银河系化学双峰序列的宇宙学起源：从AURIGA模拟看盘形成与演化

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The Milky Way in context: the formation of galactic discs and chemical sequences from a cosmological perspective

本刊推荐：为揭示银河系化学双峰序列（[Fe/H] vs. [Mg/Fe]）的形成机制，研究人员利用AURIGA宇宙学模拟对30个银河系质量星系开展研究。结果表明化学双峰的形成与Gaia-Enceladus（GSE）并合事件无必然关联，而是由恒星形成率（SFR）的阶段性调制主导。金属丰度重叠现象源于星系周介质（CGM）的持续吸积，而非单一并合事件的气体稀释。该研究为理解盘星系化学演化提供了新的宇宙学视角。

　　

在银河考古学领域，一个长期困扰天文学家的谜题是：为什么太阳邻近区域的恒星在[Fe/H]（金属丰度）与[α/Fe]（α元素丰度比）的化学丰度平面上会形成清晰的双峰分布？这两个化学序列——高α序列和低α序列——不仅在α元素丰度上显著分离，还在金属丰度分布上存在重叠。这种化学双峰结构随银盘位置（半径和高度）变化而呈现复杂变化，成为理解银河系形成历史的关键线索。

以往研究提出了多种假说：有的认为双峰结构源于径向迁移效应（Sellwood & Binney 2002），有的归因于早期星系中的气体团块形成（Clarke et al. 2019），还有的强调并合事件诱导的恒星形成暂停（Haywood et al. 2016）。特别是近年来盖亚卫星（Gaia）发现的Gaia-Enceladus（GSE）并合事件，被认为可能通过气体捐赠和金属稀释在化学双峰形成中扮演重要角色。然而，这些假说缺乏在完整宇宙学背景下的系统验证。

为解决这一争议，Matthew D. A. Orkney等研究人员在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表了最新研究，利用AURIGA模拟套件对30个银河系质量星系进行深入分析。该研究首次在宇宙学框架下系统探讨了化学序列形成的物理通道，特别关注了GSE类并合事件的实际影响。

研究团队主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   选用AURIGA level-4分辨率模拟数据，包含完整的磁流体动力学和星系形成物理过程
2. 2.
   基于轨道圆度（orbital circularity）和金属丰度的联合判据进行星盘恒星筛选
3. 3.
   使用改进的Bhattacharyya距离（D_Bmod）量化化学双峰强度
4. 4.
   通过蒙特卡洛示踪粒子技术追踪气体起源
5. 5.
   分析恒星形成历史（SFH）与化学演化的时序关系

化学序列的多样性

AURIGA模拟显示出丰富的化学序列形态，从清晰的双峰（如Au-14、Au-18）到连续的单序列（如Au-2）均有体现。通过视觉分类和定量分析发现，化学双峰的出现与GSE类并合事件没有必然联系。具有GSE类遗迹特征的模拟（标记为"+"）在化学双峰强度（D_Bmod）上分布广泛，而某些没有经历重大并合的星系（如Au-25）反而呈现平滑的化学演化。

化学序列的时间形成

恒星形成历史分析揭示了一个关键规律：化学序列的形成本质上是顺序进行的，而非同时形成。高α序列形成于早期恒星形成率较高的时期，而低α序列则在随后的恒星形成率下降阶段形成。两者在时间上的表观重叠主要源于单年龄恒星群体的化学丰度展宽，而非真正的共时形成。

双峰形成的物理机制

研究发现了化学双峰形成的核心机制：恒星形成率的调制作用。在具有明显化学双峰的星系中，高α序列对应着恒星形成率的峰值期，随后出现一个恒星形成率的下降阶段（"间隙"），最后低α序列在恒星形成率重新上升时形成。这种恒星形成率的调制可能由多种因素引起：气体耗尽、并合诱导的星暴后静止期、或气体盘的剧烈扰动。

GSE类并合的气体稀释效应

通过精细的示踪粒子分析，研究发现即使是最显著的GSE类并合事件（如Au-24中的1:8质量比并合），其捐赠气体仅占后续盘恒星的<10%。金属稀释幅度最大不超过0.3 dex，且主要影响星系中心区域，无法解释太阳邻近区域观测到的约0.5 dex的金属丰度重叠。

化学序列形态的成因

化学序列在[Fe/H]-[Mg/Fe]平面上的形态（平坦或倾斜）与气体盘的几何结构密切相关。较薄的气体盘对应着向下倾斜的化学序列（[Fe/H]与[Mg/Fe]负相关），这反映了恒星形成率的长期下降趋势。而较厚的气体盘则允许金属贫乏气体在盘边缘持续形成恒星，产生平坦的化学序列。

研究结论表明，银河系化学双峰结构的形成是一个多因素过程：恒星形成率的阶段性调制是产生化学序列分离的主要驱动力；金属丰度重叠主要源于星系周介质的持续吸积，而非单一并合事件的气体捐赠；GSE类并合可能通过触发恒星形成率变化间接影响化学演化，但并非形成化学双峰的必要条件。这些发现将银河系的化学演化置于更广泛的宇宙学背景下，为理解盘星系形成提供了新的理论框架。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）等设备对高红移星系的观测进展，这种宇宙学视角下的银河系研究将愈发重要。