早期宇宙星系尺寸演化之谜：中心星暴与内外淬灭机制主导星系大小变化

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The thesan-zoom project: central starbursts and inside-out quenching govern galaxy sizes in the early Universe

本研究利用高分辨率THESAN-ZOOM辐射流体动力学模拟，探索了高红移(3

　　

在宇宙的婴儿期，星系是如何形成和演化的？这个问题一直困扰着天文学家。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的升空，我们对高红移星系的研究进入了新纪元。观测数据显示，早期宇宙中的星系比我们预期的要小得多，而且它们的尺寸与质量之间的关系呈现出令人费解的模式。更奇怪的是，不同波长的观测显示了不同的星系大小——特别是Hα发射区域似乎比恒星连续谱区域要大得多。这些现象挑战了传统的星系形成理论，也让我们对早期宇宙中星系的生长机制产生了新的疑问。

传统的大型宇宙学模拟，如IllustrisTNG和FLARES，预测高红移星系应该呈现出负的尺寸-质量关系，即质量越大的星系尺寸反而越小。然而JWST的观测结果却显示完全相反的趋势——质量越大的星系尺寸也越大。这一矛盾暗示着我们可能 missing了星系演化中的某些关键物理过程。更令人困惑的是，为什么恒星形成区域(Hα)会比恒星本身分布的区域更大？是恒星形成确实发生在星系的外围，还是有什么其他机制在起作用？

为了解开这些谜团，剑桥大学领衔的国际研究团队使用了创新的THESAN-ZOOM高分辨率模拟，对早期宇宙中星系的尺寸演化进行了深入研究。这项研究最近发表在《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上，为我们理解星系形成的关键阶段提供了全新视角。

研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先是THESAN-ZOOM高分辨率辐射流体动力学模拟，该模拟在原始THESAN大尺度模拟基础上，通过"放大"技术对选定区域进行细致研究，同时结合了来自原始THESAN模拟的时变辐射场作为边界条件。其次是使用COLT(宇宙Lyα传输)代码进行蒙特卡洛辐射传输后处理，生成合成Hα和UV观测数据。第三是采用双幂律拟合方法分析尺寸-质量关系的红移演化，并引入斯特龙根球模型来解释扩展的nebular发射。

星系尺寸测量与观测对比

研究发现，THESAN-ZOOM模拟显示的星系内禀尺寸-质量关系在所有红移下都为正斜率，这与JWST观测结果一致，但与其它大型模拟的预测相反。当考虑观测偏差（如探测极限导致的选择效应）后，模拟结果与JWST测量的尺寸-质量关系差异缩小到0.1-0.2 dex以内。投影效应使得二维半光半径比三维尺寸平均小34%，这意味着基于观测计算的体积密度平均被高估了3.5倍。

1/2^*, upper left), Hα(r_1/2^Hα, upper right), UV(r_1/2^UV, lower left), and optical(r_1/2^opt, lower right) sizes.'>

宇宙时间尺度上的尺寸-质量关系

星系尺寸演化与恒星形成的爆发性密切相关。当星系位于恒星形成主序(SFMS)之上时，会经历形态压缩阶段——气体向中心流入引发中心星暴，新形成的恒星集中在较小空间尺度上，导致星系尺寸减小。这些星暴从内向外淬灭，中心恒星形成被抑制而外围仍在继续，导致星系尺寸增加。这种压缩和扩张的交替使星系围绕尺寸-质量关系振荡。

红移演化规律

星系尺寸的红移演化遵循双幂律关系，在z≈6处存在拐点。z>6时的大多数星系具有上升的恒星形成历史(SFH)，处于压缩阶段，因此尺寸比预期小。而z<6时，上升和下降SFR的星系群体达到平衡，尺寸遵循简单幂律演化。这种双幂律形式部分源于高红移处大量星系在星暴期间经历压缩的事实。

1/2^SFR, relative to the stellar half-mass radius, r_1/2^*, as a function of the offset from the SFMS, Δ_MS,10.'>

扩展的星云发射

模拟显示Hα尺寸相对于UV连续谱系统性地扩展，中值为1.7倍。这种扩展现象在偏离SFMS越远的星系中越明显。与普遍认为的"内外生长"解释不同，研究发现LyC发射在空间上与Hα发射分离——LyC尺寸比Hα尺寸小0.2-0.3 dex。通过简单的斯特龙根球模型可以重现观测到的趋势，表明扩展的Hα发射主要是由中央星暴期间极端LyC产生驱动的。

1/2^Hα/r_1/2^UV), against stellar mass(left) and SFMS offset, Δ_MS,10 (right).'>

研究结论强调，解析详细的ISM物理和爆发性恒星形成对于准确再现早期宇宙星系尺寸演化至关重要。正的高红移尺寸-质量关系、双幂律红移演化和扩展的星云发射都是爆发性恒星形成的自然结果。这一发现不仅解决了理论预测与观测之间的矛盾，还为理解早期宇宙中星系与超大质量黑洞的共同演化提供了新视角。该研究突显了多波长尺寸分析在揭示星系形成物理过程中的强大能力，为JWST时代的高红移星系研究奠定了重要理论基础。

值得注意的是，THESAN-ZOOM模拟目前尚未包含活跃的黑洞模型，而高红移星系的极端爆发性、中心集中的恒星形成模式自然引发了关于这种恒星形成与黑洞生长之间联系的新问题。未来将黑洞模型整合到THESAN-ZOOM模拟中，有望在爆发性恒星形成和中央星暴的背景下进一步揭示早期宇宙中星系与黑洞的共同演化之谜。