。 该项目模拟了星系的形成和驱动它的过程。 TNG 项目在一些世界上最快的超级计算机上运行,​​依次包括 TNG50、TNG100 和 TNG300。 每个连续的模拟都建立在前一个模拟的基础上,并提高了分辨率。 作者认为 IllustrisTNG100 是本研究的尺寸和分辨率的正确组合。

TNG 50、TNG 100 和 TNG 300。图片:IllustrisTNG
TNG 50、TNG 100 和 TNG 300。图片:IllustrisTNG

这组研究人员需要区分正在经历强烈恒星形成的星系和最近经历过重大合并事件的星系。 这很重要,因为大型活跃的恒星形成区域看起来是块状且不规则的,就像合并后的星系一样。 尽管合并会引发恒星形成的高峰,但合并并不是唯一导致它们的原因。 在得出关于星系合并的任何结论之前,研究人员必须确保他们区分了合并后的星系和天文学家所说的“非相互作用的强烈恒星形成星系”。

这是 NGC 2623 的哈勃望远镜图像,NGC 2623 是两个螺旋星系之间的后期合并。 合并压缩两个星系中的气体,引发活跃恒星形成的峰值。 但是一些遥远的星系经历了不是由合并引发的强烈恒星形成,很难区分这两者。 图片来源:由 ESA/Hubble,CC BY 4.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63401428
这是 NGC 2623 的哈勃望远镜图像,NGC 2623 是两个螺旋星系之间的后期合并。 合并压缩两个星系中的气体,引发活跃恒星形成的峰值。 但是一些遥远的星系经历了不是由合并引发的强烈恒星形成,很难区分它们。 图片来源:由 ESA/Hubble,CC BY 4.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63401428

其他因素使得很难区分合并后的星系和非合并星系中的活跃恒星形成率。 当涉及到高度分散的旋转星系时,它们在视觉上甚至在运动学上都是相似的。 星际介质中的恒星形成率可以通过生成不对称特征来模拟合并后的星系。 因此,从其他 SFR 中解开实际的合并后星系是一项挑战,也是一个障碍 天文学家多年来一直面临.

1998 年,哈勃获得了一种名为 尼CMOS (近红外相机和多目标光谱仪。)NICMOS 允许天文学家研究高红移星系。 该仪器显示,天文学家在哈勃图像中看到的形状奇特的星系是奇特的,天文学家看到的不仅仅是活跃的恒星形成区域。 正如作者所写,这意味着“……这些星系中的大量恒星质量确实失去了平衡”。

部分归功于 NICMOS,天文学家得出结论,他们观察到的遥远星系在形态上是奇特的。 但仍不清楚为什么这些高红移星系如此奇怪。 天文学家正确地怀疑这与它们的形成方式有关,但这些遥远星系怎样变得如此奇特的细节仍然难以捉摸。

在这项研究中,该团队从 TNG100 拍摄了 160,000 张星系合并的模拟图像,这些图像与哈勃拍摄的类似。 他们开发了一种强大的机器学习工具,在 80% 的时间内成功地将合并后的星系与 IllustrisTNG 中的恒星形成星系区分开来。 实际上,他们构建了机器学习工具,然后对其进行了训练。 他们 80% 的成功率与之前的努力相比有了显着提高。 将合并后的星系与强烈的恒星形成星系区分开来是一项挑战,但研究人员希望克服这一障碍。 “我们在本文中的任务是仅通过使用它们的形态和结构来正确区分合并和恒星形成的星系,”他们写道。

我们已经习惯了华丽的哈勃星系图像,但这并不是科学数据的组成部分。 研究中的这张图显示了数据中的一些星系图像。 左边是研究中确定的一些合并后的星系,右边是恒星形成的星系。 每一个都显示了它的红移和恒星质量。 图片来源:Conselice 等人。  2022 年。
我们已经习惯了华丽的哈勃星系图像,但这并不是科学数据的组成部分。 研究中的这张图显示了数据中的一些星系图像。 左边是研究中确定的一些合并后的星系,右边是恒星形成的星系。 每一个都显示了它的红移和恒星质量。 图片来源:Conselice 等人。 2022 年。

其他研究人员也研究过同样的问题,这项研究建立在 以前的研究. 这些相同的作者中的许多人在早期的论文上合作解决了同样的问题。 因此,这项工作是理解星系合并的努力的延续,也是对之前方法的改进。

在论文的结论中,研究人员写道:“我们的机器学习驱动方法提供了一种新方法,可以通过宇宙学模拟得出的模型来研究星系的形成历史。” 虽然他们取得了进展并克服了一些限制,但他们也指出了一些仍然存在的限制。 “尽管如此,由于模拟的分辨率限制和观测的质量完整性,目前我们仍然局限于大规模的重大合并案例。” 如果观察结果偏向于大质量合并,那么结论可能也会出现同样的偏差。


与许多天文学、天体物理学和宇宙学主题一样,詹姆斯韦伯太空望远镜也准备做出贡献。 作者说,詹姆斯韦伯和 欧几里得 太空望远镜“……将打开一个新窗口,以纳入小型合并和低质量系统的影响。 总之,这将代表朝着揭示有关星系演化的未解决问题迈出的重要一步。”

新的研究表明,星系合并是星系演化中最主要的过程之一。 根据这项研究,在过去的 100 亿年中,大质量星系平均经历了 3 次独立的合并,而这些合并使原始星系的质量增加了一倍以上。

那么,这对我们刚刚起步的地球文明有什么意义呢? 银河系是我们的家,它是一个巨大的星系。 无论这项研究对巨型星系说了什么,它也说明了我们的环境。

银河系正在走向合并。 数十亿年后,我们的银河系将与仙女座星系碰撞并合并。 事实上,这两个星系晕可能已经在相互作用。 结果将是一个巨大的星系,其中包含超过一万亿颗恒星。

但银河系过去也有合并,它们可能在人类的存在中发挥了作用。

“这也表明,我们自己的银河系在其历史上可能至少经历了一次重大合并,这从根本上改变了它的形状和形成历史,”康塞利斯教授说。 “合并,例如本研究中的合并,触发了恒星的形成,这可能是包括我们自己的太阳在内的恒星怎样形成的起源事件,并为中心黑洞的生长提供了物质。”

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