星系化学演化－从高红移吸收体星系到近邻盘状星系

本项目以处于不同演化阶段的本地星系、近邻盘状星系、低红移星系及高红移吸收体星系（DLAs）为研究对象，通过建立统一的星系化学演化理论模型，研究盘状星系的化学组成、结构和演化，从整体上认识宇宙学时标上的恒星形成和化学演化历史。项目分三个主要内容，一是基于本地三个盘状星系：银河系、M31和M33的观测特征，建立统一的化学演化模型来解释其共性和个性；二是基于近邻盘状星系和低红移星系大样本巡天数据统计研究盘状星系的各种特征关系，如颜色梯度、颜色－星等、质量－金属丰度等，为星系化学演化模型提供普适的观测约束；三是对高红移DLAs星系的元素丰度进行统计分析，结合本地星系、近邻盘状星系以及低红移星系数据，分析DLAs星系与现今星系之间的演化关系，探索DLAs星系究竟是否是现今星系的前身星系这样的重要问题。

银河系是星系形成和演化研究的“模板”，但其本身仍有许多观测特性亟待深入探索与解释。而近年来M31 和M33 的观测数据也越来越多，系统地比较这三个盘状星系的整体观测特征不仅可能，而且越发重要。这对我们理解它们的共性和个体差异，建立合理的盘状星系化学演化模型、深入理解盘状星系恒星形成历史的一般规律都极具重要价值。我们基于统一的化学演化模型，详细比较研究了银河系，M31和M33观测特征和恒星形成历史。研究标明，尽管这三个盘状星系的大部分观测特征可以用从内到外的内容机制来解释，他们的气体内落性质，恒星形成历史有较大差别。长期演化（secular evolution）是银河系演化的一个典型特征。M31在演化过程中必然经历过某种形式的相互作用或者并合过程。M33星系是一个小质量富气体的盘状星系，外流（outflow）在演化过程中起重要作用。..近年来，以SDSS为代表的大样本巡天项目提供了海量的近邻星系多波段数据，可以建立更明确的近邻盘状星系统计特征，如盘状星系的颜色－星等关系、质量－金属丰度关系等，它们为盘状星系化学演化模型提供了重要的观测约束。我们基于SDSS巡天数据，统计研究了盘状星系的各种特征关系，尤其是星系颜色梯度和整体参量的关系，盘状星系的TF关系在不同波段的形态依赖特征等。研究发现盘的颜色梯度与盘的面亮度存在非常显著的相关关系，这可能是盘状星系整体结构参数中唯一内禀的相关关系。..在宇宙学时标上，包括盘状星系在内的近邻星系是如何从宇宙早期演化而来的仍然是一个未解之谜。高红移吸收体星系的化学元素丰度观测为回答这一难题提供了至关重要的线索。我们细致梳理了近250个高红移吸收线星系（DLAs）的丰度观测数据，包括从C到Zn共16种元素的观测丰度，是到目前为止最大的，最具有统计意义的DLA元素丰度样本。基于化学演化理论，深入讨论了高红移吸收线星系DLAs与本地近邻星系，包括矮星系，不规则星系，旋涡星系等的相互关系。通过比较不规则矮星系和蓝致密矮星系与DLAs的丰度特征，我们的化学演化模型表明DLAs可以是这类星系的前身星系。同时，我们在假设DLAs宿主星系为盘状星系的情况下，通过考虑分子氢和原子氢的转换特征，以及物质外流，我们的盘状星系模型可以重现DLAs中观测到的原子氢柱密度和金属丰度之间的反相关特征。这表明在红移为3的DLAs星系也可能是现今盘状星系的前身星系。