上海天文台在星系内尘埃的性质研究中获进展

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在星际间乃至星系际间，宇宙尘埃无处不在。这些尘埃吸收恒星或者黑洞吸积盘发出的光学、紫外光子以后自身被加热，在能量更低的红外波段发出辐射。一个星系中，尽管尘埃在星际物质中所占的质量分数只有约1%，但将近50%的星系总能量由尘埃辐射所产生。在更遥远的宇宙深处，这个比例将更大。因此对红外电磁辐射的研究将帮助人们了解星系中尘埃的性质，从而更好地认识星系的性质及其演化。

近日，中国科学院上海天文台研究员郝蕾团组对三个具有特殊中红外辐射的天体展开了多波段观测数据分析，构建了尘埃模型，发现它们具有较低的尘埃温度与较小的尘埃尺寸，这可能与高度致密的恒星形成过程，或者比较年轻的活动星系核性质有关系。目前该工作已经发表在2015年8月的天文国际期刊《天体物理学报》上。

该工作的第一作者谢艳霞（指导老师：上海天文台研究员郝蕾和美国密苏里大学教授李爱根）说：“我们在一个光学与红外波段交叉的大样本中发现了三个在中红外有特殊辐射特征的天体。这三个天体都具有非常强的硅酸盐发射特征，且同时有强烈的多环芳香烃（pah）发射以及很弱的5－8μm连续谱。”她进一步指出，具有这种发射特征的星系非常稀少。前人的工作指出，在星系尺度上，强烈的硅酸盐发射特征只在活动星系核中曾探测到，且它们同时拥有很强的5－8μm连续谱，但基本没有多环芳香烃的辐射。另一方面，强烈的多环芳香烃发射以及很弱的5－8μm连续谱一般只存在于恒星形成星系中，但截至目前却还未在这些星系的红外波段探测到硅酸盐的发射信号。

尘埃在红外的辐射不仅与其接受到的加热源有关系，而且与尘埃本身的物理性质有关系，如尘埃的矿物学成分、尺寸大小和颗粒形状。

“为了深入地研究这三个天体中的尘埃性质，我们使用冷、热硅酸盐尘埃加上冷、热无定形碳组成的模型，详细模拟了三个星系在中红外的电磁辐射，并将所得结果与普通的活动星系核以及恒星形成星系做了比较”，谢艳霞说。

他们发现，较低的无定形碳温度(250－400k)与硅酸盐温度是导致三个星系中有很弱5－8μm连续谱辐射与硅酸盐发射特征的主要原因。模拟结果表明，只要尘埃颗粒小于或等于1.0μm，这个温度与具体的硅酸盐以及碳尘埃的矿物学成分以及颗粒大小没有关系。这个尘埃尺寸与恒星形成星系中的尘埃大小基本一致。但与活动星系核中的碳尘埃相比，三个星系的尘埃温度约低300k，尺寸上也更小。因为普通活动星系核尘埃环中的小颗粒已经被来自黑洞吸积盘的高能光子破坏，从而仅留下了大颗粒的尘埃（1.5μm）。

为了解释三个天体中较小的尘埃尺寸和温度，他们运用从x-ray到射电波段的观测量探索了这三个天体的能源产生机制。他们发现多波段的观测证据都表明恒星形成是电离气体和加热尘埃的主要能源。活动星系核可能存在于这三个星系中，但它们还处于比较年轻或者强度很弱的阶段，以至于它们不足以在各个波段被确定地探测出来。也就是说，三个星系中较低的尘埃温度与较小的尘埃尺寸可能与高度致密的恒星形成过程，或者比较年轻的活动星系核性质有关系。

“虽然这三个星系的发射特征非常罕见，并不能代表大多数天体的共性，但是对这些星系的详细研究有助于我们更加完整地理解星系的形成与演化”，郝蕾说，“随着下一代天文望远镜的发展，如三十米望远镜(thirtymeterstelescope,简称tmt)中红外数据的产出，以及詹姆斯韦伯空间望远镜（jameswebspacetelescope,jwst）的升空与运行，期待我们会探测到更多的这样的星系来做统计性质研究。”

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