等级成团对星系恒星质量增长历史推断的阻碍：基于TNG100模拟的校正研究

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Hierarchical assembly impedes the inference of stellar mass growth histories for individual galaxies

本刊推荐：为解决JWST观测到的高红移大质量静止星系早期恒星形成历史与冷暗物质(CDM)宇宙学模型的潜在矛盾，研究人员通过TNG100模拟开展等级成团对恒星质量增长历史推断偏差的量化研究。研究表明，考古学方法会系统高估早期恒星质量（最高超一个量级），并发现晕质量是偏差的主要决定因素。该研究为高红移星系观测数据与理论模型的稳健比较提供了关键校正方法。

　　

当我们仰望星空时，看到的不仅是恒星的璀璨光芒，更是宇宙历史的活化石。近年来，詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)的观测数据让天文学家们陷入了一场关于宇宙早期星系形成的新争论——一些在红移z>3时就已经"死亡"的大质量静止星系，似乎包含着在z>7时期形成的古老恒星。这种极早期的恒星形成历史是否挑战了我们公认的冷暗物质(CDM)宇宙学框架？还是暗示了早期宇宙中存在近乎百分之百的恒星形成效率？

这一争议的核心在于研究方法的基本假设。传统上，天文学家通过光谱能量分布(SED)拟合来推断星系的恒星质量增长历史，这种方法隐含地假设观测到的星系中的所有恒星都是在同一个原星系中形成的。然而，在等级成团模型中，大质量星系是通过较小星系的连续并合而组装起来的。这就产生了一个关键问题：我们能否通过后代星系中恒星的年龄，来准确重建其单个最庞大前身星系的增长历史？

为了回答这个问题，曼彻斯特大学的R. K. Cochrane博士在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表了最新研究。该研究利用新一代IllustrisTNG(TNG100)宇宙学流体动力学模拟，首次系统量化了等级成团对恒星质量增长历史推断产生的偏差。研究发现，考古学方法会显著高估早期恒星质量，这种偏差随着晕质量的增加、距离观测时代越远以及后代星系红移的降低而增大。

研究方法与技术路线

研究团队利用TNG100模拟的公共数据，该模拟的共动箱长100Mpc，暗物质粒子质量为7.46×10⁶M_⊙，重子粒子质量为1.39×10⁶M_⊙。关键技术包括：使用subLink算法构建子晕并合树来追踪星系组装历史；比较考古学恒星质量历史(基于恒星年龄)与真实最庞大前身恒星质量历史；分析偏差与星系/晕性质的相关性；基于模拟结果推导校正因子。研究选取了z=1-8的500个最庞大后代星系样本，确保统计可靠性。

研究结果

3.1 历史恒星质量的高估与红移和回溯时间的关系

研究发现，考古学推断的恒星质量与真实最庞大前身质量之比(M_?,考古学/M_?,前身)随着回溯时间的增加而系统性增大。对于z=1(z=2)观测的大质量星系，单个前身的恒星质量在z≥6时平均被高估≥3倍(≥2倍)。偏差在低红移后代星系中达到最大值，因为这些星系有更多宇宙时间经历并合事件。

3.2 历史恒星质量的高估与星系/晕性质的关系

通过分析最大偏差值与星系关键参数的相关性，研究发现晕质量是决定偏差的基本参数。一旦考虑晕质量依赖性，其他星系性质(恒星质量、恒星形成率、半质量半径、质量加权恒星年龄和黑洞质量)与偏差的相关性显著减弱。这表明晕质量是等级组装偏差的主要驱动因素。

3.3 模拟导出的恒星质量历史校正

研究提供了基于TNG100的校正因子，使观测研究能够对推断的恒星质量增长历史进行更稳健的校正。校正显示，对于固定后代恒星质量，距离观测时代越远的考古学推断越有偏差；更庞大的后代星系的恒星质量历史通常偏差更大。这种质量依赖性源于晕-恒星质量关系在高恒星质量(M_?～4×10¹⁰M_⊙以上)处的陡化。

研究结论与意义

该研究通过系统分析证明，等级成团会显著影响恒星质量增长历史的推断，考古学方法可能将早期恒星质量高估超过一个量级。当将校正方法应用于争议源ZF-UDS-7329时，研究发现校正后的恒星质量历史与极端值统计(EVS)预期的差异显著减小，早期恒星质量不再强烈挑战ACDM模型或要求极端恒星形成效率。

这一发现对高红移星系研究具有深远意义：首先，它缓解了JWST观测与ACDM模型之间的表面矛盾；其次，强调了在比较观测数据与理论模型时必须考虑等级组装效应；最后，提供的校正方法为未来研究提供了重要工具。尽管个体星系的并合历史差异阻碍了精确个体校正，但群体水平的校正能够显著改善观测与理论的一致性。

该研究还指出，ZF-UDS-7329相对平坦的恒星质量历史与TNG模拟中星系的考古学历史存在差异，这可能反映了当前模拟在亚网格物理模型上的局限性。未来工作需要更大样本的早期静止星系来更好地测试晕增长模型，同时考虑宇宙方差和环境效应的影响。

总之，这项研究为我们理解高红移大质量星系的形成提供了关键见解，表明现有观测既不挑战ACDM模型，也不强烈支持早期极端恒星形成效率。等级成团导致的推断偏差是宇宙学研究中必须考虑的基本效应，这一认识将深刻影响未来对星系形成和演化的研究。