基于JWST观测的NGC 628星团空间演化研究：揭示星系动力学对恒星形成的调控作用

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The Spatial Evolution of Star Clusters in NGC 628 with JWST

本研究利用JWST和HST观测数据，结合INDICATE空间统计工具，首次对近邻面星系NGC 628中6890个星团（从嵌入阶段到>100 Myr）的空间分布进行量化分析。研究发现星团空间行为随星系位置、年龄和质量显著变化：年轻嵌入星团（eYSCs）呈现最紧密的空间关联（I5=4.8），而完全显现星团的空间关联度降低约1.5倍；年轻大质量星团（YMCs，≥104 M⊙）倾向于与低质量星团共存而非彼此聚集；星团空间结构的径向分布随年龄增长而收缩至2-6 kpc范围内。这些结果揭示了星系动力学（如内林德布拉德共振、核环结构）对星团形成和演化的深刻影响，为理解恒星形成与星系环境的关联提供了新视角。

　　

在宇宙的宏伟画卷中，螺旋星系如同旋转的星尘漩涡，而恒星团则是这些星系中最璀璨的明珠。大多数恒星都诞生于星团环境中，这些星团的形成和演化过程直接影响着星系的生长和结构。然而，一个长期困扰天文学家的问题是：星系环境如何塑造星团的命运？年轻星团在诞生后是如何在星系中分布和演化的？特别是那些质量巨大、亮度极高的年轻大质量星团（YMCs），它们是否倾向于形成于特定的星系区域？这些问题对于理解恒星形成的基本规律至关重要。

近邻星系NGC 628（也称为Messier 74）为研究这些问题提供了理想实验室。这是一个面朝我们的多臂螺旋星系，距离我们约984万光年，正处于活跃的恒星形成阶段。尽管前期研究已经积累了大量多波段观测数据，但对星团空间分布的精细研究仍然缺乏，特别是对那些仍包裹在诞生云中的最年轻星团的观测一直是个挑战。

詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的红外观测能力革命性地改变了这一局面。由FEAST（Feedback in Emerging extragalactic Star Clusters）合作组织获得的JWST数据，首次使得探测NGC 628中最年轻、仍与诞生云相关联的星团成为可能。这项研究结合了JWST和哈勃空间望远镜（HST）的观测数据，创建了迄今为止最完整的星团样本，涵盖从100万年到超过1亿年的不同演化阶段。

研究人员采用了一种名为INDICATE（INdex to Define Inherent Clustering And Tendencies）的创新空间统计工具来量化每个星团的聚集倾向。与传统方法不同，INDICATE能够为数据集中的每个点（本文中为每个星团）计算一个独立的空间关联指数，从而揭示局部尺度上的空间行为变化。该方法通过比较每个星团局部邻域内实际星团数量与随机分布的预期数量，为每个星团分配一个指数值I₅，值越高表示空间关联程度越强。

研究的关键技术方法包括：利用JWST/NIRCam和HST的多波段观测数据识别星团候选体；通过SED拟合（使用CIGALE和Yggdrasil模型）确定星团的年龄、质量等物理参数；应用INDICATE工具量化星团的空间分布特征；使用Querejeta等人（2021）的环境掩模将星团分类到星系中心、旋臂和臂间等不同星系环境中；通过质量-年龄限制样本控制观测选择效应的影响。

4.1 星系区域

研究发现星团的空间行为在NGC 628的不同区域存在显著差异。整个星系中只有51.8%的星团呈现空间聚集性，中位指数值I?₅^C=3.8。旋臂和星系中心区域的星团聚集比例最高（分别为70.3%和74.3%），而臂间区域则大部分星团（69.4%）呈分散分布。不同旋臂段也表现出不同的聚集强度，其中D臂的星团聚集程度最高（83.3%的星团聚集，中位指数4.8），呈现出星系中最强的空间关联"热点"。

4.2 演化阶段

4.2.1 嵌入星团与近期显现星团

比较嵌入年轻星团（eYSCs）和年龄≤10 Myr的近期显现星团（RECs）发现，eYSCs具有更高的空间聚集比例（55.1%）和更强的聚集强度（I₅=4.8），而RECs的相应值分别为41.5%和3.4。这一差异表明星团在从诞生云中显现的过程中，其空间关联程度会减弱，可能与星团离开诞生位置或早期瓦解（"婴儿死亡率"）有关。

4.2.2 年龄

将光学星团按年龄分为年轻（<21 Myr）、中年（21-100 Myr）和老年（>100 Myr）组进行分析，发现星团的空间聚集比例随年龄增长而持续下降，从年轻组的49.4%降至老年组的35.6%。eYSCs的聚集强度最高（I₅=4.8），而其他年龄组的聚集强度约为其1.5倍低，表明星团在演化过程中逐渐空间分散。

4.2.3 星系中心距分布

虽然各年龄组星团的整体径向分布相似，但聚集星团的分布随年龄增长逐渐收缩至星系中心2-6 kpc范围内。在2-6 kpc区域内，各年龄组星团的聚集比例和强度相似，而在此范围外，年轻星团表现出最强的聚集行为。这一模式可能反映了星系外盘孤立星团结构的快速瓦解，或是NGC 628的渐进式内向外生长历史。

特别有趣的是在星系中心2 kpc内的复杂行为：年轻星团在核环（~0.5-1 kpc）和旋臂起始处（~1.25-2 kpc）形成强烈聚集，而中年和老年星团在这些区域的聚集程度显著降低。这种模式与内林德布拉德共振（≤1 kpc）和星系中心强剪切流等动力学特征相关，表明这些区域的强烈径向运动阻碍了星团形成和维持紧密聚集。

4.3 质量

研究发现年轻大质量星团（YMCs，≥10⁴ M_⊙）并不彼此聚集（无Type 1质量分层），但倾向于位于低质量星团聚集的区域（存在Type 2质量分层）。67.2%的YMCs位于聚集区域，而低质量星团的这一比例为57.7%。YMCs的聚集几乎完全局限于旋臂和星系中心区域，表明大多数大质量星团形成于高密度、激波压缩的旋臂区域，而在臂间区域形成的大质量星团则相对孤立。

这项研究通过空间分辨的星团分析，揭示了星系动力学对恒星形成和星团演化的深远影响。研究结果表明，NGC 628中的星团形成遵循一种等级式碎片化模式：巨分子云（GMCs）的塌缩倾向于在恒星形成活动强烈的区域（特别是内盘<6.3 kpc）产生一个大质量星团和多个低质量星团的组合。随着星团年龄增长，这种空间结构逐渐稀释，反映出星团动力学分散和内部外部瓦解过程的共同作用。

该研究的创新之处在于首次对星团空间行为进行了个体化量化，揭示了传统群体统计方法无法探测的局部变化。研究结果强调了考虑星系特定动力学特征（如共振、剪切流）对于理解星团形成和演化的重要性。未来结合分子气体分布的分析将为进一步理解观测到的空间模式提供关键见解。

这项发表于《Royal Astronomical Society月报》的研究不仅增进了我们对近邻星系恒星形成过程的理解，也为研究更遥远星系中的星团形成提供了方法论借鉴。随着JWST继续揭开宇宙的新面貌，这类空间分辨的星团研究将越来越成为探索星系形成和演化之谜的关键工具。