高红移星系与极强发射线星系的研究

摘要

系统地探测和分析高红移星系，是我们研究宇宙演化和星系形成的重要手段之一。哈勃空间望远镜依靠其超高分辨率和探测效率，在探测暗弱的天体特别是高红移星系领域起到了至关重要的作用。哈勃深场的观测已经帮助我们探测到红移9附近的星系，确定了宇宙恒星形成密度的演化趋势。另外，一类红移1-2附近被称为“极强发射线星系”在哈勃的多波段观测与棱栅观测被探测到。它们拥有等值宽度大于500(A)的谱线，这些谱线的存在会显著影响星系的宽波段测光结果，可能污染极高红移星系的Lyman截断选择。极强发射线星系的研究不仅能帮助我们认识高红移星系选择过程的可靠性，也可以帮助我们研究小质量星系的质量增长过程。我博士期间研究工作，主要是利用哈勃对星系团视场的观测数据（CLASH项目和Frontier Fields项目），开展了宇宙早期高红移星系和极强发射线星系的寻找和研究。第一章中，我介绍了宇宙大爆炸开始星系演化的基本图像，并且综述了高红移星系与极强发射线星系研究的最新进展。
　　第二章中，我首先介绍了星系团引力透镜效应中涉及到的一些基本知识。随后我介绍了哈勃望远镜利用引力透镜效应的两个观测项目，即CLASH以及Frontier Fields。在这两个项目中，我们利用Lyman截断的方法选择了红移7以上的星系样本。同时我们发现了一个被引力透镜为三个像的红移10星系，证实了利用星系团引力透镜方法寻找背景天体的可靠性。在Abell2744和MACSJ0416-2403两个星系团视场中，我们探测到的红移9和红移10星系帮助更好地限定了高红移星系的光度函数。
　　第三章中，我详细介绍了利用CLASH项目寻找极强发射线星系的过程，并且我们分析了极强发射线星系的存在对今后高红移星系选择的影响。利用两种颜色选择判据，我们成功的从CLASH中的25个星系团中选择了52个包含极强发射线星系候选体。利用多波段的测光，我们发现这些极强发射线主要是[OⅢ]+Hβ线，并且等值宽度均达到600(A)以上，其中也包含了三个等值宽度大于3000(A)的候选体。这些两种颜色分别挑选了红移在1.03和1.67附近的星系，但是，我们发现其中三个极强发射线星系候选体的测光红移在6附近，说明极强发射线星系对高红移星系选择的影响不能忽略。我们指出在Fronteir Fields项目中，红移10星系的选择将会受到极强发射线星系更加显著的影响。
　　第四章中，我介绍了在哈勃图像处理和Spitzer测光中我完成的一些工作。首先我参与编写了哈勃的图像处理软件APLUS。该软件使用简便，可以从哈勃原始图像出发，提供高质量的合成图像，并且提供可靠的测光数据。其次，我克服了Spitzer图像低空间分辨率的限制，发展了一套同时拟合Spitzer观测中多个源的方法，成功实现了对图像中暗弱天体的测光分析。
　　第五章是我在活动星系核方面的工作。通过分析活动星系核的Suzaku卫星X-ray观测数据，我发现了一个特殊的赛弗特Ⅱ型星系—IRAS F01475-0740。该活动星系核的X-ray光谱以及光变的分析显示X-ray波段低的中性吸收柱密度，而在光学波段宽发射线的缺失以及偏振宽发射线的探测说明光学波段尘埃吸收非常显著。传统的活动星系核统一模型无法同时解释光学和X-ray的观测现象，我们认为可能解释是视线方向的吸收物质具有特殊的物理性质，它们拥有比银河系介质大4倍以上的高尘气比。
　　在第六章中，我对后续的工作做了展望。首先，我将继续开展极强发射线星系方面的研究。利用CANDELS的大面积多波段观测，我将通过模拟结合颜色选择的方法确定极强发射线星系的光度函数，确定发射线强度与星系光度是否有演化关系。利用哈勃棱栅对候选星系的观测，我们可以确认极强发射线星系中发射线强度或者确认高红移星系的红移。利用后续地面望远镜的观测，我们可以分析极强发射线星系的动力学质量以及金属丰度等物理性质。利用完整的Frontier Fields的观测数据，我们预计会观测到发射线强度更大的暗弱极强发射线星系，研究小质量星系形成的最初阶段。其次，在进行的Frontier Fields观测中，我们将继续开展高红移星系的搜寻工作，预计会发现数十个红移10以上星系。最后，我们在CLASH视场中进行了类星体的搜寻工作，后续的观测证认工作正在进行中。

目录

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摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 宇宙早期的星系形成

1．2 高红移星系选择方法

1．2．1 Lyα发射线探测的方法

1．2．2 Lyman截断选择的方法

1．2．3 其他选择方法

1．3 高红移星系研究现状

1．4 极强发射线星系研究的研究现状

1．4．1 极强发射线星系的提出

1．4．2 高红移星系中的发射线的研究

1．4．3 发射线对测光的影响

1．5 总结

第二章 利用星系引力透镜搜寻高红移星系

2．1 引力透镜效应

2．2 CLASH天区

2．2．1 CLASH中高红移星系的研究

2．3 Frontier Fields天区

2．3．1 A2744星系团中高红移星系的研究

2．3．2 M0416星系团中高红移星系的研究

第三章 CLASH中的极强发射线星系

3．1 引言

3．2 样本

3．2．1 CLASH的图像处理

3．2．2 选择判据

3．2．3 样本红移

3．2．4 放大系数

3．3 等值宽度计算

3．3．1 方法

3．3．2 极高等值宽度的极强发射线星系

3．4 讨论

3．4．1 对CLASH天区红移6附近星系选择的影响

3．4．2 对红移10附近星系选择的影响

3．4．3 高红移候选者中的污染比例

3．5 总结

第四章 HST与Spitzer数据相关工作

4．1 HST的数据处理

4．1．1 源探测与测光

4．2 Spitzer／IRAC的测光

第五章 其它工作：IRAS F01475-0740星系的研究

5．1 引言

5．2 SUZAKU的观测数据处理

5．3 光谱拟合

5．4 物理解释

5．4．1 星系状态的变化?

5．4．2 非常高的尘气比

第六章 展望

6．1 极强发射线星系的光度函数

6．2 极强发射线星系的光谱观测

6．3 CLASH的后续工作

6．4 Frontier Fields的后续工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文