恒星形成星系中的重子循环和动力学演化: 解析和数值模拟研究

With rapid development of astronomic techniques, continued accumulated data of multi-wavelength imaging and spectroscopic observations have revealed rich physical and chemical states of galactic halo gas. Galactic halo gas traces inflowing star-formation fuel from metal-poor intergalactic medium in the cosmic web and feedback outflow from a galaxy’s disk, its complex multiphase gas flow also provides a key clue to probe the disk-halo interface and relevant radiation -hydrodynamic processes, it is therefore a crucial to our understanding of galaxy evolution. In context of the current scenario of galaxy formation, employing the analytical and hybrid N-body/hydrodynamic numerical simulation, combining with multi-wavelength observational tests, this project is aimed to explore the baryon cycling of gas inflowing accretion, star formation and its feedback outflow in star-forming galaxies(SFG). The key problems to be addressed include the dynamics and thermodynamics of accretion flow and its redshift evolution, the feedback from star formation and AGN, the gas-star system in SFG disk and its dynamics-driving evolution during redshifts 3 -1. Furthermore, we will make an attempt to construct a plausible empirical model of relevant sub-grid baryonic physics applied to high-resolution cosmological simulations. Incorporated with semi-analytical method and confronting the observations, it is expected to make predictions or re-produce the spatial distributions of density, temperature, velocity and metallicity in circumgalactic medium, the statistical correlation between the global properties of galaxies (star-formation rate, stellar mass, size metallicity etc.), the morphological evolutionary picture of SFGs from high to low redshifts, and furthermore test the current model of galaxy formation and evolution.

星系气体晕不仅示踪来自宇宙网络的贫金属气体的内落和恒星形成反馈产生的外流，而且其复杂的多相流特征也是探索内流-外流相互作用以及相关辐射流体动力学过程的重要线索，对细致了解星系的演化具有重要意义。本项目将以恒星形成星系(SFG)为主要研究对象，借助解析和N体/流体数值模拟方法，结合多波段观测，细致研究气体吸积、恒星形成及其外流反馈所构成的重子循环过程。期待通过本项目研究，进一步了解星系气体吸积的动力学与热力学过程及随红移的演化，明确恒星形成反馈与活动星系核反馈效应的作用，揭示SFG内部气体与恒星系统在红移3-1之间的动力学演化机制，建立包含各相关物理过程的准确亚网格物理模型，并应用于宇宙学数值模拟。结合半解析方法，预言或重现星系气体晕的密度、温度、速度与金属的空间分布，星系整体性质的统计相关，恒星形成星系从高红移至中低红移的形态演化的观测图像，检验星系的形成和演化模型。

本项目按项目计划书拟定的内容开展相关研究工作，我们结合大规模流体数值模拟和统计分析方法，研究了宇宙网结构中的重子分布和吸积动力学，发现纤维结构中暗物质和重子物质从中心到外围的密度径向分布符合普适的等温单 模型，而不同粗细纤维中的密度分布呈现自相似特征。通过对纤维结构中气体吸积过程的考察，我们发现截面径向特征尺度会显著影响其所包含中小质量暗物质晕的气体吸积率。结合近年来在宇宙快速射电暴的研究热点，发展了利用FRB作为探针去研究宇宙网中的重子分布，并可以对星系形成中的反馈过程进行限制。通过模拟不同质量暗晕中冷气体流的详细演化过程，对暗物质晕冷热吸积模式转化的理论图像进行有效的认证和完善； 通过引入更为真实的星系气体分布和恒星演化模式，开展了恒星反馈在M82星系中作用的流体模拟研究。利用大规模宇宙学数值模拟样本，揭示了样本中影响盘星系星系棒形成与演化的因素，特别是中心区域气体比例，恒星反馈，活动星系核反馈，暗物质晕属性的影响；给出了星系熄灭率作为星系质量和星系所处环境密度函数随红移演化的拟合关系，它将有助于利用巡天观测数据更准确地重构星系形成和演化的历史。基于随机行走模型发展了单个星系恒星形成历史的重构方法，更细致地研究模拟中亚网格物理对恒星形成历史的影响，该方法对星系形成演化历史的研究有重要的参考价值 。在广义相对论框架下，研究了星系中心大质量旋转黑洞的喷流结构，获得了旋转黑洞磁驱动的整体喷流解，解释了 M87 的速度分层并对黑洞的自旋给出有效约束。基于相对论性吸积盘理论的辐射机制研究，发展了通过观测提取类星体辐射效率与大质量黑洞质量相关性的统计方法，该研究将有助于揭示大质量黑洞的宇宙学演化历史。