2.3-星系形成和演化

§2.3 星系形成和演化

星系形成和演化也是天体物理研究一个基本问题, 同时星系作为宇宙的基本单元在了解宇宙的物质分布、化学演化等方面起独特的作用。在暗物质晕基础之上的星系形成理论框架已经建立, 近年来随大规模的星系巡天开展以及大望远镜的深入观测,人们对星系中主要的物理过程有了更为深入的认识。

在本篇的第一小节我们首先介绍基于暗物质晕模型的星系形成与演化的图像，截止目前，这个图像已经取得了巨大的成功，对我们理解宇宙中的星系形成与演化的过程起着至关重要的指导性作用。然而，一方面，对理论的检测与验证直接依赖于对星系的观测结果；另一方面，星系的形成与演化的过程中牵涉到的物理过程远比目前的理论计算所能包含的更为复杂，对这些复杂具体物理过程的研究需要更为细致的观测与分析,以及观测与理论研究之间的进一步相互促进。鉴于此，我们在本篇将花费更多的笔墨介绍星系和形成与演化领域观测方面的进展。实际上这方面的研究范围非常广泛，受限于撰稿人的视野和篇幅，我们只能选取有限的研究领域进行介绍。我们在第二小节简单介绍原初（第一代）星系的形成以及宇宙再电离观测给出的限定；随后介绍高红移星系的探测，这方面的观测使得我们可以直接获得宇宙不同时期星系形成与演化的图像；之后的三小节中，针对星系形成与演化过程中的一些关键物理过程，我们覆盖了星系中的恒星形成与演化，星系形态的形成与演化，以及星系的化学演化等研究领域的内容。

2.3.1 星系形成理论

从3.2节我们了解到，宇宙中占主导的物质是冷暗物质，冷暗物质结构形成是等级成团。暗物质在红移z～20-30左右塌缩最先形成较小（百万到千万太阳质量）的维里化的结构--暗物质晕（参见 2.2）；这些暗晕经历并合、吸积等过程形成更大的暗晕结构。重子和暗物质在线性增长阶段很好混合，而在非线性塌缩阶段重子由于存在耗散过程而与暗物质分布出现偏差。暗晕先维里化，重子在暗晕的引力场中冷却、进一步下落最后形成星系。在这种图像中, 首先星系形成也是等级式, 在红移z~20-30是形成小星系, 这些小星系之后通过并合、吸积形成大星系; 其次星系形成过程可以分二个阶段考虑, 暗晕的形成和演化以及与重子相关的星系形成过程。如3.2.2所述，对暗物质的纯引力作用过程现在已经有相当好的理解，任何红移的暗晕结构和演化可以从数值模拟给出，这样就可以把主要精力放在目前还没有很好理解的重子物理过程上。

暗晕的性质和演化在星系的形成和随后的演化中扮演极其重要角色。每个暗晕包含的气体质量和气体性质由暗晕性质决定；其次暗晕之间的巨大吸引力促进它们之间并合，在暗晕中的星系随后也会并合，产生增大星系同时产生星系形态的变化；最后，暗晕的引力场也决定星系从周围吸积气体的过程。

联接暗晕和星系一个重要概念是暗晕占据数分布P(N|M,z), 它描述一个特定红移z和质量M的暗晕中，找到N个一定性质星系的概率。这个概念最早由Jing et al. (1998)等

提出，他们将其应用到当时最大的星系红移巡天－Las Campanas 红移巡天，测量了星系的占有数分布，并解释星系相对于暗物质的空间分布和速度分布的差异。随着2dF 和斯隆巡天等新一代星系红移巡天的出现，暗晕占有数模型方法有了进一步发展，如条件光度函数Φ(L|M,z)方法， 它描述质量为M 的暗晕对应的光度为L 的星系数目。Yang et al.[2003]等最先给出从观测星系性质确定条件光度函数的方法， 他们比较基于暗晕的分布性质和条件光度函数从理论上预期的星系性质和观测到2dF 星系巡天的星系分布， 给出局地宇宙条件光度函数; 最近这一方法也被应用到高红移星系中。暗晕占据数分布同时也将暗物质和星系的空间分布联系起来，基于这一考虑，可以从观测的星系样本构造更为物理的星系团/群样本[Yang et al. 2005]。

星系形成和演化理论涉及到重子各种复杂的耗散和加热过程，包括重子的冷却和加热过程、恒星形成及其反馈过程、金属增丰过程、核活动及其反馈过程、星系并合过程、以及各种动力学和热不稳定性等（见Mo, van den Bosch, White 2010）。目前有二类主要研究星系形成方式， 一类是半解析模型，从观测和模拟等总结出的各种基本物理过程并用一些简化参数化形式加入到星系形成模型中； 另一类是基于包括辐射流体的高精度数值模拟，从第一性原理出发模拟各种耗散和反馈过程。由于对物理的简单处理，半解析模型计算成本要低得多，因此半解析模型可以把主要可能的物理过程考虑进来，其结果对分析各种物理过程的在星系形成过程中的作用具有很好的指导作用； 而数值模拟可以更为精确研究特定的物理过程作用, 但计算成本很高， 因此只能包括有限的一些主要物理过程。二者也经常混合使用。

气体在向中心下落的过程中，相互作用耗散， 同时也可能形成恒星。 如果恒星形成时标比气体塌缩时标短，由于恒星是非耗散体系，形成类似椭圆星系的热星系；反之如果恒星形成时标长于气体塌缩时标, 由于能量耗散，形成的转动支撑的盘星系。决定气体塌缩时表的一个关键因素之一是气体的角动量, 暗晕（包括其中重子）在成团过程中通过潮汐作用获得角动量, 暗晕角动量的分布可以从理论上很好给出（3.2.2）。 在角动量的作用下气体下落到一定位置就形成转动支撑的盘(原初星系)，其半径和跟气体角动量相关； 随后的气体内落速度取决与角动量的转移，随着盘面密度的增加，气体盘将是引力不稳定， 形成恒星, 盘星系就这样形成的。因此在一般原星系塌缩形成是盘星系。 随后盘星系通过长期演化产生出旋臂结构、棒等， 或者通过主并合形成椭圆星系。

星系形成和演化理论观测检验包括星系的光度函数、颜色分布、 形态分布，以及星系不同参数之间的关系。星系的光度函数描述不同光度的星系在宇宙特定时刻的数密度，往往可以用一个Schechter 函数来近似描述； ****

()exp L L dL L L L L αφφ-⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

主要参数是低光度段的斜率(α)和特征光度L *。尽管低光度的星系在数目占主导, 星系主要光度来自于特征光度附近的星系。对于局部宇宙中的星系，特征光度Mi 。观测到光度函数