给近邻星系做“全面体检”——积分视场光谱巡天项目MaNGA简介浩瀚的宇宙中

浩瀚的宇宙中，分布着数以亿计的星系，它们形态各异，有着各自独特的生命轨迹。有的星系在漫长的时光中呼朋引伴，多次与其他星系合并融合而形成更大质量的星系；有的星系在历经沧桑后投入星系群或者星系团大家庭的怀抱；有的星系则踽踽独行，在独属于自己的角落感受岁月变迁。星系的不同演化路径对于星系最终呈现的性质有着深远影响，因此通过对星系现今性质的分析，能够帮助理解星系形成与演化的过程。
与最初利用单色图像或者多色成像研究星系性质相比，光谱提供了更为丰富的信息，通过光谱分析可以得到星系的诸如恒星年龄、恒星形成率、化学丰度、气体组分、速度、速度弥散等一系列性质。 2000年开始的斯隆数字化巡天项目（SloanDigitalSkySurvey ，简称SDSS）提供了近邻宇宙上百万个星系的光学光谱，对于星系性质的系统性研究提供了大样本数据。
但是， SDSS所提供的是单光纤光谱数据，单光纤光谱是指将望远镜对准星系的中心区域并通过单根光纤把望远镜收集到的星光传输到光谱仪上进行色散得到的光谱，因此SDSS光谱所提取出来的信息反映的仅仅是星系中心区域的性质（见图1）。我们知道，星系是内外不同的结构组成的，从最中心的超大质量黑洞和由超大质量黑洞驱动的活动星系核，到接近中心的核球和棒，再到外围的盘及旋臂，不同的结构有着不同的星族成分和动力学性质。正所谓“管中窥豹，只见一斑” ，如果只有星系中心区域的光谱，那么对于星系的研究如同盲人摸象，得到的结论将是不全面的。

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图1.MaNGA星系11835-12705的SDSS图像，左图中红色方块表示SDSS单光纤光谱区域，星系的大部分区域没有相应的光谱信息，右图中正六边形为MaNGA视场范围，覆盖了星系的大部分区域（图源：SDSS网站）
为了能够全面了解单个星系不同区域的性质，在斯隆数字化巡天第四期（SDSS-IV）中， MaNGA（MappingNearbyGalaxiesatAPO）项目利用积分视场光谱（IntegralFieldSpectroscopy）的观测技术对一万个近邻星系进行了观测（见图2）。积分视场光谱在二维的视场里对每一个成像单元都获得对应的一维光谱信息，相当于在图像信息的基础上直接增加了一个波长维度的信息，得到所谓的数据立方。数据立方提供了一维光谱的空间分布信息，进而提供了由光谱分析得到的星族成分及动力学性质的空间分布（见图3）。与以往的SDSS单光纤光谱相比，积分视场光谱既能覆盖更大的空间范围，又能区分星系不同区域的性质差异，得到更加丰富的信息。以图3为例，展示了MaNGA积分视场光谱得到的星系性质二维分布，如果从SDSS单光纤光谱来分析这个星系，看到的仅仅是恒星形成率较高、恒星年龄较老的中心区域，既看不到在外围旋臂上分布的高恒星形成率区域，也看不到外围较为年轻的星族，对于理解星系恒星形成过程有所限制。如果说SDSS的大样本单光纤光谱巡天是从宏观角度对近邻星系的“健康状况普查” ，那么MaNGA的积分视场光谱则是在微观角度对近邻星系的代表进行了“全面体检” ，后者从另外一个视角大大加深人们对于星系形成演化的理解。

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图2.左图是MaNGA积分视场光谱示意图，下方是由多根光纤组成的光纤束，一个光纤束可以同时得到一个星系不同区域的光谱；右图展示MaNGA视场覆盖的范围，每个圆圈对应一根光纤的位置（图源：MaNGA官网）