[论文解读] From Clusters to Proto-clusters: the Infrared Perspective on Environmental Galaxy Evolution

Stacey Alberts, Allison Noble|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本综述从红外观测的视角，综合分析了环境在星系演化中的作用，重点关注星系团及其高红移前身——原星系团中的星系熄灭机制。研究表明，红外数据揭示了宇宙时空中被尘埃遮蔽的恒星形成、分子气体含量以及熄灭路径，揭示了（原）星系团中复杂且依赖环境的演化路径。

ABSTRACT

Environment is one of the primary drivers of galaxy evolution; via multiple mechanisms, it can control the critical process of transforming galaxies from star forming to quiescent, commonly termed "quenching". Despite its importance, however, we still do not have a clear view of how environmentally-driven quenching proceeds even in the most extreme environments: galaxy clusters and their progenitor proto-clusters. Recent advances in infrared capabilities have enabled transformative progress not only in the identification of these structures but in detailed analyses of quiescence, obscured star formation, and molecular gas in (proto-)cluster galaxies across cosmic time. In this review, we will discuss the current state of the literature regarding the quenching of galaxies in (proto-)clusters from the observational, infrared perspective. Our improved understanding of environmental galaxy evolution comes from unique observables across the distinct regimes of the near-, mid-, and far-infrared, crucial in the push to high redshift where massive galaxy growth is dominated by highly extincted, infrared-bright galaxies.

研究动机与目标

• 通过宇宙时空中红外数据，综合当前关于环境驱动星系熄灭的观测证据。
• 阐明内部与外部多种熄灭机制在高密度环境中塑造星系演化的作用。
• 考察近红外、中红外与远红外波段的红外观测量如何揭示（原）星系团星系中被尘埃遮蔽的恒星形成与分子气体。
• 评估从 z ≈ 0 到 z > 2 期间，星系团与原星系团中星形成星系向宁静星系转变的过程。
• 利用大质量星系团作为天体物理实验室，建立环境驱动熄灭的边界条件。

提出的方法

• 系统性回顾来自空间望远镜（IRAS、Spitzer、Herschel、WISE、JWST）与地面设施（ALMA、NOEMA、JCMT）的多波段红外数据。
• 分析谱谱能分布（SEDs）与谱线数据（如 CO、[CII]），以推断恒星形成率、分子气体含量与尘埃特性。
• 利用光度红移与光谱红移，将星系置于宇宙时空中，并按环境密度分组（空洞、丝状结构、星系群、星系团）。
• 利用大规模巡天（如 HeViCS、VERTICO、GASP、COSMOS）比较不同环境与红移下星形成星系比例与 SFR-密度关系。
• 整合亚毫米波与毫米波巡天数据（如 ALMA、PACS、SPIRE），探测高红移原星系团中冷气体与被遮蔽的恒星形成。
• 应用环境密度估计量与恒星质量分箱，量化宇宙时空中形态-密度关系与 SFR-密度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z ≈ 0 到 z > 2，星系的恒星形成率（SFR）与宁静星系分数如何随局部环境密度变化？
• RQ2 在 z ≳ 2 的原星系团中，红外观测到的分子气体与尘埃遮蔽的恒星形成在星系熄灭过程中扮演何种角色？
• RQ3 多种熄灭机制（如激波剥离、窒息、活动星系核反馈）在（原）星系团中在多大程度上同时起作用？它们如何随环境与红移变化？
• RQ4 SFR-密度关系与形态-密度关系从低红移到高红移如何演化？它们揭示了熄灭过程的时间特性为何？
• RQ5 在 z ≳ 2 时，原星系团对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献有多大？与成熟星系团相比如何？

主要发现

• 星系的星形成分数随局部星系密度增加而逐步下降，从空洞中接近 100% 降至 z ≈ 0 时大质量星系团中的 <50%。
• 在 z ≳ 2 的原星系团中，可观测到大量恒星形成，红外明亮、尘埃包裹的星系主导了恒星形成率密度（SFRD）。
• 在 z ≈ 1–2 的星系团中，SFR-密度关系出现崩溃或反转，表明该时期熄灭机制迅速增强。
• 红外观测表明，星系团中宁静星系的原子气体与分子气体含量均较低，与环境过程导致的熄灭一致。
• 在 z ≈ 10 时，原星系团中大质量星系的分数可能贡献了高达宇宙 SFRD 的一半，凸显其在早期大质量星系成长中的重要性。
• 来自 JWST 与 ALMA 的多波段红外数据对解析高红移（原）星系团中被遮蔽的恒星形成与分子气体至关重要，使详细熄灭路径分析成为可能。