星系中分子气体和原子气体成分的研究

Interstellar gas is the predominant component in the interstellar medium. The molecular gas and atomic gas offer the fuel of star formation and also tightly correlate with various physical processes of galaxy evolution. Based on our previous model work, this project will extend the semi-analytic models of galaxy formation and evolution including molecular and atomic gas components. And we will make the models to run on both Millennium and Millennium II simulation halo outputs. Our model will adopt the simple molecular proportional star formation law according to recent observations and study the effect of galaxy properties (e.g stellar mass, star formation rate, metallicity) on the molecular gas consumption time scale and the H2-CO conversion factor X_CO. Our model results will be applied to compare and explain the observations from nearby galaxies, e.g. the radial surface density profiles of molecular and atomic gas, the size of gas disk, the gas phase metallicity radial gradients, etc. And we will then focus on the results at high redshift to study the redshift evolution of molecular and atomic gas. We will also generate the mock catalogues for the gas components at high redshift, which can provide some guide and prediction for the observations of cold gas at high redshift in the next few years, such as the FAST radio telescope.

星际气体是星际介质的主要组成部分，其中冷气体成分包括分子气体和原子气体是恒星形成的基础，并与星系中各种物理过程密切相关。本项目将利用之前工作的基础，对包含分子气体和原子气体成分的星系形成和演化的半解析模型进行扩展，并同时运行于Millennium和Millennium II模拟的输出结果之上。模型将采用简单的分子气体成正比的恒星形成率，并研究分子气体消耗时标以及观测中CO 和H2的转换系数X_CO与星系质量、恒星形成率、金属丰度等性质的关系。模型结果将用于比较和解释近邻星系中分子原子气体径向面密度轮廓、气体盘尺度、气体成分的金属丰度梯度等观测结果。之后模型将着重于高红移结果，研究分子气体和原子气体的红移演化，生成高红移气体成分的mock catalogue，为将来几年的一些高红移冷气体成分观测的项目(如FAST望远镜等)做一些预言和指导。

本项目利用之前的星系形成和演化半解析模型，对模型进行了一系列扩展，运行于Millennium、Millennium II、Aquarius暗物质halo基础上，来研究其中分子和原子气体的一些性质。主要研究了以下几方面：.(1)利用半解析模型给出的中性氢HI气体的径向面密度度轮廓，较好的解释了观测得到的两个结果。HI气体的尺度-质量关系主要来源于分子-原子气体的转化；HI气体外围轮廓的均一指数盘主要来自于指数形式的HI气体吸积与下落.(2)在半解析模型中加入了ram pressure对于星系盘上冷气体成分的剥离，从而研究气体剥离过程对于恒星形成、冷气体比例、星系成团性的影响。我们发现位于大质量星系团中的小质量卫星星系受到ram pressure气体剥离影响最为明显，使得这些星系中的恒星形成过程被显著地抑制了。.(3)利用本项目半解析模型给出的HI气体的结果，可以构建HI气体的21cm mock catalogue，用于给FAST和SKA等大型射电设备HI气体巡天观测做预言，包括近邻矮星系、低红移盘星系、高红移宇宙中的中性氢气体成分。.(4)“失踪卫星星系问题”在HI气体成分方面是否存在。我们结果发现“失踪卫星星系问题”不但存在于星系的恒星成分方面，HI成分方面也存在类似的问题，也就是模型预言的低HI质量的矮星系数目偏多。其可能是由于冷暗物质不正确，也能是由于我们对于矮星系中一些重子物质过程描述不精确所导致的。.通过本项目的研究，使得我们对于目前星系形成和演化半解析模型有了进一步的理解和完善，尤其是提供了半解析模型框架下研究分子和原子气体的方法，为之后各类大型射电设备（如ALMA、FAST、SKA）对于分子和原子气体观测预言并解释观测结果提供了可能。另一方面，结合今后本星系群中HI气体的观测以及我们的模型结果，将有助于探究暗物质粒子的性质（冷暗物质或者温暗物质）。