星系有著多種樣貌，有顏色偏紅像橄欖球狀的橢圓星系，也有像我們身處的本銀河系一樣帶著懸臂的橢圓星系，甚至也有無法定型的不規則狀星系等等。要能完整了解各種星系是如何形成、它們的演化過程、以及之間的相互關聯性，不僅僅需要有大量的數據樣本，也需要有高空間解析度的觀測，才能了解星系內部的結構跟恆星「星族」（stellar population）的空間分佈。
第四代史隆巡天計畫（Sloan Digital Sky Survey IV；簡稱 SDSS-IV）三個核心計劃之一的艋舺計畫（Mapping Nearby Galaxies at APO；簡稱 MaNGA），是目前世上運用光學集成視場攝譜儀（Integral Field Spectroscopy；簡稱 IFS）所進行最大的觀測計畫。IFS 的技術得以讓我們取得一個星系在各個內部地區的光譜，不僅可以用以分析恆星星族的組成，並能得到星系的速度場， 知此星系的運動情形。在 MaNGA 觀測執行的六年之間，一共取得了一萬多個鄰近星系的空間解析光譜，此計畫也是我們中央研究院天文及天文研究所的重點計畫之一。除了 MaNGA 以外，我們團隊更進一步取得世上最大的無線電波望鏡陣列 ALMA（The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列）的觀測時間，進行與 MaNGA 同樣高解析度的觀測，以獲取星系之中冷氣的的分佈情形，兩者的結合得以使我們對星系的有更全面的探討。以下我們簡述幾個我們團隊幾個重要的研究成果。
星系之中恆星形成的關係定理
根據恆星形成的理論以及許多天文觀測的結果，恆星是在分子雲（Molecular Cloud）塌縮後形成。天文學家很早就發現恆星形成速率跟冷分子氣體密度有著緊密的關係，並稱之為 Schmidt-Kennicutt Relation（簡稱 SK 關係）。而另一方面，我們團隊在最近幾年利用 MaNGA 資料，發現每單位面積的恆星形成速率也跟每單位面積的恆星總質量呈現了顯著的相關性，被稱作為「空間解析的主序帶」（Resolved Star-Forming Main Sequence；rSFMS）關係（全文請見：Hsieh, Lin et al., 2017, ApJ Letters, 851, 24）。然而不若 SK 關係，可以很容易解釋為什麼恆星形成速率會取決於冷分子氣體總量的原因，我們並不清楚空間解析的主序帶關係存在的成因，尤其恆星總質量乃為過去恆星形成速率隨著時間的總和，為何目前的恆星形成速率要與恆星總質量相關，一直是星系研究領域的重要課題。
為了回答這個問題，我們規劃了 ALMAMaNGA Quenching and Star Formation（簡稱 ALMaQUEST；計畫主持人：林俐暉）國際觀測計畫（Lin et al. 2020, ApJ, 903, 145），由全球三十多位天文學家組成，結合 ALMA 與 MaNGA 這兩種觀測，來探討星系中增強或抑制恆星形成的機制。利用 ALMaQUEST，我們分析其中 14 個正在形成恆星的星系，其中我們使用 ALMA 觀測估算每單位面積的冷分子氣體質量，並使用 MaNGA 資料得到每單位面積的恆星形成速率與整體恆星質量，結合這兩種觀測，我們可以同時了解冷分子氣體質量、恆星形成速率、整體恆星質量的相互關係（全文請見：Lin et al. 2019, ApJ, 884, 33）。
圖 1 呈現了我們數據的三維空間分佈圖以及分別在二維平面上的投影，我們可以清楚地看出這三個數量在對數軸上形成圓柱狀的線性關係，而倆倆之間同樣的均呈現線性關係，除了前面提到已熟知的SK及主序星帶關係之外，我們也第一次明確地發現冷分子氣體質量與整體恆星質量也有正比關係，被我們稱之為「分子主序帶」（Molecular Gas Main Sequence； MGMS）關係。我們對於這兩者的聯繫猜想是因為整體恆星質量決定了在星系盤面上的重力場，而重力場進而決定了冷分子氣體的空間分佈。
▲圖 1：MaNGA 星系在每單位面積的恆星形成速率、恆星質量、分子氣體質量的三維空間中形成倆倆正相關的分佈。在三個關係式中，SK 以及分子氣體主序帶（MGMS）兩者的標準差均較空間解析的主序帶（SFMS）為小，代表後者很可能是前兩者關係式的必然結果（Lin et al. 2019, ApJL, 884, 33）。
除此之外，我們並探討這三個關係式（SK, SFMS, 以及 MGMS）之中，到底哪（幾）個是最基本的並有其物理意義呢？我們分析了此三個關係各自的標準差以及兩變數之間的相關係數，發現恆星形成速率與整體恆星質量的關係有較大的標準差以及較小的相關係數。由這些結果我們推論，SK 與分子主序帶關係很可能才是比較基本的物理關係，而兩者自然而然造成恆星形成速率與整體恆星質量的正相關性。
星系與星系之間的碰撞
儘管宇宙中的星系大多是屬於以單一星系型態出現，有少部份的情況（約 10-20%）之下我們會看到有倆倆成對的星系正在進行碰撞的過程，形成非常特殊的天文景觀。儘管每一時期星系碰撞的比例不高，但在宇宙漫長的一百三十多億年之間，累積的星系碰撞事件是相當可觀的，因此這種星系碰撞的機制在星系的演化扮演非常重要的角色。星系碰撞過程中，由於受到潮汐力的影響，星系的氣體與恆星會重新分布，而透過星系碰撞的理論模擬，我們可以了解在不同的碰撞階段所引起的效應。一般預測在兩個螺旋星系第一次交會之後，大量氣體會往星系中心集中，促使新的恆星形成進而引發星暴甚至是星系中心活躍星系核的活動。在碰撞結束之後，兩個星系會合而為一，形成一個較大的橢圓星系，因此星系碰撞是不僅僅可以形成大質量星系，也同時是形成橢圓星系的重要途徑之一。
然而過去的觀測受限於光譜儀範圍，我們對於在星系碰撞過程中恆星形成速率的了解大多侷限在星系中心，而沒有全盤的認識。透過近年來 SDSS-MaNGA 大範圍的觀測資料，我們有機會可以全面探索星系碰撞的影響：是在哪些階段以及哪個區域，恆星會大量的形成？
從 MaNGA 前半期取得的五千個星系數據中，我們團隊找尋出將近一千的星系正在處於星系碰撞的過程中，利用其相對距離、速度、以及星系形狀的變化度將這些交互作用的星系共分為四個碰撞階段（如圖 2 所示）：第一階段：兩個星系正首次往彼此逐漸接近當中，此時星系外觀上尚未有顯著的改變；第二階段：兩個星系剛通過彼此，有著明顯的形變，兩星系之間有類似「橋樑」的結構，在外側也拖著長長的「尾巴」；第三階段：兩個星系通過彼此之後相互分離，還保有一些形變，但沒有第二階段那麼的明顯；第四階段：由於重力的關係兩個星系再度靠近而碰撞，最後合而為一。
▲圖 2：幾個 MaNGA 資料中所找到星系在不同碰撞階段的例子（Pan, Lin et al. 2019, ApJ, 881, 119）。
把正在交互作用中的星系分好類之後，我們進一步選取約 200 個樣本來研究恆星形成速率在各個階段的強度，以及在星系裡的分佈。如圖 3 顯示，除了在第一階段外，其他時期恆星形成速率從星系由裡到外相較於對照組都有明顯的增加，尤其以靠近中心部分的增加量更為顯著，印證了理論與模擬的預測。而有趣的是，在第二階段我們看到在星系外緣，恆星形成速率似乎有比對照組還低的現象，這個現象可以被解釋成是因為大量氣體被帶往中心，造成外圍氣體密度降低而抑制了恆星的形成。
▲圖 3：我們可以看到在交互作用中後期的星系，其恆星形成速率相較於對照組，從星系的中心到外側，有著明顯的升高（除了第二階段星系較外區有降低的情況），這些趨勢大抵上符合理論的預測（Pan, Lin et al. 2019, ApJ, 881, 119）。
為了證實上述的猜想，我們團隊已申請到 ALMA 的觀測時間用來觀測數個正在碰撞的星系的冷氣體分布。目前我們正在分析取得的數據，與從 ALMaQUEST 所選取的單獨存在的星系來做有系統的比較，這將有助於我們更加了解整個星系碰撞過程中的恆星形成或是被抑制物理機制。