高红移星系的选取与物理性质研究

摘要

大质量、高红移、强成团等特征表明，红移z～1.0的极红天体(EROs)和红移z～2.0的BzKs星系有可能是邻近大质量早型星系的前身星系，对这些星系的研究能为星系形成和演化模型提供观测上的约束。在研究EROs的物理特性，进而研究星系的形成和演化之前，我们必须对EROs样本中DGs(young，dustystarburstgalaxies)和OGs(oldgalaxies)进行有效分类，并估计它们各自所占的比例，对于这个方面的研究不同的作者给出各不相同的结论。相对于近邻星系，高红移星系（特别是z～2附近）的研究也有着非常重要的意义。首先，星系的宇宙恒星形成率密度(SFRD)和类星体(QSOs)数密度在z～2有个峰值；其次，星系的形态类型和星系的恒星质量系集在z～2发生了显著的变化。因此，在本论文中，我们的研究工作主要集中在红移z～1-2的星系。这包括三个方面内容：(1)哈勃极深场(UDF)和COSMOS场中EROs的分类研究；(2)AEGIS场中z～2年老星系和恒星形成星系的物理性质研究；(3)AEGIS场中z～2星系的中红外光谱和物理性质研究。
　　 我们利用(i-K)AB≥2.45颜色判据从COSMOS和UDF场中分别选出5264个EROs(Kvega＜19.2)和24个EROs（KVega≤22.0）。通过能谱拟合法、双色图分类法和非模型化分类法我们将EROs分类成DGs和OGs，其中52％的星系是DGs，剩下48%的EROs为OGs(COSMOS)。通过结合24μm图像、能谱拟合法、双色图分类法和非模型化分类法，我们将24个来自UDF场中的EROs分类成16个DGs和8个OGs。为了进一步分析不同分类方法对EROs类型划分的有效性和差异，我们做了主成分分析，结果发现能谱拟合法和非模型化形态参数能有效将EROs区分成DGs和OGs。与此同时，我们也研究了EROs样本中DGs和OGs所占比例与其它观测性质的关系，结果表明越高红移、越暗K波段星等极限和越红的颜色选择判据会使得样本中DGs比例越高。另外，我们发现OGs比DGs有更大的成团幅度，两者相差约2倍因子，而且它们的成团性也是与K波段星等极限有关，即Kvega值越小，成团性越强。
　　 在AEGIS场中，我们利用gzK=(z-K)AB-1.4(g-Z)AB≥0.2挑选出1609个sgzKs,422个pgzKs满足(z-K)AB＞2.7和gzK＜0.2颜色判据（KAB＜22）。我们的pgzKs星系计数在KAB-21.0处也有个break。通过结合文献数据的K波段星系计数，我们发现星系形成和演化的模型预言了太多小且低质量的恒星形成星系和年老星系，可对于那些z＞1.4的高质量星系预言太少，这说明现在的星系形成和演化模型有待进一步完善。我们也发现sgzKs的恒星形成率(SFR)和比恒星形成率(sSFR)随着红移增大而增大，这意味着在越高红移处，星系的恒星形成越剧烈。另外，大质量的恒星形成星系有很低的sSFR，这表明相对于大质量的星系，小质量星系的增长更多的是通过星系本身的恒星形成。通过利用HSTWFC3/F160W的观测数据，我们研究了gzKs星系在静止光学波段的形态性质。结果显示红移z～2处的星系不仅有致密的早型星系形态特征，也有盘状或不规则的形态，表明这些星系可能有着不同的形成过程。我们利用IRAC红外测光数据研究了gzKs星系样本中AGNs的比例，828个gzKs中有10%的星系被分类成AGNs的候选者。
　　 最后，我们从AEGIS场中挑选出14个ULIRGs样本，这些源的24μm流量0.2＜F24μm＜0.6mjy。它们的Spitzer/IRS光谱表明它们有很窄的红移分布，z～1.95±0.19，而且有明显的多环芳香烃(PAH)辐射特征，对应的主要辐射波段是在7.7、8.6和11.3μm处。它们的星族质量（M*）和SFR范围分别是M*＞1011M☉和410M☉yr-1＜SFR＜1022M☉yr-1。另外，我们也发现ULIRGs的静止光学波段形态有很大差异，包括有链状和延展的结构，以及早型旋涡星系形态特征，这说明这些源有着不同的形成过程。基于X-ray、射电和中红外观测数据，我们也研究了样本中AGN贡献比例。14个ULIRGs中只有EGS22、EGS25、EGS27和EGS34被X-ray探测到，其中EGS22和EGS34的X-ray光度Lx能被解释为剧烈恒星形成的贡献，而EGS25和EGS27主要是来自AGNs的辐射。因此，z～2ULIRGs样本中有AGN活动特征的源～14-29%。

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第一章 绪论

1.1 星系形成和演化简介

1.1.1 基本宇宙学

1.1.2 结构形成

1.1.3 星系形成

1.2 星系性质

1.2.1 星系形态

1.2.2 星系测光、光度和光谱

1.2.3 星系恒星形成率、星族质量、尘埃消光和红化

1.2.4 星系大小

1.3 红移z~1极红天体的研究进展

1.3.1 EROs的选择标准

1.3.2 EROs的分类

1.3.3 EROs的物理性质

1.4 红移z~2 BzK星系的研究进展

1.4.1 BzK星系的选择和分类

1.4.2 BzK星系的物理性质

1.5 红移z~2极亮红外星系的研究进展

1.5.1 ULIRGs的选择和分类

1.5.2 ULIRGs的物理性质

1.6 总结

第二章 红移z~1极红天体分类研究

2.1 UDF和COSMOS数据观测和处理

2.2 EROs样本选择

2.3 EROs的分类方法

2.3.1 能谱拟合法

2.3.2 双色图分类法

2.3.3 非模型化分类法

2.3.4 主成分分析法

2.3.5 其它

2.4 EROs的物理性质

2.4.1 OGs和DGs红移分布

2.4.2 星系计数

2.4.3 颜色与红移演化关系

2.4.4 成团性

2.5 小结

第三章 红移z~2 BzK星系研究

3.1 AEGIS巡天

3.2 数据观测和处理

3.3 测光红移

3.4 z~2星系样本选取和计数

3.4.1 z~2星系样本选择

3.4.2 gzKs星系计数

3.5 sgzKs星系的物理性质

3.5.1 星族质量和恒星形成率

3.5.2 恒星形成率与星族质量关系

3.5.3 比恒星形成率与星族质量关系

3.6 gzKs星系的形态

3.7 gzKs星系中AGNs比例

3.8 小结

第四章 红移z~2极亮红外星系研究

4.1 ULIRGs样本选择

4.2 ULIRGs的光谱观测和数据处理

4.3 ULIRGs的多波段研究

4.3.1 ULIRGS的总红外光度和恒星形成率

4.3.2 ULIRGs的星族质量

4.3.3 ULIRGs的形态

4.3.4 ULIRGs中的AGNs

4.4 小结

第五章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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