变化的初始质量函数在半解析星系模型中的应用

A common challenge of the galaxy evolution model is to reproduce the high redshift evolution history. Many works fail in the prediction of redshift z~2 SFR-M* relation although they manage to reproduce the stellar mass function evolution by modifying the stellar feedback model. Changing the initial mass function is a possible solution, and yet to be fully studied. Most state-of-the-art galaxy evolution models adopt invariable IMF. Recent studies, on the other hand, suggest variable galactic scale IMF that depends on the galaxy properties. This project is proposed to use the semi-analytic galaxy model GAEA to test the impact of variable IMF on the galaxy evolution and to fully understand the degeneracy between IMF, star formation history, and chemical abundances. This project is motivated to reproduce the high redshift SFR-M* relation, FIR luminosity function, and submillimeter luminosity function. In order to improve our understanding of high-redshift dusty gas-rich galaxies, we will add the yielding of CNO isotopes in GAEA. Our model prediction will provide theoretical support for constraining the galaxy evolution and IMF using big data of molecular gas from future ALMA observations.

如何重构高红移星系的演化历史是星系演化模型研究中的一个普遍难题。红移2左右的恒星形成率（SFR）被严重高估, 成为星系演化模型的一个巨大的挑战。模型中恒星初始质量函数（IMF）的选取起着举足轻重的作用，但是这种影响还没有被充分讨论。目前绝大部分星系演化模型使用恒定的IMF，而最近一系列观测证据表明星系尺度的IMF并非恒定,而随着金属丰度和恒星形成活动变化。本项目计划使用我和合作者的半解析星系模型GAEA，研究变化的IMF对各种类型星系演化的作用，试图全面理解IMF、恒星形成历史、和金属丰度之间的相互依赖关系。本项目将试图恢复高红移的恒星形成率-质量关系，远红外光度函数和亚毫米波光度函数。为了更好的研究高红移富尘埃富气体星系，本项目还计划在GAEA中加入碳氮氧气体同位素丰度的预测，这将为未来使用大样本ALMA观测分子气体限制高红移星系演化和初始质量函数提供模型支持。

初始质量函数（IMF）是连接大尺度星系演化和小尺度的恒星形成的重要桥梁。越来越多的理论和观测工作指出星系的IMF与星团中测量的IMF不同，并且IMF依赖于恒星形成时的环境。目前还缺少充分的工作研究变化的IMF对星系演化的影响。本项目致力于使用半解析模型GAEA，探究变化的IMF对星系恒星形成历史的影响，以及探索用同位素比例限制IMF的可能性。首先我们在模型中改进了对环境效应的处理，以更好的拟合星系的气体比例和熄灭比例等。我们在改进后的模型中加入了依赖于恒星形成率（SFR）的IGIMF，和同样SFR时更加top-heavy的top-heavy IGIMF。我们发现top-heavy IGIMF可以抑制高红移的恒星形成，可以替代有红移依赖的超新星反馈模型在半解析的作用，也能够微微改善模型对红移2的恒星形成主序的预测，但是依然与观测有较大差别。加入IGIMF后，模型对碳氧同位素12C/13C, 16O/18O比例的预测相比于Chabrier IMF更加贴近观测。半解析模型的结果与化学演化模型差别较大，说明在宇宙大尺度结构的背景中，研究IMF对元素丰度比的影响是非常必要的。目前GAEA模型中对金属增丰的处理也需要进一步改善。该项目已发表一篇论文，两篇正在修改中。