星系和活动星系核的物理过程及共同演化

Current theories of galaxy and active galactic nucleus (AGN) formation and evolution from primordial density perturbations are still not fully able to catch up with the challenges set by the wealth of observational data that have been accumulating in recent years and hinting the coevolution of AGNs and their host galaxies. Building on a coevolution model envisaging the formation of local massive elliptical galaxies or bulges of Sa galaxies mainly through self-regulated baryonic processes within high redshift dark matter halos as proto-spheroidal galaxies rather than through merging of disk galaxies, we have developed a successful and comprehensive “hybrid” approach, combining a physical forward model for spheroidal galaxies and the early evolution of the associated AGNs with a phenomenological backward model for late-type galaxies and for the later AGN evolution, to understand the multi-wavelength (from infrared- to millimeter- and ultraviolet-waves) observational estimates of the luminosity functions at different redshifts, of the redshift distributions, of the number counts, and so on, and to make predictions for future surveys, such as, SPICA/SAFARI and CCAT. In this project, to further examine and upgrade the model, we propose to make more predictions for infrared SPICA/SMI and radio SKA surveys, to study the clustering of UV/optical-resolved high redshift galaxies, and to develop a more accurate model that can simultaneously and consistently account for the UV/optical and infrared/sub-millimeter data.

星系和活动星系核的大量观测数据，不仅揭示了它们共同演化的线索，而且还给现有的星系和活动星系核形成和演化理论模型提出了挑战。其中一个关于共同演化的物理模型认为，近邻的椭球星系和Sa星系的核球主要是通过高红移暗物质晕里的重子自调节演化形成，而不是通过盘星系的并合形成。我们发展了这种物理模型，并结合一个描述低红移晚型星系及其活动星系核的光度函数的唯象模型，给出一个能够很好地解释不同红移的光度函数等多波段（从红外到毫米和紫外波段）观测数据的“混合”模型，并对SPICA/SAFARI和CCAT等未来的巡天观测做出了预言。基于这个模型，我们将进一步对SPICA/SMI和SKA的观测做出详细的预言，同时研究紫外/光学分辨的高红移星系的成团性来预言它们所在的暗物质晕的特征质量。更为重要的是，我们将进一步完善这一物理模型，使其能够同时自洽地解释紫外/光学和红外/亚毫米的数据。

理解星系的形成与演化、星系与活动星系核的共同演化，以及活动星系核的光变起源是现代天体物理研究的几大重要领域。本项目的研究内容涉及到这几个方面的重要课题。基于我之前所发展的星系和活动星系核共同演化模型，我们对SPICA/SMI和SKA等下一代天文设备的巡天观测做出了大量的预言，为未来的巡天观测提供重要的参考依据。并且，从全新的角度，我们发展了一个完全基于观测数据的星系演化模型，解释了高红移的活动星系和活动星系核的主序，完善我们对星系演化的认识：即局域的自调节演化模式在高红移星系的演化中有非常重要的作用，是对传统的并合过程的重要补充。..同时，我还深入研究活动星系核的紫外/光学的光变起源。从理论上，我成功地提出用吸积盘的热涨落模型来解释许多复杂的光变观测数据，包括紫外/光学波段的时标相关的颜色光变、相关性和时延等，为理解活动星系核的光变起源提供一种全新的机制。从观测上，我们发现了光变的许多新特征，比如，紫外波段的时标相关的颜色光变，提出挑战已有的X射线照射模型的全新观测证据，发现射电噪类星体的喷流产生与吸积盘内区的较强磁场有关，发现冕和吸积盘在长时标上可能受到共同的扰动，发现存在其它影响功率谱的因素等等。