THESAN-ZOOM项目：爆发、淬灭、循环——揭示高红移星系沿恒星形成主序的演化

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：The thesan-zoom project: Burst, quench, repeat — unveiling the evolution of high-redshift galaxies along the star-forming main sequence

为解决高红移星系恒星形成主序(SFMS)演化争议，研究人员通过THESAN-ZOOM辐射流体动力学模拟，首次发现SFMS归一化随红移演化强度(∝(1+z)2.64)显著强于观测推断值，揭示观测因缺失低恒星形成星系样本或高估星暴率而存在偏差。研究还发现星系存在外部驱动（大尺度冷流涌入）和内部驱动（ISM循环抛吸）两种星暴模式，为理解早期宇宙恒星形成的剧烈变异性提供了全新理论框架。

　　

在宇宙早期星系形成研究领域，一个长期存在的核心争议在于恒星形成主序(Star-Forming Main Sequence, SFMS)的演化规律。SFMS描述了星系恒星形成率(SFR)与恒星质量(M_*)之间的紧密相关性，是理解星系增长轨迹的基石。理论基于暗物质晕增长模型预测SFMS归一化应随红移强烈演化(∝(1+z)^5/2)，但观测研究却给出了从平坦到陡峭的不同结论。更令人困惑的是，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)近期发现了大量异常明亮的超高红移星系，这究竟是由于早期星系普遍存在的剧烈"星暴"活动导致，还是观测选择效应造成的假象？这些问题对理解早期宇宙的星系形成物理机制提出了严峻挑战。

为破解这些难题，由剑桥大学William McClymont领导的研究团队在《皇家天文学会月报》上发表了THESAN-ZOOM模拟项目的突破性研究成果。他们利用新一代辐射流体动力学模拟，首次系统揭示了高红移星系沿SFMS的演化规律及其物理起源。

研究团队采用了一系列先进的技术方法：基于AREpo-RT代码的辐射流体动力学模拟实现了对多相星际介质的精细建模；蒙特卡洛辐射传输代码(coLT)用于生成Hα和紫外(UV)合成观测数据；零膨胀负二项分布(zNBD)拟合处理了SFMS中的淬灭星系拖尾效应；通过朋友-of-朋友(FOF)算法和SUBFIND-HBT子晕识别构建了完整的星系演化树。模拟涵盖了3<>

SFMS的拟合与归一化演化

研究发现内在SFMS的归一化随红移演化强度为∝(1+z)^2.64±0.03，显著强于通常从观测推断的值。当过滤掉弱恒星形成星系(SFR<0.1 M_⊙/yr)后，模拟能够重现较平坦的观测演化，这表明当前观测拟合存在偏差，可能由于缺失了"休眠"星系种群或高估了恒星形成率。

观测示踪剂的偏差效应

分析揭示Hα和UV作为恒星形成率示踪剂存在系统偏差：Hα推导的SFR系统性偏低，主要由于LyC光子逃逸和尘埃吸收等因素；UV推导的SFR则系统性偏高且分散严重，因其实质探测的是约24Myr而非通常假设的100Myr时标。

星暴模式的二元性

研究识别出两种星暴机制：外部驱动模式由大尺度冷流入流触发，能维持 prolonged 的极端恒星形成 episodes；内部驱动模式则由星际介质(ISM)的循环性抛射和再吸积主导，即使在相对稳定的大尺度流入下也能引发星暴。

主序散射的时标演化

通过分析不同平均时标下的SFMS散射(σ_MS)，发现短期散射(<50Myr)随红移增加而增大，证实早期宇宙恒星形成确实更加剧烈；而总散射却随宇宙时间增加，由长期环境效应的日益重要所驱动。

气体流入流出关联

交叉相关分析显示恒星形成爆发与星系尺度气体流入强烈相关（中位滞后41Myr），而随后的大规模流出则滞后约21Myr，揭示了"吸入-爆发-喷出"的自我调节循环。

紫外散射的启示

研究测得本征UV散射在z>6时收敛于σ_UV≈0.7 mag，表明单靠散射增加可能不足以解释JWST发现的亮星系超丰度现象，暗示需要低质量星系具有更高UV发光效率（如偏重初始质量函数或活动星系核贡献）。

这项研究通过最先进的宇宙学模拟，首次系统揭示了高红移星系恒星形成主序的完整演化图景。其重要意义在于：解决了理论与观测在SFMS红移演化上的长期分歧，指出观测偏差主要源于样本不完备性；提出了外部驱动和内部驱动并存的星暴机制二元模型，为理解早期恒星形成的剧烈变异性提供了统一框架；对Hα和UV示踪剂的校准修正将提升未来观测研究的准确性；关于UV散射的结论为解释JWST异常亮星系提供了关键约束。这些发现将深刻影响我们对早期宇宙星系形成和演化的认识，为下一代望远镜的观测策略提供重要理论指导。