FIREbox宇宙学模拟揭示星系形态转变：恒星质量如何决定星系从弥散矮星系到旋转主导盘系的演化

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Disks no more: the morphology of low-mass simulated galaxies in FIREbox

本研究针对当前星系形成模型在低质量端预测的形态学挑战，通过FIREbox宇宙学体积模拟系统分析了107.5-1011 M⊙恒星质量范围内的中心星系形态。研究发现星系形态存在明显的质量依赖关系：矮星系（M?<109 M⊙）普遍为弥散主导的球状系统，而银河系质量天体（M?≥1010 M⊙）则多为旋转支撑的盘状结构。该研究首次在宇宙学模拟中确立了109-1010 M⊙为形态转变区间，揭示恒星形成爆发性和引力势阱深度是驱动转变的关键物理机制。

　　

在宇宙的宏伟画卷中，星系的形态多样性始终是天体物理学领域最迷人的谜题之一。从旋转如风车的壮观盘星系，到浑圆如宝石的椭圆星系，这些宇宙岛的外形背后隐藏着其形成和演化的深层物理规律。特别是对于像我们银河系这样的盘状星系，天文学家一直试图理解：它们是如何在宇宙演化过程中获得如此有序的旋转结构的？更令人困惑的是，为什么在宇宙的小个子居民——矮星系中，很难发现类似的旋转盘结构？

传统的星系形成理论面临着一个严峻挑战：虽然现代数值模拟已经能够成功再现银河系质量星系的盘状结构，但这些模型在预测低质量矮星系形态时却出现了显著偏差。观测表明，一些矮星系确实展现出旋转支撑的盘结构，但当前主流的宇宙学模拟往往预测矮星系应该更多是弥散主导的球状系统。这种理论与观测之间的张力，指向了我们对星系形成物理，特别是对恒星反馈过程理解的根本性不足。

正是在这一科学背景下，由José A. Benavides领导的研究团队利用FIREbox宇宙学模拟，对星系形态随质量变化的规律进行了系统研究。FIREbox是反馈真实环境项目(FIRE)的最新宇宙学体积模拟，它追踪了边长22.1共动兆秒差距立方体积内从z=120至今的演化过程。该模拟的独特优势在于能够同时解析星系形成的多相星际介质物理和统计显著的星系样本，为研究星系形态质量关系提供了理想平台。

研究团队采用κ_rot参数（旋转动能占比）量化星系形态，系统分析了数百个恒星质量在10^7.5-10¹¹ M_⊙范围内的中心星系。为验证数值收敛性，研究还对比了10个更高分辨率的m11系列zoom-in模拟。关键技术方法包括：基于GIZMO代码的网格无网格有限质量流体动力学；FIRE-2多相星际介质模型，冷却至10K；恒星反馈（辐射、星风、超新星）的局部沉积模型；AMIGA Halo Finder和Rockstar晕族查找器识别星系结构；恒星形成历史的双时间尺度分析（10Myr vs 500Myr）。

3 THE ORIGIN OF THE MORPHOLOGICAL TRANSITION IN THE FIRE SIMULATED LOW-MASS GALAXIES

3.1 Halo spin

研究发现暗物质晕自旋参数(λ)在整个质量范围内保持恒定（λ_all=0.031^+0.014_-0.010），与恒星质量无关。然而在低质量端（M_?<10¹⁰ M_⊙），高旋转支撑星系倾向于居住在更高自旋的晕中（λ_high-κrot=0.051^+0.019_-0.014），而低旋转支撑星系对应较低晕自旋（λ_low-κrot=0.025^+0.008_-0.009）。这表明在矮星系尺度，晕自旋对星系形态有一定影响，但并非决定性因素。

3.2 Burstiness and the depth of the gravitational potential

研究通过比较10Myr和500Myr时间尺度的恒星形成率，量化了恒星形成的爆发性(σ_ΔSFR)。结果显示，爆发性与形态存在强相关：在形态转变区（M_?=10⁹-10¹⁰ M_⊙），σ_ΔSFR从矮星系端的0.4-0.5急剧下降至银河系质量端的约0.1。在固定质量下，高爆发性系统倾向于呈现更球状的形态，而低爆发性系统则显示更高旋转支撑。

10^8 M⊙.'>

引力势阱深度（V_max/V_vir）和星系周介质(CGM)温度随恒星质量增加而单调上升。低质量晕（M_vir<10¹¹ M_⊙）的维里温度T<10⁵K，难以维持热CGM，而热CGM通过冷却供给角动量对齐的气体，促进盘结构形成。

3.3 Gas dynamics

冷气体动力学分析表明，矮星系中气体成分本身缺乏旋转支撑（κ_rot,gas<0.5），年轻恒星（年龄<100Myr）的轨道与母体气体相似，排除了"先形成盘后破坏"的Scenario A。相反，恒星直接诞生于湍流支撑的气体环境中，解释了矮星系缺乏盘结构的原因。

高分辨率zoom-in模拟（m11d和m11q）显示，从z=2至今，年轻恒星始终在湍流结构中形成，从未发展出相干旋转盘，证实了矮星系中湍流主导的星际介质是常态而非特例。

气体动力学进一步显示，模拟矮星系的V_rot/σ_z<3，而观测样本（LITTLE THINGS和Mancera Pina et al. 2025）中的矮星系多数显示V_rot/σ_gas>3。这种差异部分源于模拟中矮星系居住的暗物质晕质量较低（Feldmann et al. 2023），导致旋转速度较小。

4 A DISK IN A LOW-MASS DWARF: THE CASE OF m11b

研究还发现了一个特殊案例：m11b矮星系（M_?～4.2×10⁷ M_⊙，κ_rot～0.47）通过8.5Gyr前一次轨道对齐的并合（恒星质量比～0.2），获得了角动量对齐的气体供给，形成了延展至20kpc的气体盘。这证明在特定条件下，即使低质量矮星系也能形成旋转支撑结构，但此类事件在ΛCDM中较为罕见。

本研究通过FIREbox宇宙学模拟系统揭示了星系形态与恒星质量之间的强相关关系，确立了10⁹-10¹⁰ M_⊙为形态转变的关键区间。研究指出，恒星形成爆发性、引力势阱深度和CGM热化是驱动这一转变的核心物理机制。模拟预测矮星系（M_?<10⁹ M_⊙）由于气体成分的湍流本质而普遍缺乏旋转支撑盘，这与部分观测到的旋转矮星系存在张力。该研究强调了当前星系形成模型在低质量端面临的挑战，为改进反馈模型提供了关键约束，指出星系形态作为检验星系形成理论的新探针的重要性。未来对体积完备样本的运动学观测将为进一步校准模型提供决定性检验。