CANDELS場中高紅移盤星系的等光強輪廓性質

劉璐 姜東飛

摘 要：星系的等光強輪廓性質與其結構性質緊密相關。因此研究星系的等光強輪廓及其演化，可為探索星系的結構演化提供有用線索。描述星系等光強輪廓的參數主要是星系的橢率（ε）和A4（傅里葉展開第四階的余弦項系數）。研究星系的ε和A4的徑向分布有助于區分星系內部不同的結構成分（如盤、核球及恒星暈等）。在本項研究中，我們利用核球和盤的二維分解技術，從CANDELS五個場中選出一個高紅移（0.5

關鍵詞： 高紅移；恒星形成星系；核球；盤

1 緒論

星系的結構演化是天體物理的重要前沿研究方向之一。但是由于高紅移星系在靜止坐標系輻射波段的紅移，地球大氣觀測窗口的限制和cosmic dimming效應，導致長期以來對高紅移星系的結構研究進展緩慢。直到近20年來哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope-HST）獲取了大量高分辨率光學和近紅外圖像數據，才使人們對高紅移星系的內部結構有了較多的認識。然而對高紅移星系等光強輪廓的研究目前還較少。

星系的等光強輪廓通常會偏離橢圓形狀。對其偏離程度的描述一般來自對星系觀測圖像的等光強輪廓的強度進行傅里葉級數展開：

在式（1）中，I0是距離星系中心的某個半徑處有限寬度的橢圓環內的平均強度值，θ是橢圓的方位角，An和Bn是各展開項的系數。其中描述偏離程度的典型參數為A4，即傅里葉展開第四階的余弦項系數。A4>0表明星系的等光強輪廓呈現盤狀（disky），A4<0表明星系的等光強輪廓呈盒狀（boxy）。早期的研究（Bender et al.1988；Hao et al.2006）表明，近鄰早型星系的等光強輪廓參數A4與其結構性質及動力學性質緊密相關。

除了描述星系等光強輪廓偏離橢圓的程度的參數A4，星系的橢率ε（ε=1-q，q=b/a為星系的短長軸比）也被表明與其內部結構和動力學參量緊密相關（Kormendy 2013）。與此同時，橢率ε和A4也存在相關（Hao et al.2016）。因此，對星系的等光強輪廓參數（ε和A4）性質及其演化研究有助于揭示星系的內部結構演化。最近，Jiang et al.（2018）首次利用HST第三代廣域照相機（Wide Field Camera 3，WFC3）的高分辨率圖像數據對高紅移恒星形成星系的等光強輪廓參數的徑向分布進行了研究。他們的研究結果暗示著星系的結構成分（核球、盤、恒星暈）在紅移z=0.5-1.8范圍內發生顯著演化，然而他們并沒有對星系的結構成分進行區分。

在本項工作中，我們利用星系的核球和盤的二維分解技術，從CANDELS五個場中選出一個紅移z～1盤主導的恒星形成星系樣本。通過重新分析這些盤星系的等光強輪廓性質，進一步檢驗盤成分對恒星形成星系的等光強輪廓的影響。

2 數據

本研究的圖像數據來源于CANDELS巡天五個場的觀測。樣本星系的紅移來自光譜紅移或測光紅移，如果樣本星系具有可靠的光譜紅移，則光譜紅移被采用，否則其測光紅移被采用。靜止坐標下的多波段（從遠紫外到近紅外波段）積分星等通過EAZY程序擬合得到。星系的恒星質量是利用多波段測光數據通過FAST程序擬合得到。

星系在F125W波段和F160W波段沿主軸方向的半光半徑（RSMA）、短長軸比（q=b/a）、方位角等結構參數是利用GALFIT程序擬合得到。F125W波段和F160W波段的核球光度占星系的總光度的比例（B/T）是通過二維核球和盤的分解得到（Dimauro et al.2018）。

3 樣本選擇

CANDELS 巡天包含五個場：COSMOS、EGS、GOODS-N、GOODS-S 和 UDS。其中COSMOS場包含38671個源，EGS場包含41457個源，GOODS-N場包含35445個源，GOODS-S場包含34930個源，UDS場包含35932個源。共計186435個源，本研究的樣本選取標準如下：

（1）觀測的F160W波段的視星等小于24.5；

（2）SExtractor的測光質量參數Photflag=0；

（3）SExtractor的CLASS_STAR<0.9，以剔除恒星；

（4）紅移0.5

（5）GALFIT測光質量參數flag=0或者1。對z<1的星系我們使用F125W波段，對z>1星系我們使用F160W波段；

（6）Isophotal PhotFlag=0，以保證正確的等光強輪廓測量；

（7）RSMA>0.18角秒，以減少點擴散函數（PSF）對等光強輪廓參數的影響；

（8）利用UVJ雙色圖（Williams et al.2009）選取恒星形成星系：對z > 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.49，對于z < 1星系采用（U-V）< 0.88 ×（V-J）+ 0.59 ；

（9）B/T0.5，以選取盤星系。

基于以上標準我們最終從CANDELS五個場中選出了2927個盤星系。為了表明選出樣本的基本性質，圖1給出樣本星系的UVJ分布圖。

圖1：樣本星系在兩個紅移區間內的UVJ雙色圖，實線是星系形態分界線（Williams et al.2009）。分界線左上的陰影區域為寧靜星系（QGs），其右下的區域為恒星形成星系（SFGs）。恒星形成星系區域內藍色的點為盤主導的星系（盤星系），灰點為核球主導的星系。

為了對比不同傾角下盤星系的性質，我們進一步把樣本星系劃分為側向盤星系（edge on；q0.5）和面向盤星系（face on；q>0.5）。圖2給出樣本星系的半徑-恒星質量關系。可以看出，我們的星系較好地符合van der Wel et al.（2014）給出的最佳擬合結果。在此參數空間上，星系的短長軸比（q）分布近似均勻。因此，我們采用標準q

0.5（q>0.5）區分側向與面向星系是合理的。

圖2：樣本星系在兩個紅移區間的半徑-恒星質量關系，實線表示van der Wel et al.（2014）給出的最佳線性擬合結果。藍色的點代表側向的星系（q0.5），紅色的點代表的是面向的星系（q>0.5）。

4 結果與分析

我們把整個樣本分析劃分為2個紅移區間（0.5

圖3：盤星系的橢率（ε）的徑向分布。藍色的點代表的是側向星系，紅色的點代表的是面向星系，每個恒星質量-紅移區間內星系的數目被標明在右上角。

圖4：盤星系的A4的徑向分布。藍色的點代表的是側向星系，紅色的點代表的是面向星系，每個恒星質量-紅移區間內星系的數目被標明在右上角。

圖3和圖4表明面向盤星系的ε和A4輪廓幾乎扁平，而側向盤星系的ε和A4輪廓具有先上升到達最大值后下降的趨勢。這個典型的特征說明盤成分對星系中間區域的等光強輪廓性質有較大影響。當從側向觀察盤星系時，旋轉成分會主導星系中間區域，然而當從面向觀察盤星系時，非旋轉成分（速度彌散成分）主導星系的中間區域。這些研究結果證實了盤成分會影響恒星形成星系的等光強輪廓性質。

5 結論

基于星系核球和盤的二維分解技術，我們從CANDELS巡天五個場中選取了2927個紅移在0.5

參考文獻：

[1]Bender，R.Velocity anisotropies and isophote shapes in elliptical galaxies[J].Astronomy and Astrophysics，1988，Volume 193，No.1-2，p.L7-L10.

[2]Dimauro，Paola，et al.A catalog of polychromatic bulge-disc decompositions of ～17.600 galaxies in CANDELS[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2018，Volume 478，Issue 4，p.5410-5426.

[3]Hao，C.N.，et al.Isophotal shapes of elliptical/lenticular galaxies from the Sloan Digital Sky Survey[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，2006，Volume 370，Issue 3，pp.1339-1350.

[4]Jiang，Dongfei，et al.The Isophotal Structure of Star-forming Galaxies at 0.5 < z < 1.8 in CANDELS：Implications for the Evolution of Galaxy Structure[J].The Astrophysical Journal，2018，Volume 854，Issue 1，article id.70，16 pp.

[5]Kormendy，John Secular Evolution in Disk Galaxies[M].Secular Evolution of Galaxies，by Jesús Falcón-Barroso，and Johan H.Knapen，Cambridge，UK：Cambridge University Press，2013，p.1.

[6]van der Wel，A.，et al.3D-HST+CANDELS：The Evolution of the Galaxy Size-Mass Distribution since z = 3[J].The Astrophysical Journal，2014，Volume 788，Issue 1，article id.28，19 pp.

[7]Williams，Rik J.，et al.Detection of Quiescent Galaxies in a Bicolor Sequence from Z = 0-2[J].The Astrophysical Journal，2009，Volume 691，Issue 2，pp.1879-1895.