综述：星系熄灭回顾——第一部分：定义问题与观测结果

《ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS REVIEW》：A review of galaxy quenching — Part I: Defining the problem and observational results

　　

本综述系列的目标是从观测和理论两个角度全面概述星系恒星形成及其熄灭过程。基于大量文献，研究人员试图回答一个看似简单的问题：为什么星系会停止形成恒星？在第一部分中，研究人员集中讨论观测结果，特别是过去二十年中在回答这一基本问题上取得的巨大进展。第二部分则聚焦于理论和模拟，包括对其进行的直接观测检验。从观测角度看，宽场光谱巡天、空间分辨光谱、高分辨率亚毫米波和射电观测、X射线观测、哈勃太空望远镜（HST），以及最近的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）都极大地丰富了研究人员对恒星形成及其在星系熄灭中终结的实证知识。研究人员讨论了熄灭旨在解决的基本问题、在观测中识别宁静星系的各种途径、来自星系种群研究的观测约束，以及关于熄灭的空间分辨视角。本部分最后详细讨论了来自JWST观测的高红移前沿星系熄灭的最新结果。

1 引言

1.1 邀请：为什么星系会停止形成恒星？

整个综述系列关注一个简单直接的问题：为什么星系会停止形成恒星？这实际上是一个特别复杂且争论激烈的问题，在过去几十年中引发了大量的推测和研究。自2000年以来，超过8000篇研究文章在其摘要中提到了“熄灭”。这些出版物之间并未达成普遍共识。因此，本综述系列的目标是批判性地评估其中一部分广泛的研究，试图为各种常常相互冲突的观点带来秩序和清晰度。论文展示了来自薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）首次公开的多波段图像细节，其中几乎每个光源都是一个星系，显示出星系群在大小、形状和颜色上的巨大多样性。即使考虑到宇宙学距离效应，这种多样性依然存在，表现为明显的红色和蓝色星系，暗示了某些系统已经很久没有形成恒星，即所谓的“熄灭”星系。低质量恒星峰值在红色波段发射且寿命长，而高质量恒星峰值在蓝色波段发射且寿命短。因此，星系的颜色揭示了其恒星形成水平。没有年轻恒星族的星系显然已经很久没有形成恒星。红色星系的存在是“熄灭”（非恒星形成）星系存在的明确证据。最简单解释是它们耗尽了恒星形成所需的燃料（主要是氢气），但这并非事实，因为宇宙中绝大多数重子从未转化为恒星。即使在单个暗物质晕内，绝大多数重子也从未形成恒星。因此，问题在于为何有些星系停止了恒星形成而其他没有，并且必须排除仅仅是燃料耗尽的可能性。近一个世纪以来，观测已认识到一个独特的熄灭早型星系群体。埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的形态分类工作识别出椭圆和透镜状星系是平滑、中心聚集的系统。随后对星系团的研究揭示了这些形态优先与密集环境相关联，即形态-密度关系。同时，对遥远星系团的颜色研究发现了一个演化的蓝色恒星形成星系群体，表明熄灭星系群体必须在宇宙时间中逐渐组装。现代定量图景随着大型宽场星系巡天（特别是斯隆数字巡天，SDSS）的出现而浮现。Strateva等人证明了星系颜色的清晰双峰性，将红色宁静星系与蓝色恒星形成系统分开。这一结果后来被加强和扩展，确立了颜色-星等和颜色-质量空间中“红序”与“蓝云”之间的熟悉划分。这些观测发现为现代星系熄灭研究提供了经验基础，并确立了恒星形成的停止是支撑星系演化的主要过程之一。

1.2 ΛCDM的三个基本问题

1.2.1 宇宙学问题：为什么恒星形成效率如此之低？

关于星系种群，最基本的事情之一是预测数密度-恒星质量关系，即恒星质量函数。最简单的星系形成模型假设重子按宇宙重子比例存在于暗物质晕中、重子有效冷却、高密度重子形成恒星。遵循这些假设内的合理经验约束会导致结论：到当前纪元，绝大多数重子应存在于恒星中。此外，此类简单模型预测星系的恒星质量函数应由按宇宙重子比例缩放的暗物质晕质量函数很好地代表。然而，比较缩放后的晕质量函数与观测到的恒星质量函数，一致性非常差。首先，只有约5-10%的重子在当前纪元存在于恒星中，比简单模型预测的低一个数量级。更糟的是，恒星质量函数并不追踪缩放后的晕质量函数。相对于Λ冷暗物质（ΛCDM）的朴素预测，低质量和高质量星系都存在明显的不足。这种结构无法仅用引力物理学解释。因此，必须寻求重子物理过程来解释星系分布相对于暗物质晕的偏差。如果无法调和这两个质量函数的形状，那么尽管取得了所有成功，ΛCDM也无法成为宇宙的准确描述。理论家们广泛认为，超新星（SN）反馈可以修正质量函数低质量端的差异，其原理是通过将气体逐出系统，大大减慢星系中的恒星形成速率。然而，在接近恒星形成峰值晕质量处，SN变得无效，实际上通过快速积累气体库加剧了高质量端的问题。为了解决这个更具挑战性的不一致性，许多理论家转向了最有效的物质-能量转换机制——致密天体上的引力吸积。因此，活跃星系核（AGN）反馈现在在模型中被广泛引用为解决质量函数高质量端差异的关键。SN和AGN反馈的理论将在本综述系列的第二部分详细讨论。

1.2.2 星系团问题：为什么热气体晕是稳定的？

如果大多数重子不在恒星中，它们在哪里？在最高质量的晕中，答案是在充满暗物质晕的热等离子体中。这些重子通常处于维里温度。由于热力学第二定律，高温物体置于较冷的周围介质中时必须随时间冷却。在最高质量晕中，冷却过程是通过轫致辐射（自由-自由）相互作用。冷却率随密度和温度增加而增加。因此，随着晕质量增加，给定半径处的密度和整个晕的恒定温度都增加，导致冷却率增加（冷却时间减少）。因此，最大质量的晕在热力学上最不稳定。这被称为“冷却灾难”，因为它与星系团、群和高质量孤立系统中稳定热大气的观测直接矛盾。如果这些热大气没有被热力学稳定化，将导致重子失控吸积进入星系，引发恒星形成，最终产生超大质量星系。因此，星系团问题与上一小节讨论的宇宙学问题直接相关。晕的稳定直接影响（甚至可能是主要原因）恒星质量函数相对于高质量端缩放后晕质量函数的偏移。显然的解决方案是引入某种加热源。可能的加热源包括：流入的冷气体流对热气体晕的激波加热、超新星加热和气体循环、超大质量黑洞周围吸积盘发射的射电喷流加热，以及由AGN或星暴驱动的星系风注入的加热和湍流。星系-星系合并形成热大气也可能非常重要。简而言之，在高质量晕中需要加热源来实现热气体晕的稳定性并防止中央星系内的恒星形成。

1.2.3 双峰性问题：为什么存在两种类型的星系？

首批证明星系群双峰性的出版物研究了宽场巡天的颜色-星等空间。这些工作强调，在基本层面上，本地宇宙中存在两种类型的星系——红色和蓝色系统。论文展示了来自SDSS的本地星系静止帧、消尘后的颜色作为恒星质量的函数。图中存在明显的结构，星系大致分为两个高密度区域——“蓝云”（左下方）和“红序”（右上方）。每个区域按平均比恒星形成率（sSFR）着色。很明显，红色星系的sSFR低，蓝色星系的sSFR高。这是恒星族演化的预期结果。星系双峰性的问题很简单——为什么存在两个基本类别的星系，而不是一个或七个？这与理解星系为何停止形成恒星的主要目的密切相关。历史上，熄灭首先是在星系双峰性的背景下讨论的，今天许多河外天文学家仍然主要从这个问题的角度思考。