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在浩瀚的宇宙中，有亿万个星系，它们形态各异，有着自己独特的生命轨迹。 有些星系长期以来一直是朋友和伙伴光纤光谱仪报价，并多次与其他星系合并，形成更大质量的星系； 一些星系在历经沧桑后，被星系群或星系团家族所拥抱； 一个人走，在自己的角落感受时光的变迁。 星系不同的演化路径对星系的最终性质有着深远的影响。 因此，分析星系的当前性质有助于了解星系形成和演化的过程。

与最初使用单色图像或多色成像来研究星系的性质相比，光谱提供了更丰富的信息，例如恒星年龄、恒星形成率、化学丰度、气体成分、速度、速度色散等一系列性质。 2000年启动的斯隆数字巡天（SDSS）提供了附近宇宙中数百万个星系的光谱，为系统研究星系的性质提供了大样本数据。

但是，SDSS提供的是单纤频谱数据。 单纤光谱是指将望远镜对准星系中心区域，将望远镜收集到的星光通过单根光纤传输到光谱仪进行色散而得到的光谱。 因此，SDSS光谱中提取的信息只反映了星系中心区域的性质（见图1）。 我们知道，星系由内外不同的结构组成，从中心的超大质量黑洞和超大质量黑洞驱动的活动星系核，到靠近中心的核球和棒状结构，再到外盘和旋臂，不同的结构具有不同的星族组成和动力学特性。 俗话说“管中窥豹光纤光谱仪报价，只见一斑”，如果只有星系中心区域的光谱，那么研究星系就如同瞎子一般的感觉大象，得出的结论是不全面的。

图 1. MaNGA 星系 11835-12705 的 SDSS 图像。 左图中的红色方块代表SDSS单纤光谱区域。 大多数星系没有相应的光谱信息。 右图中的正六边形是MaNGA的视野范围，覆盖了星系的大部分区域（来源：SDSS网站）

为了全面了解单个星系不同区域的特性，在第四阶段的斯隆数字巡天（SDSS-IV）中，MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO）项目使用了积分场光谱（Integral Field Spectroscopy ) 观测技术分析 对近万个星系进行了观测（见图2）。 积分视场光谱为二维视场中的每个成像单元得到对应的一维光谱信息，相当于直接在图像信息上加上一个波长维度的信息，得到所谓的数据立方体. 数据立方体提供一维光谱的空间分布信息，进而提供光谱分析得到的星族组成和动力学性质的空间分布（见图3）。 与以往的SDSS单光纤光谱相比，集成视场光谱不仅可以覆盖更大的空间范围，还可以区分星系不同区域的性质差异，获得更丰富的信息。 以图3为例，它展示了通过MaNGA积分视场谱得到的星系属性的二维分布。 如果我们从SDSS单纤维光谱分析这个星系，我们只能看到中心区域恒星形成率更高，恒星更老。 ，既看不到分布在外旋臂上的高恒星形成率区域，也看不到外围较年轻的星族，限制了对星系恒星形成过程的认识。 如果说SDSS的大样本单光纤光谱巡天是宏观上对邻近星系的“健康普查”，那么MaNGA的积分视场光谱则是微观上对邻近星系代表的“全面体检”。 从另一个角度来说，它极大地加深了人们对星系形成和演化的认识。

图2. 左图为MaNGA综合视场光谱示意图，下图为由多根光纤组成的光纤束。 一个纤维束可以同时获得一个星系不同区域的光谱； 右图为MaNGA视野覆盖范围，每个圆圈对应一根光纤的位置（来源：MaNGA官网）

图 3. 通过积分 MaNGA 的视场光谱得到的星系特性分布。 从左到右分别是SDSS影像（图中紫色六边形代表MaNGA的视场）、Hα辐射（反映恒星形成率）、气体速度、恒星速度、D4000（反映恒星年龄）（来源：MaNGA官网）

MaNGA项目历时6年（2014-2020年），利用位于阿帕奇山天文台的2.5米望远镜观测附近宇宙约10000个星系的积分视场光谱（平均红移0.03）。 MaNGA星系样本的恒星质量均匀分布在大约109个太阳质量和1012个太阳质量之间，并且没有对星系倾角、环境、星系形状等性质进行筛选，因此星系MaNGA 的样本可以代表接近无偏的星系。 同时，MaNGA的视场覆盖范围至少为样本星系半光度半径的1.5倍，其中三分之一的星系可以达到2.5倍的半光度半径，能够进行光谱分析银河系的大部分区域。 与其他早期或当代积分视场光谱项目（SAURON、ATLAS3D、CALIFA、SAMI等）相比，MaNGA中的星系样本数量大幅增加，从72个（SAURON）、260个（ATLAS3D）、600个(CALIFA)、3000 (SAMI) 增加到 10,000，这意味着 MaNGA 不仅可以准确全面地描述每个星系的性质，而且可以为统计分析提供足够的样本。

在日常生活中，体重的测量是体检中必不可少的项目。 它对星系同样重要甚至更重要。 利用MaNGA对邻近星系进行“全面体检”，自然少不了星系的“增重”项目。 MaNGA巡天项目的一项重要成果是研究了星系中恒星形成的历史及其“熄灭”机制。 所谓恒星形成史，是指星系中恒星形成率随时间的变化。 当星系中存在大量冷气体时，质量超过金斯质量的气体团块就会坍缩形成恒星。 这时，星系穿过形成大量新恒星。 处于大规模快速增长阶段； 当星系中的冷气体逐渐被消耗掉后，恒星形成速率就会降低甚至停止，成为一个几乎没有恒星形成的“熄灭”星系。 恒星是星系的基本组成部分，恒星形成的历史在很大程度上反映了星系的“重量增长历史”，虽然星系的“重量增长”也可以通过合并其他星系来研究恒星形成的历史及其“灭绝”机制仍然是理解星系演化的重要环节。

许多机制可以降低星系的恒星形成率，甚至使其“熄灭”。 主要原理是通过影响星系中冷气体的含量来调节恒星形成率。 冷气体作为“食物”，为星系“增重”提供物质来源。 当“食物”不足时，星系的“增重”就会逐渐减慢甚至停止。 目前，星系的“熄灭”机制主要分为“由内而外”和“由外而内”两种模式。 除了星系中心的气体外，核球质量的增加消耗了星系中心的气体等，“由外向内”的熄灭机制包括星系由于其他星系的潮汐剥离，以及星系在介质中运动时由于冲压的影响而失去外围气体，星系无法吸积冷气体的“绞杀”（strangulation）等。可以说这两种方式对于星系“控制体重”的方法是“少吃”（不从外界补充冷气体）和“多做”（通过气体外流或剥离的方式去除现有的冷气体）。 通过整合MaNGA视场光谱得到的D4000径向分布可以发现，大部分MaNGA星系中心的恒星年龄较大，处于由内向外“熄灭”的过程中（见图 4)。

图 4. D4000 在 MaNGA 星系中的分布反映了星系“由内而外”的灭绝机制。 左图是D4000的径向梯度与中心D4000的关系，右图是1.5倍半光半径处的D4000与中心D4000的关系。 蓝点代表有大量恒星形成的星系，绿点代表恒星形成部分停止的星系，红点代表完全“熄灭”的星系。 （来源：Wang et al. 2018）

MaNGA项目的另一个研究亮点是对星系内部运动的观测。 在早期的 SDSS 观测中，星系内部的运动信息只能通过光纤获取的光谱获得，观测者只能获得星系内部恒星随机运动的信息。 但是，无法了解星系内部恒星整体自转的信息。 在MaNGA项目中，观测者可以获得一个星系在不同位置的视向速度，从而全面了解星系的内部运动（见图5）。 利用这些观测数据，科学家们可以计算出星系内部的引力是如何分布的，进而了解星系的物质组成，了解星系中发光恒星和不发光暗物质的空间分布[5]。

图 5. 三个 MaNGA 星系（左）、恒星速度（中）和恒星速度色散（右）的图像。 （来源：SDSS 马文）

MaNGA项目的观测已于2020年告一段落，其所有数据将于2021年12月全面向世界开放。六年来，MaNGA在星系形成演化研究方面取得了丰硕成果. 其中，来自中国科研机构（包括国家天文台、清华大学、上海天文台、南京大学等）的研究人员做出了重要贡献，承担了三分之一的课题。 虽然MaNGA项目已经结束，但其留下的数据仍有很大的潜力。 我们期待全世界的天文学家在其中挖掘出更多的宝藏，加深我们对星系形成和演化的认识。

参考：

【1】

【2】Bundy, K. 等。 2015, APJ ,798,7

【3】

【4】王恩慈等。 2018, 亚太地区, 856,137

【5】李冉等。 2019, 490, 2124

作者简介：朱凯，中国科学院国家天文台博士研究生，主要研究方向为利用综合视场光谱数据研究星系动力学和星族特性。