近期淬灭的大质量星系为何仍保有分子气体储库?

Simba模拟显示,淬灭大质量星系的分子气体可由三种机制解释,尘埃与CO转换因子是关键。

直接答案

利用Simba宇宙学模拟,论文发现关于富分子气体的淬灭大质量星系的三种可能解释都成立:淬灭可能是暂时的,银河系式CO-to-H2转换因子在非恒星形成星系中会把分子气体质量高估约5倍,而正在进行的恒星形成可能被尘埃严重遮蔽。

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三种假说可解释富气体的淬灭星系

观测发现一些淬灭星系仍保有大量分子气体储库,这与气体贫乏的红色死寂星系的传统图景相冲突。论文利用Simba宇宙学模拟检验这些系统的三种可能来源:淬灭是暂时的、星系将会复苏;由于CO-to-H2转换因子被低估,分子气体质量被高估;或者恒星形成仍在进行,但被尘埃严重遮蔽。

研究考察了红移z=0至z=2、恒星质量高于3×10^9太阳质量的星系。在该样本中,作者报告三种机制都成立,而不是选定单一主导原因。这一框架很重要,因为每种假说都意味着看似淬灭的星系处于不同的物理状态:暂时停顿、测量问题,或隐藏的恒星形成。

尘埃可隐藏淬灭星系中正在进行的恒星形成

许多看似静止且富分子气体的星系仍存在被尘埃遮蔽的恒星形成。在模拟中,视觉光学深度从z=0到z=2平均由τ_V ∼ 0.5增至2.3。这意味着在更高红移处,尘埃能更有效地隐藏原本会暴露活跃恒星形成的辐射。

对于比较星系分类的读者,这一结果提醒:基于光学或静止系紫外光的淬灭标签,未必意味着恒星形成已完全停止。论文自己的解释是,带有被遮蔽恒星形成的尘埃核心,加上尘埃外围,可使星系的光度特征类似后星暴系统,即使恒星形成仍在继续。

银河系式CO转换因子会高估气体

假设采用银河系式CO-to-H2转换因子,在非恒星形成星系中会把分子气体质量高估约5倍,而在恒星形成星系中约为1.45倍。这一对比是关键数字:同样的转换假设在淬灭系统中产生的误差远大于恒星形成系统。

这一结果并不意味着观测到的分子气体储库完全是虚假的。它意味着在非恒星形成星系中,推断的气体质量强烈依赖于一个为不同物理区域校准的转换因子。论文将其视为三种可能机制之一,而不是一个能消除这些储库的通用修正。

暂时淬灭持续100 Myr至2 Gyr

暂时淬灭可发生在富气体的过渡星系中,时间尺度为100 Myr至2 Gyr。论文将复苏候选者定义为恒星质量高于3×10^9太阳质量、处于过渡或淬灭状态超过一个快照,随后在多个快照中回升至恒星形成阈值以上的星系。

这一机制在高红移最为显著,总体上相对罕见。作者还报告,将会复苏的大质量过渡或淬灭星系比例在高红移最高,并向z=0单调下降;而复苏事件的中位数量向现今上升,并在z∼0.4附近出现转折。低红移处的转折部分是因为最近几十亿年内被识别出的星系,没有足够时间完成约2 Gyr的复苏过程。

复苏星系是富气体的过渡系统

在z=0至z=3.5范围内,会复苏的星系比不会复苏的星系明显更具恒星形成活动且更富气体。大多数复苏星系的分子气体与恒星质量比高于0.1,且以过渡星系为主,而非完全淬灭;不会复苏的则主要是淬灭星系。

论文将复苏主要与并合等星系相互作用联系起来,这类相互作用在大质量星系中于z∼3附近最为常见。一个在z≈1.5选出的示例星系显示,高红移时演化平缓,随后在z≈0.6附近分子气体质量和恒星质量急剧增加,由一次主要并合事件驱动。因此这一机制与特定的物理触发因素相关,而不仅仅是气体的存在。

Simba无法再现爆发式恒星形成

模拟对星际介质的亚网格处理施加了依赖分辨率的最低温度,以防止在质量分辨率以下出现人为碎裂。这一有效状态方程在未分辨尺度上稳定稠密气体、阻止其坍缩,并在时间上平滑恒星形成的波动,因此Simba并非为包含爆发式恒星形成而设计。

这一限制对解读后星暴比较很重要。论文报告SQuiGGLE星系的巴尔末线吸收明显强于Simba星系,这与SQuiGGLE更受爆发主导一致。无法产生爆发式恒星形成是模拟方法的属性,它限定了模拟淬灭族群与观测后星暴系统之间的对应有多直接。

测光选择会漏掉多尘的冒牌系统

论文在z=0.5的UBV选择后星暴样样本中,包含同时具有恒星形成的系统,其气体耗尽时间中位数为798 Myr;而同时处于淬灭的系统,耗尽时间中位数明显更长,约为2 Gyr。作者将富尘埃的UBV选择系统与冒牌后星暴星系这一类别联系起来,即测光选出的系统实际上仍在形成恒星。

实际含义是,仅靠测光选择可能纳入带有尘埃遮蔽的持续恒星形成的系统。论文认为,需要增加关注当前恒星形成水平的额外选择标准,以避免这类冒牌系统。这是关于样本定义的陈述,而非关于任何单个星系命运的陈述。

三种机制仍需进一步区分

论文的核心结论是,暂时淬灭、CO转换因子高估和尘埃遮蔽的恒星形成,都是z=0至z=2富分子气体淬灭系统的可能成因。作者指出,需要进一步工作来区分它们在不同宇宙时间上的相对贡献。

对于评估淬灭大质量星系中报告的分子气体储库的读者,最具决策意义的分野因此不是星系是否淬灭,而是三种机制中哪一种在起作用。非恒星形成星系中推断出的高气体质量,对CO-to-H2转换假设最为敏感;较高红移处偏红但富气体的系统更可能隐藏尘埃遮蔽的恒星形成;而富气体的过渡系统可能只是暂时静止。论文的重点是把这些视为必须加以区分的竞争性解释,而不是一个已定论的单一答案。

本文引用的文献

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Unveiling the Origins of the Molecular Gas Reservoirs in Recently Quenched Massive Galaxies

利用Simba,论文发现暂时淬灭、被低估的CO-to-H2转换因子以及尘埃遮蔽的恒星形成,都是z=0至z=2富分子气体淬灭大质量星系的可能解释。