中国科学院国家天文台主导的研究团队利用宇宙演化巡天（COSMOS）场中哈勃空间望远镜（HST）观测的高分辨率图像和近二十年来积累的光谱／测光数据，精确测定星系并合率在红移z＝0.2—1内的演化。同时提出一种全新的基于非模型化形态参数选取并合星系候选体的方法。该项研究成果于近期发表在国际天文学期刊《天体物理学报》上（2023,ApJ,958,96）。国家天文台任建博士为该论文第一作者，李楠研究员和刘凤山研究员为共同通讯作者。
图1.不同方法证认出的并合星系的比例（左）和并合率（右）随红移的演化。
星系间的相互作用和并合是宇宙演化中最为基础和重要的过程之一。研究这个过程可以揭示星系的形成和演化机制，并对宇宙中的结构增长提供重要的线索。在富气体的星系并合过程中，巨大的潮汐力会破坏星系原本的形态，使其呈现显著的并合特征，例如潮汐尾、双核、恒星壳层等结构。因此，处于并合过程中的星系可被人眼或者一些非模型化形态参数方法以及机器学习在高分辨率和深度探测的成像中被识别出来。研究星系并合的另一种方法是计算星系之间的相对速度和距离，来寻找相隔很近、相对速度较小的星系对。但此方法需要样本有足够多的光谱红移或高精确度的测光红移以减小由于投影效应导致的误判。目前，利用不同的证认方法选取的并合星系样本，或同样的方法在不同的观测数据上得到的并合星系样本在研究星系并合率的红移演和并合对星系性质的影响方面仍然存在较大的差异。
为了解决上述科学问题，由国家天文台刘凤山研究员领衔的联合团队开展了“重新审视COSMOS场中星系的形态演化（COSMOS-ReGEM）”项目，构建了COSMOS场迄今为止光谱红移数目最多、测光红移精度最高（比国际上COSMOS2020团队的测光红移精度高了近两倍）的完备星系样本。并从该样本中得到一个准确率较高的基于不规则形态证认的和一个基于星系对证认的并合星系样本。研究团队利用这两种方法选取的并合星系样本（基于并合特征选取的样本和星系对样本）精确测定了星系并合比例和并合率随红移的演化（图1），并细致描绘出不同的并合阶段对星系中的恒星形成与AGN活动的影响。此外，通过对比并合星系与非并合星系的不同形态参数，研究团队发现星系的二阶矩参数（M20）和外围不对称参数（Ao）对并合星系形态异常敏感（图2），并据此提出一种全新的选取并合星系候选体的方法。该项工作中重新构建的精确红移样本和新的并合星系候选体认证方法即将用在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的COSMOS－Web巡天上，以精确刻画星系并合率从早期宇宙至近邻宇宙的演化。
图2．COSMOS场中不同形态的星系在Ao-M20上的分布。等高线表示并合星系比例高于平均值1，2，3倍区域。
此工作得到国家自然科学基金，中国科学院青年科学家基础研究项目以及中国载人航天工程项目的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acfeee
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