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草帽星系曾经是否发生过星系大合并?

来自哈勃太空望远的令人惊讶的新观测数据表明,草帽星系圆盘光滑而稳定的“边缘”,可能掩盖了星系曾经混乱不堪的过去。

来自哈勃太空望远的令人惊讶的新观测数据表明,草帽星系圆盘光滑而稳定的“边缘”,可能掩盖了星系曾经混乱不堪的过去。哈勃望远镜巨眼的敏锐性和敏感度可以分辨出草帽星系巨大而延伸光晕中数以万计的单个恒星,这一区域位于星系中心部分之外,通常由较老的恒星组成。然而对草帽星系的最新观测颠覆了传统理论,显示出光晕中只有一小部分年龄较大的贫金属星,另外还有出人意料的丰富富金属恒星。

这些恒星通常只在星系的圆盘和中央凸起中才能找到,过去由主要星系合并是一种可能的解释,尽管草帽没有显示出近现在大质量星系合并的混乱证据。马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所(STSCI)的保罗·古德弗洛伊说:草帽星系一直是一个有点奇怪的星系,这就是它如此有趣的原因。哈勃太空望远镜的金属丰度测量(即恒星中重元素的丰度)是另一个迹象,表明草帽星系有很多关于星系组装和演化的知识可以教给我们。

哈勃太空望远镜对草帽星系晕的观测,颠覆了此前我们对星系组成和金属丰度的普遍理解。草帽星系(M104)因其明亮的美丽和奇特结构而长期受到天文学家和业余天文观察者的喜爱,现在它的奇特故事又有了新篇章:由富金属恒星组成的延伸光晕,几乎没有在其他星系光中观察到预期中的贫金属星迹象。研究人员对哈勃望远镜的数据感到困惑,所以求助于复杂的计算机模型,为传统星系理论令人费解的反转提供解释。

研究结果表明,草帽星系过去发生重大合并的可能性同样令人惊讶,尽管草帽星系的宏伟结构。没有证据表明近现在发生了合并,其不同寻常的发现和可能的解释研究成果发表在《天体物理》期刊上。贫金属星的缺少令人大吃一惊,而富含金属的恒星丰富只会增加谜团。天文学家预计,与草帽星系主盘中拥挤的恒星相比,在星系的光晕中,会发现较早一代的恒星,其重元素较少,元素是恒星“生命周期”过程中产生的:

一个星系的恒星经历这个周期时间越长,气体中的元素含量就越高,由气体形成的恒星金属度也就越高。这些年轻、高金属丰度的恒星,通常在星系的主盘上发现,那里的恒星数量更密集(至少传统观点是这样认为的)。使事实复杂化的是许多古老、金属贫乏的球状星团存在,这些年长、缺乏金属的恒星,预计最终会离开它们的星团,成为一般恒星晕的一部分,但这个过程在草帽星系似乎效率不高。

研究小组将研究结果与计算机模拟进行了比较,以找出草帽星系晕中这种出人意料的金属丰度测量来源。这一结果也超出了预期,表明草帽在数十亿年前经历了重大的吸积或合并事件。与我们银河系不同的是,银河系被认为在数十亿年的时间里,以所谓的“次要”吸积吞噬了许多小卫星星系,而主要的吸积是两个或更多质量相似星系的合并,这些星系富含较后代、金属丰度更高的恒星。

卫星系只包含低金属丰度的恒星,这些恒星主要是来自大爆炸的氢和氦。较重元素必须通过在恒星内部核合成和超新星爆炸等方式产生,并并入到下一代恒星恒星的组成成分中去。这一过程在我们银河系周围的矮小星系中相当无效,而在更大、演化更快的星系中则更为有效。草帽星系的结果令人惊讶,因为它光滑的圆盘,没有显示出被破坏的迹象。相比之下,许多有过相互作用的星系,如标志性的触角星系,由于它们相互作用的潮汐作用,其螺旋臂的扭曲外观而得名。

类似质量星系的合并,通常会合并成具有延长光晕的光滑大椭圆形星系,而这一过程需要数十亿年时间。但是,无论是螺旋星系还是椭圆形星系的传统定义,草帽星系都不太符合。而草帽星系则介于两者之间,趋于混合,对于这个特殊的研究项目,研究小组选择了草帽星系,主要是因为它独特的形态。想找出这样的“混合”星系,是如何随着时间的推移而形成和聚集的。关于星系晕金属丰度分布的后续研究,将对几个距离与草帽星系相似的星系进行。

研究小组期待着未来的天文台,继续对草帽星系意想不到的特性进行观测。比如宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)的视场是哈勃望远镜的100倍,将能够捕捉到星系晕的连续图像,同时在红外光中能捕捉到更多的恒星,还有詹姆斯·韦伯太空望远镜也将因其类似哈勃望远镜的分辨率和更深红外灵敏度而更加有价值。

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