在 CAMELS 中，气体储库预测未来星系增长超越晕组装历史

《New Astronomy》：Gas reservoirs predict future galaxy growth beyond halo assembly history in CAMELS

　　

•在中质量范围内，内部状态对生长的预测超越晕组装历史。
•9.55–10.55 dex 窗口在完整的 13 特征晕组装历史控制下依然显著。
•气体质量是主要载体；并合历史恢复的吸收信号为零。
•内部信号与恒星与晕的比例（f* 生存测试）正交。
•TNG 通过生长表达该信号；SIMBA 通过淬灭表达该信号。

引言
星系形成的一个核心问题是，哪些属性最能预测星系在未来几十亿年间将如何生长或淬灭。通常讨论三类属性：星系的内部重子状态（气体含量、恒星形成率、恒星质量），其宿主暗物质晕的属性（质量、集中度、自旋、形成历史），以及大尺度环境（局部密度、群丰富度、纤维状结构）。大量文献已单独处理了每个家族（例如，Davé et al., 2012, Wetzel et al., 2013, Behroozi et al., 2019, Moster et al., 2013, Peng et al., 2015），并且越来越多的工作将星系与其暗物质晕在宇宙时间尺度上联系起来（Wechsler and Tinker, 2018, Gao et al., 2005, Wechsler et al., 2006, Mao et al., 2018），但在相同样本、时间跨度和控制结构下的系统比较则较少见。

困难在于这些家族并非独立。晕质量与环境相关。气体含量通过吸积率与晕组装历史相关——在高红移通过冷流，在后期通过热晕冷却（Dekel et al., 2009）——并且反馈驱动的外流会被回收（Bouché et al., 2010, Lilly et al., 2013）。恒星质量——任何内部描述的一部分——本身就是过去生长的记录，因此隐式地编码了组装历史。属性家族与未来结果之间的相关性因此可能反映的是引力背景，而不是该家族特有的重子过程。将当今属性与未来状态相关联的标准方法——无论是通过经典统计还是机器学习特征排序（例如，Bluck et al., 2023, Davies et al., 2020, Teimoorinia et al., 2016, Lovell et al., 2019, Matthee and Schaye, 2019）——并不能清晰地分离这些贡献。

一个更尖锐的问题是：在控制了晕结构和组装历史已经预测的内容之后，星系的内部重子状态是否携带关于其未来的额外信息？而且答案是否取决于恒星质量？一些结果表明这可能如此。观测和模拟显示，中等恒星质量（logM?～9.5–10.5）下的星系生长对气体供应和反馈特别敏感（Davé et al., 2012, Pillepich et al., 2018a, Saintonge et al., 2017），而在低质量下，生长追踪大尺度结构和潮汐场，在高质量下，活动星系核反馈和晕势越来越多地主导淬灭（Croton et al., 2006, Weinberger et al., 2018, Peng et al., 2015）。如果重子状态与未来生长之间的耦合确实是特定质量区间的，那么预测者家族的全球比较将错过这种结构。

我们直接使用 CAMELS 宇宙方差（CV）系列（Villaescusa-Navarro et al., 2021）来解决这个问题，该系列在固定天体物理参数下提供了 IllustrisTNG（Weinberger et al., 2017, Pillepich et al., 2018b）和 SIMBA（Davé et al., 2019）各 27 个独立实现。27 个实现的统计独立性允许在群体水平上评估预测分数的自助法置信区间，而不是针对单个实现。我们从早期时期（z≈0.77）星系属性构建三个预测者家族，并询问每个家族在 z=0 时预测三个结果（恒星生长、淬灭和晕生长）的程度，既包括整个样本，也包括作为恒星质量的函数。核心诊断指标是一个边际分数：当特征家族被添加到晕组装历史控制中时，交叉验证预测性能的增量，通过共享自助法评估。这直接测量了一个特征家族是否携带了超越晕引力记录的预测信息。

关键进展如下。没有特征家族在所有目标和质量区间内始终领先：3 × 3 性能矩阵显示两个模拟家族中都存在统计平局。相对于并合树匹配，空间匹配使组装历史基线膨胀了 3.7 倍，这是一个必须在跨家族组装历史比较之前考虑的混淆因素。在低到中等恒星质量下——直到 logM?/M⊙?10.55——内部气体储库信息在完整的 13 特征组装历史控制之外，保留了未来恒星生长的预测能力。这种残差由气体数量携带：它在控制恒星质量和当前（比）恒星形成率后依然存在，并且它不是气体利用效率（消耗时间）效应。储库本身被晕组装历史强烈预测，但残差气体成分继续预测生长——因此气体储库由晕组装历史塑造但并未被其耗尽。在 logM?/M⊙?10.55 附近，预测结构发生变化：黑洞和淬灭状态——通过目录级黑洞代理而非直接反馈能量测量追踪——成为更有信息的通道，且高质量群体很大程度上已淬灭。完整的 L3 组装历史控制仅适用于 TNG；由于 SIMBA 没有可用的 SubLink 等效并合树，我们在匹配的静态晕（L1）控制下比较两个反馈模型，它们通过不同的通道表达这种残差重子信息——TNG 中的恒星生长和 SIMBA 中的淬灭——并且我们不做任何 SIMBA L3 控制的声明。该机制的下边缘由分辨率和目录底限效应设定，而不是尖锐的物理阈值；结果在所有 27 个 CAMELS CV 实现中以及晕结构变量的选择中 otherwise 稳定。

部分片段
CAMELS CV 系列
我们使用 CAMELS 的宇宙方差（CV）子系列，包含 IllustrisTNG 和 SIMBA 在固定宇宙学和天体物理参数下各 27 个独立实现（Villaescusa-Navarro et al., 2021）。每个盒体为 25h?1Mpc，包含 2563 个暗物质粒子；我们使用快照 066 和 090（z=0.7747 和 z=0）。我们将限制为中心星系且 logM?(z=0.77)≥9.0；匹配后 TNG SubLink 样本包含 n=7362 个星系，SIMBA 空间样本 n=4203。

预测特征家族
我们定义三个预测者

没有特征家族始终领先
完整的 3 × 3 评分矩阵见附录 D（表 8）。在 TNG SubLink 和 SIMBA 空间匹配中，每个单元格都是平局：没有特征家族在所有三个目标中领先，且每一对间隙的 95% 置信区间跨越或接近零（见图 1）。

这种平局在两个模拟家族中都很稳健：尽管在整体可预测性水平上存在差异，TNG 和 SIMBA 在获胜结构上达成了一致。目标内排序取决于目标（生长在中质量倾向于内部；淬灭倾向于内部在

解释：从燃料受限到淬灭受限的生长
在一个有上限的中等质量区间内（在此系列中 L3 下显著直到 logM?/M⊙?10.55），星系在 z≈0.77 时的重子状态携带了关于其 z=0 恒星生长的预测信息，这些信息由其引力轨迹未完全捕捉——即使给定静态位置、多个回溯窗口的吸积率、峰值质量、半质量组装时期、并合计数和主要并合时机。字面结果是一个预测转变：在低到中等质量下该

结论
我们比较了三个预测者家族——内部星系属性、晕结构属性和环境测量——作为 CAMELS CV IllustrisTNG（n=7362）和 SIMBA（n=4203）中心星系中恒星生长、淬灭和晕生长的预测者，并逐步控制晕结构位置和组装历史。主要发现是：
1.没有特征家族始终领先：3 × 3 评分矩阵中的每个单元格在 TNG 和 SIMBA 中都是统计平局。总体平局

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
作者感谢开源科学 Python 社区为本工作提供的底层库：NumPy、SciPy、pandas、scikit-learn、matplotlib 和 tqdm。CAMELS 模拟由 CAMELS 合作组制作，并通过 Flatiron Institute 数据门户公开获取。CAMELS IllustrisTNG 使用由 IllustrisTNG 合作组开发的 IllustrisTNG 星系形成模型；CAMELS SIMBA 使用由 R. Davé 和合作者开发的 SIMBA 模型。

Kunal Bhatia