利用气体研究星系的死亡机制和回馈对星系的影响

Throughout the whole life of the universe, less than 5% of the baryons have been converted into stars, implying that some physical processes must be responsible for suppressing star formation in galaxies. Within this context, one of the most hotly debated open questions is the identification of the process responsible for quenching star formation in galaxies and transforming them into passive and quiescent systems. Theories of galaxy formation have proposed various possible mechanisms, such as: gas removal by powerful outflows or ram pressure stripping, heating and photoionization of the interstellar medium, turbulent or gravitational quenching, halt of the gas supply inflow (often referred to as "strangulation"). However, the relevance and relative role of these mechanisms (as a function of cosmic epoch and galaxy properties) is not yet clear, because the constraints provided by observational data, such as star formation rate, metallicity, morphology and structure, have not yet been able to clearly discriminate between the different scenarios. ..One of the keys to tackle this major outstanding open issue is the gas content in galaxies, in both atomic phase and molecular phase. Since gas is the fuel of star formation, it will provide direct observational evidence of how quenching happens. In this project, we will use the gas content measured by different observational facilities, including Arecibo, IRAM, APEX, JCMT, and from FAST HI survey in the future. More specifically, the promise of this project is to identify and quantify the dominant quenching and feedback mechanisms proposed by theories in galaxies, as a function of galaxy properties and as a function of environment. The results of this project will be a benchmark for any model of galaxy evolution. In particular, one important component of this project is to study the atomic gas in the galaxies. This will help to plan the forthcoming HI surveys with FAST, and SKA in long term.

在宇宙的整个生命中，只有不到5％的重子被转变为了恒星，这意味着必须存在一些抑制星系中恒星形成，导致星系死亡的物理机制。在这种情况下，争论最为激烈的问题之一就是确定导致星系死亡，将其转变为宁静系统的过程。星系形成的理论提出了各种可能的机制，然而这些机制的相关性和相对重要性尚不清楚。因为单一的观测数据，如恒星形成率，金属含量，星系形态和结构，都还不能够清楚地区分能导致星系死亡的不同的物理过程。解决这个难题的关键之一是研究星系中的气体含量，包括原子气体和分子气体。由于气体是恒星形成的燃料，它将提供星系死亡和回馈过程的最直接的观测证据。在这个项目中，我们将使用由不同的设施测量的星系的气体含量，包括Arecibo，IRAM，APEX等，和未来的FAST中性氢巡天。此项目的一个重点在于对星系中性氢气体的观测和研究，这将为FAST，以及更长远的SKA的中性氢巡天策略，科学目标和研究方法等提供指导和准备。

在宇宙的整个生命中，只有约5％的重子被转变为了恒星，这意味着必须存在一些抑制星系中恒星形成，导致星系死亡的物理机制。在这种情况下，争论最为激烈的问题之一就是确定导致星系死亡，将其转变为宁静系统的过程。星系形成的理论提出了各种可能的机制，然而这些机制的相关性和相对重要性尚不清楚。因为单一的观测数据，如恒星形成率，金属含量，星系形态和结构，都还不能够清楚地区分能导致星系死亡的不同的物理过程。解决这个难题的关键之一是研究星系中的冷气体含量，包括原子气体和分子气体。由于气体是恒星形成的燃料，它将提供星系死亡和回馈过程的最直接的观测证据。围绕这个科学目标，我们开展了一系列系统性的研究工作，取得的重要结果包括：发现和提出了描述星系的冷气体和恒星形成过程的基本形成关系FFR；提出了结合FFR和气体调节模型，来研究星系种群的形成和演化的新方法，并由此推导出了星系气体的内外流等关键物理量；发现近临宇宙中处于熄灭过程中的大质量中心漩涡星系，含有惊人的大量中性氢冷气体，这些星系熄灭的原因不是因为没有中性氢冷气体，而且是因为它们的分子氢气体耗尽，同时分子氢的恒星形成效率也显著降低所导致；通过进一步计算盘星系和其吸积的气体的角动量，发现随着红移的减小，盘星系吸积的气体的角动量不断增加而变的过大，导致气体在径向上的内流减小，从而导致星系恒星形成率的降低，据此提出了角动量熄灭恒星形成的新理论等。这些结果对我们理解星系的形成和演化有着重要的科学意义；为那些正在进行和即将到来的大型观测仪器和项目（如FAST，CSST，SKA等）的巡天策略、科学目标和研究方法等提供了帮助和准备。