不同宇宙环境下矮星系的质量函数分布及其对ACDM模型普适性缺失矮星问题的挑战

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The dwarf stellar mass function in different environments and the lack of a generic missing dwarfs problem in ΛCDM

本研究利用COSMOS和XMM-LSS深场测光数据，结合NewHorizon、TNG50和FIREBox等高分辨率宇宙学流体动力学模拟，首次系统分析了矮星系(M★<109.5 M⊙)质量函数随大尺度结构距离的演化规律。研究发现近节点和纤维状结构的星系质量函数呈现"膝部抬升、低端扁平化"特征，且三种模拟在矮星系区间的预测差异达0.5 dex，但未发现支持ACDM存在普适性缺失矮星问题的证据，为星系形成理论提供了关键约束。

　　

在宇宙的宏大剧场中，矮星系如同繁星点点的群众演员，虽然单个亮度微弱，却以其庞大数量主导着宇宙演化的进程。这些恒星质量低于10^9.5倍太阳质量的小型星系，不仅是宇宙再电离时期的重要贡献者，更因其浅引力势阱而成为研究暗物质性质和星系形成机制的理想实验室。然而长期以来，我们对矮星系的认知始终被困在"本地宇宙的牢笼"中——由于过去巡天观测的深度限制，像斯隆数字化巡天这样的广域巡天只能探测到本地宇宙中具有高恒星形成率的明亮矮星系，这导致了对矮星系种群认知的系统性偏差。

更令人困惑的是著名的"缺失卫星问题"：理论预测的矮星系数量与银河系周围实际观测到的数量之间存在显著差异。这一度让科学家们怀疑标准宇宙学模型ACDM的正确性，甚至催生了温暗物质、模糊暗物质等替代理论。但问题的关键在于，如果矮星系确实"缺失"，那么这种现象不应该仅限于银河系邻居，而应该在整个宇宙中普遍存在。直到深度巡天时代的到来，才为回答这一根本问题提供了新的机遇。

在这项发表于《皇家天文学会月报》的研究中，由赫特福德大学I. Lazar领导的研究团队通过整合COSMOS和XMM-LSS深场的高质量测光数据，结合三种先进宇宙学模拟的对比分析，首次在0.2<>

研究团队主要采用了多波段测光数据结合光谱能量分布拟合技术，利用COSMOS2020和CLAUDS XMM-LSS星表获取了约1.7万个星系的光度红移和恒星质量参数。通过DisPerSE算法构建宇宙网状结构，以星系距离节点和纤维结构的投影距离作为环境指标。同时选取NewHorizon、TNG50和FIREBox三种高分辨率流体动力学模拟进行对比，这些模拟的空间分辨率达20-140秒差距，质量分辨率达10⁴-10⁵倍太阳质量级别，覆盖了星系团至星系群的不同环境。

矮星系质量函数的环境依赖性

研究发现宇宙大尺度结构对星系质量函数形态具有决定性影响。当接近节点和纤维结构时，质量函数呈现两个显著变化：膝部特征质量M^*向高质量端移动0.3-0.4 dex，而矮星系端的斜率α₁变得更为平坦（变浅0.1-0.2 dex）。这种"膝部抬升、低端扁平"的趋势导致近LSS区域的大质量星系与矮星系数量比显著增加。值得注意的是，这种环境效应主要受纤维结构距离主导，节点距离的影响相对较弱。

ACDM模型中的缺失矮星问题检验

通过观测数据与模拟结果的系统对比，研究揭示了三个关键发现：首先，三种流体动力学模拟在M_★<10⁹ M_⊙区间表现出合理的一致性，但在矮星系质量区间（膝部以下）的预测差异可达0.5 dex，这种差异主要源于重子物理过程（如恒星形成反馈、活动星系核反馈和星际介质物理）的不同实现方式。其次，当考虑SED拟合质量低估的校正（约0.2 dex）后，观测与理论间的一致性进一步改善。最重要的是，在所有环境（而不仅是银河系类似环境）的综合分析中，未发现支持ACDM存在普适性缺失矮星问题的证据。

这项研究的意义在于首次将缺失卫星问题的讨论从银河系邻居扩展到全宇宙环境，为ACDM模型提供了强有力的观测支持。研究发现的环境依赖性质量函数变化，与基于偏置成团理论的理论预期高度一致，表明大尺度潮汐力对暗物质晕聚集历史的调控是塑造星系质量分布的关键机制。三种模拟间的差异则凸显了精确建模重子物理过程对理解矮星系演化的必要性。随着LSST和Euclid等新一代巡天的到来，未来有望在更低质量端和更大宇宙体积内进一步检验这些发现，最终揭示矮星系在宇宙结构形成中的完整角色。