利用约束性模拟研究星系形成历史和生态环境

Recently, we have developed a method that allows us to accurately reconstruct the initial conditions that lead to the observed Universe at low redshift and can be used to simulate the structure and gas distribution in the cosmic web and their evolution. This method can be used not only to effectively reduce cosmic variance in observations and numerical simulations, but also to investigate how environments and formation histories shape the galaxy population we observe. We plan to apply this method to SDSS DR13 and 2MASS Redshift Survey so that we can obtain constrained simulations of local Universe that cover almost the entire sky. We will also perform higher-resolution hydro-dynamical simulations for several interesting regions. Based on these constrained simulations and the wealth of observational data of the galaxy population and intergalactic medium (IGM), we will focus on the following key science questions: (1) the environmental dependence of morphology transformation and galaxy quenching, (2) histories and environments for galaxies and dark halos, (3) the formation history of galaxy clusters, (4) general properties of the IGM and ‘missing’ baryons, and (5) correlations between the galaxy distribution and mass distribution. Our goal is to carry out a systematic investigation about how gas processes and ecology affects galaxy formation and evolution, capitalizing on the new method we develop and the wealth of observational data available now and in the future.

我们发展了一套方法,可以精确再构造低红移观测宇宙的初始条件，进而模拟真实宇宙中cosmic web及其气体的演化。这种方法不仅可以有效克服观测和数值模拟中存在的cosmic variance，还可以真实再现环境和历史对星系形成及演化的影响。我们计划把这一方法应用到SDSS DR13和2MASS Redshift Survey等巡天上，构建接近覆盖全天的近邻宇宙再构造模拟。我们还将挑选出几个特殊的区域进行高精度zoom-in流体动力学模拟。基于这些再构造模拟以及大量星系和IGM观测，我们将关注以下几个关键科学议题：(1)星系的形态转变与恒星形成终止的大尺度环境效应，(2) 星系与暗晕的历史环境，(3) 星系团形成历史， (4) 星系际介质属性与失踪重子，(5) 星系密度场和物质密度场相关性。我们的目标是利用这一全新的方法，结合众多观测数据，系统地研究气体过程和生态环境对星系形成及演化的影响。

理解星系的形成和演化是当代天体物理研究的重要课题之一。星系形成于宇宙大尺度结构之中，受到了周边的环境以及生态系统的显著影响。传统的研究基于计算统计量的方法，受到了宇宙方差等因素的影响。我们发展了一套方法，可以精确再构造近邻真实宇宙的初始条件，进而模拟其演化历史。基于这种再构造模拟以及对应的观测数据和其他模拟，我们对星系生态系统和环境进行了系列研究。我们在以下几个科学问题上获得了重要的成果：(1)星系的形态转变与恒星形成终止的大尺度环境效应，(2) 星系与暗晕的历史环境，(3) 星系团形成历史， (4) 星系际介质属性与失踪重子，(5) 星系密度场和物质密度场相关性。我们的以暗晕质量和历史为基础的模型成功解释了观测的环境相关性，这建议暗晕的质量和吸积是环境效应的主因，我们发现只有质量低于中央星系质量五分之一的卫星星系受到环境效应的显著影响。这为理解环境效应的物理尺度提供了一个全面且物理驱动的解释。在星系-物质关联领域，我们基于再构造模拟明确了斯隆巡天存在的宇宙方差问题，并且发现这会导致星系质量函数在低质量端系统性偏低。我们并发展了两种经验性星系形成模型建立星系和物质场之间的关联。在星系际介质方面，我们利用交相关方法成功构建了气体密度和气体温度的关系，而且我们发现一些著名的宇宙学流体模拟采用的活动星系核反馈模型会过度加热气体导致系统的偏差。我们运行的再构造的流体模拟再现了各种大尺度结构的观测属性（X-ray，SZ效应和类星体吸收线），可以用于未来的相应观测研究以及对重子物理的限制的理论研究。在星系团研究方面，我们再现了Coma星系团的演化历史，发现星系团激波会显著增强对卫星星系的冲击压剥离，并发展了高红移寻找原初星系团和星系群的算法。我们还发现历史上的环境甚至初始条件中的环境都对暗晕和星系的属性有着重要的影响。总之，我们的再构造模拟为研究星系、星系际介质、星系团和大尺度结构提供了理想的模拟平台。