近邻相互作用星系沿并合序演化的多波段观测研究
星系间的相互作用与并合是星系演化的重要机制。近几年来，曹晨副教授及其合作者们利用国内外望远镜的多波段观测数据，对近邻相互作用星系沿并合序演化过程进行了系列分析研究工作。
上图：长蛇座“鸟”星系 NGC2936，其特殊形状为该旋涡星系与一个椭圆星系NGC2937相互作用的产物。
1）选出了一个近邻主并合相互作用星系对（major merger galaxy pairs）H-KPAIRs样本，利用Herschel空间天文台的远红外-亚毫米波观测数据（PACS与SPIRE）开展了对于其恒星形成活动与尘埃性质的研究工作。利用申请获得的Herschel 空间望远镜的OT-2 观测时间，C. Cao (曹晨) et al. (2016, ApJS) 共观测获取并处理分析了88个星系对（共176个星系）的Herschel PACS 70, 100, 160微米和SPIRE 250, 350, 500微米图像数据（见下图：H-KPAIRs样本中2个星系对的光学SDSS及Herschel PACS & SPIRE伪彩图示例）。
对各个星系对中的成员星系利用椭圆孔径与双成分拟合（IMFIT）结合的方法进行分解（de-blended）测光，得到其远红外-亚毫米波段（FIR-submm）的光谱能量分布（SEDs）。同时，由HerMES巡天项目中选出了一个与星系对样本在质量与红移上相对应的孤立盘星系比较样本。利用Draine & Li (2007)（DL07）的尘埃模型与双温灰体尘埃模型对这些SEDs进行最小二乘拟合（见下图：H-KPAIRs样本中一个旋涡星系的DL07模型拟合（左侧）与双温灰体拟合（右侧）示例）。
利用上述SED拟合获得最佳拟合的红外光度、尘埃质量及其它物理参数信息，进而利用红外光度估算星系的恒星形成率（SFR），利用尘埃质量和假设的气尘比（~100）估算其总气体质量（Mgas）。继而比较分析了该样本与孤立盘星系比较样本的比恒星形成率（sSFR）与恒星形成效率（SFE）等物理参数的差异，研究了星系间的相互作用与并合对其演化的影响。
利用对上述近邻主并合相互作用星系对H-KPAIRs样本中旋涡星系的恒星形成性质（[比]恒星形成率、恒星形成效率）与尘埃性质（尘埃质量，继而推算出总的气体质量）的统计分析及其与孤立盘星系样本的比较，发现：处于旋涡-旋涡星系对（S+S pairs）中的旋涡星系相较处于旋涡-椭圆星系对（S+E pairs）中的旋涡星系和孤立盘星系（controls）有着显著增强的比恒星形成率（SFR/Mstar，sSFR）和恒星形成效率（SFR/Mgas，SFE）（见下图：上方：sSFR vs. Mstar散点图及统计平均值分布图；下方：SFE vs. Mstar统计平均值分布图），而上述三类星系中的总气体质量却基本相当（气体质量由利用SED拟合得到的尘埃质量及假设的固定气尘比估算得到）。
同时，该研究结果还显示星系对中旋涡星系的比恒星形成率及恒星形成效率与两成员星系间的投影距离SEP无明显关系（见下左图），而S+S星系对中的两成员星系间的比恒星形成率存在正相关关系（“Holmberg”效应，见下右图）。
这一研究利用更大的样本印证了Xu et al. (2010)利用Spitzer卫星中远红外观测数据得到的结论，即在旋涡-旋涡星系对（S+S）中的星系其恒星形成活动有显著增强，并进一步说明这种增强并非源自该类星系中含有更多气体，而更可能是由于某些物理机制（如云-云碰撞等）使其拥有更高的恒星形成效率（SFE）。同时，本项研究中给出的H-KPAIRs星系样本及其完整的Herschel测光与SED拟合结果，被用于之后的系列研究工作，其电子版表格数据也发布在VizieR在线数据表网站上供其他研究者使用。
2）D. Domingue, C. Cao (曹晨) et al. (2016, ApJ) 对H-KPAIRs样本的尘埃物理性质及伴源特征关系的开展了研究。利用CIGALE尘埃模型，对Cao et al. (2016)提供的H-KPAIRs主并合相互作用星系样本及孤立盘星系比较样本的近（2MASS）-中（WISE）-远红外/亚毫米波（Herschel）的SEDs进行拟合（见下图：利用CIGALE模型对样本中几个典型星系的SED拟合示例），获得了描述星系中尘埃性质的几个重要物理参数如：Umin, qPAH, γ , Ldust , <U>，fPDR 等。
利用对H-KPAIRs样本的中远红外SED拟合分析，发现处于旋涡-旋涡星系对（S+S）中的旋涡星系具有比比较样本中的孤立盘星系更强的星际辐射场强度（Umin和<U>，见下图：(上左) 各样本Umin及<U>的直方图分布图，(上右) Umin vs. qPAH散点图，(下) 各样本的Umin, qPAH, <U>, fPDR等参数按恒星质量的统计平均值图），这与之前研究（如Xu et al. 2010, Cao et al. 2016）中这类星系有增强的恒星形成活动这一结论相符合。
然而，处于旋涡-椭圆（S+E）这类“混合”形态相互作用星系对中的旋涡星系并未表现出与孤立盘星系在星际辐射场强度（尘埃温度）与恒星形成性质上的差异，这说明伴星系的环境/形态对主并合相互作用星系对的尘埃性质有着很大影响。
3）P. Zuo, …, C. Cao (曹晨), (2018, ApJS) 对近邻主并合相互作用星系对的原子HI气体性质进行了观测研究：对前述H-KPAIRs样本中的70个星系对，利用美国GBT射电望远镜观测了其中58个星系对的21cm HI 精细结构发射线（见下图：样本中2个星系对的GBT观测数据示例），另外从历史文献中获取了其它12个星系对的HI数据。该研究主要分析旋涡-旋涡（S+S）星系对与旋涡-椭圆（S+E）星系对，以及有/无明显相互作用痕迹的星系对中的HI气体/恒星质量比值、HI气体比率及HI气体恒星形成效率（SFE=SFR/M(HI)）之间的差异。
利用美国GBT 100米射电望远镜对H-KPAIRs样本中的70个星系对的HI 21cm发射线的观测结果显示，星系对中旋涡星系的HI原子气体/恒星质量比值平均为7.6%，与一般的旋涡星系一致。而对于旋涡-旋涡（S+S）星系对与旋涡-椭圆（S+E）星系对，以及具有/没有明显相互作用痕迹的星系对中的HI原子气体比率也基本相同。另一方面，S+S星系对的HI原子气体恒星形成效率（SFEHI = SFR/M(HI)）要比S+E星系对中的SFEHI高约4.6倍，这一差异非常显著（~4σ），是本项工作的最主要结论（见下图：星系对样本的SFEHI与MHI/Mstar关系的散点及平均值统计图）。
4）U. Lisenfeld, …, C. Cao (曹晨), et al., (2019, A&A) 对近邻主并合相互作用星系对的CO分子气体性质与恒星形成关系进行了观测研究：对前述H-KPAIRs星系对样本中的78个旋涡星系，利用IRAM 30m射电望远镜进行了CO(1-0)与CO(2-1)分子谱线观测研究（见下图：IRAM观测得到的一个星系对的CO(1-0)（左图）与CO(2-1)（右图）射电谱示例）。该工作主要研究相互作用与并合星系中（原子与分子）气体质量、尘埃质量及恒星形成率SFR之间的关系。
对H-KPAIRs样本的IRAM CO(2-1)与CO(1-0)分子谱线观测研究结果显示：旋涡-旋涡（S+S）星系对中的旋涡星系具有比旋涡-椭圆（S+E）星系对中的旋涡星系稍高一点（~0.16dex）的分子气体恒星形成效率（SFEH2=SFR/M(H2)，见下图：星系对样本的分子气体恒星形成效率SFEH2 vs.恒星质量M* 散点图）。而有较明显相互作用痕迹的旋涡星系其分子气体比率（M(H2)/M*）及分子-原子气体比值（M(H2)/M(HI)，HI气体质量来自Zuo et al. 2018利用GBT的观测结果）较高。该研究为深入的理解Cao et al. (2016)结果所显示的S+S星系对中的旋涡星系恒星形成活动增强给出了更好的证据和解释，即其同时有着较高的恒星形成效率（SFE）和较大的分子气体质量。
5）B.Q. Zhang, C. Cao (曹晨), et al. (2020, PASP) 对H-KPAIRs样本中部分典型星系对的光学面源多目标光谱观测开展了分析研究工作。利用国家天文台兴隆观测站2.16米望远镜BFOSC系统的打孔机多目标光谱观测设备（MOS），对星系对样本中的一些典型源（如SFR较高的及处于旋涡-椭圆星系对中的）内的恒星形成区域进行了面源光谱观测，2016~2018年平均每年申请获得2.16米望远镜观测时间6~8晚（有效观测时间约为3~4晚），截至目前已成功观测获取了共12个星系对的面源光谱数据（见下图：样本中一个星系对的2.16米BFOSC打孔机观测孔位示意及所获得的二维光谱图）。通过光谱测量获得了星系中各恒星形成区域中较强发射线流量，继而利用改正了尘埃消光（使用巴尔末减缩Hα/Hβ方法）的Hα发射线光度估算恒星形成率（SFR），利用发射线强比估算星际介质（气体）金属丰度（log(O/H)），得到星系中上述物理参数的二维分布和径向梯度。
通过对首批观测完成的7个星系对的2.16米BFOSC打孔机面源光谱观测分析，统计结果显示：相互作用星系其气体金属丰度（log(O/H)）梯度要比正常旋涡星系（如银河系）更平（即斜率更小，见下图：7个星系对的气体氧丰度梯度叠加图，已利用BPT图去除可能的AGN对利用N2估计金属丰度的影响的点）。
上述初步结果印证了理论与数值模拟关于星系相互作用可导致其外围的低金属丰度冷气体内流入星系中心从而导致金属丰度梯度变平的预言，也与前人的一些观测研究结果相符合。同时本工作还利用Hα发射线研究分析了相互作用星系中恒星形成活动的分布特征。
