上海交大杨小虎课题组发文：条件光度函数的测量结果对小质量星系形成与演化理论发起了挑战

　　

暗物质晕（暗晕）中存在的星系数量、光度和质量等与星系的形成与演化理论密切相关。在当前学术界达成共识的星系形成理论框架下，银河系质量的暗晕（约1012h-1M☉）是形成恒星最为高效的场所，拥有最高的恒星-暗晕质量比。大质量暗晕中的星系会由于活动星系核的反馈，遏制星系的进一步增长，在恒星-暗晕质量比上表现为随暗晕质量的下降行为。而在小质量端，由于星风、超新星等反馈机制的作用，小质量暗晕中的恒星形成效率也会快速降低，表现为恒星-暗晕质量比随暗晕质量的减小而下降的行为。如图1左上角小图中的各条虚线所示。

图1：中心星系的恒星-暗晕质量比

近日，上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所的杨小虎教授课题组结合 DESI LS DR9、SV3和Y1的测光和光谱观测数据，首次获得了不同质量暗晕中星系条件光度函数和条件恒星质量函数在小质量端的精确测量。研究发现，在低红移情况下，相比以往的外推结果，星系条件光度（恒星质量）函数在109 h-2L☉(h-2M☉)以下表现出显著的斜率改变。这一结果表明：暗晕中存在大量的小质量卫星星系，它们随着暗晕子结构的吸积进入了暗晕。而进一步的分析则显示：星系条件光度（恒星质量）函数在小质量端的斜率与暗晕子结构质量函数(SHMF)在小质量端的斜率呈现出显著的一致性（如图2虚线）。这一结果暗示了在小质量暗晕中星系的恒星形成效率可能是一个常数，这与当前学术界达成共识的星风、超新星反馈的强烈遏制恒星形成理论存在着显著冲突。

图2：红移0.1处的暗晕星系条件光度函数和条件恒星质量函数测量

值得一提的是，由于对星系条件光度函数和条件恒星质量函数的积分就是星系的整体光度函数和恒星质量函数，上述的斜率陡变行为应当在以往的星系观测中有所体现。然而，迄今为止的观测，都没有声称发现过小质量端有如此大斜率的星系光度函数和恒星质量函数。为此，团队针对DESI Y1的光谱完备度、星等极限进行了细致的分析，发现有两个效应会影响整体测量结果：测光红移误差以及我们观测者处于宇宙的近邻空洞区域。通过修正这两种效应后，团队发现：星系的整体光度函数和恒星质量函数同样在小于109 h-2L☉(h-2M☉)处表现出十分显著的斜率改变（见图3中的星号所示结果）。而且，它们的斜率和暗晕质量函数在小质量端的斜率完美相符（图3中的虚线）！由此自洽检验了我们的测量结果。

图3：基于DESI Y1数据获得的星系光度函数和恒星质量函数的测量。修正测光红移的影响以及近邻宇宙空洞效应后的光度函数如星号所示

基于这一星系恒星质量函数测量结果和理论上的暗晕质量函数，我们可以利用丰度匹配模型将星系的恒星质量与所在暗晕质量的关系延伸到暗晕质量108 h-1M☉（见图1中的实线）。我们发现在1010.5 h-1M☉以下暗晕中，星系的恒星-暗晕质量比呈现出显著的水平趋势。这一行为表明：小质量暗晕中仍然存在高效的恒星形成效率，与经典星风、超新星反馈的强烈遏制效应存在着显著冲突。该结果或许和近期韦伯空间望远镜看到更多的高红移星系有对应的机理，为未来建立完善的星系形成与演化理论提供了一项强有力的观测基准。

该工作发表于国际天文期刊《The Astrophysical Journal》，第一作者为上海交通大学2020级博士生王艺蓉，上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院杨小虎教授为通讯作者。该工作得到了科技部重点研发、国家自然科学基金、上海自然科学基金以及中国载人航天科学工程项目的支持。

作者：

叶丹

供稿单位：

物理与天文学院