浩瀚的宇宙中，分佈著數以億計的星系，它們形態各異，有著各自獨特的生命軌跡。有的星系在漫長的時光中呼朋引伴，多次與其他星系合併融合而形成更大質量的星系；有的星系在歷經滄桑後投入星系群或者星系團大家庭的懷抱；有的星系則踽踽獨行，在獨屬於自己的角落感受歲月變遷。星系的不同演化路徑對於星系最終呈現的性質有著深遠影響，因此透過對星系現今性質的分析，能夠幫助理解星系形成與演化的過程。
與最初利用單色影象或者多色成像研究星系性質相比，光譜提供了更為豐富的資訊，透過光譜分析可以得到星系的諸如恆星年齡、恆星形成率、化學丰度、氣體組分、速度、速度彌散等一系列性質。2000年開始的斯隆數字化巡天專案（Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS）提供了近鄰宇宙上百萬個星系的光學光譜，對於星系性質的系統性研究提供了大樣本資料。
但是，SDSS所提供的是單光纖光譜資料，單光纖光譜是指將望遠鏡對準星系的中心區域並透過單根光纖把望遠鏡收集到的星光傳輸到光譜儀上進行色散得到的光譜，因此SDSS光譜所提取出來的資訊反映的僅僅是星系中心區域的性質（見圖1）。我們知道，星系是內外不同的結構組成的，從最中心的超大質量黑洞和由超大質量黑洞驅動的活動星系核，到接近中心的核球和棒，再到外圍的盤及旋臂，不同的結構有著不同的星族成分和動力學性質。正所謂“管中窺豹，只見一斑”，如果只有星系中心區域的光譜，那麼對於星系的研究如同盲人摸象，得到的結論將是不全面的。
圖1. MaNGA星系11835-12705的SDSS影象，左圖中紅色方塊表示SDSS單光纖光譜區域，星系的大部分割槽域沒有相應的光譜資訊，右圖中正六邊形為MaNGA視場範圍，覆蓋了星系的大部分割槽域（圖源：SDSS網站）
為了能夠全面瞭解單個星系不同區域的性質，在斯隆數字化巡天第四期（SDSS-IV）中，MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）專案利用積分視場光譜（Integral Field Spectroscopy）的觀測技術對一萬個近鄰星系進行了觀測（見圖2）。積分視場光譜在二維的視場裡對每一個成像單元都獲得對應的一維光譜資訊，相當於在影象資訊的基礎上直接增加了一個波長維度的資訊，得到所謂的資料立方。資料立方提供了一維光譜的空間分佈資訊，進而提供了由光譜分析得到的星族成分及動力學性質的空間分佈（見圖3）。與以往的SDSS單光纖光譜相比，積分視場光譜既能覆蓋更大的空間範圍，又能區分星系不同區域的性質差異，得到更加豐富的資訊。以圖3為例，展示了MaNGA積分視場光譜得到的星系性質二維分佈，如果從SDSS單光纖光譜來分析這個星系，看到的僅僅是恆星形成率較高、恆星年齡較老的中心區域，既看不到在外圍旋臂上分佈的高恆星形成率區域，也看不到外圍較為年輕的星族，對於理解星系恆星形成過程有所限制。如果說SDSS的大樣本單光纖光譜巡天是從宏觀角度對近鄰星系的“健康狀況普查”，那麼MaNGA的積分視場光譜則是在微觀角度對近鄰星系的代表進行了“全面體檢”，後者從另外一個視角大大加深人們對於星系形成演化的理解。
圖2. 左圖是MaNGA積分視場光譜示意圖，下方是由多根光纖組成的光纖束，一個光纖束可以同時得到一個星系不同區域的光譜；右圖展示MaNGA視場覆蓋的範圍，每個圓圈對應一根光纖的位置（圖源：MaNGA官網）
圖3. MaNGA積分視場光譜得到的星系性質分佈。從左往右分別為SDSS影象（圖中紫色六邊形代表MaNGA的視場）、Hα輻射（反映恆星形成率）、氣體速度、恆星速度、D4000（反映恆星年齡）（圖源：MaNGA官網）
MaNGA專案為期6年（2014-2020），利用位於阿帕奇山頂天文臺的2.5米望遠鏡對近鄰宇宙（平均紅移0.03）大約10000個星系進行了積分視場光譜的觀測。MaNGA星系樣本的恆星質量大約在109太陽質量到1012太陽質量之間呈均勻分佈，沒有對星系傾角、所處環境、星系形態等性質做篩選，因此MaNGA的星系樣本能夠接近無偏的代表近鄰星系。同時，MaNGA的視場覆蓋了樣本星系至少1.5倍的半光度半徑的範圍，其中三分之一的星系能達到2.5倍的半光度半徑，能夠對星系大部分割槽域進行光譜分析。與其他較早或者同期的積分視場光譜專案（SAURON、ATLAS3D、CALIFA、SAMI等）相比，MaNGA的星系樣本數大大增加，從72（SAURON）、260（ATLAS3D）、600（CALIFA）、3000（SAMI）增加到10000，意味著MaNGA不但能夠準確全面地刻畫每一個星系的性質，也能提供足夠多的樣本進行統計性分析。
在日常生活中，體重的測量是體檢裡一個必不可少的專案，對於星系同樣如此甚至更加重要，用MaNGA對近鄰星系做“全面體檢”自然也少不了星系的“體重增長”這一專案。MaNGA巡天專案的一個重要結果是對星系中恆星形成歷史及其“熄滅”機制的研究。所謂恆星形成歷史指的是星系中恆星形成速率隨時間的變化，當星系中有大量冷氣體時，質量超過金斯質量的氣體團塊就會坍縮形成恆星，這時星系透過大量新恆星的形成處於質量快速增長的階段；當星系中的冷氣體逐漸消耗，恆星形成率就會降低甚至停止，成為一個幾乎沒有恆星形成的“熄滅”星系。恆星作為星系的基本組成成分，恆星形成歷史很大程度上反映了星系的“體重增長史”，儘管星系的“體重增長”還可以透過合併其他星系的方式，研究恆星形成歷史及其“熄滅”機制仍然是理解星系演化的重要環節。
許多機制能夠降低星系的恆星形成率乃至使其“熄滅”，主要原理是透過影響星系內冷氣體的含量來調節恆星形成率，冷氣體作為“食物”提供了星系“體重增長”的物質來源，當“食物”不足時星系的“體重增長”就會逐漸變緩乃至停止。目前星系的“熄滅”機制主要分為“自內向外”（inside-out）和“自外向內”（outside-in）兩種模式，“自內向外”熄滅機制包括活動星系核的反饋作用移除星系中心氣體、核球質量增長消耗星系中心氣體等等，“自外向內”熄滅機制包括星系受到其他星系的潮汐剝離而失去氣體，星系在介質中運動時因為衝壓剝離（ram pressure）作用下失去外圍氣體、星系無法吸積冷氣體“窒息而亡”（strangulation）等等。可以說，星系“控制體重”的兩個方式是“少吃”（不從外界補充冷氣體）和“多動”（透過氣體外流或者剝離作用移除自身已有的冷氣體）。透過MaNGA積分視場光譜得到的D4000徑向分佈，可以發現大部分MaNGA星系中心的恆星年齡更老，處於“自內向外”的“熄滅”過程（見圖4）。
圖4. MaNGA星系中D4000的分佈反映了星系“自內向外”的熄滅機制。左圖是D4000徑向梯度和中心D4000的關係，右圖是1.5倍半光度半徑處D4000和中心D4000的關係。藍色的點代表有大量恆星形成的星系，綠色的點代表部分割槽域恆星形成停止的星系，紅色的點代表完全“熄滅”的星系。（圖源：Wang et al. 2018）
MaNGA專案的另一個研究亮點是對星系內部運動的觀測，在SDSS前期的觀測中，星系的內部運動資訊僅透過一根光纖拍攝的光譜獲得，觀測者只能獲得星系內部恆星隨機運動的資訊，卻無法瞭解星系內部恆星整體轉動的資訊。而在MaNGA專案中，觀測者可以獲得一個星系在不同位置處的視向速度，從而全面瞭解星系的內部運動（見圖5）。利用這些觀測資料，科學家就可以計算星系內部的引力是如何分佈的，進而瞭解星系的物質構成，瞭解星系內部發光的恆星和不發光的暗物質在空間上的分佈狀況【5】。
圖5. 三個MaNGA星系的影象（左）、恆星速度（中）和恆星速度彌散（右）。（圖源：SDSS Marvin）
MaNGA專案的觀測已於2020年落下帷幕，它的所有資料也於2021年12月向全世界全面開放。在過去六年的時間裡，MaNGA在研究星系的形成與演化方面取得了豐碩的成果，這其中，來自中國科研機構（包括國家天文臺、清華大學、上海天文臺、南京大學等在內）的研究者們做出了重要的貢獻，承擔了其中三分之一的課題。雖然MaNGA專案已經結束，但是它所留下的資料仍然有著巨大的潛力，我們期待著全世界的天文學家們在其中挖掘出更多的寶藏，加深我們對星系形成與演化的理解。
參考資料：
【1】https://www.sdss.org/surveys/manga
【2】Bundy, K. et al. 2015, ApJ ,798,7
【3】https://arxiv.org/abs/2112.02026
【4】Wang, Enci et al. 2018, ApJ,856,137
【5】Li, Ran et al. 2019, 490, 2124
作者簡介：朱凱，中國科學院國家天文臺在讀博士生，主要研究方向為利用積分視場光譜資料對星系進行動力學及星族性質的研究。
文稿編輯：趙宇豪
來源： 光明網
