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天文学进展 2020年第2期38卷 121-138页

作者：高扬肖婷中国科学院上海天文台星系与宇宙学重点实验室上海200030 中国科学院大学北京100049 中国科学院紫金山天文台射电天文重点实验室南京210034 浙江大学物理学系杭州310027

星系中气体转化为恒星的过程决定了星系的结构和演化,因此研究恒星形成最直接的原料--分子气体的含量、分子气体形成恒星的规律以及会受哪些物理机制的影响,对于理解星系的形成和演化具有重要意义。近年来,随着观测技术和设备(尤其是射... 详细信息

星系中气体转化为恒星的过程决定了星系的结构和演化,因此研究恒星形成最直接的原料--分子气体的含量、分子气体形成恒星的规律以及会受哪些物理机制的影响,对于理解星系的形成和演化具有重要意义。近年来,随着观测技术和设备(尤其是射电望远镜)的发展,天文学家可以在不同尺度上探测到越来越多星系的多种分子多种能级跃迁的谱线。首先,介绍了探测分子气体的多种方法和新的发现;然后基于CO巡天数据和致密分子气体数据,分别在统计上讨论了分子气体分布及分子气体含量与恒星形成率之间的紧密关系,并与小尺度上的恒星形成理论进行了比较;最后,结合影响星系演化的物理过程,讨论活动星系核、星系形态以及星系所处环境对分子气体的影响。

关键词：星系形成和演化星际介质恒星形成分子气体星系形态

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在本星系群和高红移宇宙中检验星系形成模型

在本星系群和高红移宇宙中检验星系形成模型

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作者：李柯檬吉林大学

学位级别：博士

当前的星系形成与演化模型,在解释大尺度星系分布和近域宇宙星系性质的观测数据上,都取得了重大成功。但在解释本星系群和高红移星系性质等观测上,模型依然存在很多问题。本文对在近域宇宙,以及高红移宇宙中当前观测与模型存在较大分歧... 详细信息

当前的星系形成与演化模型,在解释大尺度星系分布和近域宇宙星系性质的观测数据上,都取得了重大成功。但在解释本星系群和高红移星系性质等观测上,模型依然存在很多问题。本文对在近域宇宙,以及高红移宇宙中当前观测与模型存在较大分歧的几个问题进行了深入研究,试图找出分歧的原因(第三和第四章),进而完善星系形成模型(第五章)。本文的工作的内容为:在近域宇宙中,观测到的银河系伴星系性质与理论预测存在较大差异,这引发了诸如“伴星系缺失”、“伴星系空间分布各向异性”等问题,对标准宇宙学模型和星系形成模型都产生了重大挑战。在解决这些问题的方案中,本星系群环境的因素,即MW-M31成对存在的影响一直没有被考虑。在本论文的第一个工作中,我们使用宇宙学N体模拟MS、MS-II以及L-Galaxies星系形成模型,对该问题进行了详细研究。我们发现,当处于类似本星系群的MW-M31环境时,成对暗晕的子结构丰度有5%-15%的超出,该超出随着子结构质量的增大而增大。通过计算潮汐张量,得到暗晕周围的宇宙网环境和潮汐场各向异性,我们发现成对暗晕所处环境较为各向同性,这可能是成对暗晕中子结构丰度超出的原因。我们还发现M31的存在虽然对MW伴星系的空间分布的厚度没有显著影响,但会让伴星系倾向于沿着成对暗晕之间的连线分布。研究结果表明在我们比较模型预测的银河系的伴星系属性和观测数据时,与银河系成对存在的M31的影响不可忽略,特别是对银河系伴星系的丰度以及其空间分布的影响。在高红移宇宙中,高红星星系性质是检验星系形成模型的有力工具。2018年《自然》的两篇文章,分别报道发现了一个高红移上的大质量并合星系和一个高红移的高密度原星系团系统,但是当前星系模型都无法清晰地解释这些发现。在第二个工作中,我们利用在高红移表现优异的半解析星系模型MS-W7,通过研究大质量星系的并合历史,尝试解释这些观测。我们发现模型预测的星系并合率与现有观测数据一致,且高红移的星系并合,是以包含大量冷气体的富气体并合为主。我们还发现模型可以复现观测的大质量并合星系和高密度星系系统,但是其发现率仅为0.07%和0.3%。高红移星系并合过程中大量冷气体的存在,解释了这些观测的星系中的高恒星形成率。此外,我们发现在模型描述的星系并合图像下,依赖并合生长的黑洞生长模型,无法产生观测的高红移超大质量黑洞,这表明需要对高红移黑洞的质量进行更准确的估计,或者对高红移黑洞的生长模式做进一步修正。最后,利用詹姆斯·韦布空间望远镜的数据,我们研究了高红移星系的恒星形成率,发现模型在复现高恒星形成率星系上依然存在一定困难。通过对比观测与理论模型,我们发现高红移宇宙中,当前星系形成模型不能重现高红移黑洞生长的观测数据,这启发我们进一步研究黑洞与星系的协同演化问题。我们发现模型存在对模拟质量解析精度的依赖,对此,在第三个工作中,提出了两种解决方案。首先,我们加入基于暗晕质量的黑洞种子模型,以弥补低分辨率模拟缺少的并合,结果显示可以弥补至少50%的分辨率精度变化导致的恒星质量函数大质量端的差异。另外,我们研究了黑洞吸积的爱丁顿极限对黑洞生长和星系演化的影响,发现对于气体和中央黑洞质量达到一定条件的星系,在高红移时允许这些中央黑洞以超过爱丁顿极限的效率吸积,将可以实现黑洞在高红移的快速生长。我们发现这两种方案能很大程度缓解当前模型对解析精度的依赖,但依然无法完全解决问题,这也预示着建立一套完善的黑洞-星系共同演化模型对星系模型依然是一项重大挑战。

关键词：星系形成和演化半解析模型本星系群子结构星系并合高红移黑洞

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基于LAMOST巡天的银河系结构演化研究新进展

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科学通报 2021年第11期66卷 1346-1362页

作者：刘超中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

银河系至少是目前唯一能够获得单个恒星三维空间和运动信息的星系,这使得它成为我们得以详细研究的最重要的星系.更好地了解银河系的组成及其演化在星系天文学中起着至关重要的作用.自Hipparcos时代以来,人们开始以数以万计的恒星为样... 详细信息

银河系至少是目前唯一能够获得单个恒星三维空间和运动信息的星系,这使得它成为我们得以详细研究的最重要的星系.更好地了解银河系的组成及其演化在星系天文学中起着至关重要的作用.自Hipparcos时代以来,人们开始以数以万计的恒星为样本研究银河系,这使我们能够在太阳附近发现许多新现象.SDSS和2MASS等巡天将我们的视野扩展到银河系的更大体积,在恒星晕中发现了丰富的子结构.LAMOST巡天提供了1000多万个恒星光谱,极大地推动了我们对银河系的了解.本文综述了近年来基于LAMOST巡天观测数据开展的银河系研究新进展,特别是在银河系恒星晕的结构与演化、银河系外盘的形态与非稳态运动,以及银河系动力学质量和本地暗物质密度等方面进行了重点介绍.

关键词：银河系银河星系结构银河系运动学和动力学星系形成和演化

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引力透镜、CFHTLS宇宙剪切巡天及盘状星系的角动量

引力透镜、CFHTLS宇宙剪切巡天及盘状星系的角动量

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作者：傅莉萍上海师范大学

学位级别：硕士

本硕士学位论文由两部分组成。第一部分是关于引力透镜现象及CFHTLS 巡天对宇宙剪切的初步结果分析。根据爱因斯坦广义相对论,背景天体(如恒星、星系)所发出的光将会受到前景天体(如恒星、星系、星系团)引力场的作用而产生引力透镜现象... 详细信息

本硕士学位论文由两部分组成。第一部分是关于引力透镜现象及CFHTLS 巡天对宇宙剪切的初步结果分析。根据爱因斯坦广义相对论,背景天体(如恒星、星系)所发出的光将会受到前景天体(如恒星、星系、星系团)引力场的作用而产生引力透镜现象。由于前景天体引力场与构成场的物质状态、性质无关,引力透镜成为现代天文学研究的一种重要手段。本文较详细介绍了引力透镜的基本原理,针对不同的情况、结合目前的观测结果对强透镜、弱透镜和微透镜分别作了系统的说明。近年来随着全景相机的发展和较大天区巡天工作的成功,这为利用宇宙剪切来研究宇宙大尺度结构提供了很好的条件。本文对宇宙剪切的观测和理论研究进行了阐述,介绍了多种巡天计划,总结了引力透镜在宇宙学研究中的重要意义。不仅如此,本文对目前世界上正在进行的CFHTLS 巡天工作以及其中关于宇宙剪切的巡天进行了全面的介绍,结合目前正在进行的CFHTLS 巡天结果,对宇宙剪切信号进行了初步的分析。结果表明,部分CFHTLS 巡天已经能够探测到宇宙剪切的信号。结合数值模拟结果可知CFHTLS 宽巡天对宇宙学常数的限定将比其他巡天的结果更好。目前星系形成理论中,盘状星系被认为是由暗晕中的重子物质冷却并坍缩而成。在这一演化图像中,重子物质的角动量及其分布起着关键的作用,直接决定了盘状星系的结构。尽管标准的星系形成理论能够成功地解释盘状星系的大量观测性质,然而在此框架下建立的盘状星系形成和演化的各种解析、半解析模型及数值模拟中,出现了一系列与角动量有关的问题。其中包括角动量灾变(angularmomentum catastrophe)及角动量分布不匹配(mismatch of angular-momentumprofile)等,它们对星系形成的标准图像提出了严峻的挑战。在论文的第二部分,我们详细总结了目前盘状星系的两类主要的角动量问题,并对可能的解决机制进行了分析。由于在高红移时宇宙中具有很高的恒星形成率和很多的活动星系核(AGNs),宇宙背景的UV 辐射场很强,星系形成区域的星系际介质应会被预加热到某个高

关键词：天体物理引力透镜 CFHTLS巡天星系形成和演化角动量预加热

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现代宇宙学中的数值模拟技术和应用

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中国科学：物理学、力学、天文学 2013年第6期43卷 687-707页

作者：冯珑珑朱维善中国科学院紫金山天文台南京210008 南京大学天文与空间科学学院南京210093 教育部现代天文与天体物理重点实验室南京210093

宇宙尺度上物理过程的多样性和高度非线性使数值模拟成为现代宇宙学必不可少的研究手段,它不仅可以细致追踪宇宙结构的形成和演化历史,同时也为观测和理论模型的检验建立了一个桥梁.本文将总结计算宇宙学领域技术方法的最新发展,包括无... 详细信息

宇宙尺度上物理过程的多样性和高度非线性使数值模拟成为现代宇宙学必不可少的研究手段,它不仅可以细致追踪宇宙结构的形成和演化历史,同时也为观测和理论模型的检验建立了一个桥梁.本文将总结计算宇宙学领域技术方法的最新发展,包括无碰撞粒子N体数值模拟技术,引入重子物理的计算流体方法.在此基础上,我们将针对现代宇宙学的核心科学问题,简要综述数值模拟技术在面向下一代巡天观测,尤其是暗物质和暗能量探测方面的实际应用.此外,我们选择性地讨论了数值模拟在第一代恒星和反馈作用、宇宙中的气体吸积和恒星形成,以及高红移星系盘的形成研究中所发挥的作用.因应下一代大规模巡天的开展和超级计算技术的快速进步,我们也展望了在未来十年计算宇宙学和相关科学可能取得的进展及发展趋势.

关键词：宇宙学数值模拟技术暗物质暗能量星系形成和演化

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宇宙大尺度结构数值模拟的研究进展

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天文学进展 2018年第2期36卷 136-172页

作者：唐林林伟鹏中国科学院上海天文台星系与宇宙学重点实验室上海200030 中国科学院大学北京100049 中山大学物理与天文学院广州510275

宇宙的结构是由初始密度扰动发展而成的。在引力和宇宙膨胀的作用下,初始密度扰动不断增长,经过线性和非线性阶段,逐渐演化为现今的宇宙结构。在一个给定的宇宙学模型下,可以用一系列动力学方程来描述宇宙中暗物质和重子物质的运动及演... 详细信息

宇宙的结构是由初始密度扰动发展而成的。在引力和宇宙膨胀的作用下,初始密度扰动不断增长,经过线性和非线性阶段,逐渐演化为现今的宇宙结构。在一个给定的宇宙学模型下,可以用一系列动力学方程来描述宇宙中暗物质和重子物质的运动及演化历史。在过去的几十年间,随着算法的完善和计算机技术的发展,从最初几十个粒子的纯引力模拟到1010个粒子在秒差距量级的多体加流体动力学模拟,大量不同的数值模拟技术被用来研究宇宙结构的形成和演化。在这个过程中,数值模拟的分辨率和精度不断提高,模型中对重子物质物理过程的描述也越来越完善。这些模拟技术与观测结果相结合,使人们对宇宙的大尺度结构以及星系团的形成和演化有了更深刻的理解,也在一定程度上影响了观测的发展方向和设备研发。不同数值模拟结果在纯引力研究方面得到了较好的统一,但不同的星系模型使得流体模拟的结果存在较大的差异。

关键词：宇宙大尺度结构星系形成和演化数值模拟多体动力学流体动力学

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M31星族的研究进展

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天文学进展 2019年第4期37卷 434-454页

作者：刘成赵刚中国科学院国家天文台光学天文重点实验室北京100012 中国科学院大学北京100049

仙女座星系(又称M31)是研究旋涡星系形成和演化的理想实验室。与银河系结构类似,M31包含以下几个基本成分:核、核球、盘和晕等。介绍了对M31各个结构在观测和理论研究方面的最新研究成果:简要回顾了自哈勃空间望远镜升空以来对M31核中... 详细信息

仙女座星系(又称M31)是研究旋涡星系形成和演化的理想实验室。与银河系结构类似,M31包含以下几个基本成分:核、核球、盘和晕等。介绍了对M31各个结构在观测和理论研究方面的最新研究成果:简要回顾了自哈勃空间望远镜升空以来对M31核中结构的观测进展;介绍了核球的两种可能形成机制,并通过观测数据与模型结果的对比,发现M31核球可能同时包含一个经典核球和一个中心类似盒棒的赝核球;总结了盘的星族成分和星际介质的最新观测结果,并据此分别推导出了M31盘上的元素丰度梯度和恒星形成率等。最后,重点总结了晕的可能形成历史,以及球状星团的分布和特征等方面的研究进展。与银河系类似,M31也可能存在内晕和外晕的双结构特征,这表明M31晕与银河系可能有相似的形成历史。此外,通过对晕中潮汐星流的细致研究发现,M31可能有一个比银河系更加复杂的吸积历史。

关键词：星系 M31 晕盘星团恒星星系形成和演化

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活动星系核

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科学观察 2020年第4期15卷 33-37页

作者：王建民中国科学院高能物理研究所中国科学院粒子天体物理重点实验室北京100049

从1940年代开始,天文学家发现某些星系的核区具有完全不同于星系其他区域的光谱,呈现出非恒星特性。这表明核区辐射不再是由恒星产能主导,从此拉开活动星系核(以下简称AGN)研究的序幕。1963年发现的以大红移和高辐射光度为特征的类星体... 详细信息

从1940年代开始,天文学家发现某些星系的核区具有完全不同于星系其他区域的光谱,呈现出非恒星特性。这表明核区辐射不再是由恒星产能主导,从此拉开活动星系核(以下简称AGN)研究的序幕。1963年发现的以大红移和高辐射光度为特征的类星体将AGN研究推到天文和物理学的前沿,直到今日AGN又与星系形成和演化、大质量双黑洞低频引力波辐射探测密切结合在一起,研究达到一个前所未有的高潮。

关键词：活动星系核类星体星系形成和演化双黑洞辐射探测引力波核区 AGN

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银河系5到25 kpc的旋转曲线

银河系5到25 kpc的旋转曲线

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作者：周元云南大学

学位级别：硕士

本硕士毕业论文基于APOGEE和LAMOST光谱巡天获得的大量恒星光谱数据,结合其它多波段测光数据以及自行信息,精确测定了银河系的旋转曲线并以此限定银河系的总质量,为更好地理解银河系形成和演化提供了新的至关重要的线索。我们从APOGEE和... 详细信息

本硕士毕业论文基于APOGEE和LAMOST光谱巡天获得的大量恒星光谱数据,结合其它多波段测光数据以及自行信息,精确测定了银河系的旋转曲线并以此限定银河系的总质量,为更好地理解银河系形成和演化提供了新的至关重要的线索。我们从APOGEE和LAMOST增值星表中遴选出并建立了一个包含约269696颗亮红巨星的样本,该样本中的恒星大气参数、视向速度和元素丰度来自APOGEE和LAMOST光谱巡天,自行来自Gaia EDR3。具体地,我们利用机器学习的方法获得了样本中恒星的精确距离,该方法将光谱数据与来自WISE、2MASS和Gaia EDR3的测光信息相结合,所得距离的相对误差好于10%。我们还使用球状星团和疏散星团来验证距离的准确性。对于APOGEE/LAMOST样本,与球状星团的距离相比,相对距离的系统差和标准偏差分别为0.6%/-0.4%和6.8%/6.5%,与疏散星团的距离相比,相应的值为0.1%/1.5%和6.8%/4.6%。我们的亮红巨星样本覆盖了银河系盘和晕的大部分区域,投影银心距分布范围在0∽30 kpc之间,高度Z的分布范围从-15到15 kpc。基于这样一个具有丰富测光、光谱和自行信息且分布范围广的大样本,我们构建了银河系的旋转曲线以及质量模型。首先结合Gaia EDR3提供的精确自行,我们通过约63000颗属于薄盘的亮红巨星建立了银河系投影银心距5?R?25 kpc距离上的旋转曲线,获得的旋转曲线在18 kpc的投影银心距离内是平坦的,并显示出轻微的下降趋势,斜率约为-1.65±0.02 km s-1kpc-1,这与前人的测定的结果吻合地较好。此外,基于新获得的旋转曲线和其他观测约束,我们构建了银河系的质量模型。在这个模型下,银河系维里质量为Mvir=（8.49±0.71）×1011M⊙,对应的维里半径为Rvir=196.14±5.45 kpc,集聚因子c=9.83±0.33,本地暗物质的密度为0.24±0.02 Ge V cm-3。

关键词：星系形成和演化亮红巨星和距离运动学和动力学

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天文大数据"重塑"银河系考古

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新华月报 2022年第9期 83-84页

千百年来,人们为了认识这广袤银河和浩瀚宇宙,从未停止过探索的脚步。如今,一只只瞄向宇宙的“观天巨眼”帮助科学家逐步看清了银河系早期的形成演化历史,翻开了银河史册的重要篇章。作为盘星系的普通代表,银河系史册将成为天文学家理... 详细信息

千百年来,人们为了认识这广袤银河和浩瀚宇宙,从未停止过探索的脚步。如今,一只只瞄向宇宙的“观天巨眼”帮助科学家逐步看清了银河系早期的形成演化历史,翻开了银河史册的重要篇章。作为盘星系的普通代表,银河系史册将成为天文学家理解星系形成和演化,追溯从极早期宇宙一直到今天所发生的精彩故事的经典之作。

关键词：极早期宇宙银河系盘星系星系形成和演化形成演化天文大数据天文学家

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