星系的恒星形成效率的研究取得新进展

中国科学技术大学天文学系王慧元教授团队近期发现了一批具有很高恒星形成效率的星系。在标准ΛCDM模型框架下，星系在暗物质晕（简称为暗晕）中形成和演化。暗晕中约六分之一（Ω_b/Ω_m, 简称为f_b）的质量是重子气体，该气体经历辐射冷却和压缩，进而形成恒星，促进星系的增长。人们通常用参量〖 M〗_*/M_h / f_b（〖 M〗_*为星系质量，M_h为暗晕质量）刻画暗晕中恒星形成效率。先前的很多工作发现恒星形成效率与星系质量之间的关系呈现单峰形式，效率的峰值所对应的星系类似于银河系（其〖 M〗_*约为1010.6 太阳质量），其效率约为 20%，而当星系质量高于或者低于 银河系质量时，其效率都迅速下降。另外，先前的工作还发现，在相似星系质量下，恒星形成/蓝/盘星系的效率要高于其对应的熄灭/红/椭圆星系。

很多工作都尝试对星系的效率和星系质量之间的关系进行解释，其中被广为接收的一个观点是：对于小质量的星系而言，它们所处的暗晕质量也很小，故其引力势井较浅，其中的超星系反馈和星风会对重子气体的冷却和压缩造成影响，由此降低了星系的效率；对于大质量的星系而言，其星系中心一般会存在超大质量黑洞（AGN），该黑洞会快速吸积周围的物质，物质的一部分引力势能通过辐射释放出去（AGN 反馈），由于AGN反馈的能量很大，使其能够影响到重子气体形成恒星，从而降低了星系的效率。

该团队基于斯隆巡天发现了一批特殊的星系。他们在所有星系样本（简称为Total）中挑选在恒星形成主序上的星系（简称为 SF），并使用弱引力透镜技术来计算了在不同星系质量下的Total与SF样本的暗晕质量以及对应的恒星形成效率。该团队发现在大质量端的SF样本的效率非常高，远远高于其对应的所有样本的效率。尤其当星系质量约为1011太阳质量时，SF样本的效率甚至超过了60%，这些结果是前人工作中未发现的。

由于在大质量端的星系受到AGN反馈而效率降低，那么对于这些大质量且高效率的SF星系而言，它们存在的原因可能是由于没有过多的受到AGN反馈的影响，从而能一直维持星系的增长，最终达到很高的恒星形成效率。该团队为了检验这个猜想，计算了大质量的Total和SF样本的concentration（表示星系的聚集程度，该值大于2.6为椭圆星系，小于2.6则为盘星系）的分布，发现SF样本中大部分星系都是盘星系，而Total样本中大部分为椭圆星系。AGN反馈在盘星系中较弱而在椭圆星系中较强，故这个结果和该团队提出的猜想一致。

该研究还和主流宇宙学流体模拟进行了比较。这些主流模型都不能再现大质量段如此高的恒星形成效率。这一发现表明现有的星系形成模型是不完备的，尤其是在活动星系核反馈上。这为全面理解星系的演化提供了重要线索。

相关论文于 2022年7月发表在天文学国际杂志天文与天体物理学报（Astronomy & Astrophysics）上。该研究的第一作者为天文学系博士生张子文，研究得到基金委、科技部和教育部的支持。